Simulation du transfert de chaleur dans un mur multicouche application à un four cubilot
Sofiane BOULKROUNE1,2, Mohamed CHAOUR1,2, Omar KHOLAI2
1Centre National de Recherche Scientifique et Technique en Soudage et Contrôle, Unité de Recherche Appliqué en Sidérurgie Métallurgie, URASM/CSC, B.P 196, 23000 Annaba, Algérie.
2Laboratoire Ingénierie des transports et environnement, Département de Génie Mécanique, Faculté de Sciences de l’Ingénieur, UniversitéConstantine 1,Route d’Ain El Bey, 25017 Constantine, ALGERIE.
E-mail: sofiane25000dz@yahoo.fr
Abstract: This work as main objective to make the simulation of heat transfer in a multilayer wall (three layers) applied to a cupola furnace. Numerical simulations are performed using the computer code ANSYS, using the finite element method. The influence of several parameters on the heat transfer as the choice of material and the thickness of the first inner layer was studied. The analysis of the results allowed us to see the influence of various parameters on the temperature inside the oven and see the best configuration for good thermal insulation so energy savings.
Keywords: Heat transfer, cupola, Heat Insulation Résumé : Ce travail à comme objectif principal de procéder à la simulation du transfert de chaleur dans un mur multicouche (trois couches) appliqué à un four cubilot.
Les simulations numériques sont effectuées à l'aide du code de calcul ANSYS, en utilisant la méthode des éléments finis. L’influence de plusieurs paramètres sur le transfert de chaleur tel que le choix du matériau et l’épaisseur de la première couche interne a été étudiée.
L’analyse des résultats obtenus nous ont permis de voir l’influence des différents paramètres sur la température intérieure du four et de voir la meilleure configuration pour une bonne isolation thermique donc une économie d’énergie plus importante..
Mots-clés : Transfert de chaleur, Cubilot, Isolation thermique, ANSYS
Nomenclature
T Température (°C)
ei Épaisseur de la paroi i (m), i=1,2,3 Ta Température ambiante (°C), Ta =25°C Symboles Grecs
Conductivité thermique du matériau de chaque Paroi i=1, 2,3 (W/m K)
Diffusivité thermique (m3/s) I. INTRODUCTION
Le transfert de chaleur est un processus par lequel de
l’énergie est échangée sous forme de chaleur entre des corps ou des milieux aux températures différentes. La chaleur peut être transmise par conduction, convection ou rayonnement. Actuellement nous pouvons constater que le transfert de chaleur est l’un des phénomènes physiques les plus étudiés. Plusieurs chercheurs ont présentés lors de ces deux dernières décennies des travaux relatifs à l’étude de ce phénomène parmi eux ont peut citer ceux de N. Berour [1] qui a étudié numériquement le transfert de chaleur couplé associant rayonnement, conduction et convection pour les milieux semi-transparents, non gris, portés à haute température (application aux fours verriers). Une autre étude menée par K. Saito et M. Ohta [2] les phénomènes de transfert de chaleur dans la zone pré chaude d’un cubilot.
Les résultats montrent que le chargement couche par couche permet d'obtenir une fusion plus efficace de la charge métallique. H. Sun et al [3] ont développé un modèle mathématique pour un cubilot à coulée continue basé à la fois sur la balance de masse et de chaleur. Une étude numérique du transfert de chaleur dans un mur multicouche à deux ou trois couches a été étudiée par Y.Tamene et al [4].L’objectif du présent travail consiste à examiner les effets de plusieurs paramètres sur le transfert de chaleur dans un mur multi couche soumis aux conditions réelles d’un four cubilot.
II. FORMULATION MATHEMATIQUE DU PROBLEME Les équations de bilanthermique s’écrivent:
; (1)
Conditions initiales
(2) Conditions aux limites
(3) III. CONFIGURATION GEOMETRIQUE
La configuration étudiée est présentée sur la Figure 1, il s’agit de la zone inférieure d’un cubilot (c'est un four vertical Fig.1a, une sorte de grand tube métallique appelé virole, dans lequel les matériaux à fondre sont en contact direct avec le combustible : le coke. Cette virole en acier est protégée par du réfractaire et refroidie à l’extérieur par un circuit de ruissellement d’eau le long de sa paroi[5]).
