5.1 Comment mener un séchage intermittent ?
5.1.1 Amélioration au niveau de la cinétique de séchage
5.1.1.1 Considérations à l’échelle de la planche
Pour la cinétique de séchage, nous avons vu au niveau expérimental et avec la simulation que l'oscillation des conditions de séchage (température et/ou humidité relative) n'avait semble t'il pas grand intérêt. La cinétique de la conduite oscillante suit celle de la conduite constante si celle-ci a été réalisée avec la même température moyenne. La cinétique de la conduite constante sera plus rapide bien évidemment si elle est réalisée à la température la plus haute de l’oscillation et plus lente si elle est réalisée à la température la plus basse de l’oscillation (campagne 2, chapitre 2, Figure 2.19). Toutefois, les conduites de séchage intermittent étudiées dans ce travail présentaient toutes une symétrie dans chaque cycle de l'oscillation. La partie suivante utilise le code pour étudier l’impact d’une autre stratégie qui consisterait à réaliser un séchage intermittent dont les cycles ne sont pas symétriques au niveau de la température. Dans ce cas, la durée de la phase de refroidissement est différente de celle destinée au chauffage de la planche. Nous savons qu'il est possible d'augmenter le flux de vapeur sortant d'une planche lorsque le gradient de température et le gradient de teneur en eau sont dans le même sens, configuration rencontrée par exemple lors du refroidissement. Notons
Chapitre 5
125 qu'ils sont en sens opposé dans la configuration classique de séchage avec apport de chaleur par convection. Le code utilise actuellement le gradient de pression de vapeur comme terme moteur pour la diffusion. Cette force motrice semble être capable d'appréhender correctement la thermodiffusion (Bouali et al., 2012). Nous allons tester ci-après différentes conduites de séchage intermittent utilisant cet effet pour voir son impact sur la durée du séchage.
Dans la configuration simulée, la température fluctue entre 60°C et 40°C et l'humidité relative a été adaptée pour maintenir une humidité d'équilibre constante égale à 10% (Figure 5.1). Un facteur d'intermittence λ a été défini par le ratio 60/(60+40), avec 60, la durée de la phase à 60°C et 40 la durée de la phase à 40°C. La durée de la phase de chauffage est choisie dans un premier temps par rapport à l'ordre de grandeur de mise en équilibre thermique soit environ 45 min pour une planche de 30mm d'épaisseur de bois vert. La durée de la phase de refroidissement a ensuite été changée pour voir son impact sur la durée du séchage (Tableau 5.1). Lors des phases de refroidissement, les coefficients de transferts externes ont été réduis, configuration similaire au ralenti de nuit rencontré dans le séchage solaire. En phase de chauffage, le coefficient de transfert externe de chaleur (hc) est de 20 W.m-2.°C-1, et en phase de refroidissement il est de 10 W.m-2.°C-1. Une fonction arc tangente a été utilisée pour tendre de façon asymptotique vers la condition seuil de chaque palier.
Figure 5.1. Evolution de la température sèche de l’air, des températures à la surface et à cœur du bois pour la configuration avec λ = 1/3.
Nous voyons dans le tableau 5.1 que le code ne prédit pas d'avantage significatif pour cette stratégie visant à limiter l'augmentation de la durée du séchage lorsque l'on diminue la température. En effet, les transferts d'humidité dépendent fortement du niveau de température. La diminution de 20°C de la température sèche semble être l'effet prépondérant sur la réduction de l’intensité des transferts par rapport aux gains pouvant être apportés par la thermodiffusion. L’avantage se situera probablement plus au niveau de la consommation énergétique du procédé car la durée cumulée à la température haute est plus faible que la
40 45 50 55 60 163 164 165 166 167 168 Tcoeur Tséchoir TSurface Temps (h) Te m p e ra tu re ( °C )
durée de la conduite de référence dont la température est maintenue à la valeur haute pendant toute la durée du séchage (voir colonne 3, Tableau 5.1).
Tableau 5.1. Impact du changement de la durée de la phase de refroidissement sur la durée du séchage.
