Thèse Impact de la Largeur des Canaux sur les Transferts de Masse et de Chaleur en Présence d'Évapo-Absobeur à Plaque Rainurées H/F - Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université de Savoie Mont-Blanc École doctorale : Sciences Ingénierie Environnement Laboratoire de recherche : LabOratoire proCédés énergIe bâtimEnt Direction de la thèse : Benoît STUTZ Début de la thèse : 2026-10-01 Date limite de candidature : 2026-05-31T23:59:59 Intensifier les transferts de masse et de chaleur dans les systèmes à sorption est une étape indispensable afin de permettre un déploiement massif de ces technologies, technologies permettant, de par leur fonctionnement et fluides utilisés, de progresser vers la décarbonation des systèmes énergétiques. Afin de proposer une réponse à cette problématique, le LOCIE étudie depuis de plusieurs années des échangeurs de masse et de chaleur à film tombant à plaques rainurées qui présentent l'avantage d'offrir de bonnes performances thermiques en permettant la réduction de l'épaisseur de film, tout en maintenant une surface d'échange élevée. Cependant la présence des rainures impacte le développement d'instabilités connues pour significativement intensifier les transferts de masse et de chaleur. L'objectif de cette thèse est donc d'étudier expérimentalement le développement des instabilités hydrodynamiques ainsi que l'apparition potentielle de zones d'assèchement en relation avec leurs impacts sur les transferts de masse et de chaleur pour 4 largeurs de rainures différentes. Ces essais seront menés sur trois bancs expérimentaux présents au LOCIE et seront réalisés à pression atmosphérique et à des pressions proches du point triple de l'eau, pour de l'eau et pour des solutions aqueuses de bromure de lithium. Les résultats obtenus serviront ensuite à intégrer dans un modèle existant développé au LOCIE l'impact des instabilités sur les transferts de masse et de chaleur. Ce nouveau modèle permettra de mieux prédire les performances des échangeurs et être capable de les optimiser. Le développement d'un modèle pour un composant combiné évaporateur-absorbeur sera également développé au cours de cette thèse avec le modèle ainsi amélioré et des briques de modèles existants au Laboratoire. Les machines à absorption eau-bromure de lithium sont reconnues pour leurs capacité à valoriser les énergies fatales issues de l'industrie, permettant ainsi de réduire l'impact environnemental du secteur de l'énergie thermique et de progresser vers la décarbonation des systèmes énergétiques. Ces machines, qui fonctionnent avec de l'eau comme fluide frigoporteur, présentent également l'intérêt d'être compatibles avec les nouvelles règlementations environnementales. Cependant, bien que déjà commercialisés, ces systèmes peinent à trouver une place sur le marché des systèmes énergétiques, principalement à cause de leur coût, taille et coefficient de performances. Il est donc indispensable d'améliorer ces trois critères (performances, taille et coût) afin de favoriser leur développement.Les échangeurs de chaleur et de masse sont les organes présentant les plus forts potentiels d'amélioration (Altamirano et al. 2020). La particularité des échangeurs utilisés dans les systèmes de sorption H20/ LiBr est la pression de travail : au niveau de l'étage basse pression, la pression de travail peut être 100 fois inférieure à la pression atmosphérique (environ 10 mbar) et nécessite de mettre en oeuvre des échangeurs à films tombants. La technologie actuellement la plus développée est celle des échangeur tubulaires (Altamirano et al. 2020). Cette technologie présente des performances intéressantes mais est limitée par l'épaisseur des films liquides nécessaires pour mouiller les parois et les couts de fabrication induits. C'est pourquoi le LOCIE étudie et développe des échangeurs de masse et de chaleur à film tombant à plaques rainurées (Michel et al., 2017 ; Collignon et Stutz, 2023 ; Giraud et al., 2026). Dans ces échangeurs, différents phénomènes peuvent intervenir pour intensifier les transferts de masse et de chaleur. Parmi eux, l'évaporation au niveau des lignes triples, le développement d'instabilités d'interface, et l'apparition de l'ébullition.
Dans le cadre de ces études, Michel et al. (2017), avaient mis en évidence, que pour des Reynolds inférieur à 400 et une solution aqueuse de bromure de lithium, des rainures de 4 mm de large permettaient d'assurer un mouillage satisfaisant du fond des rainures mais empêchait la formation d'instabilités d'interface. Récemment, il a cependant été montré que les performances de ce type d'échangeur utilisé comme évaporateur avec de l'eau comme fluide de travail, atteignaient des valeurs minimales pour des Reynolds voisins de 150. Ce comportement est contraire à ce qui est attendu en présence d'évaporation à l'interface de films ruisselants sables, caractérisée par une dégradation régulière des transferts avec le débit. Cette intensification est supposée être due au développement d'instabilités au niveau de l'interface libre (Giraud et al., 2026). Le développement de ces instabilités en présence de confinement latéral (les rainures du canal) est cependant très mal connu et très peu étudié dans la littérature scientifique. Généralement, les études sur les instabilités d'écoulement sont réalisées pour des configurations faiblement contraintes latéralement, avec des ondes dont la fréquence d'excitation est imposée et l'angle d'inclinaison de la plaque très faible (Kögel et Aksel, 2020). Or, la présence de paroi latérale impacte non seulement le champ de vitesse du fluide dans le canal et, par conséquent, le développement d'instabilités, mais également les transferts de masse et de chaleur, ces phénomènes étant fortement couplés. Ainsi, étudier l'impact de la largeur de la rainure sur le développement d'ondes le long d'un film tombant présente un réel intérêt scientifique. Cette étude permettrait également d'identifier, pour les bas débits, les risques d'un démouillage du fond des rainures, ouvrant la porte aux études d'optimisation de ce type d'échangeur.

