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Séchage intermittent du bois d’oeuvre : étude expérimentale et numérique
Thouraya Salem
To cite this version:
Thouraya Salem. Séchage intermittent du bois d’oeuvre : étude expérimentale et numérique. Matéri- aux. Université de Lorraine, 2016. Français. �NNT : 2016LORR0177�. �tel-01497903�
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THÈSE
Pour l’obtention du titre de :
Docteur de l’Université de Lorraine
Spécialité : Génie des Procédés et des Produits
Thouraya SALEM
Soutenue publiquement le 16 novembre 2016 à Epinal devant le jury composé de :
M. Patrick PERRÉ, Professeur, Ecole Centrale Paris, Président du jury M. Rostand MOUTOU PITTI, Maître de conférences-HDR, Université de Clermont Ferrand, Rapporteur M. Frédéric ROUGER, Directeur de recherche, Institut Technologique FCBA Paris, Rapporteur M. Christian MOYNE, Directeur de recherche CNRS, LEMTA, Examinateur Mme. Marie-Laure RABOT-QUERCI, Chef de projet, European Institute for Energy Research, Examinateur M. Romain RÉMOND, Maître de Conférences-HDR, Université de Lorraine Directeur de thèse
ENSTIB, 27 Rue Philippe SEGUIN - CS 60036- 88026 EPINAL Cedex
Séchage intermittent du bois d’œuvre : Etude expérimentale et
numérique
Résumé
SECHAGE INTERMITTENT DU BOIS D’ŒUVRE : ETUDE EXPERIMENTALE ET NUMERIQUE
Le séchage du bois d’œuvre étant une opération très énergivore, l’utilisation des énergies intermittentes est l’une des solutions envisageables afin de réduire la consommation énergétique au cours de cette opération. Néanmoins, ne pouvant utiliser les conduites de séchage actuellement préconisées à cause de la fluctuation de l’apport énergétique, l’utilisation de ce type d’énergies soulève plusieurs questions notamment sur l’impact de la fluctuation de la température sur la qualité du séchage et les conduites de séchage à adopter afin de réaliser un compromis entre durée, qualité et coût. Ce travail de thèse vise à apporter des réponses à ces questions par une approche équilibrée entre expérimentation et modélisation. L’étude expérimentale a montré que l’intermittence des conditions de séchage ne ralentit pas la cinétique de séchage par rapport à un séchage où la teneur en eau d’équilibre et la température moyenne sont identiques et maintenues constantes. De plus, une meilleure qualité semble pouvoir être obtenue par l’intermittence des conditions de séchage. Ces résultats ont été confrontés aux simulations d’un modèle numérique double échelle utilisant le code TransPore à l’échelle de la planche. Son potentiel prédictif a été vérifié et il a ensuite été utilisé pour mieux comprendre l’effet des conditions intermittentes sur la qualité et la durée du séchage à l'échelle d'une planche seule et à l'échelle d'une pile de planches. Il a permis de montrer que l’oscillation des conditions de séchage active la mécanosorption et relaxe une partie des contraintes de séchage. Les gains apportés sont limités à l’échelle d’une planche seule, mais ils peuvent être plus importants à l’échelle d’une pile de planches. Le séchage intermittent s’avère plus intéressant pour un séchage lent tel qu’un séchage à basse température, des essences plus difficiles à sécher ou encore pour des planches de fortes épaisseurs. Le code a été ensuite utilisé pour comparer différentes stratégies de séchage à basse température. Un compromis a pu être obtenu entre durée et qualité en réalisant un pré- séchage avec une énergie intermittente à basse température suivi d’un séchage convectif à plus haute température cependant la durée reste longue pour les autres configurations imposant une étude de faisabilité économique. Un module économique a été développé en Fortran et greffé dans le code numérique multi-échelle Planche-Pile-Séchoir afin d’intégrer le critère coût dans l’étude des différentes stratégies.
Mots clés : séchage, énergie, bois, intermittence, mécanosorption, qualité du séchage, coût de revient
Abstract
INTERMITTENT WOOD DRYING: EXPERMIENTAL AND NUMERICAL INVESTIGATION
Timber drying is an energy intensive process, the use of intermittent energy sources is one of the possible solutions to reduce energy consumption during this operation. However, the use of the conventional drying schedules is not suitable because of the fluctuation of energy intake, the use of this type of energy raises several issues as the impact of the fluctuation of temperature on drying quality, or the drying strategies to use in order to achieve a compromise between time, quality and cost. This thesis aims to provide answers to these questions through a balanced approach between experimentation and modeling. The experimental study has shown that intermittent drying conditions do not slow the drying rate compared to drying wherein the equilibrium moisture content and the average dry bulb temperature are identical and maintained constant during drying. Moreover, better quality seems to be obtained by the intermittent drying conditions. These results were compared to simulations of a dual scale numerical model using the code TransPore at the board scale. Its predictive potential was checked and it was later used to better understand the effect of intermittent conditions on the drying quality and time at the board and stack scales. It showed that the oscillation of drying conditions activates the mechanosorption and relaxes some of drying stresses. The benefits on the drying quality are limited when a single board is dried, but benefits may be more important when a boards stack is dried. The intermittent drying seems to be more interesting in the case of slow drying such as drying at low temperature, more difficult species to dry or for thick timbers. The code was then used to compare different drying strategies at low temperature level with oscillate conditions. A compromise was reached between duration and quality by achieving a pre-drying using a low temperature intermittent drying followed by convective drying at higher temperatures, however, the drying time is still long for other configurations imposing an economic feasibility study. An economic module was developed in Fortran and grafted in the multiscale computational model Board-Stack-Kiln to integrate the cost criterion in the study of the different strategies.
