Soutenance mémoire
Concept d’énergie par point de croisement
La théorie de choc
Tous les chercheurs caractérisent le procédé de raffmage par le mot impact pour décrire l’effet des barres sur les fibres. Nous allons traiter dans le cadre de notre projet de thèse ce phénomène bien connu dans le domaine de la physique par les mots, choc et percussion. L’idée fondamentale de la théorie de choc consiste à calculer l’énergie transmise par les disques du raffineur aux fibres sachant que, selon Smith [33], la source de cette énergie se localise seulement sur les lames en mouvement (objet de contact avec les fibres) et non pas sur toute la surface du raffmeur.Des hypothèses sur la géométrie des flocs dans chaque couronne (annulus) seront nécessaires pour une partie de notre développement. Ces hypothèses sont basées sur des observations expérimentales qui postulent que l’orientation des fibres n’a pas d’effet sur la concentration massique [37, 66]. Le nombre de flocs capturés, la surface et l’épaisseur ne dépendent pas de la consistance [66]. Ces données permettent de choisir pour l’étude cinématique des fibres, une surface rectangulaire de longueur et de largeur qui varient linéairement avec le rayon r. Dans [66], Batchelor prend la surface des flocs constante sur toute la zone du raffineur.
La théorie de choc
Tous les chercheurs caractérisent le procédé de raffmage par le mot impact pour décrire l’effet des barres sur les fibres. Nous allons traiter dans le cadre de notre projet de thèse ce phénomène bien connu dans le domaine de la physique par les mots, choc et percussion. L’idée fondamentale de la théorie de choc consiste à calculer l’énergie transmise par les disques du raffineur aux fibres sachant que, selon Smith [33], la source de cette énergie se localise seulement sur les lames en mouvement (objet de contact avec les fibres) et non pas sur toute la surface du raffmeur. Des hypothèses sur la géométrie des flocs dans chaque couronne (annulus) seront nécessaires pour une partie de notre développement. Ces hypothèses sont basées sur des observations expérimentales qui postulent que l’orientation des fibres n’a pas d’effet sur la concentration massique [37, 66]. Le nombre de flocs capturés, la surface et l’épaisseur ne dépendent pas de la consistance [66]. Ces données permettent de choisir pour l’étude cinématique des fibres, une surface rectangulaire de longueur et de largeur qui varient linéairement avec le rayon r. Dans [66], Batchelor prend la surface des flocs constante sur toute la zone du raffineur .Quantification de l’énergie dissipée dans la fibre et celle reçue par la fibre dans le but d’expliquer la problématique des courbes de Senger.
Étude énergétique des fibres à un niveau d’une échelle nano
L’évaluation des propriétés physiques comme le module d’élasticité (module de Young), des liaisons interatomiques sous une traction et une compression est un véritable défi pour les chercheurs en nano mécanique [68]. Ces propriétés sont difficiles à obtenir expérimentalement, comme dans le cas des matériaux cellulosiques (fibre souple). D’où l’intérêt de concevoir une modélisation permettant à des expérimentateurs et des théoriciens d’améliorer la compréhension de ces phénomènes physiques. Dans ce cadre de l’analyse mécanique des matériaux cellulosiques (fibres) sous l’effet du raffmage, on peut distinguer deux approches principales de modélisation:
1. Méthodes basées sur la dynamique moléculaire :
2. Méthodes continues basées sur la mécanique des solides et des structures.
La dynamique moléculaire donne une description des mouvements et des évolutions spatiales des molécules à l’échelle atomique. Chaque atome est assimilé à une masse ponctuelle qui vibre autour de sa position d’équilibre sous l’effet d’agitation thermique [68, 69]. Pour la caractérisation du comportement mécanique comme l’identification de la résistance mécanique il est préférable d’adopter une approche quasi statique dans laquelle la mécanique vibratoire n’est pas prise en compte et les forces d’interaction entre les atomes et ses plus proches voisins sont assimilées par des forces d’assemblage de type poutre, le système étudié est équivalent à une structure de treillis étudié en mécanique classique [68]. Concernant les méthodes continues, elles fournissent une description macroscopique de la matière. En spécifiant un volume caractéristique, la fibre sous l’effet de la contrainte normale de raffinage aura un comportement homogène défmi par les lois reliant les déformations aux contraintes internes à l’échelle macroscopique. Ces déformations et contraintes peuvent dériver des lois élastoplastiques définies à partir de potentiels d’interaction entre les atomes par exemple dans le cas des liaisons hydrogène.
