Détermination des propriétés énergétiques d une solution binaire par DSC : Approche inverse basée sur un modèle réduit



Documents pareils
AIDE-MÉMOIRE LA THERMOCHIMIE TABLE DES MATIERES

SARM: Simulation of Absorption Refrigeration Machine

Stockage de chaleur solaire par sorption : Analyse et contrôle du système à partir de sa simulation dynamique

Monitoring continu et gestion optimale des performances énergétiques des bâtiments

Abstract : Mots clefs : Résistance thermique de contact ; Modèles prédictifs. 1 Introduction

Modélisation 3D par le modèle de turbulence k-ε standard de la position de la tête sur la force de résistance rencontrée par les nageurs.

U-31 CHIMIE-PHYSIQUE INDUSTRIELLES

CAPTEURS - CHAINES DE MESURES

Etude de l influence d une agression thermique sur les propriétés mécaniques résiduelles de matériaux composites

Mesures calorimétriques

Oscillations libres des systèmes à deux degrés de liberté

Sciences et Technologies de l Industrie et du Développement Durable ENERGIE THERMIQUE ENERGIE THERMIQUE

Chapitre 11 Bilans thermiques

Figure 3.1- Lancement du Gambit

Thermodynamique (Échange thermique)

' Département de Chimie Analytique, Académie de Médecine, 38 rue Szewska,

Mario Geiger octobre 08 ÉVAPORATION SOUS VIDE

1 ère partie : tous CAP sauf hôtellerie et alimentation CHIMIE ETRE CAPABLE DE. PROGRAMME - Atomes : structure, étude de quelques exemples.

Sujet proposé par Yves M. LEROY. Cet examen se compose d un exercice et de deux problèmes. Ces trois parties sont indépendantes.

Stockage inter saisonnier de l'énergie solaire par procédé thermochimique

Premier principe de la thermodynamique - conservation de l énergie

Les calottes polaires Isostasie Champ de température

Filtrage stochastique non linéaire par la théorie de représentation des martingales

Souad EL Bernoussi. Groupe d Analyse Numérique et Optimisation Rabat http ://

Propriétés thermodynamiques du mélange. Eau-Ammoniac-Hélium

ÉTUDE DE L EFFICACITÉ DE GÉOGRILLES POUR PRÉVENIR L EFFONDREMENT LOCAL D UNE CHAUSSÉE

BREVET DE TECHNICIEN SUPÉRIEUR QUALITÉ DANS LES INDUSTRIES ALIMENTAIRES ET LES BIO-INDUSTRIES

Fiche de lecture du projet de fin d étude

Projet SETHER Appel à projets Adrien Patenôtre, POWEO

Relation entre deux variables : estimation de la corrélation linéaire

NON-LINEARITE ET RESEAUX NEURONAUX

Contrôle par commande prédictive d un procédé de cuisson sous infrarouge de peintures en poudre.

La programmation linéaire : une introduction. Qu est-ce qu un programme linéaire? Terminologie. Écriture mathématique

Nanofluides et transfert de chaleur par convection naturelle

Exemples d utilisation de G2D à l oral de Centrale

Performances énergétiques de capteurs solaires hybrides PV-T pour la production d eau chaude sanitaire.

Formation à la C F D Computational Fluid Dynamics. Formation à la CFD, Ph Parnaudeau

Premier principe : bilans d énergie

STI2D : Enseignements Technologiques Transversaux

Les nouveautés de Femap 11.1

Géothermie et stockage: quo vadis? Pascal Vinard

Défi Transition énergétique : ressources, société, environnement ENRS Projet Exploratoire PALEOSTOCK

Cours d Analyse. Fonctions de plusieurs variables

Fonctions de plusieurs variables

PHYSIQUE Discipline fondamentale

Concours EPITA 2009 Epreuve de Sciences Industrielles pour l ingénieur La suspension anti-plongée de la motocyclette BMW K1200S

Nombres, mesures et incertitudes en sciences physiques et chimiques. Groupe des Sciences physiques et chimiques de l IGEN

Etudier le diagramme température-pression, en particulier le point triple de l azote.

Arithmétique binaire. Chapitre. 5.1 Notions Bit Mot

Liste de l ensemble des publications

Chapitre 1 Cinématique du point matériel

Influence des données aérauliques sur le comportement d un bâtiment pourvu d une façade double-peau.

