Récupération de la chaleur fatale

Consommation énergétique dans l’industrie

      La consommation énergétique est divisée en quatre domaines : le transport, le bâtiment (résidentiel et tertiaire), l’agriculture, et l’industrie. A l’échelle nationale, la consommation énergétique française est répartie de la façon suivante : 45% de l’énergie est consommée dans le bâtiment, 31% dans les transports, 21% dans l’industrie, et 3% dans l’agriculture. D’après SOes (service de l’observation et des statistiques du ministère de l’écologie), dans l’industrie la consommation énergétique est relativement stable depuis les années 70. Toutefois, une chute importante de la consommation est observable en 2009. Celle-ci est principalement imputée à la crise économique (Figure 1.2). En 2012, la consommation énergétique des procédés industriels français représentait 32,1 Mtep (Méga tonne équivalent pétrole), correspondant à 21 % de la consommation énergétique française. Les fours et les séchoirs sont des procédés ayant une forte demande énergétique. L’alimentation des fours représente 70% de la consommation énergétique de l’industrie française. Les combustibles fossiles sont la principale source énergétique consommée par les industriels pour produire de la chaleur. En effet, ils représentent à eux deux près de 61% de la consommation de combustibles du secteur industriel français (Figure 1.3). L’importance de l’efficacité énergétique a été soulignée par de nombreux acteurs économiques et politiques internationaux. Les économies et la raréfaction des ressources fossiles sont une des forces motrices du développement de procédés plus efficaces. Aujourd’hui, dans l’industrie, la récupération de chaleur est considérée comme une valeur ajoutée du processus de fabrication. La chaleur récupérée peut être utilisée par le procédé, ou dans la production de services supplémentaires, tels que de l’énergie électrique ou de la chaleur pour un réseau de chaleur. Aujourd’hui, l’amélioration de l’efficacité des procédés reste encore un levier important. En 2008, les coûts énergétiques représentaient 10% du coût total d’un produit dans l’industrie agroalimentaire, 5% dans le secteur de la chimie, et entre 30 et 45% dans l’industrie métallurgique (Maréchal et Muller, (2008)). Par conséquent, il est certain que les coûts élevés de l’énergie sont répercutés sur les prix des produits finis.

Chaleur dite de « Qualité moyenne »

     Même si l’industrie ne représente que 21% de la consommation d’énergie dans l’hexagone, elle reste aussi un secteur innovant en matière d’efficacité énergétique. La récupération de la chaleur fatale dans l’industrie conduit à exploiter un nouveau potentiel en matière d’innovation et d’économie industrielle. Comme nous avons pu le constater, les technologies de valorisation de la chaleur fatale sont multiples et dépendent principalement de la « qualité » de la chaleur. Généralement, la chaleur dite de haute qualité, est déjà récupérée au sein du procédé et la chaleur de qualité inférieure est rejetée dans l’environnement. Pourtant, la pertinence économique de récupérer ces pertes énergétiques de basse température a évolué. En effet, le coût de l’énergie est de plus en plus élevé et la demande énergétique de plus en plus importante. Selon l’ADEME, plus de 50% du gisement de chaleur fatale se situe entre 100 et 200°C.