Morphologie de la fibre
Le bois est constitué de trois éléments principaux: la cellulose, les hémicelluloses et la lignine [70]. Le bois contient également de petites quantités d’acides résiniques et gras, des triglycérides, des stérols et des esters qu’on appelle les extractibles, car on peut les extraire par un solvant organique tel que l’acétone, l’éthanol ou le dichlorométhane.
La liaison d’hydrogène
Les liaisons hydrogènes sont des liens intermoléculaires dont les atomes qui la composent respectent une certaine orientation. Pour la fibre, les atomes de la liaison hydrogène sont principalement composées de groupements hydroxyles de la cellulose. Ces liens stabilisent l’ensemble en se plaçant d’une manière très ordonnée pour former des plans superposés constitués de chaînes (Figure 4.5) de cellulose parallèles.Ce sont les forces interatomiques qui leur confèrent cet arrangement spécifique. Ces forces jouent le même rôle que celles des ressorts dans un système classique masse ressort. Par conséquent, il y aura propagation d’une onde mécanique de déformation (vibration) dans la fibre lorsque les plans superposés subissent des contraintes mécaniques. L’origine de ces contraintes est due à la force normale excitatrice et à la force tangentielle du raffineur.
Quantification de la force reçue par les microfibrilles
La structure de la fibre est soumise à un choc, suite à la percussion de la fibre avec les barres qui lui confèrent une force excitatrice. Les caractéristiques d’amplitude et de fréquence de la force reçue par la fibre changent continuellement en fonction du temps, car les lames, qui sont sujettes à la percussion avec les fibres changent de caractéristiques géométriques et que la position radiale de percussion est variable aussi avec le temps. On peut en conclure que la force F (t) reçue par la fibre est un signal aléatoire. Leur étude nécessite généralement un enregistrement qui permettra, par une répétition périodique, de les représenter par un signal aléatoire stationnaire
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Table des matières
Avant-propos
Remerciements
Résumé
Mots Clés
Table des matières
Liste des figures
Liste des tableaux
Liste des abréviations
Chapitre 1 – Introduction
1.1 Procédé de fabrication du papier
1.2 Opération de raffmage
1.3 Concepts de base du raffmage
1.4 Les différents paramètres de raffmage
1.5 Insuffisance de développement physique dans le procédé de raffmage
1.6 Description des équipements de raffmage
1.7 Description des garnitures de raffmeur à disques
1.8 Caractéristiques et propriétés de l’écoulement de la pâte
1.9 Fonctionnement à vide et en charge
1.9.1 Fonctionnement à vide
1.9.2 Fonctionnement en charge
1.10 Mode de raffmage de la pâte
1.10.1 Raffmage individuel des fibres
1.10.2 Raffmage sous forme de flocs
1.11 Les forces dans le raffineur
1.11.1 Détermination du coefficient de friction tangentielle, f
1.12 Autres expressions des forces normales et de cisaillement
1.12.1 La force de cisaillement
1.12.2 La force normale
1.13 Mesures expérimentales des forces normale et tangentielle
1.13.1 Effet des déformations du bâti du raffineur sur l’entrefer
1.14 Introduction du concept d’intensité
1.14.1 Déflnition du concept d’intensité de raffmage
1.14.2 Charge spéciflque de surface
1.15 Temps de résidence ou de séjour des flbres dans le rafflneur
1.16 Intensités de raffmage
1.16.1 Quantiflcation de la distribution massique des flbres et du temps de séjour dans le raffmeur : Méthode basée sur les courbes en laboratoire
1.16.2 Expression théorique de la masse locale des flbres
