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Cinq défis thermiques pour réduire la consommation de carburant des camions
Marc LEJEUNE
Directeur de la Recherche Renault Trucks
marc.lejeune@volvo.com

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Les camions sont des outils industriels utilisés intensivement par les clients de Renault Trucks : un camion long-routier consomme en moyenne environ 45 000 litres de diesel par an, et un camion de distribution 15 000. Le carburant est en conséquence le second poste de dépense des clients de Renault Trucks, juste derrière les salaires de leurs employés. C'est pourquoi Renault Trucks a constamment amélioré l'efficience énergétique de ses camions, depuis leurs débuts avec Berliet en 1894 à Lyon, jusqu'à la nouvelle gamme lancée l'an dernier. Pour poursuivre cette amélioration dans les 15 années qui viennent, des réponses innovantes doivent être apportées à cinq questions essentielles, pour lesquelles les solutions listées ci-dessous n'apportent pas encore complètement satisfaction :

1. Comment réduire les pertes thermiques de la combustion ?
Elles représentent en effet jusqu'à 10% de l'énergie du carburant. Le plus simple est de diluer le comburant, soit en fonctionnant en mélange plus pauvre, soit par recirculation des gaz d'échappement, mais cela pénalise de travail de pompage. Une autre possibilité est d'utiliser des géométries de pièces radicalement différentes, éloignant la combustion des parois. L'isolation des parois n'est pour l'instant pas concluante, du fait de l'augmentation du travail de compression liée à l'échauffement des gaz frais, de l'augmentation des émissions de NOx, et de la réduction de la durée de vie des pièces.

2. Comment récupérer le plus possible l'enthalpie des gaz d'échappement ?
Elle représente en effet jusqu'à 30% de l'énergie du carburant. On peut la convertir en travail par l'ajout d'un cycle secondaire (Rankine, Brayton, Stirling...), en énergie chimique par l'ajout d'un réformeur endothermique du carburant dont le produit est ensuite brulé dans le moteur, en électricité, directement par effet Seebeck, ou indirectement avec un module pizzo-acoustique, ou enfin en source de climatisation, par l'ajout d'une machine tri-therme. Pour les applications mobiles que sont les camions, tous ces systèmes présentent le défaut d'augmenter le poids et le volume embarqué, et de nécessiter des capacités de refroidissement augmentées.

3. Comment maintenir une température d'échappement suffisante pour la dépollution ?
Les catalyseurs d'oxydation, filtres à particule et SCR ne fonctionnent en effet qu'au-dessus de certains seuils de température d'échappement, qui ne sont pas atteints à faible charge moteur. Le rendement du moteur n'est pas pénalisé si, grâce à de nouveaux matériaux catalyseurs, on augmente le rendement des dispositifs de post-traitement à basse température. On peut aussi transférer une partie du post-traitement en amont de la turbine, mais cela pénalise les transitoires. En revanche, le rendement du moteur est pénalisé si, pour augmenter la température des gaz d'échappement, on réduit le débit par vannage en amont ou en aval du moteur, on renvoie une partie des gaz d'échappement à l'admission sans les refroidir, on ouvre les soupapes d'échappement plus tôt dans le cycle, ou on injecte du carburant sur un catalyseur d'oxydation.

4. Comment augmenter la capacité de refroidissement des camions ?
Pour réduire la consommation de carburant, il est important de mieux refroidir l'air de suralimentation et d'ajouter un condenseur de cycle Rankine, sans avoir à alimenter un ventilateur, et sans dégrader le coefficient de pénétration dans l'air du camion. Le dispositif actuel consiste à mettre en série sur le nez du camion les échangeurs et le ventilateur. Sa capacité de refroidissement sera améliorée si on augmente la température maximum du liquide de refroidissement en le pressurisant, ou si on opte pour un circuit de refroidissement indirect à haute température. A même capacité de refroidissement, la trainée aérodynamique du camion peut être réduite si on opte pour des volets occultant mobiles devant les refroidisseurs, ou si on place les refroidisseurs de façon différente sur le véhicule.

