Optimisation sous contraintes d'une opération de séchage combinant la convection et les technologies rayonnantes infrarouges : application à un polymère en solution aqueuse.

Optimization with constraints of a drying operation combining convection and infrared radiation technologies : application to a polymer in aqueous solution.

• Auteur / Autrice : Nadine Allanic
• Direction : Patrick Glouannec
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Énergétique. Thermique
• Date : Soutenance en 2006
• Etablissement(s) : Lorient

Mots clés

Mots clés contrôlés

Séchoirs

Chauffage par rayonnement infrarouge

Chaleur -- Convection

Solutions de polymère

Alcool polyvinylique

Mots clés libres

Technique inverse

Coefficient de diffusion

Commande optimale

Résumé

Cette thèse porte sur le séchage d'un polymère (alcool polyvinylique, PVA) en solution aqueuse associé à un plastifiant et divers additifs. Un chauffage combinant des apports d'énergie par convection et par rayonnement électromagnétique de type infrarouge court est exploité. L'utilisation des infrarouges qui permettent un transfert d'énergie direct et élevé au produit s'avère intéressante à condition de bien quantifier l'impact de l'éclairement infrarouge sur le comportement thermo-hydrique du produit. Dans cette optique, une étude expérimentale et une étude numérique ont été menées. Après avoir caractérisé par différentes mesures les principales propriétés du polymère, des expérimentations ont été réalisées sur un séchoir pilote. L'analyse des cinétiques de séchage a montré la nécessité de développer un modèle de connaissance du comportement thermo-hydrique du produit afin de passer ensuite à une phase d'optimisation du procédé. En parallèle à cette étude expérimentale, un modèle unidimensionnel représentatif des mécanismes gouvernant les transferts de masse et de chaleur au sein du produit a donc été développé. Il permet d'accéder au champ de teneur en eau et à la température au sein du produit, tout en prenant en compte le retrait de la matière. Différentes approches mathématiques ont été envisagées notamment pour s'affranchir des difficultés de résolution liées au retrait de la matière au cours du séchage. La connaissance du coefficient de diffusion en fonction de la température et de la teneur en eau est nécessaire pour une représentation satisfaisante des phénomènes par le modèle. L'estimation de ce paramètre a été réalisée par méthode inverse à partir de cinétiques de séchage en convection forcée. Différentes expérimentations ont servi pour valider ce modèle. A partir du modèle ainsi développé, une approche de type commande optimale a été retenue pour optimiser le procédé de séchage. L'éclairement infrarouge à appliquer au produit est déterminé hors ligne par la minimisation d'une fonctionnelle qui prend en compte des critères au niveau du procédé, notamment la réduction du temps de séchage et le coût énergétique, ainsi que des contraintes sur le produit (température et teneur en eau).

This thesis deals with the drying of a polymer (polyvinyl alcohol, PVA) in aqueous solution mixed with a plasticizer and various additives. A heating combining convective and short infrared electromagnetic radiation energy inputs is used. The use of infrareds, which allow a high and direct energy transfer to the product, is interesting provided that one has correctly identified the impact of infrared irradiation on the thermal and hydric behavior of the product. Consequently, an experimental and numerical study was undertaken. After characterizing by several measurements the main properties of the polymer, experiments were carried out on a drying setup. The analysis of the drying kinetics showed the necessity to develop a knowledge model of the thermal and hydric behavior of the product, in order to proceed with an optimization phase of the process. In parallel to this experimental study, a one-dimensional model describing heat and mass transfers inside the product was developed. It enables to access the moisture content field and the temperature inside the product and takes into account the product shrinkage. Two mathematical approaches were studied, in particular to solve the difficulties of resolution related to the shrinkage during the drying. The knowledge of the diffusion coefficient, function of the temperature and the moisture content, is necessary for a satisfactory representation of the phenomena in the model. The estimation of this parameter was made with an inverse method, using drying kinetics in forced convection. Various experiments were used to validate that model. On the basis of the developed model, an optimal control approach was selected to optimize the drying process. The infrared irradiation to apply to the product is determined off-line, by minimizing an objective function subject to process constraints, notably the drying time reduction and the energy cost, and constraints on the product (temperature and moisture content).