Gas slippage in lignocellulosic materials : measurement of apparent permeability and identification of morphological parameters
Glissement moléculaire dans les matériaux lignocellulosiques : mesures de perméabilité apparente et identification de paramètres morphologiques
Résumé
Permeability is one of the important parameters for all processes involving coupled heat and mass transfer. Its value is directly related to the morphology of the pore network, clearly a dual scale organisation in the case of wood. Nowadays, several 3D investigative tools exist, such as micro-tomography or nano-tomography. However, these 3-D investigations fail for the smallest pores active in fluid flow in wood, due to their submicron size. The present work takes advantage of the effect of the mean free path on the apparent gaseous permeability to identify the pore size of the pore network.A balanced approach between experimentation and modelling is proposed. In the first part of the work we have developed an original device for measuring the apparent permeability over a wide range of average pressure. This device was conceived to work without flowmeter: the mass flow is obtained by the relaxation of the pressure difference between two tanks. This device was used to measure the apparent permeability as a function of the average pressure for different materials.The intrinsic permeability values obtained are in good agreement with literature data.The effect of the average pressure on the apparent permeability was analysed to identify structural parameters of the porous media. Starting from a serial / parallel arrangement, the structural parameters are identified by inverse method taking advantage of the dependence of the flow regime with Knudsen's number (from Darcy's regime to pure molecular slip regime when Knudsen's number shifts from zero to infinity).This approach was validated with a monodisperse membrane, whose pore size was determined using a scanning electron microscopy. Structural parameters were then identified on wood samples, measured along different directions and on wood-based materials. They confirm literature data and bring new outcomes, namely regarding the fluid pathway in beech in radial and tangential directions.
La perméabilité est l'un de paramètres importants pour tous les procédés faisant intervenir des transferts couplés de chaleur et de masse. Sa valeur est directement liée à la morphologie du réseau de pores, clairement double échelle dans le cas du bois. Il existe plusieurs outils d’investigation 3-D par exemple la micro-tomographie voire nano-tomographie pour décrire la morphologie des pores. Néanmoins, ces investigations 3-D échouent pour les plus petits pores dans le bois, qui peuvent avoir une taille largement inférieure au micromètre. Ce travail de thèse utilise l'effet du libre parcours moyen du gaz sur la perméabilité apparente pour identifier la taille des pores utilisés par le cheminement du fluide.Une approche équilibrée entre expérimentation et modélisation est proposée. Dans la première partie du travail, nous avons développé un dispositif original destiné à mesurer la perméabilité apparente sur une large plage de niveau de pression moyenne. Ce dispositif ne comporte pas de débitmètre : le flux massique est simplement obtenu par la relaxation de la différence de pression entre deux réservoirs de volume connu.Ce dispositif a permis de mesurer la perméabilité apparente en fonction de la pression moyenne pour différents matériaux. Les valeurs obtenues de perméabilité intrinsèque sont en bon accord avec les publications précédentes.L'effet de la pression moyenne sur la perméabilité apparente a été analysé pour identifier des paramètres structuraux des milieux poreux. Partant d'un agencement série/parallèle de pores, les paramètres structuraux sont identifiés par méthode inverse en tirant profit du changement de régime d’écoulement avec le nombre de Knudsen (du régime de Darcy vers le régime de glissement moléculaire lorsque le nombre de Knudsen passe de zéro à l’infini).Cette approche a été validée avec des membranes à pore monodisperse grâce à une observation en microscopie électronique à balayage. Les paramètres ont ensuite été identifiés sur des échantillons de bois, selon différentes directions et sur des matériaux à base de bois. Ils confirment certaines données de la littérature, et apportent un éclairage nouveau, notamment sur les chemins de migration transverse chez le hêtre.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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