BTS Groupement A. Mathématiques Session Spécialités CIRA, IRIS, Systèmes électroniques, TPIL

Optimisation non linéaire Irène Charon, Olivier Hudry École nationale supérieure des télécommunications

MESURE DE LA TEMPERATURE

SIMULATION DU PROCÉDÉ DE FABRICATION DIRECTE DE PIÈCES THERMOPLASTIQUES PAR FUSION LASER DE POUDRE

IMAGERIE PAR TOMOGRAPHIE ÉLECTRIQUE RÉSISTIVE DE LA DISTRIBUTION DES PHASES DANS UNE COLONNE À BULLES

Résolution d équations non linéaires

OPTIMISATION DE LA MAINTENANCE DES EQUIPEMENTS DE MANUTENTION DU TERMINAL A CONTENEURS DE BEJAIA (BMT)

- MANIP 2 - APPLICATION À LA MESURE DE LA VITESSE DE LA LUMIÈRE

Chapitre 1: Facteurs d'échelle

hydrogène au service des énergies renouvelables

La fonction exponentielle

Atelier : L énergie nucléaire en Astrophysique

Simulation du transport de matière par diffusion surfacique à l aide d une approche Level-Set

de calibration Master 2: Calibration de modèles: présentation et simulation d

La Recherche du Point Optimum de Fonctionnement d un Générateur Photovoltaïque en Utilisant les Réseaux NEURO-FLOUS

Leçon N 4 : Statistiques à deux variables

Analyse de la dynamique d un lit fluidisé gaz-solide en interaction acoustique avec son système de ventilation : comparaison théorie/expérience.

1 Mise en application

Correction de l examen de la première session

3 Approximation de solutions d équations

Module HVAC - fonctionnalités

Modélisation prédictive et incertitudes. P. Pernot. Laboratoire de Chimie Physique, CNRS/U-PSUD, Orsay

À propos d ITER. 1- Principe de la fusion thermonucléaire

Etude expérimentale et numérique de la Sédimentation/Consolidation de sols à très forte teneur en eau

BACCALAURÉAT GÉNÉRAL SÉRIE SCIENTIFIQUE

Programmation Linéaire - Cours 1

FUSION PAR CONFINEMENT MAGNÉTIQUE

Compte rendu de LA37 B, TP numéro 1. Evolution de la température et du degrée d'hydratation

Les Fibres naturelles pour les architectes - La réaction au feu des matériaux à base de fibres naturelles

Chapitre XIV BASES PHYSIQUES QUANTITATIVES DES LOIS DE COMPORTEMENT MÉCANIQUE. par S. CANTOURNET 1 ELASTICITÉ

Commun à tous les candidats

Algorithmes pour la planification de mouvements en robotique non-holonome

Manuel de validation Fascicule v4.25 : Thermique transitoire des structures volumiques

Étude d un système solaire thermique : Effet de l orientation des panneaux solaires

1 Recherche en table par balayage

SUIVI CINETIQUE PAR SPECTROPHOTOMETRIE (CORRECTION)

Les indices à surplus constant

T.P. FLUENT. Cours Mécanique des Fluides. 24 février 2006 NAZIH MARZOUQY

Module 3 : L électricité

Une conférence-débat proposée par l Institut National de la Recherche Agronomique

Chapitre 1. L intérêt. 2. Concept d intérêt. 1. Mise en situation. Au terme de ce chapitre, vous serez en mesure de :

I - Quelques propriétés des étoiles à neutrons

DÉVERSEMENT ÉLASTIQUE D UNE POUTRE À SECTION BI-SYMÉTRIQUE SOUMISE À DES MOMENTS D EXTRÉMITÉ ET UNE CHARGE RÉPARTIE OU CONCENTRÉE

DYNAMIQUE DE FORMATION DES ÉTOILES

Le turbo met les gaz. Les turbines en équation

Fonctions de deux variables. Mai 2011

ÉJECTEURS. CanmetÉNERGIE Juillet 2009

Test : principe fondamental de la dynamique et aspect énergétique

Transcription:

