Modélisation des effets de vieillissement d'échangeur céramique poreux pour la récupération de chaleur fatale

Dans un contexte de décarbonation de l'industrie, la récupération de chaleur fatale constitue un levier majeur pour améliorer l'efficacité énergétique des procédés à très haute température. Ce travail, mené dans le cadre du projet ANR ACACIA et du laboratoire commun Canopée, porte sur la modélisation et l'analyse des transferts de chaleur couplés dans des échangeurs poreux en céramique AZS (Alumine-Zircone-Silice) destinés à ces applications industrielles au-delà de 1000°C. Ces matériaux semi-transparents représentent une alternative prometteuse aux systèmes conventionnels grâce à leur structure à forte surface spécifique, permettant une interaction optimale entre le flux gazeux chaud et le matériau. Conçus pour minimiser les pertes de charge tout en maximisant l'absorption thermique, ces dispositifs favorisent un transfert de chaleur efficace par conduction, convection et rayonnement, et sont particulièrement adaptés aux environnements extrêmes des fours industriels. L'approche numérique repose sur la méthode de Monte-Carlo, choisie pour sa capacité à traiter de multiples complexités sans augmentation prohibitive du temps de calcul. Cette méthode présente trois avantages majeurs : elle est insensible à la complexité spatiale et peut ainsi intégrer une modélisation fine des géométries, du plus petit pore de l'échangeur jusqu'à la structure complète du four ; elle est insensible à la complexité temporelle, le temps de calcul restant identique qu'il s'agisse d'une étude sur deux jours ou deux ans ; elle est insensible à la complexité phénoménologique et spectrale, permettant de traiter rapidement les transferts de chaleur couplés (conduction, convection et rayonnement) en milieu participant (gaz à haute température), tout en incluant la dépendance spectrale des phénomènes sans modification du temps de calcul. Un enjeu majeur concerne l'intégration dans le modèle des variations temporelles des propriétés optiques et thermophysiques de l'échangeur, résultant du vieillissement du matériau en atmosphère réactive. Un volet expérimental s'intéresse précisément à la caractérisation de ce vieillissement en conditions représentatives de l'utilisation industrielle (dépôt de suies, réactions chimiques, corrosion). Un code préliminaire a été développé pour valider l'approche méthodologique. Il modélise actuellement les transferts radiatifs dans une géométrie simple (cube avec une paroi noire et cinq parois avec propriétés spectrales) et retourne le flux reçu à un point sonde. L'objectif premier est l'intégration de la variation temporelle des propriétés du matériau : l'absorption et la réflectivité spéculaire des parois varient temporellement et spectralement selon une équation non-linéaire. Le code inclura progressivement des géométries de plus en plus complexes (échangeur puis système complet). À terme, les données de caractérisation expérimentale permettront de modéliser fidèlement la modification de l'état de surface de l'échangeur au cours du temps.

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