λ Ratio de la durée du
séchage pour atteindre 12% Ratio de la durée passée à la température haute de 60°C par rapport à la durée du séchage de référence (%)
0 2.2 0% 1/4 1.8 45% 1/3 1.7 57% 1/2 1.5 74% 2/3 1.3 86% 1 1 100%
En somme, le séchage intermittent ne semble pas permettre de réduire la durée du séchage lorsque nous nous intéressons à son effet sur une planche seule.
5.1.1.2 Considérations à l’échelle de la pile
L’hétérogénéité des conditions de séchage le long de la pile (effet pile) va affecter l’homogénéité de l’humidité entre les planches de la pile. Les planches proches du bord de sortie de l’écoulement d’air sécheront avec des conditions plus douces qu’à l’attaque, elles sécheront donc plus lentement que celles se situant au niveau du bord d’attaque. Plusieurs travaux de la littérature (chapitre 1) ont observé une réduction de cet effet pile avec une conduite intermittente. Différentes conditions de séchage ont été testées ci-après sur une pile de planches dont les caractéristiques sont identiques à celle traitée dans les chapitres 3 et 4. Toutefois pour faciliter l’analyse des résultats, toutes les planches ont des propriétés identiques, seule leur position dans la pile change. L’humidité moyenne de la planche se situant sur le bord d’attaque et celle se situant à la sortie de l’écoulement d’air est représentée sur la figure 5.2 pour deux conduites : conditions constantes (Ts=50°C, HR=70%), conduite oscillante, type intermittent 2, (Ts=50°C +/-10°C, HR=70% +/-15%) avec T oscillant en opposition de phase avec HR. Le séchage avec des conditions oscillantes ne semble pas permettre de réduire cet effet pile. Les gains observés dans certains travaux de la littérature peuvent provenir d’une différence d’humidité d’équilibre entre la conduite constante et celle oscillante. En effet, il n’est pas évident au niveau expérimental de réguler les conditions de séchage dans un séchoir afin qu’elles oscillent autour d’une humidité d’équilibre moyenne identique à celle du séchage constant. Si les conditions sont plus sévères (humidité d’équilibre plus basse) l’effet pile sera réduit.
Chapitre 5
127
Figure 5.2. Conduite constante (Ts=50°C, HR=70%), conduite oscillante type intermittent 2 (Ts=50°C +/-10°C, HR=70% +/-15%) avec T oscillant en opposition de phase avec HR.
Pour réduire cet effet dans le cas d’une conduite constante, il faudrait augmenter le débit d’écoulement d’air passant entre les lits de planches en augmentant l’épaisseur des baguettes (réduction de la quantité de bois dans le séchoir) ou en augmentant la vitesse de l’air (augmentation de la consommation d’électricité). Il est possible d’inverser périodiquement le sens de l’écoulement d’air passant à travers la pile de planches. Cette inversion périodique permet d’alterner des conditions douces-sévères sur les deux bords opposés de la pile de planches. Cet effet se manifeste plus particulièrement au début du séchage où les flux de vapeur sortant des planches est plus grand (Figure 5.3). La fluctuation de l’humidité d’équilibre induite par ce changement périodique du sens de ventilation, confère à cette technique un caractère de séchage intermittent mais elle aura peu d’effet sur la consommation énergétique. 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0 48 96 144 192 240 288 336 384 Oscillante en T et HR Constante fuite attaque Temps (h) Hu m id it é ( -)
a) b)
Figure 5.3. Cinétique avec inversion du sens de l’écoulement d’air avec une période de 4h (a), évolution de l’humidité relative de l’écoulement d’air au niveau du bord A de la pile et du
bord opposé bord B (b).