Efficacité énergétique des fours de cimenterie

      Le sujet de l’efficacité énergétique sur les fours rotatifs utilisés en cimenteries pour la fabrication du ciment est abordé par Engin et Ari, (2005) ; Atacam et Yamarutas, (2014) ; Mujumdar et Ranade, (2006). Elle s’impose déjà en 1900 avec l’arrivée des fours rotatifs et d’un nouveau combustible, le fioul. Celui-ci remplace le charbon broyé fournissant une flamme de 1500°C nécessaire au déclenchement de la réaction entre la chaux et l’argile permettant la fabrication du « clinker ». Aujourd’hui, le sujet de l’efficacité énergétique est encore largement abordé dans la littérature car le procédé de fabrication du ciment requiert une forte demande énergétique et présente un impact important sur l’environnement. En effet, l’industrie du ciment consomme beaucoup d’énergie représentant en général 30 à 40% des coûts de production. Selon plusieurs études, la consommation énergétique pour une tonne de ciment produite est en moyenne 3 GJ/tonne pour un four récent et bien équipé. Pourtant, dans beaucoup de pays, la consommation peut encore excéder les 5 GJ/tonne (Atacam et Yamarutas, (2014)). Cette énergie est essentielle pour fournir la chaleur nécessaire à la réaction endothermique de clinkerisation. Elle permet d’obtenir un composant essentiel du ciment, « le clinker ». La composition du « clinker » en sortie de four est la suivante : Alite ??3???5 , Bélite ??2???4 , Aluminoferrite tétracalcique ??4??2??2010, et de la chaux libre ???. La production du ciment est réalisée dans des fours rotatifs (Figure 1.12), longs tubes avec un diamètre supérieur à 6 mètres, légèrement inclinés avec un angle de 3-3.5°, et tournant lentement à des vitesses de rotation comprises entre 1 et 2 tr.min-1 . Le four est équipé d’un brûleur situé au font du four et produit une flamme à environ 2000°C. La présence de cette flamme permet d’obtenir un gradient thermique entre l’entrée et la sortie du four, de 800 à 1500°C. Ce gradient de température permet la réalisation des différentes réactions chimiques amenant à la formation du « clinker ». Dans la littérature, il existe encore de nombreux travaux sur l’analyse énergétique et exergétique des cimenteries, et d’après ces études, les pertes énergétiques observées sur ce procédé restent encore importantes. D’après les travaux de Atmaca et Yumrutas, (2014), le rendement énergétique d’un four de cimenterie est de 59% et le rendement exergétique est lui de 39%. Leur étude indique qu’une large part des pertes exergétiques est observée au niveau du four rotatif (61%). Pour les auteurs Engin et Ari, (2005), 40% de l’énergie fournie au procédé est perdue dans l’environnement, avec 19 % de l’énergie se retrouvant en sortie de procédé à travers les gaz chauds de combustion, 6% dans les tours de refroidissement, et 15% en paroi de four par convection et radiation. Les fortes températures rencontrées en sortie de procédé ont déjà conduit aux développements d’organes de récupération de la chaleur fatale de haute qualité. Aujourd’hui, la majorité des unités de production de ciment valorise au sein du procédé la chaleur provenant des « sources chaudes » en sortie pour préchauffer les « sources froides » à l’entrée du procédé (Figure 1.13). Toutefois, les pertes de chaleur fatale de qualité moyenne observées en paroi et en sotie restent encore non négligeables.

Mécanismes de transferts de chaleur

      Les mécanismes de transferts de chaleur sont fortement liés au gradient de température. Dans les fours rotatifs, les transferts de chaleurs ont lieu principalement dans la direction transversale et les transferts axiaux peuvent être négligés. En effet, le gradient de température dans la direction axiale du four reste faible (Brimacombe et al., (1989) ; Gorog et al., (1981)). Les transferts de chaleur dans les fours rotatifs impliquent principalement des transferts convectifs et radiatifs entre les matériaux, les gaz, et la paroi. Ainsi, le calcul des échanges de chaleur implique une connaissance des surfaces de transfert, des propriétés convectives et radiatives, et plus particulièrement des coefficients de transfert et de l’émissivité des matériaux solides, de la paroi et des gaz. Dans les fours rotatifs, les transferts de chaleur se décomposent de la façon suivante (Figure 2.2) :
– Les transferts entre les gaz et la phase solide du lit exposée ?̇ ??, incluant un terme de convection ?̇??? et un terme de rayonnement ?̇???.
– Les transferts entre les solides contenus dans le rideau de solides et les gaz de combustion ?̇??, incluant un terme de convection ?̇??? et un terme de rayonnement ?̇???.
– Les transferts entre les solides recouvrant la paroi et la paroi mobile du four ?̇??. Ce flux de chaleur est composé d’une approche décrite par résistance de contact entre la paroi mobile et les matériaux solides.
– Les transferts entre la paroi exposée et les gaz de combustion ?̇ ?? incluant un terme de convection ?̇??? et un terme de rayonnement ?̇???.
– Les pertes de chaleur de la paroi extérieure du tambour avec le milieu extérieur ?̇??.

