Contribution à l'étude du transfert thermophorétique, appliqué à l'intensification des processus de séparation gaz/particules en écoulement à phase dispersée

par Benoît Sagot

Thèse de doctorat en Génie des procédés industriels et développement durable

Sous la direction de Gérard Antonini.

Soutenue en 2010

à Compiègne .

mots clés

• Coefficient de diffusion thermophorétique
• Jet impactant
• Epuration des gaz chargés
• Intensification du rendement de dépôt
• Transfert thermique
• Aérosols
• Gaz -- Épuration
• Gaz -- Séparation
• Thermophorèse

Résumé

Ce travail de thèse est centré sur l’analyse des possibilités d’amélioration du rendement de capture d’un aérosol par utilisation de l’effet thermophorétique. Les particules liquides mises en oeuvre lors des essais possèdent des diamètres pouvant aller de quelques dizaines de nanomètres à quelques microns. Pour ces tailles de particule, on observe une forte dispersion des coefficients de diffusion thermophorétique Kth évalués avec les modèles disponibles dans la littérature. Une première partie de cette étude se concentre sur une détermination expérimentale du coefficient de diffusion thermophorétique, dans le régime de transition (valeurs du nombre de Knudsen comprises dans la plage 0,1 < Kn < 10), et pour une valeur moyenne du rapport des conductivités thermiques gaz/particule proche de 0,1. Un dispositif expérimental original, basé sur une évolution de la méthode de pénétration classique, a été mis en oeuvre. Il permet une détermination robuste du coefficient de diffusion thermophorétique Kth, et on a pu montrer que le modèle le plus pertinent est celui proposé par Beresnev et Chernyak, tandis que le modèle de Talbot conduit à une surévaluation importante du coefficient Kth dans le régime de transition. La deuxième partie de l’étude concerne l’analyse d’une configuration classique de jet impactant, qui permet d’étudier expérimentalement le couplage entre la dérive inertielle et la migration thermophorétique. On constate que pour toutes les classes granulométriques, une augmentation de l’écart de température jet chaud / paroi froide produit un gain de dépôt. Pour identifier les mécanismes qui produisent cette intensification, un modèle semi analytique a été proposé. Ce modèle a confirmé que l’intensification constatée pour les fines particules est bien due à une migration thermophorétique. Pour des tailles de particules plus importantes, on a établi qu’il existe un couplage entre les deux mécanismes de dérive, qui produit un décalage du diamètre de coupure de l’impacteur, et ainsi une augmentation significative du rendement de dépôt cumulé en masse.

Titre traduit

Contribution to the thermophoretic migration study, applied to the gas/particles separation intensification, in dispersed phase flow

Résumé

The present study investigates the improvement possibilities of aerosol capture efficiency, by the use of a thermophoretic effect. The liquid particles employed for measurements have diameters ranging from a few tens of nanometers to a few microns. For these particle sizes, one can note a great disparity of the thermophoretic diffusion coefficients Kth evaluated with the various models available in the literature. The first part of this study focuses on an experimental determination of the thermophoretic diffusion coefficient, in the transition regime (values of the Knudsen number in the range 0,1 < Kn < 10), and for an average value of the gas/particle conductivity ratio close to 0,1. An original experimental device was used, which is based on an evolution of the classical penetration method. With this device, a robust determination of the thermophoretic diffusion coefficient Kth is obtained, and we have shown that the most relevant model appears to be the one proposed by Beresnev and Chernyak, while Talbot’s model led to an important overvaluation of the Kth coefficient, in the transition regime. The second part of the study relates to the analysis of the classical impinging jet configuration, which is used to study experimentally the coupling possibilities between the inertial drift and the thermophoretic migration. It is noted that for any particle-size range, a deposition improvement is obtained when increasing the hot jet/cold wall temperature difference. To identify the mechanisms which produce this intensification, a semi-analytical model was proposed. This model confirmed that the intensification observed for the fine particles is due to a thermophoretic migration. For larger particle sizes, we established that a coupling between the two drift mechanisms is operating, which produces a shift of the impactor.