Une variante est de changer périodiquement la vitesse de l’écoulement d’air traversant la pile de planches. La figure 5.4 représente des cycles de 18h avec une phase de 6h durant laquelle la vitesse d’air est élevée pour réduire l’effet pile, suivie d’une phase de 12h avec une vitesse d’air faible. Nous voyons qu’il permet de réduire l’effet pile (Figure 5.4b), et il pourra être avantageux au niveau de la consommation d’électricité qui devrait-être réduite. Cette technique peut être utilisée avec d’autres techniques, en réduisant par exemple la température lors de la phase à vitesse d’air faible pour accroitre les bénéfices au niveau de la consommation d’énergie et en alternant périodiquement le sens de l’écoulement d’air.
a) b)
Figure 5.4. Conditions de séchage et évolution du coefficient de transfert externe (a) et cinétique (b) avec changement de la vitesse d’air.
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0 48 96 144 192 240 288 336 384 milieu de lit attaque -fuite Temps (h) Hu m id it é ( -) 60 70 80 90 100 0 48 96 144 192 240 288 336 384 Bord A Bord B Temps (h) HR ( % ) 0 10 20 30 40 50 0 48 96 144 192 240 288 336 384 Tr Ts
Coefficient de transfert externe (hc)
Temps (h) T ( °C ) o u hc (W /m 2 /°C) 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0 48 96 144 192 240 288 336 384 fuite attaque Temps (h) Hu m id it é ( -)
Chapitre 5
129
5.1.2 Réduction des contraintes résiduelles
5.1.2.1 Considérations à l’échelle de la planche
Pour les contraintes résiduelles, nous avons vu qu'à l'échelle de la planche, l'intermittence des conditions de séchage n'a finalement pas beaucoup d'avantage si l'on compare son effet par rapport à une conduite avec des conditions fluctuantes autour des valeurs de consigne comme c'est le cas dans de nombreux séchoirs industriels. Ces fluctuations des conditions autour des valeurs de consigne étant à une fréquence élevée, les variations d’humidité occasionnées ne se situent qu’au voisinage de la surface d’échange. Les résultats mitigés obtenus entre les différentes configurations testées dans le chapitre 2 et 3 semblent montrer que cet effet pourrait avoir un effet important sur la relaxation des contraintes résiduelles.
Pour mieux comprendre cette observation, nous avons utilisé le code pour tester plusieurs configurations simples.
Dans le cas d’un séchage d’une planche de 2.7 cm avec des conditions parfaitement constantes (Ts=50°C, Tr=42°C), nous observons qu’en début de séchage (Figure 5.5a), le fluage mécanosorptif à la périphérie est important car le niveau de traction est maximal. La partie irrécouvrable de cette déformation est importante puisque la périphérie subit sa première désorption (humidités jamais encore atteintes). En raison de la résistance aux transferts internes, l’humidité des couches jusqu’au cœur évolue plus lentement (Figure 5.6a). Lorsque la partie centrale de la planche commence à se rétracter, une inversion des contraintes apparait (Figure 5.6b). Le cœur continuant de sécher, le fluage mécanosorptif de la partie centrale continue mais dans le sens opposé après l’inversion des contraintes, réduisant la déformation mécanosorptive (Figure 5.5a). Ainsi, le profil de déformation mécanosorptive à la fin du séchage est parabolique (Figure 5.7), aves des valeurs toutes positives (élongation). Les contraintes résiduelles à la fin du séchage vont donc dépendre beaucoup du niveau de déformation mécanosorptive à la périphérie de la planche.
Une conduite avec des conditions fluctuantes autour des valeurs de consigne (Ts+/- 0.5°C, Tr+/-1.5°C avec une distribution homogène autour de ces valeurs) ou une conduite oscillante (Tr+/-1.5°C avec une période de 24h) (Figure 5.5b) va justement permettre la recouvrance d’une partie de cette déformation périphérique et réduire l’écart entre le cœur et la surface. Une amplitude plus forte des oscillations d’humidité d’équilibre pour une période donnée (Tr+/-4.5°C avec une période de 24h) (Figure 5.5b), permet d’augmenter le cumul des variations d’humidité et donc d’activer plus intensément les propriétés mécanosorptives. Mais lorsque la teneur en eau d’équilibre est basse dans le cycle, les contraintes en surface sont fortes via le retrait, ce qui induit un niveau de déformations mécanosorptives irrécouvrable plus élevé annulant ainsi les bénéfices espérés.