Dans notre travail on a considéré que la zone A du cubilot FIG.1b constitué de la fonte fondu avec une température de 1500 °C est enveloppée par trois couches a fin de limiter le transfert de chaleur et avoir une meilleur isolation thermique. Les simulations numériques ont été faites pour trois cas en changeant le matériau de la première couche (ciment mortier, béton et ciment Portland) et en gardant le même matériau des deux autres couches : brique ordinaire, acier. L'épaisseur de chaque couche est e1, e2 et e3
respectivement.
(a)
(b)
Fig. 3. Présentation du système
(a): schéma représentatif d’un cubilot; (b) : configuration étudiée
IV. RESULTATS ET DISCUSSION
Les simulations numériques sont effectuéesà l’aide du code de calcul ANSYS [6] qui utilise une méthode numérique aux éléments finis.
L'exploitation du code numérique a été réalisée dans les conditions suivantes:
e1=0.1 m , e2=0.1 m , e3=0.05 m
Les matériaux considérés pour les parois 2,3 sont toujours : brique ordinaire (λ = 0.69 W/m K), acier (λ=
36.7W/m K). Tandis que pour la première paroi sont : Premier cas: ciment mortier. (λ= 1.3 W/m K) Deuxième cas: béton. (λ= 0.8 W/m K)
Troisième cas: ciment Portland. (λ= 0 .3 W/m K) IV.1. EFFET DE LA NATURE DU MATERIAU SUR LA DISTRIBUTION DE LA TEMPERATURE LE LONG DES PAROIS
Sur la Fig 2, on présente l'influence de la nature du matériau sur le transfert de chaleur dans le four sous forme des contours. On constate que la température diminue progressivement de 1500°C jusqu'à avoir une température de la paroi externe de 99°C pour une conductivité thermique de 1.3 W/m K (Fig.2a), pour une conductivité de 0.8 W/m K la température interne chute d'environ 86°C(Fig2.B). Une température de 60°C est observée pour une conductivité thermique de 0.3 W/m K. donc on constate que le transfert de chaleur vers l'extérieur sera moins important lorsque on a utilisé l'acier comme matériau de la première paroi.
(a)
(b) Fonte fondu
e1
e2
e3 (1) Système de dépoussiérage.
(2) Cheminée.
(3) Gueulard.
(4) Chargement.
(5) Arrosage.
(6) Garnissage.
(7) Colonne du cubilot.
(8) Charges métallique.
(9) Charges coke + castine.
(10) Boîte à vent.
(11)Regard de surveillance.
(12) Tuyères.
(13) Laitier.
(14) Trou de coulée.
(15) Chenal de coulée.
(16) Sole.
(17) Trou de décrassage.
(18) Creuset de fonte.
(19)Porte d’allumage.
(20) Goulotte de récupération des eaux de refroidissement.
(21) Bac à crasse.
(22) Portes de défournement
(c)
Fig.2. Influence de la nature du matériau de la première paroi sur la distribution de la température: (a) ciment mortier sec, (b) béton, (c)
ciment Portland sec.
Pour plus de détails nous avons présenté les différents profils de température en fonction de l'épaisseur sur les Fig 3,4 pour les trois cas étudiés.
La Fig. 3 montre que la température diminue en passant d’une paroi à l’autre pour tous les cas étudiés.
Cette diminution est influencée par la nature du matériau utilisé particulièrement pour la première paroi FIG .4.a d’où on note que la température prend des valeurs inferieures pour une conductivité de 0.3 W/ m K (cas 3), contrairement au deuxième cas ou la température chute vers presque la même valeur FIG.4.b. Pour la troisième paroi l’effet du choix du matériau est remarquable.
0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600
(a)
Paroi N°3 Paroi N°2
Paroi N°1
Température (°C)
Epaisseur (m)
cas 1
0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600
(b)
Paroi N°3 Paroi N°2
Proi N°1
Température (°C)
Epaisseur (m)
cas N°2
0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600
(c)
Proi N°3 Paroi N°2
Paroi N°1
Température (°C)
Epaisseur (m)
Cas N°3
Fig.3. Evolution de la température en fonction de l'épaisseur (a) cas 1, (b) cas 2, (c) cas 3.