Keywords: drying, energy, timber, intermittence, mechanosorption, drying quality, drying cost
Remerciements
Je tiens tout d’abord à remercier très sincèrement Romain Rémond pour avoir dirigé cette thèse et m’avoir permis de la réaliser dans les meilleures conditions. Je lui suis très reconnaissante pour le temps conséquent qu’il m’a accordé, pour le savoir qu’il m’a transmis ainsi que pour ses grandes qualités scientifiques et humaines.
Je tiens à adresser ma profonde gratitude à Frédéric Rouger et à Rostand Moutou Pitti, respectivement directeur de recherches à l’Institut Technologique FCBA à Paris et maître de conférences HDR à l’université de Clermont Ferrand pour avoir accepté de rapporter ce travail. Que le professeur Patrick Perré trouve ici ma reconnaissance, pour avoir accepté de présider le jury de la soutenance de ce mémoire. Mes remerciements à Marie-Laure Rabot Querci, chef de projet à l’European Institute for Energy Research et à Christian Moyne, directeur de recherches CNRS au LEMTA, pour avoir accepté d’examiner ce travail.
Je remercie Anis Bouali et Eric Mougel, maitres de conférences au LERMAB, pour les discussions, les conseils et les renseignements qu’ils m’ont apporté.
Merci au personnel technique de l’ENSTIB pour leur soutien et plus particulièrement à Tristan Stein pour son aide dans la partie expérimentale et sa gentillesse.
A mes collègues thésards, merci pour la bonne ambiance de travail, pour les encouragements ainsi que pour les nombreux bons moments passés ensembles. Entre autres, Francisco, Clara, Clément, Sébastien, Siham, Quentin, Romain, Asma, Giuseppe, Jimena, Taher. Je vous souhaite plein succès pour vos travaux.
Enfin et surtout, un grand merci à ma famille pour m’avoir encouragée et soutenue tout au long de mes années d’études.
Sommaire
Table des illustrations ... 1
Table des tableaux ... 6
Introduction générale ... 7
Chapitre 1 ... 10
Séchage du bois : un état de l’art ... 10
Introduction du chapitre 1 ... 11
1.1 Le séchage du bois d’œuvre : quelques notions théoriques ... 11
1.1.1 Nécessité du séchage ... 11
1.1.2 L’eau dans le bois ... 13
1.1.2.1 Les différents types d’eau dans le bois ... 13
1.1.2.2 La teneur en eau d’équilibre ... 13
1.1.2.3 Le retrait du bois ... 14
1.1.3 Cinétique et contraintes de séchage ... 15
1.1.3.1 Cinétique ... 15
1.1.3.2 Evolution des contraintes de séchage ... 16
1.1.4 Modélisation du séchage ... 18
1.1.4.1 Cinétique ... 18
1.1.4.2 Mécanique ... 19
1.2 La pratique du séchage du bois ... 21
1.2.1 Procédés de séchage courants ... 22
1.2.1.1 Durée ... 23
1.2.1.2 Qualité ... 24
1.2.1.3 Energie ... 24
1.2.2 Conduite de séchage ... 26
1.2.2.1 Les différentes périodes du cycle de séchage ... 27
1.2.2.2 L’instrumentation dédiée au suivi du séchage ... 27
1.3. Séchage intermittent ... 29
1.3.1 Séchage intermittent volontaire ... 29
1.3.2 Séchage intermittent subi : séchage solaire ... 34
1.3.2.1 Influence de l’intermittence sur la durée et sur la qualité ... 35
1.3.2.3 Efficacité énergétique et rentabilité ... 40
1.3.2.4 Régulation ... 41
Conclusion du chapitre 1 ... 42
Chapitre 2 : ... 44
Effet de l’intermittence des conditions de séchage sur la durée et la qualité : étude sur une planche seule ... 44
Introduction du chapitre 2 ... 45
2.1 Conditions d’essais et échantillonnage ... 45
2.2 Dispositifs expérimentaux ... 48
2.2.1 Enceinte climatique et séchoir ... 48
2.2.1.1 Enceinte climatique ... 48
2.2.1.2 Séchoir ... 48
2.2.2 Séchage dissymétrique : flyingwood ... 49
2.2.3 Séchage sous charge : flexion trois points ... 51
2.3 Présentation et discussion des résultats ... 52
2.3.1 Séchage constant ... 52
2.3.1.1 Effet de la teneur en eau initiale ... 52
2.3.1.2 Effet du débit ... 54
2.3.2 Séchage intermittent ... 58
2.3.2.1 Cinétique ... 58
2.3.2.2 Mécanique ... 60
Conclusion du chapitre 2 ... 62
Chapitre 3 : ... 64
Effet de l’intermittence des conditions de séchage sur la durée et la qualité : étude sur une pile de planches ... 64
Introduction du chapitre 3 ... 65
3.1 Conditions d’essais ... 65
3.2 Matériel végétal ... 66
3.2.1 Préparation des planches ... 66
3.2.2 Préparation de la pile de planches ... 66
3.3 Dispositif expérimental ... 68
3.3.1 Le séchoir ... 68
3.3.2 L’instrumentation ... 69
3.4 Evaluation de la qualité du séchage ... 70
3.5 Présentation et discussion des résultats ... 72
3.5.1 Cinétique ... 72
3.5.2 Hétérogénéité des conditions de séchage le long de la pile ... 72
3.5.2.1 Séchage constant ... 73
3.5.2.2 Séchage intermittent 1 (oscillations en température) ... 73
3.5.2.3 Séchage intermittent 2 (oscillations en température et en HR) ... 77
3.5.3 Homogénéité de la teneur en eau finale ... 81
3.5.4 Etat des contraintes à la fin de séchage ... 87
Conclusion du chapitre 3 ... 89
Chapitre 4 : ... 90
Comparaison des résultats expérimentaux avec ceux d’un modèle numérique simulant le séchage d’une planche-d’une pile ... 90
Introduction du chapitre 4 ... 91
4.1 Choix de la formulation mécanosorptive ... 91
4.1.1 Choix du modèle ... 91
4.1.2 Choix des paramètres du modèle ... 96
4.2 Confrontation des résultats simulés et mesurés à l’échelle d’une planche ... 100
4.2.1 Séchage constant ... 101
4.2.1.1 Effet de la teneur en eau initiale ... 101
4.2.1.2 Effet du débit ... 102
4.2.2 Séchage intermittent ... 104
4.2.2.1 Comparaison des cinétiques de séchage ... 104
