Systèmes et réacteurs
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- Aurore Duquette
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1 Systèmes et réacteurs 1
2 1. Intégration dans système Sous vide/atmosphérique Ouvert/fermé 2. Différents types de réacteurs 3. Système de transfert entre stock matière première et réacteurs 2
3 1. Intégration dans système Le concept des réacteurs thermochimiques par sorption met en œuvre les phénomènes de transport de matières et d énergie. Enceintes sous vide Les réactions de sorption peuvent être réalisés dans des enceintes sous vide. Avantage Transfert de matière (vapeur d eau par ex.) est très favorisé Inconvénients Complexité de fabrication Difficultés de maintien des conditions de vide Réduction des modes de transfert de chaleur: pas de convection, conduction réduite et rayonnement 3
4 1. Intégration dans système Le concept des réacteurs thermochimiques par sorption met en œuvre les phénomènes de transport de matières et d énergie. Réacteurs sous pression atmosphérique Avantages Construction et maintenance plus simple Choix entre système ouvert ou système fermé Transfert thermique important par convection forcée Consommation d énergie auxiliaire plus faible Inconvénients Transfert de masse de molécules d eau sous forme de vapeur réduit par la présence de gaz atmosphérique Conditions de transfert de chaleur tributaires des écoulements d air dans le milieu poreux Effet de corrosion 4
5 1. Intégration dans système Réacteurs sous pression atmosphérique Système sous pression atmosphérique Permet 2 configurations possibles: Système ouvert Système fermé Le modèle de réacteur sous pression atmosphérique a donc été choisi pour développer les prototypes de réacteurs à intégrer dans le système. 5
6 1. Intégration dans système Représentation du milieu réactif sous pression atmosphérique Les molécules de vapeur d eau présentes dans l air vont s adsorber sur la surface des matériaux en libérant de l énergie. Il faut donc apporter, par un flux d air, des molécules d eau en permanence pour maintenir l adsorption et l énergie dégagée. Cette énergie dégage de la chaleur qui va être transférée au flux l air qui entoure les grains de matières. En adsorption le flux d air qui traverse le milieu poreux d une part perd de son humidité et d autre par gagne en température. 6
7 1. Intégration dans système Considérations sur le transfert d énergie entre les grains du matériau et l air Conduction du grain dans lequel se situe la réaction d adsorption: Taille du grain moyen : 250 µm La conduction thermique est de l ordre de 1 W/m*K Comme la distance de transfert est très petite la faible conduction n offre pas de résistance au transfert d énergie vers la surface du grain. En tenant compte de la compacité on estime que la surface d échange est de l ordre de grandeur de m²/m³ de matériau. Ainsi un lit de 1m² et de 10mm d épaisseur a une surface interne d échange de 160 m². En prenant un coefficient d échange thermique de 15W/m²*K on a donc sur le lit de 1m² un échange de 2,400 W/K ce qui est excellent. 7
8 2. Différents types de réacteurs Réacteur à lit statique ou à lit mobile? Le matériau qui adsorbe de la vapeur d eau s enrichit en masse jusqu à la limite de déliquescence et dès ce moment la production d énergie est réduite fortement. Se pose le problème de remplacer le matériau dans le réacteur. On peut considérer que le matériau reste fixe et dès lors tout le stock de ce matériau est en même temps un réacteur. C est la conception du réacteur/stockage intégré. Lorsqu on a besoin d une grande masse de matériau il est économiquement impossible de construire suivant ce principe. Réacteur séparé du stockage de matériau et nécessite de réaliser le transfert entre les deux équipements 8
9 2. 1 Réacteur à lit mobile (réacteur dont le matériau est mobile) Facteur influençant le rendement du réacteur : Pertes de charge de l air à travers le lit 2 types de réacteurs: Lit agité: choix qui réduit fortement la perte de charge Lit confiné vertical: perte de charge fonction de la granulométrie/épaisseur/vitesse d air Premier choix: lit agité Deux types de réacteurs: Lit horizontal Lit circulaire 9
10 2. 1 Réacteur à lit mobile horizontal 10
11 2. 1 Réacteur à lit mobile circulaire 11
12 2. 1 Réacteur à lit mobile circulaire Intégration des échangeurs et de la circulation du composite 12
13 2. 1 Réacteur à lit mobile circulaire Tests au CEA/INES (Le Bourget-du-Lac, France) 13