Détermination des propriétés énergétiques d une solution binaire par DSC : Approche inverse basée sur un modèle réduit Erwin FRANQUET 1, Stéphane GIBOUT 1, William MARÉCHAL 1, Didier HAILLOT 1, Jean-Pierre DUMAS 1 1 Laboratoire de Thermodynamique, Energétique et Procédés École Nationale Supérieure en Génie des Technologies Industrielles Bâtiment d Alembert, rue Jules Ferry, BP 7511, 6475 Pau cedex (auteur correspondant : erwin.franquet@univ-pau.fr) Résumé - Dans la continuité de travaux précédents, nous montrons ici la possibilité d utiliser une méthode d inversion basée sur la comparaison de thermogrammes expérimentaux et de thermogrammes numériques pour déterminer l enthalpie de solutions binaires. La nouveauté de cette approche réside dans la possibilité de reconstruire le diagramme de phase en utilisant un modèle réduit, supposant un échantillon sphérique, qui permet d accélérer le processus d inversion. Nomenclature c capacité calorifique massique, J kg 1 K 1 H enthalpie, J h enthalpie massique, J kg 1 k conductivité thermique, W K 1 m 1 L chaleur latente, J kg 1 m masse, kg n vecteur unitaire S surface, m 2 T température, K x fraction massique Symboles grecs α cœfficient d échange, W m 2 K 1 β vitesse de réchauffement, K s 1 Γ frontière du domaine ρ masse volumique, kg m 3 φ flux de chaleur, W χ fraction massique solide Indices et exposants conditions initiales a soluté E eutectique L liquide M fusion p paroi S solide w solvant 1. Introduction Etant donné le recours croissant aux matériaux à changement de phase (MCP) pour répondre aux problématiques énergétiques actuelles, par exemple le lissage de la production ou encore le stockage d énergie, la détermination précise de leurs propriétés intrinsèques relève aussi bien d un enjeu purement scientifique que de l optimisation des technologies les mettant en jeu. Dans cette optique, la détermination de l enthalpie du matériau h(t) en fonction de la température revêt un caractère fondamental. L un des moyens de répondre à ce besoin repose habituellement sur l utilisation d expériences de calorimétrie [1]. Néanmoins, l utilisation courante qui en est faite ne permet pas d identifier de manière certaine l enthalpie des échantillons testés. Ainsi, il n est pas rare de trouver des publications fournissant une fonction enthalpie variant avec la masse de l échantillon ou la vitesse de chauffe utilisée lors de l expérience [2, 3, 4, 5]. Or, ceci est contraire aux principes de la thermodynamique puisque l enthalpie est une fonction d état, qui doit par conséquent ne dépendre que des variables d état.

Afin de circonvenir à cette difficulté, une nouvelle méthode a été proposée afin d estimer correctement l enthalpie de MCP : les thermogrammes obtenus suite aux expériences de calorimétrie servent à une identification via une méthode inverse des paramètres d une loi d état, consistante d un point de vue thermodynamique. Cette approche, rappelée ci-après, a été utilisée avec succès pour des corps purs et des solutions binaires [6, 7]. Néanmoins, le processus de détermination reste gourmand d un point de vue informatique, aussi nous cherchons donc à optimiser ce temps de calcul en utilisant un modèle réduit. Cette méthode a déjà été testée et validée pour des corps purs [8] et le but de la présente étude est de valider la démarche pour des solutions binaires. 2. Présentation de la méthode 2.1. Modélisation de l échantillon Il a été montré que malgré une modélisation approximative de l échantillon, dans le sens où sa géométrie supposée est souvent éloignée de la forme réelle, il est tout de même possible d identifier correctement les propriétés énergétiques (i.e. la fonction enthalpie) d un MCP [8, 9]. Conformément à cette hypothèse, nous supposerons que l échantillon testé a une géométrie sphérique. Sur ce domaine, nous supposons que le transfert thermique est purement conductif, ce qui permet d écrire l équation de conservation de l énergie sous la forme suivante [1, 11, 12] : ρh t = ( k ) T Les conditions aux limites sont exprimées à partir d un cœfficient d échange équivalent : k T ) n = α (T T p (1) (2) La fermeture de ce modèle se fait via la donnée d une équation d état permettant de relier l enthalpie massique à la température. Dans le cas présent, de solutions binaires, nous faisons les hypothèses suivantes : les capacités calorifiques des corps sont constantes ; l enthalpie spécifique de dilution du solvant dans la solution eutectique est négligeable ; l enthalpie spécifique de dilution du soluté dans la solution eutectique est négligeable ; le diagramme de phase du mélange binaire admet une courbe solidus vertical et une courbe liquidus linéaire. La grande différence avec le corps pur procède ici du fait que le changement de] phase ne se fasse pas à température constante, mais sur un intervalle de température [T E, T M, comme on peut le voir sur le diagramme de phase représenté sur la figure 1. Si l on définit la fraction massique du solvant et du soluté comme suit : χ = m S w m w + m a (3) x = Alors, l expression de la fonction enthalpie est : m a m w + m a (4)