4.2.2.2 Comparaison des résultats mécaniques ... 105
4.3 Confrontation des résultats simulés et mesurés à l’échelle d’une pile ... 107
4.3.1 Cinétique ... 107
4.3.2 Conditions de séchage ... 108
4.3.2.1 Séchage constant ... 108
4.3.2.2 Séchage intermittent 1 (oscillation en température) ... 109
4.3.2.3 Séchage intermittent 2 (oscillations en température et en HR) ... 112
4.3.3 Homogénéité de la teneur en eau finale ... 115
4.3.4 Etat des contraintes à la fin du séchage ... 118
Conclusion du chapitre 4 ... 121
Chapitre 5 : ... 123
Utilisation du code numérique pour comprendre comment mener un séchage intermittent et ses gains potentiels ... 123
Introduction du chapitre 5 ... 124
5.1 Comment mener un séchage intermittent ? ... 124
5.1.1 Amélioration au niveau de la cinétique de séchage ... 124
5.1.1.1 Considérations à l’échelle de la planche ... 124
5.1.1.2 Considérations à l’échelle de la pile ... 126
5.1.2 Réduction des contraintes résiduelles ... 129
5.1.2.1 Considérations à l’échelle de la planche ... 129
5.1.2.2 Considérations à l’échelle de la pile ... 131
5.2 Gains potentiels du séchage intermittent en terme de durée-qualité du séchage ... 133
5.2.1 Présentation des stratégies étudiées ... 133
5.2.2 Résultats... 135
Conclusion du chapitre 5 ... 136
Conclusion générale et perspectives ... 138
Annexes ... 146
Annexe I Etude de l’effet de l’intermittence des conditions de séchage à l’échelle d’une planche ... 147
Annexe II Etat des contraintes à la fin de séchage ... 153
Annexe III Equations du modèle mécanique ... 156
Annexe IV Equations constitutives du module de calcul du coût du séchage ... 158
Table des illustrations
Figure 1.1. Structure du bois de l’arbre à la molécule (d’après Harrington dans Butterfield,
1998). ... 12
Figure 1.3. Première phase de séchage : migration capillaire de l’eau libre (Perré, 1999). ... 15
Figure 1.4. Seconde phase de séchage : une couche sèche se développe à la périphérie du matériau (Perré, 1999). ... 16
Figure 1.5. Méthode du découpage en fourche (Kauman, 1982) (a) et capteur de contrainte (Allegretti et Ferrari, 2008) (b). ... 17
Figure 1.6. Déformations selon la direction longitudinale les plus observées à la fin de séchage du bois (Aléon et al., 2001). ... 18
Figure 1.7. Déformations dans la section transversale dues à l’anisotropie du retrait et qui sont fonction de la position de la planche dans le billon (Aléon et al., 2001). ... 18
Figure 1.8. Evolution de la déformation d’un échantillon de bois soumis à une contrainte constante sur l’intervalle de temps [t0 – t1] : OA : déformation instantanée; AB: déformation différée ; BC : recouvrance instantanée et CD : recouvrance différée (d’après Navi et Heger, 2005). ... 20
Figure 1.9. Exemple de table de séchage (pour le hêtre) (Aléon et al., 2001). ... 27
Figure 1.10. Différents modes du séchage intermittent (Kumar et al., 2014). ... 30
Figure 1.11. Classement des séchoirs solaires existants (Sanchez, 2008). ... 34
Figure 1.12. Séchoir solaire avec capteur intégré (a), séchoir solaire avec capteur semi-intégré (b) et Séchoir solaire avec stockage (c) (Sanchez, 2008). ... 35
Figure 1.13. Evolution des déformations mécanosorptives (a) et des déformations instantanées (b) au cours du séchage conventionnel et solaire (Langrish, 2013). ... 39
Figure 1.14.Coupe transversale du séchoir solaire. Les flèches montrent la direction de la circulation d'air (Martinez et al.,1984). ... 42
Figure 2.1. Conditions de séchage – campagne n°1. ... 46
Figure 2.2. Conditions de séchage – campagne n°2. ... 46
Figure 2.3. Dimensions finales des échantillons. ... 47
Figure 2.4. Schéma et photo de l’enceinte climatique utilisée. ... 48
Figure 2.5. Schémas et photos du séchoir utilisé. ... 49
Figure 2.6. Principe du test de flyingwood (Brandao et Perré, 1996). ... 50
Figure 2.7. Dispositif de Flyingwood (De La Cruz-Lefevre, 2012). ... 51
Figure 2.8. Dispositif de flexion trois points (De La Cruz-Lefevre, 2012). ... 52
Figure 2.9. Température à la surface des échantillons à l’état vert et pré-séché débités sur quartier et température sèche et température de rosée dans l’enceinte. ... 53
Figure 2.10. Cinétique de séchage des échantillons vert et pré-séché débités sur quartier. ... 53
Figure 2.11. Réponse mécanique (flyingwood) des échantillons vert et pré-séché débités sur quartier. ... 54
Figure 2.12. Cinétique de séchage des échantillons à l’état vert débités sur dosse et sur quartier. ... 55
Figure 2.13. Rayon de courbure (flying wood) (a) et Flèche (flexion trois points) (b) des échantillons à l’état vert débités sur dosse et sur quartier. ... 55
