Analyse des mesures

Dans la suite de l’étude nous travaillerons sur des valeurs moyennes calculées à partir des valeurs instantanées de chaque mode de fonctionnement. En clair, nos mesures sont acquises toutes les 20 secondes, ce qui représente 190 points de mesures pour les 3800 secondes que dure le mode étudié (dix minutes de stabilisation et une heure de fonctionnement). Pour chaque point de mesure sont enregistrées les grandeurs mesurées, ensuite les grandeurs déduites sont calculées. Les moyennes de ces grandeurs sont calculées sur un ensemble d’environ 160 points car nous abandonnons les dix premières minutes du mode de fonctionnement que nous considérons comme ne faisant pas partie du régime établi. Ces moyennes seront ensuite explicitées pour analyser l’essai de combustion.

Dans ce paragraphe nous décrivons les grandeurs instantanées mesurées et leurs fluctuations au cours du temps afin d’en déduire les grandeurs moyennes. Notons que toutes les Figures d’illustrations présentées dans ce paragraphe sont tirées du même mode d’une de nos expériences. En d’autres termes, les fluctuations visibles sur ces graphiques ne sont en aucun cas dues à des modifications des consignes de fonctionnement imposées par l’automate de gestion de la chaudière et sont celles mesurées pendant un mode de fonctionnement fixé.

e ta

urce d’information afin d’ajuster les valeurs extrêmes es pas d’incrémentation des paramètres permettant chant que chaque mode est maintenu durant un pe udiés est déterminé par la quantité de bois disponible.

rchons à étudier pour chaque type de bois un minimum de trois chaudière : 60kW, 120kW et 180kW. Pour chacune de ces puissances nous ex

t d’air p tions d fo

u la

4.1.2.1. Etude des flux d’air

Les mesures de vitesses et de températures d’air dans les veines d’airs primaires et secondaires permettent de calculer les débits normalisés en pression et en température.

300 250 0 50 100 150 0 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 Mesures D é r en Nm³ /h 20 bi t d 'ai

: ir secondaire (en bas), d’air primaire (au milieu) et d’air total (en haut) Figure 4-1 Evolution des débits d'a

pendant un mode soit 190 mesures.

(noir : calcul à chaque pas de temps ; gris continu : moyenne calculée sur les points 30 à 188 ; gris pointillés : limites de l'écart moyen sur le même intervalle)

23,3 Nm³/h ± 5,1 %

AP1 106,3 Nm³/h ± 3,3 %

AS1 50,7 Nm³/h ± 2,4 %

La Figure 4-1 illustre les débits d’air secondaire, primaire et total respectivement sur les courbes du bas, du milieu et du haut. Les droites continues indiquent la valeur moyenne des débits. Les moyennes sont calculées sur les points 30 à 188. Les limites d’écarts moyens indiquées par les droites pointillées montrent que les écarts moyens du débit d’air total (± 4,2 Nm³/h) sont peu différents des écarts moyens du débit d’air primaire (± 3,5 Nm³/h). Ces écarts ne se cumulent pas directement. En définitive, le débit d’air total connaît un taux de fluctuation plus faible que chacune des mesures le constituant comme le montre le Tableau 4-1.

Dénomination Valeur moyenne Ecart moyen Dénomination Valeur moyenne Ecart moyen

AP1 v 4,8 m/s ± 3,3 %

Grandeurs mesurées Grandeurs déduites

AP1 T 29,3 °C ± 0,4 % AS1 v 4,2 m/s ± 2,4 % AS1 T 33,9 °C ± 0,9 % AS2 v 2,0 m/s ± 5,0 % AS2 T 36,5 °C ± 0,9 % ^AS2 Dépression 100 Pa ± 0,9 % Fuites 86,1 Nm³/h ± 0,5 % Air Total 266,4 Nm³/h ± 1,6 %

Tableau 4-1 : Valeurs moyennes et écarts moyens des grandeurs mesurées et déduites constituant le débit d'air total normalisé.

L’écart moyen est faible et permet de ne considérer que la valeur moyenne pour l’ensemble des calculs à venir.

4.1.2.2. Mesures d’oxygène

La mesure sur échantillon anhydre du taux d’oxygène résiduel dans les fumées est sujette à de fortes fluc

l’an s Figu 4

tuations comme l’illustre la Figure 4-2. Cette figure montre les mesures d’oxygène réalisées par aly eur de gaz et par la sonde Lambda simultanément aux mesures de débits d’air présentées sur la

-1. re 0% 2% 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 Mesures 4% 6% 'o x ygène 8 10 2 Taux d dans les f u mées sèc h e s 1 % % % O2 analyseur de gaz O2 sonde Lambda

Figure 4-2 : Evolution du taux d'oxygène mesuré dans les fumées sèches mesuré par l’analyseur de gaz bda de la chaudière (ligne grise et points noirs). (ligne noir continue) et par la sonde Lam

(gris continu : moyenne calculée sur les points 30 à 188 ; gris pointillés : limites de l'écart moyen sur le même intervalle)

Les fluctuations d’oxygène ne sont manifestement pas dues aux fluctuations de débit d’air total. Ces fluctuations sont donc essentiellement dues aux variations de la quantité de bois consommé au cours du temps. C’est pourquoi tous nos calculs sont effectués à chaque pas de temps et moyennés dans un second temps. L’écart moyen sur les mesures est ici plus important mais permet tout de même de ne considérer que la valeur moyenne pour comparer les différentes conditions. Il convient également de noter que les appareils de mesures donnent les résultats tout à fait semblables, même si la sonde Lambda réagit moins

apidement que l’analyseur de gaz Testo.