Notons que pour une période donnée, un allongement de la durée du séchage va permettre une plus grande recouvrance du fluage mécanosorptif avec les oscillations par rapport à la conduite constante.
Cette observation semblerait indiquer que le séchage intermittent devient plus intéressant pour des séchages dont la durée est longue tel qu’un séchage à basse température
(exemple Figure 5.7b) ou le séchage de planches de plus fortes épaisseurs ou une essence difficile à sécher comme le chêne. Pour une durée donnée, une réduction de la période d’oscillation permettrait d’avoir un résultat similaire mais les variations d’humidités toucheront une couche moins épaisse par rapport à la surface d’échange. La période des oscillations devant-être adaptée à l’épaisseur de la planche pour laquelle on souhaite activer la mécanosorption (voir thèse De La Cruz-Lefevre (2012)).
a) b)
Figure 5.5. Evolution de la déformation mécanosorptive totale : séchage constant (a), séchages constant * (bruité) et oscillant (b).
a) b)
Figure 5.6. Humidité (a) et contrainte (b) pour un séchage avec des conditions constantes (Ts=50°C, Tr=42°C). 0 0.02 0.04 0.06 0 24 48 72 96 120 144 168 1/4 coeur surface Temps (h) ms 0 0.02 0.04 0.06 0 24 48 72 96 120 144 168 Oscillant 4.5 Oscillant 1.5 Constant* 1/4 coeur surface Temps (h) ms 10 30 50 70 0 24 48 72 96 120 144 168 1/4 Surface Coeur Temps (h) H u m id it é ( %) -1.0 -0.5 0 0.5 1.0 0 24 48 72 96 120 144 168 1/4 Coeur Surface Temps (h) Co n tr a in te ( M P a )
Chapitre 5
131
a) b)
Figure 5.7. Comparaison du profil de déformation mécanosorptive finale observé après 165hde séchage dans la configuration à 50°C (a), après 465h de séchage dans la
configuration à Ts=30°C et Tr=22.7°C (b). 5.1.2.2 Considérations à l’échelle de la pile
Nous avons vu à la fin du chapitre 3 que les fluctuations des conditions de séchage de faible amplitude et de fréquence élevée s’attenue le long du lit en raison de l’inertie thermique et hydrique de la charge de bois. Dans la partie suivante nous allons étudier comment propager ces oscillations à travers la pile pour activer les propriétés mécanosorptives.
La figure 5.8 représente la déformation mécanosorptive en surface et à cœur pour la planche se situant sur le bord d’attaque de l’écoulement d’air et celle se situant sur le bord de fuite lorsqu’elles sont soumises à des conditions parfaitement constantes (Ts=50°C, HR=70%). Les planches en sortie bénéficient de conditions plus douces (effet pile) réduisant les contraintes internes et le fluage mécanosorptif.
a) b)
Figure 5.8. Déformation mécanosorptive totale en surface et à cœur pour le séchage constant planche sur le bord d’attaque (a) et sur le bord de fuite (b).
L’oscillation de la température sèche avec une humidité relative constante (Figure 5.9) ou une humidité relative oscillant en phase avec la température (Figure 5.10) (cas de l’intermittent 1,
0 0.01 0.02 0.03 0.04 0 0.25 0.50 0.75 1.00 1.25 Constant Constant* Oscillant 1.5 °C Oscillant 4.5°C Epaisseur (cm) ms 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0 0.25 0.50 0.75 1.00 1.25 Constant Constant* Oscillant 1.5°C Oscillant 4.5°C Epaisseur (cm) ms -0.02 0 0.02 0.04 0 48 96 144 192 240 288 336 384 surface coeur Temps (h) ms -0.02 0 0.02 0.04 0 48 96 144 192 240 288 336 384 coeur surface Temps (h) ms
chapitre 3) a pour conséquence, via l’inertie thermique de la charge de bois, une amplification de l’amplitude des oscillations d’humidité d’équilibre lorsque l’on s’éloigne du bord d’attaque. En effet, nous avions vu dans le chapitre 3 que l’écart de la température sèche avec celle de rosée se réduit lors de la phase de chauffage et augmente lors de la phase de refroidissement. Cet effet conduit l’humidité relative à osciller en sortie avec une plus grande amplitude qu’à l’attaque. Elle active, via les variations de teneur en eau induites, plus intensément le fluage mécanosorptif des planches se situant à la sortie de l’écoulement d’air, mais aussi la partie irrécouvrable de cette déformation.