2 Figure 2.14. Synthèse des déformations des échantillons sur dosse en fonction de la position des cernes dans le cas du séchage dissymétrique (De La Cruz-Lefevre, 2012) (les traits en gras représentent les faces colmatées). ... 56 Figure 2.15. Synthèse des déformations des échantillons sur dosse en fonction de la position des cernes dans le cas du séchage sous charge (flexion trois points) (les traits en gras représentent les faces colmatées). ... 56 Figure 2.16. Cinétique de séchage des échantillons débités sur dosse – effet de la courbure de cernes. ... 57 Figure 2.17. Réponse mécanique : séchage dissymétrique (flyingwood) (a) et séchage sous charge (b) des échantillons débités sur dosse – effet de la courbure de cernes. ... 57 Figure 2.18. Cinétique de séchage des échantillons débités sur quartier - campagne n°1. ... 59 Figure 2.19. Cinétique de séchage des planches débitées sur quartier - campagne n°2 (masse mesurée avec la balance placée à l’extérieur du séchoir). ... 59 Figure 2.20. Séchage dissymétrique des échantillons débités sur quartier - campagne n°1. ... 61 Figure 2.21. Séchage dissymétrique des échantillons débités sur quartier - campagne n°2. ... 61 Figure 2.22. Résultats de séchage sous charge des échantillons débités sur quartier - campagne n°1. ... 62 Figure 3.1. Schéma d’échantillonnage à partir de planches de 2.3 m de long et de 30 mm x 100 mm de section. ... 66 Figure 3.2. Séchoir à air chaud climatisé (ENSTIB) (Rémond, 2004). ... 68 Figure 3.3. Empilage. Séchoir chargé avec la pile (a) et schéma de la pile, en gris les échantillons sur lesquels la température du bois a été mesurée au cours du séchage et en noir les points de mesure de la vitesse, de la température et de l’humidité relative de l’air (b). ... 70 Figure 3.4. Prélèvement des éprouvettes pour la mesure de la teneur en eau finale, des contraintes internes et du gradient de teneur en eau finale (De La Cruz-Lefevre, 2012). ... 71 Figure 3.5. Cinétique de séchage des trois essais. ... 72 Figure 3.6. Séchage constant : humidité relative (a) et température de l’air (b) du lit n°2 (sur ces figures, la lettre E indique l’entrée et S la sortie) ... 73 Figure 3.7. Séchage intermittent 1 : humidité relative (a), température de l’air du lit n°2 (b) et température du bois 48h après le début de séchage (c). ... 75 Figure 3.8. Séchage intermittent 1 : humidité relative (a), température de l’air (b) du lit n°2 et température du bois (c) 48h avant la fin de séchage. ... 76 Figure 3.9. Evolution sur une période des températures de rosée et sèche de l’air et de la température à cœur des échantillons témoins à l’attaque et à la sortie. ... 77 Figure 3.10. Séchage intermittent 2 : humidité relative (a), température de l’air (b) du lit n°2 et température du bois (c) 48h après le début de séchage. ... 79 Figure 3.11. Séchage intermittent 2 : humidité relative (a), température de l’air (b) du lit n°2 et température du bois (c) 48h avant la fin de séchage. ... 80 Figure 3.12. Evolution sur une période des températures de rosée et sèche de l’air et de la température à cœur des échantillons témoins à l’attaque et à la sortie, au début de séchage. . 81 Figure 3.13. Séchage constant : teneur en eau finale (Xf) selon la position de la planche dans la pile (a) et teneur en eau finale (Xf) en fonction de la teneur en eau initiale (Xi) (b). ... 83 Figure 3.14. Séchage intermittent 1: teneur en eau finale (Xf) selon la position de la planche dans la pile (a) et teneur en eau finale (Xf) en fonction de la teneur en eau initiale (Xi) (b). . 84
Figure 3.15. Séchage intermittent 2: teneur en eau finale (Xf) selon la position de la planche dans la pile (a) et teneur en eau finale (Xf) en fonction de la teneur en eau initiale (Xi) (b). . 85 Figure 3.16. Profil de la teneur en eau finale dans l’épaisseur des échantillons témoins : séchage constant (a), intermittent 1 (b) et intermittent 2 (c). ... 86 Figure 3.17. Résultats de slicing test exprimés par le gap (mm) mesuré 1 semaine après la fin du séchage : constant (a), intermittent 1 (b) et intermittent 2 (c). ... 88 Figure 4.1. Modèles de comportement mécanosorptif précédemment adoptés pour la confrontation expérimentale – simulation: RantaMaunus (1975) (a), Salin (1992) (b), Leicester (1971) (c), (Rémond et al., 2013). ... 92 Figure 4.2. Modèle rhéologique utilisé pour la confrontation expérimentale-simulation (Fortino et al., 2009). ... 92 Figure 4.3. Contrainte et teneur en eau fonction du temps (a) et déformation totale corrigée du retrait et déformations individuelles (b), avec εr : retrait libre ; εe : déformation élastique ; εms : déformation mécanosorptive ; εve : déformation viscoélastique et εtot : déformation totale. ... 96 Figure 4.4. Déformation totale corrigée du retrait estimée en utilisant les modèles mécanosorptifs de Ranta-Maunus (cité par Salin, 1992), Salin (1992), et Svensson et Toratti (2002). ... 96 Figure 4.5. Conditions de séchage : conduite constante (a) et conduite oscillante (b). ... 97 Figure 4.6. Déformation mécanosorptive en surface et à cœur : jeu de paramètres du modèle de Fortino et al. (2009) (a) et Svensson et Toratti (2002) (b). ... 98 Figure 4.7. Déformation mécanosorptive en surface et à cœur : jeu de paramètres du modèle de Svensson et Toratti (2002) modifié (à gauche conduite constante et à droite conduite oscillante). ... 99 Figure 4.8. Rayon de courbure (flyingwood) (a) et flèche (flexion trois points) (b) – conduite constante. ... 100 Figure 4.9. Rayon de courbure (flyingwood) (a) et flèche (flexion trois points) (b) – conduite oscillante. ... 100 Figure 4.10. Cinétiques de séchage simulées et expérimentales des échantillons vert et pré- séché débités sur quartier. ... 101 Figure 4.11. Réponse mécanique (flyingwood) prédite (a) et expérimentale (b) des échantillons vert et pré-séché débités sur quartier. ... 102 Figure 4.12. Cinétique de séchage des échantillons à l’état vert débités sur dosse et sur quartier. ... 103 Figure 4. 13.Rayon de courbure (flyingwood) et flèche (flexion trois points) des échantillons à l’état vert débités sur dosse et sur quartier, à gauche résultats simulés et à droite résultats expérimentaux. ... 103 Figure 4.14. Cinétique de séchage simulées (a) et expérimentales (b) des échantillons débités sur quartier - campagne n°1. ... 104 Figure 4.15. Cinétique de séchage simulées (a) et expérimentales (b) des échantillons débités sur quartier - campagne n°2. ... 105 Figure 4.16. Rayon de courbure (flyingwood) simulé (a) et expérimental (b) des échantillons débités sur quartier - campagne n°1. ... 106
