Étude des transferts de chaleur couplés pour la récupération de la chaleur fatale h/f

Objectifs de recherche
• Développer un modèle stochastique multi-physique intégrant les propriétés de semi-transparence
des matériaux pour simuler les transferts thermiques (conduction, advection, rayonnement)
dans un milieu poreux soumis à des conditions thermiques extrêmes.
• Intégrer dans le modèle les effets de l’atmosphère réactive (H2, O2, H2O) sur le vieillissement
des matériaux, leurs propriétés thermiques et optiques puis modéliser ces évolutions dans le
temps.
• Participer à la validation expérimentale des modèles développés via des tests sur des échangeurs
de chaleur en céramique à l’échelle du laboratoire et sur des fours pilotes industriels. Ce tra-
vail sera fait en lien avec un(e) post-doctorant(e) situé au CEMHTI.
• Optimiser la conception d’échangeurs de chaleur poreux en utilisant des méthodes d’optimi-
sation numérique afin d’améliorer leur efficacité dans les environnements industriels.
Méthodologie
Modélisation numérique et simulation
Une approche Monte Carlo sera utilisée pour modéliser les échanges thermiques couplés (conduc-
tion, advection, rayonnement) à différentes échelles spatiales et temporelles, en prenant en compte
les propriétés optiques et thermiques évolutives du matériau [1]. L’objectif est de modéliser précisé-
ment le comportement des matériaux poreux semi-transparents et de simuler la performance des
échangeurs de chaleur dans des géométries complexes. Cette approche s’appuie sur la méthodolo-
gie développée par le LEMTA sur la simulation multiphysique utilisant la méthode des intégrales
de chemin pour résoudre des problèmes couplés complexes dans des milieux poreux [2][3].
Validation expérimentale
Des tests en laboratoire seront réalisés sur des échangeurs de chaleur en AZS pour valider les pré-
dictions des simulations. Cela inclura la mesure des propriétés thermiques et optiques des matéri-
aux avant et après exposition à des atmosphères réactives. Les dispositifs expérimentaux complé-
mentaires du CEMHTI et du LEMTA seront mis en œuvre pour ces caractérisations [4][5]. Des
campagnes de tests à plus grande échelle seront également menées sur des fours pilotes existant à
Saint-Gobain Recherche.
Conception et optimisation
Des méthodes d’optimisation couplées au code de calcul développé seront utilisées pour concevoir
des échangeurs de chaleur à haut rendement, tout en minimisant la perte de charge et en maximisant
la récupération d’énergie à travers la structure poreuse. La simulation des champs de vitesse dans
l’échangeur et l’intégration des données expérimentales dans le modèle multi-physique permettront
de définir les spécifications optimales pour un échangeur à échelle industrielle.
Étude de l’effet du vieillissement des matériaux
La caractérisation des phénomènes de corrosion et de dégradation des propriétés optiques et ther-
miques des matériaux AZS en fonction de leur exposition à l’atmosphère réactive (hydrogène et
vapeur d’eau) sera réalisée. Des modèles seront développés pour prédire l’évolution des propriétés
des matériaux en fonction du vieillissement observé durant les cycles de fonctionnement [6].
Partenaires
• LEMTA (Université de Lorraine): Modélisation, caractérisation des propriétés thermiques.
• CEMHTI (CNRS): Caractérisation des propriétés optiques, études de vieillissement.
• Saint-Gobain Recherche: Tests à échelle industrielle et intégration des échangeurs dans des
fours pilotes.


Contexte de travail

Cette thèse s’inscrit dans le cadre du projet ANR ACACIA et du
laboratoire commun Canopée, fruit d’une collaboration entre le CEMHTI,
le LEMTA et Saint-Gobain Recherche. Elle vise à modéliser et analyser
les transferts de chaleur couplés dans des matériaux céramiques
semi-transparents destinés à la récupération de chaleur fatale en
environnement industriel à très haute température.

Le projet ACACIA a pour objectif de concevoir des solutions innovantes
de récupération de chaleur dans des conditions extrêmes, notamment en
présence de gaz réactifs tels que l’hydrogène et la vapeur d’eau. Ces
atmosphères peuvent altérer les propriétés thermiques et optiques des
céramiques, posant des défis majeurs en termes de durabilité et de
performance.

Dans ce contexte, les échangeurs poreux en céramique AZS
(Alumine-Zircone-Silice) représentent
une alternative prometteuse aux systèmes conventionnels. Leur
structure tridimensionnelle à forte surface spécifique permet une
interaction optimale entre le flux gazeux chaud et le matériau,
favorisant un transfert de chaleur efficace par conduction, convection
et rayonnement. Conçus pour minimiser les pertes de charge tout en
maximisant l’absorption thermique, ces dispositifs sont
particulièrement adaptés aux environnements extrêmes rencontrés dans
les fours industriels où les températures dépassent souvent 1000°C.
- Encadrement : Olivier Farges (LEMTA, directeur), Olivier
Rozenbaum (CEMHTI, co-directeur), Johann Meulemans et Refet Yalcin
(partenaires industriels, Saint Gobain Recherche)

Le poste se situe dans un secteur relevant de la protection du potentiel scientifique et technique (PPST), et nécessite donc, conformément à la réglementation, que votre arrivée soit autorisée par l'autorité compétente du MESR.


Contraintes et risques

+ Lieu de déroulement :
- Lieu principal : Nancy – LEMTA (UL)
- Déplacements ponctuels :
* Orléans – CEMHTI (CNRS)
* Aubervilliers – Saint-Gobain Recherche

- Impact attendu
Cette thèse permettra d'apporter une contribution scientifique
significative à la compréhension des transferts thermiques dans les
milieux poreux semi-transparents à haute température, tout en offrant
des solutions concrètes pour améliorer l'efficacité énergétique des
processus industriels utilisant des échangeurs de chaleur. Les
résultats de cette recherche pourront être utilisés dans des secteurs
comme la production de verre, la métallurgie et les industries
cimentières, contribuant ainsi à la réduction des émissions de gaz à
effet de serre.