is théorique permet de calculer, par l’intermédiaire du pouvoir calorifique, puissance maximale délivrée par la combustion dans le foyer. Grâce à la connaissance de l’humidité du bois, il est alors possible de calculer le débit de fumées humides et leur capacité calorifique. La température r

4.1.2.3. Etude des flux de bois

Nous avons abordé au Paragraphe 3.3.3 les liens théoriques existants entre débit d’air, mesure de l’oxygène, et débit de bois. Ce débit de bo

des fumées et le taux de monoxyde de carbone permettent alors de calculer les pertes énergétiques et donc ur le réseau.

la puissance maximale récupérable s

0 kW 50 kW 100 kW 150 kW 200 kW 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 Mesures Puiss ance t h ermiq u e

Figure 4-3 : Evolution de la puissance délivrée sur le réseau (en bas) et de la puissance maximale récupérable sur le réseau (en haut).

(noir : calcul à chaque pas de temps ; gris continu : moyenne calculée sur les points 30 à 188 ; gris pointillés : limites de l'écart moyen sur le même intervalle)

La Figure 4-3 montre l’évolution de chacune de ces puissances. La différence entre ces deux puissances est essentiellement du aux pertes par les parois du four. Les fortes fluctuations de la puissance maximale récupérable sont dues aux fluctuations de l’oxygène et du débit d’air total. Néanmoins, la cohérence temporelle entre ces deux puissances est remarquable. Moyennant un lissage et un temps de retard (environ 21 points de mesure soient 7 minutes) du à l’inertie thermique de l’eau circulant dans l’échangeur de la chaudière, la puissance délivrée sur le réseau réagit en cohérence avec les variations de la puissance maximale récupérable.

Cette constatation valide l’affirmation que le débit de bois brûlé varie au cours du temps. Bien que la fréquence de rotation de la vis d’alimentation du foyer demeure rigoureusement identique tout au long de l’expérience, le phénomène de fluctuation du débit de bois nous amène logiquement à calculer le débit de bois à partir des mesures de débit d’air total et de taux d’oxygène. Les écarts moyens sur les débits de bois seront donc dus aux écarts moyens sur le débit d’air total et le taux d’oxygène.

4.1.2.4. Etude de la qualité de la combustion

nous le traceur de la qualité de c ion de la mesure pour le même ience. L’écart relatif calculé ici est de 29% de la valeur moyenne.

point important à visualiser concerne la mesure du monoxyde de carbone qui représente pour ombustion. La Figure 4-4 montre l’évolut

mode que précédemment. Le monoxyde de carbone fluctue beaucoup au cours de chaque mode de l’expér

0ppm 500ppm 1000ppm 1500ppm 2000ppm 2500ppm 3000ppm 3500ppm 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

Figure 4-4 : Evolution du taux de monoxyde de carbone dans les fumées sèches en ppm corrigé à taux d'oxygène constant égal à 13%.

(noir : calcul à chaque pas de temps ; gris continu : moyenne calculée sur les points 30 à 188 ; gris pointillés : limites de l'écart moyen sur le même intervalle)

Les fortes fluctuations des mesures effectuées justifient le maintien du mode fonctionnement de la chaudière durant plus d’une heure afin d’obtenir une valeur moyenne du monoxyde de carbone. C’est pourquoi l’étude que nous faisons de cette mesure ne s’appuie que sur la valeur moyenne et se borne à noter l’évolution de cette moyenne en fonction des modes étudiés.

Ainsi, chacune des moye aphique en fonction du mode étudié, et c’est s s que ces expériences mportent un mode pour lequel la valeur moyenne de monoxyde de carbone est la plus faible. Une fois

nnes de monoxyde de carbone seront reportées sur un gr eulement cette moyenne qui sera prise en compte. Nous verron co

que ce mode « optimal » sera déterminé pour chaque expérience, notre étude consistera alors à trouver une loi reliant ces modes optimaux aux conditions d’expérience sans plus nous soucier de la valeur moyenne de monoxyde de carbone qui leur correspond.

De plus, des essais effectués sur des durées beaucoup plus longues (de l’ordre de 4 heures) ont montré que les moyennes obtenues sont très proches de celles obtenues sur une heure de fonctionnement, justifiant ainsi ce choix.

4.2. Résultats

Notre première approche consiste à expérimenter une variation granulométrique et une variation d’humidité en maintenant la qualité du bois constante. Pour cela, nous utilisons de la sciure et des plaquettes provenant d’une même scierie. Nous obtenons trois humidités et deux granulométries différentes. Les plaquettes testées sont très sèches et très humides tandis que l’humidité de la sciure testée se situe au centre de l’intervalle. Les résultats de ces premiers essais engendrent le choix des combustibles des campagnes d’essais suivantes.

Nous nous intéressons alors à des plaquettes de bois provenant directement de forêt. Nous étudions donc un combustible de granulométrie similaire aux plaquettes de scierie. C’est l’humidité de ces plaquettes que nous faisons varier en fonction des essais de combustion.

Nous allons d’abord présenter les résultats de la caractérisation des différents combustibles étudiés. Nous abordons ensuite les résultats de combustion pour ces différents coproduits de l’exploitation du bois. Ce paragraphe est naturellement hiérarchisé selon l’approche que nous avons suivie dans nos travaux.