4 Figure 4.17. Rayon de courbure (flyingwood) simulé (a) et expérimental (b) des échantillons débités sur quartier - campagne n°2. ... 106 Figure 4.18. Flèche (flexion trois points) simulée (a) et expérimentale (b) des échantillons débités sur quartier - campagne n°1. ... 107 Figure 4. 19. Cinétique de séchage des trois essais. ... 108 Figure 4.20. Séchage constant : humidité relative (a) et température de l’air (b) du lit n°2. 108 Figure 4.21. Séchage intermittent 1 : humidité relative (a), température de l’air (b) du lit n°2 et température du bois (c) 48 h après le début de séchage. ... 110 Figure 4.22. Séchage intermittent 1 : humidité relative (a), température de l’air (b) du lit n°2 et température du bois (c) 48 h avant la fin de séchage. ... 111 Figure 4.23. Séchage intermittent 2 : humidité relative (a), température de l’air (b) du lit n°2 et température du bois (c) 48 h après le début de séchage. ... 113 Figure 4.24. Séchage intermittent 2 : humidité relative (a), température de l’air (b) du lit n°2 et température du bois (c) 48 h avant la fin de séchage. ... 114 Figure 4.25. Séchage constant : teneur en eau finale selon la position de la planche dans la pile (a) et teneur en eau finale en fonction de la teneur en eau initiale (b). ... 116 Figure 4.26. Séchage intermittent 1: teneur en eau finale selon la position de la planche dans la pile (a) et teneur en eau finale en fonction de la teneur en eau initiale (b). ... 117 Figure 4.27. Séchage intermittent 2: teneur en eau finale selon la position de la planche dans la pile (a) et teneur en eau finale en fonction de la teneur en eau initiale (b). ... 118 Figure 4.28. Résultats de slicing test exprimés par le gap (mm) mesuré 1 semaine après la fin de séchage. ... 119 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. ... 125 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. ... 127 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). ... 128 Figure 5.4. Conditions de séchage et évolution du coefficient de transfert externe (a) et cinétique (b) avec changement de la vitesse d’air. ... 128 Figure 5.5. Evolution de la déformation mécanosorptive totale : séchage constant (a), séchages constant * (bruité) et oscillant (b). ... 130 Figure 5.6. Humidité (a) et contrainte (b) pour un séchage avec des conditions constantes (Ts=50°C, Tr=42°C). ... 130 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). ... 131 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). ... 131 Figure 5.9. Séchage oscillant (Ts=50°C ±10C°) avec une période de 24h et HR maintenue constante à 70%. ... 132 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. ... 132
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. ... 133 Figure 5.12. Résultats de la comparaison des différentes stratégies de séchage. ... 135
6
Table des tableaux
Tableau 1.1. Humidité d’équilibre des bois selon leur application finale. ... 12
Tableau 1.2. Coefficients de retrait pour différentes espèces (Guitard, 1987). ... 15
Tableau 1.3. Comparaison de la durée de séchage (jours) du bois d’épaisseur 27 mm de résineux (R) et de feuillus de haute densité (F) selon différents procédés (Perré et al.,2012). 23 Tableau 1.4. Consommation d’énergie par kilogramme d’eau évaporée (Perré et al., 2012 adapté de Aléon et al., 2001 et Chanrion et Davesne, 1991) ; Aléon (2012). ... 25
Tableau 1.5. Travaux antérieurs sur l’effet du séchage intermittent (Ts : température sèche, Th : température humide, Xf : humidité finale du bois, Xéq : humidité d’équilibre du bois). 32 Tableau 1.6. Etudes sur le séchage solaire du bois (sans appoint ni stockage) (l’abréviation Xi désigne l’humidité initiale, Xf l’humidité finale)... 37
Tableau 2.1. Conditions d’essais. ... 46
Tableau 2.2. Teneur en eau initiale et finale des échantillons de la campagne n°1. ... 58
Tableau 2.3. Teneur en eau initiale et finale des échantillons de la campagne n°2. ... 59
Tableau 2.4. Coefficients de retrait total selon la direction radiale des échantillons de la campagne n°2. ... 61
Tableau 3.1. Conditions expérimentales des essais (conditions réelles sur le bord d’attaque de la pile). ... 66
Tableau 3.2. Composition des piles selon le débit pour les trois essais réalisés. ... 67
Tableau 3.3. Vitesse moyenne de l'écoulement de l'air entre les lits et dans les espaces lit- séchoir et épaisseur des baguettes utilisées. ... 69
Tableau 3.4. Teneur en eau initiale et finale et gradient de teneur en eau finale dans l'épaisseur (écart-type entre parenthèses). ... 82
Tableau 3.5. Résultats de slicing test exprimés par le gap (mm) mesuré 1 semaine après la fin de séchage. ... 87
Tableau 4.1. Caractéristiques du milieu poreux utilisées dans le code numérique TransPore. 93 Tableau 4.2. Valeurs mécaniques utilisées dans le code numérique TransPore. ... 94
Tableau 4.3. Paramètres mécanosorptifs modifiés et adoptés dans ce travail (direction tangentiel). ... 98