5. Comment maintenir les batteries des véhicules électriques et hybrides dans une plage de température étroite autour de 30°C ?
En cas de température ambiante basse, on peut isoler la batterie, et le circuit de conditionnement thermique de la batterie peut utiliser la chaleur produite par le moteur thermique. En cas de température ambiante élevée, la difficulté est de réussir à évacuer la puissance thermique de la batterie, sans que l'échangeur ne dégrade le coefficient de pénétration dans l'air du camion, ni que son ventilateur ne consomme trop de puissance électrique.

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Échangeurs-réacteurs, réacteurs autothermes : concepts, performances, verrous
Isabelle PITAULT
Laboratoire de Génie des Procédés Catalytiques
isabelle.pitault@lgpc.cpe.fr

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Les échangeurs-réacteurs et les réacteurs autothermes sont décrits dans la littérature depuis de nombreuses années (1960-1970). Pour les échangeurs-réacteurs, comme par exemple les réacteurs multitubulaires qui ne sont en fin de compte que des échangeurs à calandre verticaux, leur configuration se résume soit à des tubes dans lesquels est mise en œuvre la réaction et à une enceinte dans laquelle circulent les caloporteurs, soit à l'inverse, une enceinte réactive et des tubes pour échanger la chaleur. Les échangeurs-réacteurs se résument donc à un couplage entre des zones réactives et des zones de transport de chaleur. Les réacteurs autothermes consistent eux à mettre en œuvre deux réactions de thermicité opposée de sortes que les quantités de chaleur mises en jeu s'annulent. Les réactions peuvent être mises en œuvre soit dans deux zones différentes (comme par exemple le craquage catalytique des distillats sous vide) et dans ce cas, il y a un transport de chaleur d'une zone à une autre, soit dans la même zone (comme par exemple le vaporeformage autotherme catalytique) si les réactions sont aussi compatibles.
Depuis une quinzaine d'années, nous avons vu apparaître dans la littérature cette même terminologie utilisée pour de nouveaux types de réacteurs que sont les réacteurs à plaques structurées, ces réacteurs présentant de grandes similitudes avec les échangeurs de chaleur à plaques. Dans le cas de réaction unique, les réactifs et les caloporteurs sont séparés dans des plaques réactives ou utilités (Ex. hydrosilylation des oléfines, hydrogénation, oxydation ménagée basse température,...). Si des réactions de thermicité opposée sont mises en œuvre de chaque côté des plaques, dans ce cas, les notions d'échangeur-réacteur et de réacteur autotherme sont associées. C'est le cas de la déshydrogénation des cylcoalcanes et du vaporeformage des alcools ou des hydrocarbures. En plus, de présenter de fortes efficacités pour les transferts de chaleur, ces réacteurs présentent l'avantage d'être très stables pendant les changements de régime (augmentation simultanée des débits de chaque côté des plaques).
Ces réactions ont en commun de présenter une forte thermicité mais aussi une forte réactivité ; elles sont homogènes ou catalysées de façon homogène ou hétérogène. Suivant les types de réactions, les problématiques et les méthodologies de conception et de dimensionnement de ces réacteurs ne seront pas les mêmes. Pour les réactions homogènes ou avec catalyseur homogène, les réactions ayant lieues dans la phase fluide, la production de chaleur se fait dans cette même phase. L'intensification du transfert de chaleur d'un côté de plaques à l'autre côté se fait par augmentation de la turbulence aux parois et donc en augmentant le Nusselt de paroi. Dans ce cas, les méthodes de conception et de dimensionnement des échangeurs de chaleur peuvent être utilisées en gardant à l'esprit que le temps de séjour dans les plaques doit être suffisant pour que la réaction ait lieue. Pour les réactions catalytiques hétérogènes, les catalyseurs sont souvent solides. Il est possible de rencontrer plusieurs configurations : lit fixe granulaire ou garnissages enduits ou plaques enduites. Le choix dépend de la chimie et de la vitesse de réaction. En effet, utiliser des plaques enduites réduit fortement le volume de catalyseur par unité de volume de réacteur, ce qui induit une augmentation du volume du réacteur et donc du poids du réacteur qui peut être rédhibitoire pour certaines applications. Cette configuration ne peut donc être utilisée que pour les réactions très rapides. Dans ces échangeurs-réacteurs à plaques enduites, le paramètre clé n'est plus le coefficient de transfert de chaleur mais le coefficient de transfert de matière. De plus, les verrous pour la conception sont nombreux : distribution des fluides qui dépend de la qualité de l'enduction, désactivation, régénération et recyclage du catalyseur, tenue des matériaux, et les exemples industriels peu nombreux (Velocys, SBM Offshore, Shell Qatar, Compact GTL,...). Enfin, due à la difficulté d'équilibrer des pertes de charge dans les lits fixes granulaires parallèles, ces derniers ne sont mis en œuvre dans les réacteurs à plaques que pour des applications particulières et donc c'est sous la configuration de réacteurs multitubulaires qu'ils sont les plus utilisés industriellement (ex. vaporeformage du méthane, oxydation ménagée des hydrocarbures,...). Leur intensification consiste à augmenter les transferts de chaleur dans le solide et dans le fluide, une difficulté étant de prendre en compte le rayonnement.
En conclusion, pour tous ces réacteurs et applications, les couplages entre la chimie et la thermique à travers la vitesse de réaction, l'enthalpie de la réaction et les transferts de matière et de chaleur sont des paramètres clés.