Présentation générale du banc d’essai

      La détermination du coefficient de transfert ℎ de l’échangeur de chaleur a été réalisée à partir d’expérimentations effectuées sur un four rotatif pilote instrumenté à échelle semiindustrielle. Le pilote est composé de deux cylindres concentriques. Un premier est en acier de 5 ?? d’épaisseur décrit un four rotatif, avec son rayon ?? de 170 ?? et sa longueur ????? de 1750 ?? (Figure 3.1). Ce cylindre est mis en mouvement par un moteur asynchrone permettant au four d’atteindre une vitesse de rotation comprise entre 0 et 74 ??.???−1. Le second cylindre, placé au-dessus du four, est composé de deux demi-coques en acier, formant un échangeur, de rayon ?? de 210 ?? et d’une longueur ? de 905 ?? (Figures 3.2et 3.3). Ces deux cylindres composent un entrefer d’épaisseur ? = (?? − ?? ) de 40 ??, où est imposé un flux d’air compris entre 20 ?? 250 ?3. ℎ−1 . A l’intérieur du four, le chauffage de la paroi s’effectue grâce à un dispositif de résistances électriques d’une puissance totale de 10.2 ??. Ainsi, cette méthode permet de mimer l’énergie fournie par un brûleur fonctionnant au gaz naturel ou au fioul dans le cas industriel. En effet, le banc d’essai est équipé d’un chauffage électrique par résistance pour des raisons pratiques et de sécurité imposées par le laboratoire. Ces résistances permettent d’obtenir l’énergie nécessaire au chauffage du four et de la paroi. Le pilotage des organes de puissance (moteur, résistances) et l’acquisition des mesures de température et de vitesse sont accomplis par un logiciel développé sous Dasylab®. Afin de simplifier l’étude des transferts de chaleur, aucune circulation de matériaux ou de gaz dans le four n’est effectuée. Le flux de chaleur est ainsi contrôlé dans l’enceinte fermée du four afin d’obtenir un flux de chaleur constant en paroi

Thermographie infrarouge

    La mesure de la température de la paroi du four confinée dans l’échangeur est effectuée à l’aide d’une caméra infrarouge. Elle vise les trois hublots de mesure fixés sur la demi-coque supérieure de l’échangeur. Dans un premier temps, la caméra infrarouge a été calibrée sur un corps noir placé derrière le hublot. La calibration de la caméra infrarouge est une étape importante car le rayonnement enregistré par la caméra se compose de l’émission, de la transmission et de la réflexion des objets se trouvant dans le champ de la caméra. La transmission d’un matériau décrit sa capacité à laisser passer les rayons infrarouges. Pour nos trois hublots, une transmission de 0.77 a été déterminée. Cette transmission élevée indique que la mesure infrarouge est réalisée sur l’objet situé derrière le hublot, dans ce cas la paroi du four. L’émission d’un matériau décrit sa capacité à émettre des rayons infrarouges. Cette capacité est indiquée par l’émissivité. Afin de contrôler et d’assurer une émissivité uniforme de la paroi du four, elle a été peinte en noir (???? = 1). La caméra infrarouge utilisée lors des expérimentations est une PI450 de la marque optris. Elle possède une résolution infrarouge de 382/288 pixels, une sensibilité de 0.1 ?, et une fréquence d’acquisition de 80 ??. La résolution de la caméra est importante car elle décrit le nombre de points de mesure de température enregistrés. D’après les données fournies par le fabricant, la caméra infrarouge peut être utilisée dans une gamme de températures comprises entre 0 et 900°? avec une erreur relative de ± 2%. Au cours des mesures, la caméra est inclinée de 45° et positionnée face aux hublots de mesure à une distance de 500 ??. Cette distance a été estimée à partir des propriétés optiques de l’objectif afin de visualiser la totalité du hublot dans le champ de vision. Les mesures sont effectuées individuellement hublot par hublot pour les trois zones d’étude (Tableau 3.1) d’une surface ??? = 0.28 ??2 (Figure 3.13). La caméra est fixée sur un trépied lui permettant de prendre trois positions différentes (Figure 3.13) afin de couvrir l’ensemble des hublots. Pour chaque hublot, les mesures de température sont enregistrées durant 60 secondes afin d’éliminer le bruit observé durant les mesures. Le bruit observé lors des mesures de température en fonction du temps est reporté sur la Figure 3.14a. (a) (b) Sur les mesures infrarouges reportées sur la Figure 3.14(a), des fluctuations de la température en paroi sont observées en fonction du temps. La fréquence d’oscillation des fluctuations de la température a été comparée à la fréquence de rotation du four (Figure 3.15(b)). Les résultats obtenus pour plusieurs vitesses de rotation indiquent que la fluctuation de la température en paroi est imputable à la rotation du four. Ces différences de température en paroi s’expliquent par l’observation d’un point chaud au niveau de la soudure du four.