Tableau 5.1. Impact du changement de la durée de la phase de refroidissement sur la durée du séchage. ... 126
Tableau 5.2. Table de séchage recommandée par le FCBA pour le hêtre (Aléon, 2012). ... 135
Introduction
générale
Matériau hygroscopique, le bois est susceptible de perdre ou de reprendre de l'humidité en fonction des conditions de température et d'hygrométrie de l'air dans lequel il est placé, subissant ainsi des variations dimensionnelles en général préjudiciables à son emploi. Il est donc nécessaire de sécher le bois jusqu’à atteindre un degré d’humidité acceptable selon l’usage final auquel il est destiné. A l’état complètement vert, l’humidité de l’aubier des résineux est de l’ordre de 120% à 160%, celle du duramen des résineux est de l’ordre de 50%
à 80%. L’énergie nécessaire à l’évaporation de l’eau et l’évacuation de la vapeur qui en résulte est par conséquent énorme. La consommation énergétique représente un des postes de dépense les plus importants dans l'industrie du sciage. En 2013, la consommation énergétique des scieries en France est estimée à 124 827 tonnes d’équivalent pétrole dont environ 25%
d’énergie électrique et 61% de combustibles. La facture énergétique est estimée à 43.7 millions d’euros (Insee, 2013). Avec le coût croissant de l’énergie et les considérations environnementales, la consommation d’énergie au cours du séchage est plus importante que jamais. Les entreprises s’efforcent de trouver des dispositifs efficaces et simples leur permettant d’optimiser les coûts tout en maintenant un niveau de séchage de qualité.
C’est dans ce contexte que s’inscrit le présent travail qui étudie l’utilisation des énergies intermittentes pour le séchage du bois d’œuvre en tant que solution pour la réduction du coût énergétique de ce procédé.
L’apport énergétique peut-être contrôlé pour diminuer la durée des phases de chauffage par rapport à la durée totale du séchage ou bien subie lorsque l’on utilise par exemple des énergies intermittentes à faible contenu exergétique (rejets d'eaux de refroidissement des centrales électriques, énergie solaire, énergie éolienne…).
La conduite actuelle du séchage du bois d’œuvre, repose essentiellement sur des connaissances empiriques. Elle préconise d’augmenter progressivement la température en diminuant l’humidité relative au fur et à mesure que l’humidité du matériau décroit. Le séchage intermittent soulève donc de nombreuses questions : quelle conduite de séchage appliquer lorsque la température dans le séchoir fluctue ? Quel est l’impact de l’intermittence de l’apport énergétique sur la qualité, sur la durée du séchage, ou encore le coût de revient de cette opération ?
Le travail réalisé présenté dans ce manuscrit se décompose en cinq parties et a pour objectif d’apporter des réponses à ces questions en menant une approche déterministe du séchage intermittent.
Dans la première partie, nous proposons un état de l’art sur la pratique industrielle du séchage du bois d’œuvre et sur le séchage intermittent sous ses différentes formes. Nous montrons l’hétérogénéité des techniques utilisées pour réaliser l’intermittence et la difficulté à dégager les techniques à utiliser pour réaliser un séchage intermittent tout en maitrisant la qualité ou encore obtenir des gains par rapport au séchage conventionnel.
Dans la deuxième et la troisième partie, nous étudions l’impact de l’intermittence des conditions de séchage sur la qualité et la durée du séchage à l’échelle d’une planche (deuxième partie) et à l’échelle d’une pile de planches (troisième partie).
Introduction générale
9 Pour réaliser une approche déterministe du séchage intermittent, nous avons utilisé, dans le cadre d’une collaboration avec P. Perré (LGPM-ECP), le code numérique TransPore (Perré et Turner, 1999), simulant les transferts couplés de chaleur et de masse au sein du milieu poreux, et le code multiéchelle planche-pile-séchoir (Perré et Rémond, 2006) permettant de simuler des configurations proches de la configuration industrielle en intégrant la variabilité initiale de la biomasse. L’aspect prédictif de ces outils est tout d’abord vérifié dans la quatrième partie de ce travail pour être utilisé ensuite dans la cinquième partie comme des outils d’aide à la compréhension et à la décision. Différentes stratégies de séchage intermittent ont ainsi été comparées au séchage conventionnel à moyenne température afin de voir les gains potentiels en terme de durée et de qualité du séchage.
Enfin, dans la conclusion de ce manuscrit, nous dressons un bilan du travail réalisé et nous abordons la question de la faisabilité technico-économique du séchage intermittent en guise de perspectives.
Chapitre 1
Séchage du bois : un
état de l’art
Chapitre 1
11
Introduction du chapitre 1
Le séchage est une phase nécessaire à la transformation du bois. Etant donné ses nombreux inconvénients (durée de séchage longue, humidité finale élevée, absence de la maitrise des conditions de séchage), le séchage à l’air libre est généralement rejeté au profit du séchage artificiel. Bien qu’efficace, ce mode de séchage possède aussi ses limites. Le séchage est une opération énergivore et la consommation énergétique des chaudières à gaz, fioul ou biomasse dédiées à ce procédé représente le premier poste de la consommation énergétique des scieries.