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La mobilisation des objets techniques dans les activités quotidiennes urbaines. Éléments de réflexion sur les usages et les pratiques, sur l'orientation des comportements individuels et collectifs
Jean-Yves TOUSSAINT, Sophie VAREILLES
UMR 5600, INSA de Lyon, IMU

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Diverses recherches conduites par les deux auteurs sur les espaces publics urbains, sur la gestion des eaux urbaines et, plus récemment sur les écoquartiers montrent que les activités quotidiennes et tout particulièrement les activités quotidiennes urbaines ne peuvent se dérouler qu'en mobilisant une multitude d'objets techniques. Ces objets techniques peuvent être simples comme les trottoirs, les chaussées, les bancs, etc., ou compliqués comme des dispositifs techniques assurant la fourniture d'énergie, le transport ou l'information. Dans tous les cas, les activités, des plus triviales aux plus sublimes, des plus quotidiennes au plus extraordinaires, mobilisent des objets techniques. Ces objets et dispositifs techniques sont aussi « spatiaux » au sens où ils peuvent former des architectures (maisons, immeubles, bureaux, usines, rues, squares, jardins publics, etc.) ou faciliter l'implantation humaine, notamment l'urbanisation, et ainsi « produire » des espaces habitables (la voirie, les routes, l'assainissement ou les réseaux de chaleurs, etc.)

Ils sont autant d'« outils », d'« ustensiles » ou d'« instruments » de la vie quotidienne. En formant des systèmes techniques, des réseaux, les objets techniques forment des environnements. Les objets et dispositifs techniques rendent praticable le monde et ce faisant orientent les comportements individuels et collectifs. Un bon ou un mauvais outil n'ouvre pas les mêmes horizons d'activité et, l'« habileté » tout comme les comportements vertueux ou non vertueux peuvent considérablement dépendre des outils, instruments et ustensiles disponibles à la vie quotidienne. En ouvrant des horizons d'activité, des « licences » d'action, les objets et dispositifs techniques participent à l'orientation des comportements individuels et collectifs.

Ainsi la dotation en objets et en dispositifs techniques, la conception, la réalisation et le fonctionnement de ces objets et dispositifs sont stratégiques dans l'orientation des changements, notamment, des changements que la pression environnementale et écologique rend nécessaires. La thermique, l'énergétique et le génie des procédés contribuent comme activités de recherche et comme pratiques productives à la dotation en objets de la vie quotidienne. Ces activités de recherche et ces pratiques sont particulièrement centrales dans les dispositions mises en œuvre pour assurer la transition et les changements en cours.