Ainsi, dans cette présente thèse, nous proposons de nous concentrer sur l'impact des instabilités d'interfaces sur l'intensification des transferts de masse et de chaleur, en relation avec la largeur du canal. Cette étude prendra en considération l'impact de l'évaporation à l'interface liquide-vapeur-solide (ligne triple). Cette étude comprendra un volet expérimental et un volet numérique via une approche nodale dans la continuité des travaux initiés par Collignon et Stutz (2022) et Giraud et al. (2026) afin d'arriver à terme, à déterminer la largeur de rainures optimale permettant une compacité maximale de ces échangeurs de masse et de chaleur. Des études expérimentales seront menées sur des plaques d'évaporateur à plaque rainurées présentant des largeurs de canaux de 2 mm, 4 mm, 8 mm et 12 mm. Le nombre de rainures est adapté afin de conserver la surface d'échange en fond de plaque constante. Une première partie sera dédiée à l'étude de l'hydrodynamique des films tombants. Durant ces essais le débit minimum de mouillage (MWR) du fond de rainures et le développement des ondes seront étudiés par imagerie et à l'aide d'un crayon confocal présent au Laboratoire LOCIE. Ces essais seront menés à pression atmosphérique pour différentes températures de fluide et de plaque afin de faire varier la viscosité du fluide et de regarder l'impact de l'évolution des propriétés thermophysiques sur ces deux grandeurs (Minimum wetting rate et développement des ondes). En parallèle, des études avec deux gaz traceurs, le dioxygène (contenu dans l'air) et de dioxyde de souffre (injecté), seront réalisés afin d'identifier l'impact du développement de ces instabilités sur le transfert de masse en absence de transfert thermique. L'air ambient contenant également de dioxygène, l'utilisation du dioxygène permettrait ainsi d'étudier ces transfert lorsqu'un gradient de concentration est existant, tandis que le 2nd gaz (dioxyde de soufre) permettrait de s'affranchir de ce gradient. Pour ces essais, l'évolution temporelle de la quantité du gaz traceur présent dans la solution fluide s'écoulant le long de la plaque rainurée sera étudiée à l'aide d'une sonde dédiée. À partir de cette évolution, un coefficient de transfert de masse moyen, c'est-à-dire au niveau de la plaque dans son intégralité, pourra être estimé et comparé à la littérature pour chaque largeur de rainures étudié et sur la gamme de débit étudiée.

Afin d'intégrer les transferts thermiques dans ces études et se rapprocher des conditions de fonctionnement représentatives des machines à absorption, une seconde campagne expérimentale sera menée ensuite dans l'enceinte sous-vide présente au LOCIE en utilisant l'eau comme fluide de travail (configuration évaporateur). Les transferts de chaleur avec changement de phase seront étudiés pour différents nombres de Reynolds et différentes surchauffes afin de pouvoir estimer les coefficients de transfert de chaleur obtenus dans ces différentes conditions.
Une troisième campagne d'essais sera réalisée en utilisant une solution aqueuse de bromure de lithium dans un second banc expérimental disponible au laboratoire. Ces essais permettront de coupler les transferts de masse et de chaleur étudiés de manière indépendante au cours des deux premières campagnes de mesure.

Les essais ainsi obtenus permettront de modifier et valider le modèle initialement développé par Collignon et Stutz (2022) afin d'arriver à découpler les différents phénomènes étudiés sur les résultats obtenus. En particulier, la prise en compte du développement des instabilités implémenté par Giraud et al. (2026) sera améliorée avec notamment l'ajout de profil d'ondes plus proches de la réalité, l'ajout des effets de mouillage/demouillage des rainures ainsi que l'ajout des transferts de masse au niveau de l'interface libre. Cette implémentation, notamment en ce qui concerne le développement des instabilités de surface et le demouillage du fond de canal s'appuiera fortement sur les données expérimentales ainsi obtenues. L'objectif sera de rester dans une approche relativement facile à implémenter afin de ne pas partir dans des approches analytiques ou des simulations directes trop complexes et couteuses en temps de calculs. Le point d'accroche de l'interface libre sur les rainures sera également abordé aussi bien d'un point de vue expérimental qu'à l'aide de simulation, puisque celui-ci impacte non seulement la surface d'échange mais également les transferts de masse et de chaleur obtenus. Enfin, l'application finale visée étant un évapo-absorbeur dans lequel un film tombant est le siège d'évaporation tandis que sur la plaque en regard s'écoule une solution de LiBr concentrée, siège du phénomène d'absorption, cette configuration sera simulée. Pour cela on s'appuiera sur le modèle d'évaporation développé dans le cadre de cette étude ainsi que sur les modèles d'absorption dans des films tombants présents dans la littérature dont celui de Michel et al. (2017).

Formation généraliste avec de bonnes connaissances en transferts de masse et de chaleur.
- Un gout pour l'expérimental est très fortement conseillé.
- Des connaissances en Labview, Python ou SILAB/ Matlab seront appréciées.