Analyse des transferts thermiques et du mélange de réactifs dans un microéchangeur multifonctionnel

Heart transfer analysis and mixing in a multifunctional micro-heat exchanger

• Auteur / Autrice : Houssein Ammar
• Direction : Bertrand Garnier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Energétique, thermique, combustion
• Date : Soutenance en 2012
• Etablissement(s) : Ecole centrale de Nantes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur, Géosciences, Architecture (Nantes)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de thermocinétique (Nantes)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Microréacteurs chimiques

Microfluidique

Mots clés libres

Echangeur multifonctionnel

Résumé

Outre le fonctionnement en continu, l’intérêt de l’utilisation de micro-échangeurs multifonctionnels réside dans la possibilité d’utiliser des fluides avec des réactions fortement exothermiques et à cinétique rapide pour lesquelles la maîtrise des processus réactionnels est difficile. En effet compte tenu des très faibles diamètres des microréacteurs, les gradients de température sont moindres que dans les réacteurs classiques induisant un meilleur contrôle des températures et une meilleure sélectivité des processus réactionnels. Cependant, l’étude des phénomènes hydrodynamique, thermique et réactionnel est difficile dans de tels dispositifs. Ainsi, l’analyse des transferts thermiques au sein des microréacteurs est généralement peu abordée, ceci étant en partie lié aux difficultés de réaliser des mesures de température à l’échelle des microcanaux. Une des originalités de nos travaux est la conception et la réalisation d’un fluxmètre 2D à partir de 40 thermorésistances sous forme de dépôts couches minces d’or d’épaisseur 100 nm, afin d’obtenir la distribution de température et de flux de chaleur à l’interface fluide/paroi dans la direction de l’écoulement. En présence de fluides réactifs, on a pu mesurer les effets exothermiques et l’enthalpie de la réaction considérée, en l’occurrence la neutralisation acide -base. Par ailleurs, des mesures de champs de vitesse d’écoulement ont été réalisées à partir d’un dispositif de micro vélocimétrie par images de particules (PIV). Les profils de vitesse mesurés montrent un bon accord avec les équations de l’hydrodynamique à macro-échelle. Un des inconvénients de la miniaturisation des écoulements est la difficulté de réaliser le mélange des fluides. Dans un premier temps, le mélange a été étudié en introduisant un indice de mélange basé sur des niveaux de gris lors d’observation de l’écoulement d’eau et d’eau coloré par Rhodamine B. L’effet de la géométrie de l’injection à l’entrée du microcanal et de l’utilisation des écoulements pulsés a été observé à la fois sur le plan expérimental et numérique. Dans un second temps, le mélange a été étudié par le suivi de la position du maximum de température le long du microcanal, l’objectif étant l’intensification du mélange de réactif acide-base. Les mesures thermiques par fluxmètre 2D ainsi que par caméra infrarouge ont permis d’investiguer l’effet de la fréquence de modulation et de l’amplitude de débits variables sur le mélange des réactifs.

The advantage of using multifunctional micro-heat exchangers lies in the possibility to process fluids with highly exothermic reactions and fast kinetics for which the reaction process control is difficult. Due to the low diameter of microchannels, thermal gradient are smaller than in the classical reactors resulting in a better product selectivity. However, the study of the hydrodynamic, thermal and chemical phenomena in these devices is not easy. Indeed, the heat transfer analysis in microreactors is generally little approached; this is mainly due to temperature measurement difficulties across microchannels. One of the originalities of the current work is the design and realization of a 2D heat flux sensor based on 100 nm thick gold thin films in order to provide the measurement of the temperature and heat flux distributions along the flow direction. Using reactive fluids, the thermal effects and the enthalpy of a well known acid-base reaction have been measured. In addition, the velocity field inside the microreactor is measured by micro Particle Image Velocimetry (PIV). The measured velocity profiles show a good agreement with the macro-scale hydrodynamic equations. One of the disadvantages of the miniaturization of flow is mixing difficulties. For this reason, mixing was studied by introducing an index based on the gray levels observed in a heterogeneous flow of pure water and water colored by Rhodamine. The effects of the injection geometry at the inlet of the microchannel and the use of pulsed flows were experimentally and numerically studied. Furthermore, we have investigated the effect of flow pulsations on the mixing and on the neutralization acid-base reaction. The mixing efficiency was assessed by following along the main flow direction the location of the temperature maximum due to the exothermic reaction. Using the new heat flux sensor and also an infrared camera, it is shown that the mixing efficiency depends greatly on the frequency of the modulated inlet flows and on the ratio between the amplitude and the mean value of the inlet flow rates.