Cet effet peut être réduit pour des conditions où l’humidité relative oscille en opposition de phase avec la température (cas de l’intermittent 2, chapitre 3) (Figure 5.11). Dans ce cas, l’humidité d’équilibre à la sortie de la pile oscillera avec une amplitude plus faible qu’à l’attaque. Elle nous semble être la stratégie la mieux adaptée pour le moment afin de maitriser l’amplitude des oscillations d’humidité relative à la sortie de la pile de planches et donc l’activation des propriétés mécanosorptives.
a) b)
Figure 5.9. Séchage oscillant (Ts=50°C ±10C°) avec une période de 24h et HR maintenue constante à 70%.
a) b)
Figure 5.10. Séchage oscillant (Ts=50°C ±10C°, HR=70% ±15%) avec une période de 24h. L’oscillation de la température et de l’humidité relative sont en phase.
-0.02 0 0.02 0.04 0.06 0 48 96 144 192 240 288 336 384 coeur surface Temps (h) ms -0.02 0 0.02 0.04 0.06 0 48 96 144 192 240 288 336 384 coeur surface Temps (h) ms -0.02 0 0.02 0.04 0.06 0 48 96 144 192 240 288 336 384 coeur surface Temsp (h) ms -0.02 0 0.02 0.04 0.06 0 48 96 144 192 240 288 336 384 coeur surface Temps (h) ms
Chapitre 5
133
a) b)
Figure 5.11. Séchage oscillant (Ts=50°C ±10C°, HR=70% ±15%) avec une période de 24h. L’oscillation de la température et de l’humidité relative sont en opposition de phase.
En somme, cette partie nous a permis de dresser des tendances générales intéressantes pour la conduite d’un séchage intermittent. Toutefois, nous voyons qu’il existe un très grand nombre de configurations possibles pour mener un séchage intermittent (oscillations de la température et/ou de l’humidité relative, de la vitesse et du sens de l’écoulement d’air traversant la pile, etc.), cette intermittence peut-être volontaire ou subie, et le choix de la configuration devrait-être adapté au séchoir et à ses limites, à l’essence et à l’épaisseur des avivés, etc. Le choix d’une stratégie nécessite donc une étude au cas par cas avec l’aide du code numérique.
Nous avons vu précédemment que le séchage intermittent à basse température pouvait-être une solution avantageuse par rapport à la conduite constante pour réduire les contraintes résiduelles au sein de la planche. Mais dans les conduites de séchage utilisées en milieu industriel, la température augmente par paliers au cours du séchage et l’humidité relative diminue progressivement avec la diminution de la teneur en eau des planches. Nous allons dans la suite étudier les gains potentiel d’un séchage intermittent effectué à basse température, utilisant par exemple une énergie intermittente à faible contenu exergétique, par rapport la conduite habituellement utilisée dans l’industrie.
5.2 Gains potentiels du séchage intermittent en terme de
durée-qualité du séchage
5.2.1 Présentation des stratégies étudiées
Dans cette partie, nous utilisons le code Transpore à l’échelle d’une planche seule pour comparer différentes stratégies de séchage intermittent à la conduite de séchage actuellement pratiquée dans les entreprises. Les résultats sont comparés en terme de durée de l’opération et de qualité du bois séché (gradient de teneur en eau finale et niveau des contraintes résiduelles). La rapidité des calculs à l’échelle de la planche permet en effet une utilisation plus interactive pour la recherche d’une stratégie de séchage adaptée.