T M,w T M T T E x x x E Figure 1 Diagramme de phase d un mélange binaire. pour T < T E : dh dt = d dt ( H m w + m a ) = (1 x ) c S w + x c S a (5) m a avec naturellement x =. m w + m a pour T = T E et 1 x χ 1 x : x E avec ( dh dχ = L w (T E ) + x ) E h dis a 1 x E L w (T E ) = L w (T M,w ) + ( c L w c S ) ( ) w T E T M,w (6) (7) h dis a (T E ) = h L a (T E, x E ) h S a (TE ) (8) pour T E < T T M et χ 1 x x E : Tout le soluté est alors dans la phase liquide et on a par conséquent : ce qui conduit donc à : dh dt = T M,w T M (T M,w T ) 2 L w (T ) + c S w χ(t ) = 1 x x(t ) ( 1 T ) M,w T M + c L T M,w T M T M,w T T M,w T (9) (1) aver c L la capacité calorifique liquide moyenne : c L = (1 x) c L w (T, x) + x c L a (T, x) (11) pour T > T M : dh dt = (1 x ) c L w + x c L a = c L (x ) (12)

2.2. Méthode inverse Le modèle direct qui vient d être présenté est utilisé pour simuler la réponse d un échantillon lors d une expérience de calorimétrie. A partir du champ de température obtenu, il est aisé de calculer le flux de chaleur échangé : ) φ num = αs (T Γ T p (13) Ce dernier peut alors être comparé au thermogramme expérimental. A partir de l écart observé entre les deux résultats, le processus d inversion consiste à modifier les valeurs des paramètres physiques de l équation d état afin de minimiser l erreur quadratique moyenne entre les deux signaux (cf. Fig. 2). En pratique, on peut utiliser aussi bien une méthode de type gradient (Levenberg-Marquadt) que des méthodes stochastiques (simplex, algorithme génétique). Boundary conditions Thermodynamic properties Direct model φ num Inverse method Experiment φ exp Figure 2 Principe de la méthode d inversion. 3. Résultats Nous testons une solution de H 2 O/NH 4 Cl, à plusieurs concentrations. Les expériences sont réalisées avec le DSC Pyris Diamond de Perkin Elmer utilisé en mode dynamique, les échantillons testés étant mesurés avant et après manipulation grâce une balance AP25D de Ohaus (précision à,1 mg). A chaque fois, nous testons différentes vitesses de réchauffement β. Les résultats obtenus après identification sont comparés aux résultats expérimentaux sur la figure 3. L accord est excellent entre les deux solutions, expérimentale et numérique, à toutes les concentrations et quelle que soit la vitesse de réchauffement. L objectif premier de cette étude étant la détermination des propriétés énergétiques, nous allons nous intéresser maintenant à la fonction enthalpie qui est obtenue après identification pour chacune des expériences précédentes. Les résultats correspondants sont fournis sur la figure 4. Les résultats montrent clairement une fusion progressive, avec un créneau correspondant à la transformation eutectique.

Enfin, afin de bien montrer que l enthalpie identifiée ne dépend, à concentration donnée, que de la température et non de la vitesse de chauffe comme c est parfois le cas avec d autres méthodes, nous fournissons quelques résultats supplémentaires pour différentes vitesses de réchauffement sur la figure 5. Conformément aux principes de la thermodynamique, il n y a aucune influence de la vitesse de chauffe ni de la masse de l échantillon. Pour conclure, nous allons nous intéresser au diagramme de phase qu il est possible de reconstruire à partir des enthalpies identifiées sur les expériences ci-dessus. La comparaison de celui-ci avec les données de la littérature [13] est présentée sur la figure 6. L accord est excellent. (a) x =.48 %. (b) x = 5. %. (c) x = 9.2 %. (d) x = 1. %. Figure 3 Comparaison du thermogramme expérimental avec le thermogramme simulé, basé sur le modèle réduit, après identification.

35 3 3 25 h [kj kg -1 ] 25 2 15 1 5 h [kj kg -1 ] 2 15 1 5-5 -2-15 -1-5 5 1 T [ C] 4 (a) x =.48 %. -5-25 -2-15 -1-5 5 T [ C] 4 (b) x = 5. %. 35 35 3 3 25 25 h [kj kg -1 ] 2 15 h [kj kg -1 ] 2 15 1 1 5 5-5 -2-15 -1-5 5 1 T [ C] -5-25 -2-15 -1-5 5 T [ C] (c) x = 9.2 %. (d) x = 1. %. Figure 4 Fonctions enthalpie identifiées par la méthode inverse.