Face aux préoccupations énergétiques et environnementales, il est nécessaire d’améliorer l’efficacité énergétique des procédés actuels ou d’en développer de nouveaux pour réduire la consommation des énergies traditionnelles (gaz, électricité, fioul). L’utilisation d’une autre source d’énergie telle que les énergies renouvelables ou la récupération de la chaleur rejetée par d’autres industries est également une piste envisagée. Toutefois, en raison de l’intermittence de la disponibilité de ces énergies, les stratégies de séchage utilisées actuellement en industrie, basées sur des connaissances empiriques ne peuvent plus être utilisées.
Ce chapitre aborde, dans une première partie, quelques notions théoriques liées au matériau bois, au séchage et à la modélisation prédictive. Dans une deuxième partie, les procédés de séchage les plus répandus, leur performance ainsi que la pratique du séchage sont présentés.
Enfin, dans une troisième partie, le séchage intermittent est abordé.
1.1 Le séchage du bois d’œuvre : quelques notions théoriques 1.1.1 Nécessité du séchage
Le bois est un matériau hétérogène qui s’est constitué au cours des nombreuses années de la vie d’un arbre (Figure 1.1). Lorsqu'il est sur pied, l'arbre contient une certaine quantité d'eau qui circule dans l’aubier et assure son fonctionnement physiologique. On définit l’humidité du bois comme étant le rapport de la masse d’eau sur la masse de matière sèche. On peut atteindre pour des bois de faible densité des humidités de plus de 100%. Pour les résineux, l’humidité de l’aubier1 (Figure 1.1 (3)) est de l’ordre de 120% à 160% celle de duramen2 (Figure 1.1 (4)) est de 50% à 80%.
1 Bois récemment formé
2 Bois de cœur
Figure 1.1. Structure du bois de l’arbre à la molécule (d’après Harrington dans Butterfield, 1998).
1 : tronc d’arbre, 2 : cambium, 3 : aubier, 4 : duramen, 5 : trachéides, 6 : rayons, 7 : lamelle moyenne, 8 : paroi primaire, 9 : paroi secondaire, 10 : microfibrilles, 11 : cellulose, 12 :
hémicellulose, 13: matrice amorphe, S1, S2, S3 : couches.
Le séchage est une étape incontournable dans la chaîne de la transformation du bois. Ce processus consiste à extraire du bois une partie plus ou moins importante de son contenu en eau afin d'abaisser sa teneur en humidité à un niveau correspondant soit à l'humidité d'équilibre requise pour son usage final (Tableau 1.1) (le bois étant un matériau hygroscopique), soit à un niveau d'humidité permettant un traitement ultérieur de ce bois (préservation artificielle, usinage, combustion, etc.).
Tableau 1.1. Humidité d’équilibre des bois selon leur application finale.
Utilisation Teneur en eau (%)
Fermettes 18 - 22
Menuiserie extérieure 15 - 18
Charpente traditionnelle 15 - 18 Charpente lamellée-collée 12 - 14
Menuiserie intérieure 10 - 12
Meuble (label NF) 10 - 12
Parquet 8 - 12
Chapitre 1
13
1.1.2 L’eau dans le bois
1.1.2.1 Les différents types d’eau dans le bois
Donnons tout d’abord la définition de la teneur en eau. Elle est définie par la masse d’eau dans le bois par rapport à la masse de bois anhydre. Elle peut être déterminée de deux manières différentes :
Base sèche ou anhydre : ( ) x 100 (1.1) Base humide : ( ) x 100 (1.2) tel que :
H : teneur en eau en base sèche en % (kgeau/kgmatière sèche) X : teneur en eau en base humide en % (kgeau/kgmatièrehumide) mH2O : masse d’eau en kg
m0 : masse du bois anhydre en kg mh : masse du bois humide en kg
Dans ce manuscrit, nous utiliserons toujours la définition de la teneur en eau sur base sèche, habituellement utilisée pour définir la teneur en eau du bois d’œuvre. L’eau contenue dans le bois peut être de nature différente. On distingue :
- l'eau libre ou capillaire : elle remplit totalement ou partiellement les vides que présentent les vaisseaux, ainsi que les lumens des fibres ou des trachéides. Les fluctuations du taux d’eau libre n’affectent pas les propriétés physiques apparentes du bois,
- l'eau liée : elle est liée par liaisons hydrogène ou liaisons de Van der Waals aux molécules de cellulose et d'hémicellulose des parois cellulaires. Elle nécessite, pour son extraction, une énergie supérieure pour vaincre ces liaisons chimiques,
- la vapeur d’eau : elle occupe les vides cellulaires non saturés d’eau libre.
La teneur en eau correspondant simultanément à la disparition de la dernière « goutte » d’eau libre et au début de l’évaporation de l’eau liée est connue sous le nom de point de saturation des fibres (psf). Sa valeur, se situant à environ 30% de teneur en eau du bois à une température égale à 20°C.
1.1.2.2 La teneur en eau d’équilibre
Etant un matériau hygroscopique, le bois est capable d’adsorber ou désorber l’eau en fonction de l’humidité relative de l’air ambiant. La teneur en eau d’équilibre est l’humidité vers laquelle tend un échantillon de bois lorsqu’il est placé dans des conditions de température et d’humidité relative de l’air (HR) définies.
Sous le climat tempéré existant en France pendant la période la plus sèche, les conditions atmosphériques sont en moyenne de l'ordre de 20°C et 70% d'humidité relative ; ce qui
correspond à un équilibre hygroscopique du bois d'environ 13%. Pendant la période la plus humide, les conditions atmosphériques sont de l'ordre de 0 à 5°C et 85% d'humidité relative ; ce qui correspond à un équilibre hygroscopique du bois de l'ordre de 19%.