0,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10
500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600
Paroi N°1
(a)
Température (°C)
Epaisseur(m)
cas1 cas2 cas 3
0,10 0,12 0,14 0,16 0,18 0,20 0
200 400 600 800
1000 Paroi N°2
(b)
Température(°C)
Epaisseur(m)
cas 1 cas 2 cas 3
0,20 0,21 0,22 0,23 0,24 0,25
60 70 80 90 100 110
(c)
Paroi N°3
Température(°C)
Epaisseur(m)
cas 1 cas 2 cas 3
Fig.4. Evolution de la température en fonction de l'épaisseur pour les trois cas (a) paroi 1, (b) paroi 2, (c) paroi3.
IV.2 EFFET DE L'EPAISSEUR DE LA PREMIERE PAROI SUR LA DISTRIBUTION DE LA TEMPERATURE LE LONG DES PAROIS
Dans ce qui suit, nous avons limité notre analyse pour un seul matériau : le ciment portland qui a donné la meilleure isolation thermique en le comparant par les deux autres matériaux. L'épaisseur de la première paroi prend trois valeurs 0.05, 0.1 et 0.15m.
La fig. 5 montre bien que pour une épaisseur de 0.15 l’isolation thermique est mieuxpar rapport à une épaisseur de 0.1 et 0.05 m ce qui est distingué à partir de la température de la troisième paroi. Ce qui est très remarquable sur la Fig. 6.
(a)
(b)
(C)
Fig.5.Influence de l’épaisseur de la première paroi sur la distribution de la température: (a) e1=0.15 m (b) e1=0.1 m, (c) e1=0.05 m.
La Fig. 6 représente le profile de la température le long de trois parois, d’après cette dernière on constate que la température de la première paroi chute de 700 °C à 500 °c en augmentant l’épaisseur de0.05 m à 0.1m et avoir une valeur de 400 °C pour une épaisseur de 0.15 m
0,00 0,05 0,10 0,15 0,20
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600
(a)
Paroi N°3 Paroi N°2
Proi N°1
Température (°C)
Epésseur(m)
Cas 1
0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0
200 400 600 800 1000 1200 1400 1600
(b)
Proi N°3 Paroi N°2
Paroi N°1
Température (°C)
Epaisseur (m)
Cas N°2
0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600
(c)
Proi N°3 Proi N°2
Proi N°1
Température (°C)
Epaisseur (m)
Cas 3
Fig.6. Profile de la température pour différent épaisseur de la première paroi: (a) cas 1 e1=0.05 m (b) cas 2 e1=0.1 m, (c) cas 3 e1=0.15 m.
V. CONCLUSION
Dans ce travail, nous avons proposé une étude numérique de prédiction de la distribution de la température dans un mur multicouche soumis à des conditions réellesd’un four cubilot par l’utilisation du code de calcul ANSYS. Les résultats obtenus montrent qu’il est possible de choisir et d’optimiser les matériaux qui composent les parois du four en fonction des objectifs fixés en termes de distribution de température à travers les parois et aussi en termes de consommation d’énergie.
REFERENCES
[1] N. Berour, " Modélisation du transfert de chaleur par rayonnement, conduction et convection : application aux fours verriers ", UHP - Université Henri Poincaré, 2005.
[2] K. Saito, M. Ohta, " Influence of shape of charged metal and charge composition upon heat absorption by metallic charge in the preheat zone of Cupola ", Imono A.
vol. 60,N° 5.pp.307-312, 1988.
[3] H.H. Sun, C. C Kong, H. H. Wu, "Mass and heat transport in a coke fueled shaft furnace", Canadian Metallurgical Quarterly, Vol 45,N°4.pp.395-408, December 2006.
[4] Y. Tamene, S. Abboudi, C.Bougriou, " Simulation des transferts thermiques transitoires à travers un mur
multicouche soumis à des conditions de flux solaire et de convection ", Revue des Energies Renouvelables, vol.12 N°1.pp.117-124, 2009.
[5] L. Chazé, R. Sanz, " Fusion de la fonte au cubilot ", Revue de Techniques de l’Ingénieur, M1.765 P.2, 1997.
[6] T. Stolarski, S. Makasone, S. Yoshimoto
" Engineering Analysis with ANSYS Software ", Tokyo university of science, Tokyo, Japon.2006.