35 3 25 = 2 K/min = 5 K/min x=9.2% h(t) [kj/kg] 2 15 1 5 x=.48% -5-2 -15-1 -5 T[C] Figure 5 Influence de la vitesse de réchauffement sur l enthalpie identifiée. 1 5 Theorical Model Linear fit Temperature [ C] -5-1 -15-2 5 1 15 2 25 Mass fraction [%] Figure 6 Comparaison du diagramme de phase théorique et numérique, reconstruit à partir des enthalpies identifiées.

4. Conclusion L utilisation conjointe d expériences de calorimétrie et d un modèle numérique réduit, supposant que l échantillon a une géométrie sphérique, couplée à une méthode d inversion a permis l identification des propriétés énergétiques d une solution binaire. Ainsi, il a été possible de reconstruire la fonction enthalpie à plusieurs concentrations. A chaque fois, les résultats trouvés montrent une bonne adéquation aux résultats théoriques et sont exempts des défauts habituellement rencontrés avec les autres méthodes. Ainsi, la fonction enthalpie identifiée est une fonction ne dépendant que de la concentration et de la température. Deux points importants ressortent de cette étude. Premièrement, la méthode permet de reconstruire une fonction enthalpie qui est thermodynamiquement consistante. Deuxièmement, l utilisation d un modèle réduit (sphérique) ne nuit pas à la détermination des propriétés énergétiques ; cela augmente donc considérablement la portée de la méthode puisque les temps calcul sont désormais tout à fait acceptables. Références [1] A. P. Gray. Analytical chemistry. NY : Plenum Press, 1968. [2] H. Utschick, B. Gobrecht, C. Fleischhauer, A. Treffurth, and H. Müller. On the complex influence of the experimental parameters and the properties of the substances on the representation of solid-liquid transitions studied with a differential scanning calorimeter. J. Thermal Analysis, 33 :297 34, 1988. [3] S. M. Sarge and W. Poeßnecker. The influence of heat resistances and heat transfers on the uncertainty of heat-capacity measurements by means of differential scanning calorimetry (DSC). Thermochimica Acta, 329(1) :17 21, 1999. [4] B. He, V. Martin, and F. Setterwall. Phase transition temperature ranges and storage density of paraffin wax phase change materials. Energy, 29(11) :1785 184, 24. [5] G. Albright, M. Farid, and S. Al-Hallaj. Development of a model for compensating the influence of temperature gradients within the sample on DSC-results on phase change materials. Journal of Thermal Analysis and Calorimetry, 11 :1155 116, 21. [6] S. Gibout, E. Franquet, J.-P. Dumas, and J.-P. Bédécarrats. Détermination de l enthalpie de fusion de solutions par une méthode inverse à partir d expériences de calorimétrie. In Actes du congrès annuel de la Société Francaise de Thermique, pages 667 672. Société Francaise de Thermique, 211. [7] E. Franquet, S. Gibout, J.-P. Bédécarrats, D. Haillot, and J.-P. Dumas. Inverse method for the identification of the enthalpy of phase change materials from calorimetry experiments. Thermochimica Acta, 546 :61 8, 212. [8] S. Gibout, Corrigendum to "Comparison of different modelings of pure substances during melting in a DSC experiment" [Thermochim. Acta 528 (212) 1 8], Thermochimica Acta, 538-86 (212) [9] S. Gibout, E. Franquet, J.-P. Dumas, and J.-P. Bédécarrats. Modèle réduit pour la DSC : Application aux solutions binaires. Soumis. Société Francaise de Thermique, 213. [1] A. B. Tayler. Mathematical formulation of Stefan problems. In Moving Boundary Problems in Heat Flow and Diffusion, pages 12 137. Univ. Oxford Conf., 1975. [11] R. M. Furzeland. A survey of the formulation and solution of free and moving boundary (stefan) problems. Maths Technical Papers, pages 1 5, 1977. [12] V. Voller and C. Swaminatha. General source-based method for solidification phase change. Numerical Heat Transfer, B-19 :175 189, 1991. [13] J. Timmermans. The Physico-Chemical Constants of Binary Systems in Concentrated Solutions. New York, 196. Remerciements Ce travail s inscrit dans le cadre du projet MICMCP (21) du programme ANR Stock-E.