Optimisation énergétique multi-échelles des tambours tournants

Contexte applicatif

De la fabrication du ciment à l’agroalimentaire, le tambour tournant est un équipement industriel très largement utilisé afin de réaliser diverses opérations unitaires impliquant des matériaux granulaires dont le degré de cohésion peut varier selon l’application  (séchage, chauffage, torréfaction, clinkerisation, enrobage etc..) (Huchet et al., 2018).

Pour des raisons environnementales et économiques, la réduction de la consommations énergétique passe par trois leviers possibles liés à la substitution des combustibles, à la substitution des matières premières (matériaux biosourcés ou recyclés) ou à l’innovation des procédés (efficacité énergétique ou substitution des procédés). La compréhension fine des nombreux mécanismes physiques assurant ces transferts d’énergie entre les différentes phases transportées dans le tambour (Bisulandru et al., 2023), est un prérequis à ces changements de paradigme industriel en cours (Izoret, 2021).

Problématique scientifique

La modélisation de ce procédé à l’échelle macroscopique est garant du contrôle opérationnel à l’échelle industriel. Cependant, la conception de nouveaux procédés ne peut s’appuyer que sur une modélisation physique locale.  Le caractère multiphasique du procédé combinant le transport de grains et les transferts de chaleur demeure un verrou majeur. En effet, les particules circulent dans le tambour tournant en condition anisotherme. Ainsi, du point de vue thermodynamique, des changements d’états de la matière en grains s’opèrent à plusieurs échelles de temps et d’espace. Les lois générales de transport des gaz et des grains, et de transferts d’énergie gouvernent donc ces processus physiques complexes constituées : i) Des régimes d’écoulement granulaires et les paramètres de contrôle de la charge solide (Piton et al. 2015, Kozacovic et al. 2023) ; ii) Du transport de la chaleur qu’ils soient de nature conductive, convective ou radiative (Le Guen et al. 2013, Le Guen et al. 2017, Le Guen et al. 2020).

Dans le cadre de la thèse, on s’intéressera à développer des modélisations pour décrire le comportement des tambours lisses et avec releveurs ; cette dernière configuration étant un gage d’innovation pour le procédé. Ces modèles seront validés par des expériences de laboratoire combinant des mesures d'écoulement granulaire (PIV) et de la thermographie infrarouge. Il a été montré que le couplage entre les régimes d’écoulement granulaires et les transferts de chaleur est gouverné par la surface d’échange fluide/grain. Ainsi, des approches d’homogénéisation permettant une modélisations macroscopique (de type 1D) qui demeure relativement fiables dès lors que les transferts par conduction sont négligeables devant les transferts convectifs et radiatifs.  Lorsque les transferts par conduction (Grains/grains et Paroi/Grain) sont prépondérants, les modèles d’homogénéisation perdent de leur précision. Par conséquent ; des simulations numériques utilisant un couplage DEM-CFD permettraient l’analyse locale du lit granulaire, et pourraient donner l’opportunité d’estimer l’influence de la conduction effective des matériaux granulaires, notamment lorsque le tambour est muni de releveurs.  

L’objectif de la thèse serait donc de mieux modéliser les transferts énergétiques ayant lieu dans et entre les releveurs du tambour tournant. Le travail de thèse sera basé sur des outils expérimentaux développés à l’échelle laboratoire et numériques.

Références bibliographiques

Adepu M., Boepple B., Fox B., Emady H. (2021). Experimental investigation of conduction heat transfer in a rotary drum using infrared thermography Chemical Engineering Science 230 116145 https://doi.org/10.1016/j.ces.2020.116145

Bisulandru J.R., Huchet F. (2022). Rotary kiln process: an overview about physical mechanisms, models and applications. Applied Thermal Engineering, 119637.

https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2022.119637

Huchet, F., Le Guen, L., Richard, P., Piton, M., Cazacliu, B., Semelle, P., Matheus, J., Riche, H., & Tamagny, P. (2018). Influence of asphalt composition upon the thermodynamics performance of a mixing plant. Road Materials and Pavement Design, 19(1), 104–119. https://doi.org/10.1080/14680629.2016.1249018

Izoret L., Ressources minerals et ciments basse empreinte environnementale : feuille de route de l’industrie cimentière, Journée technique la SIM / CERIB (2022)

Kosakovic M., Havlica J., Le Guen L., Parez S., Huchet F. (2023). Recognition of the granular airborne portion in a flighted rotary drum. Powder Technology 425, 118565. https://dx.doi.org/10.1016/j.powtec.2023.118565

Le Guen, Huchet, Dumoulin, Baudru, & Tamagny. (2013). Convective heat transfer analysis in aggregates rotary drum reactor. Applied Thermal Engineering, 54(1), 131–139. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2013.01.025

Le Guen L., Piton M., Hénault Q., Huchet F., Richard P. (2017). Heat Convection and radiation in flighted rotary kiln : a minimal model, Canadian Journal of Chemical Engineering, 95 100-110. https://doi.org/10.1002/cjce.22659

Le Guen, L., & Huchet, F. (2020). Thermal imaging as a tool for process modelling: application to a flight rotary kiln. Quantitative InfraRed Thermography Journal, 17(2), 79–95. https://doi.org/10.1080/17686733.2019.1611222

La thèse se déroulera sur le campus de Nantes de l’université Gustave Eiffel au sein du laboratoire GPEM.  Le doctorat disposera d’un encadrement complémentaire permettant d’associer des méthodes expérimentales et numériques liant les matériaux granulaires et les transferts thermiques. A l’échelle du tambour, des mesures non invasives par thermographie infrarouge sont un aspect innovant de ce travail de recherche sur le plan expérimental à l’échelle du laboratoire, comme le montre Adepu et al. (2021). L’investissement récent d’équipement de mesure (cellule en saphir) doit assurer des observations et des mesures en 2D (transversal et longitudinal) afin de les comparer à des résultats numériques. A l’échelle du grain, le suivi lagrangien par méthode optique et par méthode calorimétrique réactionnelle permettra de mieux comprendre les interactions air/grain et grains/paroi dans le tambour tournant. L’usage de l’impression 3D permettra de faciliter la mise en place de releveurs innovants dans le tambour tournant.

• Etudiant en master 2 et écoles d'Ingénieurs
• Intérêt pour des approches alliant l'expérimentation et la modélisation