Cette contribution relève des disciplines des Sciences de l'Homme et de la Société. Elle se réfère à l'ergonomie et aux « science and technology studies ». Elle vise à rendre compte de la dimension sociotechnique des activités humaines et à sensibiliser au rôle des objets et des dispositifs techniques dans l'orientation des activités quotidiennes individuelles et collectives, c'est-à-dire aussi, aux conditions de félicité ou d'infélicité du monde auxquelles les humains œuvrent quotidiennement.

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Approche multiphysique en mécanique des milieux discrets
Jean-Paul CALTAGIRONE
calta@ipb.fr

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La capacité des chercheurs et ingénieurs à répondre aux enjeux scientifiques et industriels de ces prochaines années est en partie liée à l'élaboration de nouvelles formulations et méthodologies numériques pour résoudre des problèmes couplés de fluide, solide, ondes, transferts, etc. Même s'il est possible de résoudre par exemple des problèmes complexes de fluide-structure, de magnétohydrodynamique, de couplage fluide-ondes, les formalismes mathématiques ne sont pas toujours communs et les méthodologies numériques sont souvent des assemblages hétéroclites de méthodes différentes.

Cet intérêt pour la multiphysique, les multimatériaux, les multiéchelles est probablement l'occasion de revisiter les formulations élaborées au cours du temps à partir des lois fondamentales de la physique afin d'y intégrer d'emblée une vision plus globale. Certaines communautés scientifiques de mathématiques, de l'électromagnétisme, des sciences de l'image, ont introduit certains concepts qui peuvent être adaptés à la mécanique des fluides et des solides ou encore à la thermique.

Une voie possible pour établir des lois de conservation ayant des propriétés discrètes particulières qui miment celle du continu est celle de l'utilisation des concepts de la géométrie différentielle. L'hypothèse de milieu continu est ainsi remplacée par le concept de milieu discret où la notion de direction est sauvegardée à toutes les échelles d'observation. La Mécanique des Milieux Discrets est une tentative pour élaborer des lois de conservation de la quantité de mouvement et du flux de chaleur sur la base d'opérateurs vectoriels, gradient, rotationnel et divergence et du théorème de Stokes. Ces lois de conservation vectorielles sont accompagnées des lois de conservation scalaires, énergie et masse. La dérivation de l'équation de conservation de la quantité de mouvement et celle du flux de chaleur sont ainsi réalisées sur un segment de la topologie primale alors que les quantités scalaires calculées sur le volume dual sont affectées aux points. Il en résulte une équation du mouvement qui se présente naturellement comme une décomposition de Hodge-Helmholtz où la quantité d'accélération est la somme d'un terme à rotationnel nul et d'un autre à divergence nulle. Deux potentiels de la quantité d'accélération sont ainsi définis, un potentiel scalaire lié aux effets de pression et un potentiel vecteur lié aux effets visqueux. Les conditions aux limites portant uniquement sur ces potentiels sont entièrement cohérentes avec les équations présentées. La formulation mathématique obtenue intègre, notamment dans l'équation de conservation de la quantité de mouvement, des termes de diffusion, de propagation, de dissipation des ondes et de dissipation par viscosité. L'intégration d'accumulateurs des effets de pression et des effets visqueux permet une unification plus cohérente des comportements du solide et du fluide. Les équations obtenues sont comparées à celles du milieu continu et en particulier aux équations de Navier-Stokes.

Cette approche discrète supprime la phase de discrétisation par une méthode classique (volumes finis, éléments finis, ...) et permet de sauvegarder des propriétés importantes comme la conservation de la masse, de l'énergie cinétique mais aussi du rotationnel. La formulation présentée est l'extension du maillage Marker And Cell à des topologies polyédriques quelconques. Des exemples de couplage fluide-solide, fluide-onde, de transferts couplés permettront d'illustrer l'intérêt de cette nouvelle approche.

 


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