14 2. 1 Réacteur à lit mobile circulaire Analyse des réacteurs Puissance (output) Variable Impossible d ajuster une puissance constante Transfert de solide poreux Temps trop long de transfert, principalement évacuation Fragilité vannes Résidus restent sur le tamis du réacteur Fluidisation par vibrations Besoin faible en énergie(41w) Fiabilité mécanique Pertes de charge très faibles < 70 Pa Bruit trop important (> 65 db) 14
15 2. Différents types de réacteurs Deuxième choix: réacteur à lit confiné vertical (écoulement gravitaire contrôlé) Objectif: puissance constante Écoulement du composite par couche intermittente (6 couches) Avantages : simplicité de fonctionnement/gestion flux de solide Difficulté : gestion du débit du solide 15
16 2. 2 Réacteur à lit confiné vertical Réacteur monté sur banc de test chez Be-Sol 16
17 2. 2 Réacteur à lit confiné vertical Réacteur monté sur banc de test au CEA/INES 17
18 2. 2 Réacteur à lit confiné vertical Caractéristiques du réacteur monté chez Be-Sol et résultats des tests Surface de passage air Epaisseur lit vertical Volume lit vertical 0,3120 m2 0,008 m 0,0025 M3 Humidité initiale composite 13% % Masse intiale dans lit réacteur 1,98 Masse initiale dans le lit Pair(W) P air(w) Taux de cyclage/masse initiale 66 Moy. mobile sur pér. (P air(w)) Time(s) 18
19 2. 2 Réacteur à lit confiné vertical Caractéristiques du réacteur monté chez Be-Sol et résultats des tests Surface de passage air Epaisseur lit vertical Volume lit vertical 0,3120 m2 0,008 m 0,0025 M3 Humidité initiale composite 13% % Masse intiale dans lit réacteur 1,98 Masse initiale dans le lit 650 P air(w) durant phase régime (840 to 1680 s / 14 minutes) Pair(W) 575 P air(w) 24 Moy. mobile sur pér. (P air(w)) Time(s) 19
20 2. 2 Réacteur à lit confiné vertical Caractéristiques du réacteur monté chez Be-Sol et résultats des tests Surface de passage air Epaisseur lit vertical Volume lit vertical 0,3120 m2 0,008 m 0,0025 M3 Humidité initiale composite 13% % Masse intiale dans lit réacteur 1,98 Masse initiale dans le lit 48,00 47,00 46,00 45,00 44,00 43,00 42,00 41,00 40,00 39,00 38,00 37,00 36,00 35,00 Pair(W) 34,00 33,00 32,00 31,00 30,00 29,00 28,00 27,00 26,00 25,00 24,00 23,00 22,00 21,00 20, Time(s) T sortie (moyen) T Entrée (moyen) T Entrée réacteur 21 Moy. mobile sur pér. (T sortie (moyen)) 20
21 3. Système de transfert de composite Transfert nécessaire du composite sous forme de poudre entre réacteur et stockage Caractéristiques à respecter: Automatique Éviter que le composite ne soit à l air libre Faible consommation énergétique Pas trop lent Ne pas dégrader le composite Ne pas mélanger le composite anhydre et hydraté Ne pas être sujet à la corrosion par le composite Aussi compact que possible Coût raisonnable 21
22 3. 1 Convoyeur à vis d Archimède 1 er système testé: vis sans fin à faible frottement 22
23 3. 1 Convoyeur à vis d Archimède Problèmes: Corrosion Colmatage Dégradation du composite: Granulométrie moyenne du composite: 70µm Maillage tamis: trous de 50µm Taux de passage avant utilisation du système à vis: 0,4% Taux de passage après 10h dans vis en mouvement: 48% 23
24 3. 2 Convoyeur XYZ Robot avec 3 degrés de liberté de translation Encombrant Moteurs trop puissants et chers Nécessite de la précision mécanique Coûts très élevés 24
25 3. 3 Transfert par dépression 1 ère étape: état de l art des systèmes de transfert de poudre sur le marché. 2 problèmes: Systèmes fabriqués uniquement avec de l inox 304L ou 316L (qui sont corrodés par le composite) Extrêmement cher (système de test pour et système complet entre et ) 2 ème étape: un système a été développé et testé dans le laboratoire de Be-Sol 25
26 3. 3 Transfert par dépression Système développé par Be-Sol Transfert de composite par paquets et à vitesse lente (1m/s) Distance de transfert testée: 12m de long et 3m de haut. Possibilité d atteindre les 50m de long et 20m de haut. Transfert rapide Consommation énergétique < 3% du contenu énergétique du composite Résultats après + de 70 cycles: aucune dégradation du composite 26
27 3. Système de transfert de composite Tableau récapitulatif Composite pas à l air libre Consommation énergétique Durée Pas de dégradation du composite Pas de mélange anhydre/hydraté Vis d Archimède Convoyeur XYZ (250W x4) (5min) (Moteurs trop puissants) (une dizaines de minutes) Transfert par dépression Pas sujet à la corrosion Compacité Coût (+ de ) ( seulement pour les moteurs) 27
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