-0.02 0 0.02 0.04 0.06 0 48 96 144 192 240 288 336 384 coeur surface Temps (h) ms -0.02 0 0.02 0.04 0.06 0 48 96 144 192 240 288 336 384 coeur surface Temps (h) ms
La configuration que nous avons étudiée consiste au séchage d’une planche de hêtre de 27 mm d’épaisseur, débitée sur quartier, d’une teneur en eau initiale de 60% à une teneur en eau finale de 10%.Le critère temps de séchage correspond à la période au bout de laquelle le bois atteint la teneur en eau finale de 10%. Le critère sur le gradient de teneur en eau final correspond à l’écart type du gradient de teneur en eau finale par rapport à la teneur en eau cible et il est défini par la relation suivante :
2 2 0 1 L ( , ) Star u x t u dx L
(5.1)où L est l’épaisseur de la planche, u(x,t) est la teneur en eau à l’épaisseur x et à l’instant t et la teneur en eau cible a été fixée à 10 %.
Le niveau de contraintes à la fin du séchage a été évalué par la méthode de slicing test. Après la découpe de la section de la planche, on suppose que les deux lamelles sont stockées pendant 15 jours sans transferts externes d’humidité pour approcher le comportement de l’échantillon lorsqu’il est placé dans un sac étanche. La flèche entre les deux lamelles est ensuite estimée (norme AFNOR XP CEN/TS 14464, Sept. 2010).
La conduite de séchage recommandée par le FCBA (Tableau 5.2) pour le hêtre a été utilisée comme référence et a été comparée à six autres configurations de séchage :
Configuration A : séchage à basse température (40°C) en utilisant la table de séchage du FCBA. Cette configuration peut être le cas d’un séchage utilisant une pompe à chaleur.
Configuration B : une source d’énergie intermittente est supposée être utilisée. C’est le cas par exemple du séchage en utilisant l’énergie solaire. La température sèche dans le séchoir est supposée osciller entre 45°C et 15°C et l’humidité relative entre 25% et 73% pendant une période de 24h. Dans ces conditions, la teneur en eau d’équilibre oscille entre 4.7% et 14.2%.
Configuration B* : la même que B, sauf que, pendant la nuit, on considère que la température à l’intérieure du séchoir ne descend pas en dessous de 28°C (ralenti de nuit).
Configuration C : dans ce cas, la température sèche dans l’enceinte du séchoir est supposée osciller entre 45°C et 15°C pendant une période de 24h. La pression partielle de vapeur dans le séchoir est ajustée de façon à maintenir la teneur en eau d’équilibre constante. La teneur en eau d’équilibre varie selon l’humidité du bois de la même manière que dans la configuration de référence. Cette stratégie est difficile à réaliser car elle nécessite un contrôle de l’humidité relative dans le séchoir. Néanmoins, pour s’approcher plus de la réalité, nous considérons que la température de rosée ne peut pas être inférieure à la température de rosée externe fixée à 5°C dans ce travail.
Configuration D : pré-séchage de la planche de hêtre de l’état vert jusqu’à une humidité moyenne de 30% en utilisant la table du FCBA (conf. de référence), suivi par un séchage intermittent (conf. B).
Chapitre 5
135
Configuration E : une énergie intermittente est utilisée pour le ressuyage jusqu’à une humidité moyenne de 30% (conf. B), suivi par un séchage utilisant la table du FCBA (conf. de référence).
Tableau 5.2. Table de séchage recommandée par le FCBA pour le hêtre (Aléon, 2012). Teneur en eau
moyenne du bois (%) Température sèche (°C) Humidité relative (%) d’équilibre (%)Teneur en eau
Green 50 85 16.2 <35 50 80 14.4 <32 55 75 12.4 <30 60 70 10.8 <25 65 62 8.9 <20 70 52 7 <15 70 35 5
5.2.2 Résultats
Pour chaque configuration, les résultats obtenus pour la durée, le gradient de teneur en eau final et le slicing test ont été divisés par ceux de la configuration de référence. La figure 5.12 compare les ratios obtenus pour les différentes stratégies. Plus le ratio est petit meilleur est la