1.17 Méthode de calcul théorique de la masse
1.18 Modélisation de la cinétique de la coupe des flbres
1.18.1 Expression de la fraction massique f
1.18.2 Variation de la masse linéique ,li
1.18.3 Modélisation empirique proposée
1.19 Effet du sulflte sur l’énergie spéciflque du raffmeur et sur les propriétés de la flbre
Chapitre 2 – Les techniques susceptibles de modéliser les phénomènes vibratoires dans le procédé de raffmage
2.1.1 Outils méthodologiques et de prédiction
2.2 Analyse statistique énergétique SEA
2.2.1 Principe de l’analyse statistique énergétique
2.2.2 Système à plusieurs modes couplés
2.3 Étude du système réel
2.3.1 Caractérisation des sous-systèmes
2.3.2 Calcul de la matrice des facteurs de pertes
2.3.2.1 Facteur de perte par dissipation 7]i
2.3.2.2 Facteur de perte par couplage nl2
2.3.2.3 Résolution de l’équation matricielle
Chapitre 3 – Synthèse et objectifs de recherche
3.1 Les paradoxes industriels
3.2 Problématique de la charge spéciflque d’arête
3.3 Concept d’énergie par point de croisement
3.3.1 Effets de vibration
3.4 Évaluation et investigation des théories de raffmage à l’échelle industrielle
3.4.1 L’expérience de Senger et sa problématique .
3.5 Discussions des résultats expérimentaux scandinave et fmlandais
3.6 Objectifs
3.6.1 Quantification de l’intensité de raffinage
3.6.2 Temps de séjour
3.6.3 Moment d’inertie des plaques
3.6.4 Les phénomènes hydrodynamiques
3.6.5 Mise en équation des forces de raffinage
3.6.6 Coefficient de friction tangentiel
3.6.7 Quantification des propriétés des fibres et des papiers dans le procédé de raffinage
3.6.8 Nouvelles approches de recherche dans le procédé de raffinage
3.6.9 Simulation et étude des fibres par un système masse-ressort
3.6.10 Étude de l’effet des produits chimiques additifs, sur l’énergie spécifique dans le procédé CTMP
Chapitre 4 – Proposition de recherche et discussions préliminaires
4.1 Proposition de recherche
4.2 La force du couple du moteur électrique
4.3 La théorie de choc
4.4 La théorie de NISSAN
4.5 Notions de temps de contact et de temps de séjour
4.6 Quantification de l’énergie dissipée dans la fibre et celle reçue par la fibre dans le but d’expliquer la problématique des courbes de Senger
4.6.1 Étude énergétique des fibres à un niveau d’une échelle nano
4.6.2 Morphologie de la fibre
4.6.3 La liaison d’hydrogène
4.6.4 Quantification de la force reçue par les microfibrilles
4.7 Modélisation du réseau des microfibrilles
4.7.1 La dissipation de l’énergie dans la fibre
4.7.2 Hypothèses fondamentales
4.8 Simulation de la fibre ou un amas de fibres par un système masse ressort
4.8.1 Fonction de réponse en fréquence expérimentale (FRF) de la structure de la fibre
4.8.2 Discussion préliminaire sur l’expérience de Senger et de sa problématique
4.8.3 Étude de l’effet de sulfite sur le procédé de raffmage CTMP
4.8.4 Bilan énergétique du raffmeur
Chapitre 5 – Objectifs de la thèse
Chapitre 6 – Nouveau précepte de l’intensité de raffinage
6.1 Introduction du nouveau précepte
6.2 Méthodologie de quantification du précepte
6.2.1 Expression de la variation de l’énergie cinétique de toutes les lames du rotor (DT) lors du raffinage
6.2.2 Variation de l’énergie cinétique dI;, de la barre d’indice k
6.2.3 Expression du moment d’inertie des lames du rotor sans effet de la poussée axiale sur le taper des lames
6.2.4 Moment d’inertie des lames du rotor avec un effet de poussée axiale sur le taper des lames
6.2.5 Détermination du nombre de percussions Np