Table des matières

I Chapitre 1 Analyse de la problématique
1. Contexte général
1.1. Sources énergétiques
1.2. Consommation énergétique dans l’industrie
1.3. Amélioration de l’efficacité énergétique dans l’industrie
1.4. Récupération et valorisation de la chaleur fatale
2. Outils dédiés à l’étude énergétique des procédés
2.1. Analyse énergétique
2.2. Théorie du pincement
2.3. Diagnostic exergétique
3. Application aux fours dédiés à l’élaboration des matériaux
3.1. Efficacité énergétique des fours de cimenterie
3.2. Efficacité énergétique des fours de centrale d’enrobage
3.3. Modélisation énergétique des fours rotatifs
3.4. Récupération de la chaleur fatale sur des fours industriels
4. Synthèse et problématique de la thèse
II Chapitre 2 Modélisation 1-D des fours-rotatifs munis de releveurs
1. Introduction
2. Démarche
2.1. Mécanismes de transferts de chaleur
2.2. Hypothèses du modèle
2.3. Mise en équations
3. Transferts thermiques en four rotatif
3.1. Transferts radiatifs
3.2. Transferts convectifs
3.3. Transferts thermiques entre la paroi et les matériaux
4. Distribution transversale des matériaux
4.1. Transport axial des matériaux solides
4.2. Transport transversal des matériaux solides
4.3. Surfaces de transferts
5. Application du modèle
5.1. Validation sur four industriel
5.2. Expérimentation numérique des fours rotatifs
6. Conclusion
III Chapitre 3 Caractérisation des transferts thermiques dans l’échangeur de chaleur
1. Introduction
2. Banc d’essai expérimental
2.1. Présentation générale du banc d’essai
2.2. Echangeur de chaleur
2.3. Dispositif de chauffage
2.4. Dispositif d’entrée et d’extraction de l’air
2.5. Système d’entrainement
2.6. Pilotage et supervision
3. Moyens de mesure
3.1. Thermographie infrarouge
3.2. Thermocouples
3.3. Sondes à fils chauds
3.4. Vitesse de rotation du four
4. Méthode
4.1. Protocole expérimental
4.2. Paramètres sans dimension
4.3. Paramètres opérationnels
4.4. Méthode expérimentale d’estimation du nombre de Nusselt
4.5. Plan d’expériences
5. Résultats
5.1. Profils de température le long de l’échangeur
5.2. Estimation du nombre de Nusselt
5.3. Discussion des résultats et comparaison avec la littérature
6. Application de l’échangeur aux fours rotatifs industiels
6.1. Adaptation du modèle 1-D
6.2. Cas d’étude : Four rotatif d’un poste d’enrobage
6.3. Résultats numériques
7. Conclusion
IV Chapitre 4 Etude hydrodynamique de l’écoulement de Taylor-Couette-Poiseuille 
1. Introduction
2. Ecoulement de Taylor-Couette-Poiseuille : revue bibliographique
2.1. Ecoulement de Taylor-Couette
2.2. Ecoulement de Taylor-Couette-Poiseuille
2.3. Simulation numérique d’un écoulement de Taylor-Couette-Poiseuille
3. Turbulence : Le phénomène et sa mise en équation
3.1. Définition
3.2. Conséqences sur les transferts pariétaux
3.3. Hypothèse de Kolmogorov – Cascade énergétique
3.4. Description statistique des écoulements turbulents
3.5. Modélisation numérique des écoulements turbulents
4. Simulation numérique: Mise en œuvre sous OpenFOAM
4.1. Simulation RANS
4.2. Simulation aux grandes échelles
4.3. Méthode numérique
4.4. Configuration géométrique et paramètres de contrôle de l’écoulement
4.5. Validation sur un cas test : écoulement de Taylor-Couette-Poiseuille
5. Champs hydrodynamiques
5.1. Ecoulement moyen
5.2. Statistiques de la turbulence
5.3. Couche limite hydrodynamique
5.4. Cascade énergétique en proche paroi
5.5. Structures tourbillonnaires
6. Conclusion
Conclusions et Perspectives

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