Modelling, analysis and control of counterflow heat exchangers : an infinite-dimensional and thermodynamic approach
(2023)
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- (fr) Dans les applications industrielles où l'énergie est vitale, les échangeurs de chaleur ont acquis une importance économique majeure. En effet, une grande part de l'énergie thermique produite ou collectée en industrie passe au moins une fois par un échangeur de chaleur. Ces dispositifs permettent principalement de transférer de la chaleur d'un fluide chaud vers un fluide froid, et appartiennent à la classe des systèmes thermodynamiques dont la dynamique est décrite par des équations différentielles aux dérivées partielles. Les échangeurs de chaleur sont généralement dimensionnés pour fonctionner en régimes permanents. Malheureusement, dès lors qu'il apparait des perturbations dues notamment à des variations de température ou de débit d'alimentation, l'efficacité du système se dégrade. Alors, est-il possible de maintenir ou d'améliorer les performances en s'intéressant au régime transitoire négligé lors du dimensionnement? Cette problématique est abordée dans cette thèse en trois parties. La première partie du travail présente la modélisation thermodynamique en dimension infinie d'un échangeur de chaleur à contre-courant, et l'estimation des paramètres du modèle en température (modèle standard en génie des procédés), tout en traitant des questions d'identifiabilité structurelle et pratique. La seconde partie de la thèse aborde la problématique liée aux propriétés dynamiques de l'échangeur de chaleur. En particulier, les questions d'existence et d'unicité de solutions positives, de commandabilité et d'observabilité, ainsi que celles de passivité et de stabilité au sens thermodynamique sont étudiées. La dernière partie de la thèse traite premièrement de la commande proportionnelle-intégrale par action frontière tout en cherchant des conditions sur les paramètres du régulateur qui garantissent la stabilité du système commandé. Ensuite, la théorie de commande optimale linéaire quadratique pour les systèmes de dimension infinie est appliquée au modèle d'échangeur de chaleur considéré. Les résultats de simulation montrent que ces deux stratégies de commande permettent de rejeter les perturbations dues aux variations de température et de débits ou vitesses.
- Affiliations
UCLouvain SST/ICTM/INMA - Pôle en ingénierie mathématique
Citations
Kadima Kazaku, J. (2023). Modelling, analysis and control of counterflow heat exchangers : an infinite-dimensional and thermodynamic approach. https://hdl.handle.net/2078.5/104089