6.3 Quantification de l’intensité de raffmage en fonction des propriétés des lames 6.4 Analyse expérimentale du facteur hydrodynamique m
6.4.1 Évaluation du facteur (m) et comparaison avec les résultats de Miles
6.4.2 Méthode de calcul du facteur hydrodynamique
6.5 Résultats et validation expérimentale du modèle
6.5.1 Détermination expérimentale du paramètre hydrodynamique m
6.5.2 Estimation expérimentale du moment d’inertie de toutes les lames du raffineur
6.5.3 Calcul de l’intensité de raffmage et comparaison avec le modèle de Miles
6.6 Conclusions
Chapitre 7 – Nouvelle approche théorique du procédé de raffmage des fibres: approche Akdim-Lanouette-Robert (ALR)
7.1 Avant-propos
7.2 Développement
7.3 Les développements technologiques et théoriques pour la mesure des forces agissantes sur les flocs de fibres
7.4 Définition de la viscosité dynamique
7.5 Définition newtonienne de la viscosité de cisaillement
7.6 La viscosité dynamique dans le domaine des pâtes et papiers
7.7 Détermination d’un nouveau modèle pour quantifier la viscosité des fibres en circulation dans la zone des entrefers
7.8 Détermination du couple de la force de résistance du fluide (fibre et liquide) C »
7.9 Détermination de l’équation différentielle caractéristique du procédé de raffmage
7.9.1 Détermination du couple des forces au moment de la percussion .. 165
7.9.2 Étude du couple Cres(t) de la résistance mise enjeu au voisinage de l’instant to
7.10 Résolution de l’équation différentielle
7 .11 Notion de bande passante
7.12 Calcul de la viscosité
7.12.1 Détermination du temps de percussion t f
7.12.2 Détermination du nombre de percussions (nc)
7.13 Quantification de la force normale lors du raffmage
7.13.1 La viscosité et le module de relaxation de la phase rigide (solide) du fluide
7.13.2 Détermination de la viscosité de la phase rigide (solide)
7.13.3 Nature du fluide en écoulement dans le raffineur
7.13.4 Estimation du module de relaxation des fibres pendant le raffmage dans le cadre du modèle de Maxwell
7.13.5 Analyse des mesures effectuées par les capteurs piézoélectriques et quantification des phénomènes observés
7.14 Quantification du temps de relaxation de Maxwell de la phase rigide du fluide et détermination de la contrainte exercée sur les flocs
7.15 Validation expérimentale
7.15.1 Viscosité de l’eau
7.15.2 Détermination de la viscosité des fibres pendant le traitement de raffmage
Chapitre 8 – Signification physique du temps de percussion
8.1 Introduction
8.2 Interprétation physique du temps de percussion
8.3 Expression mathématique du temps de percussion
8.3.1 Détection de la déformation des lames du raffmeur par l’intermédiaire du temps de percussion
8.3.2 Effet de la perturbation du système (Sr) sur le temps de percussion
8.3.3.1 Variation du temps de percussion en fonction de la consistance du raffinage du deuxième stade et le degré de raffinage du premier stade
8.3.3.2 Le raccourcissement des fibres raffinées en fonction de l’intensité de la force inertielle, transmise du système (Se) au système (Sr) pendant le temps d’impact
8.3.4 Effet de l’essence du bois sur le temps de percussion
8.3.4.1 Effet du temps de percussion sur le degré de raffinage du deuxième stade en fonction de la température et le degré de raffinage du premier stade
8.3.5 Effet des variables du milieu extérieur (Se) sur le temps de percussion
8.3.6 Effet d’une variation des éléments inertiels du système (Sr) sur la consommation électrique
8.4 Conclusion
Chapitre 9 – Conclusion générale
Bibliographie
Annexe (fonction de réponse en fréquence)
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