Caractérisation et modélisation d'un réacteur de pyrolyse micro-ondes en vue de son contrôle en temps-réel

In a perspective of energy transition towards low carbon footprint technologies, microwaves applied to industrial chemical reactions requiring a heat input introduce new treatment possibilities. The possibility of selective and volumetric treatments are among the contributions of this new industrial perspective to improve the performance of this type of process. Microwave control poses many challenges to transfer energy efficiently. Wave reflection is one of the main issues limiting this technology. This thesis presents a work on the problem of wave reflection in two main steps: First, the study of the process from an electrical point of view. This has allowed to better understand the energy transmission concerns present by this method. Then, the introduction of tools and methods adapted to reduce the level of reflected waves. The goal is to integrate these solutions into a control logic using a triple electromagnetic tuner. In order to achieve a good power transmission, the work was divided into several parts: First a simulation work was developed for the main parts of the system. Then, an abstract model was designed to address the reflection problem in particular. This step required the introduction of the main variables and tools to characterize the problem. Finally, an adaptation method is proposed to generate a control instruction adapted to the tuner. An experimental work was then carried out to correct and validate the obtained results. The control instructions were developed in an open loop. This choice is part of a broader closed-loop control perspective that allows better control of other variables and phenomena. Temperature, resonance, frequency and signal type are among the possible control parameters considered for these processes. This dissertation establishes a new way to approach the energy problem of microwave heating systems and proposes adaptive methods to improve the performance and efficiency of such processes.

Résumé

Dans une perspective de transition énergétique vers des technologies à faible empreinte carbone, les micro-ondes introduisent de nouvelles possibilités de traitement aux réactions chimiques industrielles nécessitant un apport de chaleur. La possibilité de traitements sélectifs et volumétriques est parmi les apports de cette nouvelle perspective industrielle. Le contrôle des micro-ondes pose de nombreux défis. Ainsi, la réflexion des ondes au niveau de la source est un des principaux problèmes limitant l’adoption de cette technologie. L’utilisation d’un triple accordeur électromagnétique apparaît dans la pratique comme une façon de résoudre le problème. Cependant, son opération demeure manuelle et repose sur l’expérience pratique de l’opérateur, et tend à générer des manoeuvres hasardeuses, voire destructrices. Ce mémoire présente un travail portant sur la problématique de la réflexion des ondes dans le cadre des procédés chimiques susdécrits. Le travail de recherche vise à développer des connaissances sur le fonctionnement du triple accordeur électromagnétique dans le but de réaliser un contrôle automatique de ce dernier. Pour ce faire, deux grandes étapes sont considérées. Dans un premier temps, une étude du fonctionnement du procédé d’un point de vue électrique est proposée. Cette étude permet de mieux cerner les défis de transmission de l’énergie. Dans un second temps, l’introduction d’outils et de méthodes permettant le contrôle de l’accordeur afin de réduire la réflexion des ondes est proposée. Pour réaliser une bonne transmission d’énergie, le travail est réparti sur plusieurs volets : d’abord un travail de simulation a été développé pour les parties principales du système. Ensuite, un modèle abstrait a été conçu pour adresser le problème de la réflexion en particulier. Cette étape a nécessité l’introduction des principales variables et outils pour caractériser la problématique. Enfin, une méthode d’adaptation est proposée pour générer une consigne de contrôle adaptée à l’accordeur. Un travail expérimental sur le dispositif physique a été mené pour valider puis corriger les résultats théoriques. Les consignes de contrôle ont été élaborées en boucle ouverte. Ce choix fait partie d’une perspective de contrôle en boucle fermée plus large qui permet un meilleur contrôle d’autres variables et phénomènes. La température, la résonance, la fréquence et le type de signal sont parmi les paramètres de contrôles possibles et envisagés pour ces procédés.