L’état d’équilibre du bois est décrit par des courbes expérimentales appelées isothermes de sorption qui donnent la teneur en eau d’équilibre en fonction de l’humidité relative de l’air à une température constante.
Plusieurs travaux ont montré qu’à une température donnée, et pour une même humidité relative de l’air, la teneur en eau d’équilibre du bois est plus élevée en phase de désorption qu’en phase d’adsorption. Ce phénomène est désigné comme hystérèse de la sorption d'humidité.
1.1.2.3 Le retrait du bois
Lorsqu’une pièce de bois sèche de façon uniforme, c’est d’abord l’eau libre qui en est extraite.
Comme l’eau libre n’occupe que les lumens des cellules, son départ ne s’accompagne pas de changements de dimension appréciables. Une fois la teneur en eau du bois passe en dessous du psf, les molécules d’eau liée seront extraites. Comme celles-ci occupent un espace physique dans les parois cellulaires, leur départ entraine un resserrement des constituants des parois et par conséquent du diamètre des cellules sans toutefois causer de changements importants suivant leur longueur. On assiste alors au phénomène de retrait
Etant donné que la surface du bois atteint le psf avant le centre, un gradient de teneur en eau s’installe dans l’épaisseur de la planche induisant un retrait non uniforme entre la surface et le centre. Ce dernier est à l’origine des contraintes internes de séchage susceptibles de provoquer des défauts tels que les gerces de surface et le fendillement interne.
Le retrait est une propriété orthotrope. Chaque essence est caractérisée par trois coefficients de rétractabilité qui expriment les variations dimensionnelles d'une pièce de bois pour une variation d'humidité de 1%, selon chacune des trois directions : αL, αT et αR.
Le retrait axial est négligeable en termes de variation dimensionnelle. C'est dans le sens tangentiel qu'il est le plus important :
αT>αR>>αL
Cependant, pour quelques essences, les retraits radiaux et tangentiels sont presque identiques : ces essences sont moins sensibles aux déformations accompagnant le processus de séchage.
Le coefficient de retrait, exprimé en pourcentage de déformation par pourcent de taux d’humidité, pour de nombreuses espèces a été quantifié par Guitard (1987). Le tableau 1.2 illustre quelques exemples.
Chapitre 1
15 Tableau 1.2. Coefficients de retrait pour différentes espèces (Guitard, 1987).
Essences Coefficient de retrait tangentiel αT
Coefficient de retrait radial αR
Peuplier 0.44 0.14
Sapin 0.37 0.19
Douglas 0.33 0.19
Hêtre 0.38 0.22
Chêne 0.43 0.18
1.1.3 Cinétique et contraintes de séchage
1.1.3.1 Cinétique
Au cours du séchage d’un matériau poreux se succèdent trois phases de séchage :
- 1ère phase (Figure 1.2) : c’est une phase à vitesse constante durant laquelle l’eau existe sous forme liquide. Elle se prolonge tant que la surface est alimentée en eau libre par succion capillaire ou par effet de la pression gazeuse interne. Ce transfert de masse est couplé au transfert de chaleur, indépendamment des propriétés du matériau. La température du matériau s’équilibre à la température humide de l’air.
Figure 1.2. Première phase de séchage : migration capillaire de l’eau libre (Perré, 1999).
- 2ème phase (Figure 1.3) : elle débute lorsque la surface du produit entre dans le domaine hygroscopique c’est à dire, en dessous du psf. Il s’agit d’une phase à vitesse de séchage décroissante durant laquelle le front d’évaporation se déplace vers l’intérieur du produit dont la température augmente et se rapproche de la température sèche.
Figure 1.3. Seconde phase de séchage : une couche sèche se développe à la périphérie du matériau (Perré, 1999).
- 3ème phase : l’eau libre est totalement éliminée et la vitesse d’évaporation diminue pour tendre vers zéro. Les transferts de l’eau liée et de l’eau vapeur se font uniquement par diffusion. La température s’équilibre à la température sèche et l’humidité du milieu à l’humidité d’équilibre déterminée par l’isotherme de sorption.
Dans le cas du séchage convectif à moyenne et basse température, durant la première phase, la vitesse de séchage est contrôlée par l’apport énergétique. Alors qu’en deuxième phase, la vitesse de séchage est contrôlée par la migration interne (vapeur d’eau et eau liée) (Martin et al., 1995).
Ainsi, il est possible d’accélérer les transferts internes et donc la cinétique de séchage en ajoutant une troisième force motrice, la surpression interne de la phase gazeuse, et ce en augmentant la température du bois au-dessus de la température d’ébullition. La surpression interne gazeuse diminue fortement la résistance interne au transfert de masse et favorise la migration de l’eau liquide ou gazeuse vers les extrémités des planches. Cet effet est à l’origine de la rapidité d’autres procédés de séchage tel que le séchage sous vide ou le séchage haute température (Martin et al., 1995 ; Perré, 1993).
1.1.3.2 Evolution des contraintes de séchage
Tel que mentionné auparavant, le retrait est à l’origine des déformations du bois observées à la fin de l’opération de séchage. Au début du séchage, la surface du bois commence à sécher avant le centre créant un gradient d’humidité dans l’épaisseur. Ce gradient est sans conséquence tant que l’humidité à la surface est supérieure au psf. Toutefois, quand l’humidité de la surface tombe en dessous du psf, les zones superficielles tendent à se rétracter. Cependant, étant donné que l’humidité des zones internes est encore supérieure au psf, elles limitent le retrait des zones superficielles. Il en résulte des contraintes de traction dans les couches proches de la surface et des contraintes de compression dans les couches du cœur.
Chapitre 1
17 Plus tard au cours du séchage, lorsque la teneur en eau du bois au cœur atteint à son tour le psf, une inversion du champ de contraintes du bois se produit. Le cœur va être sous traction et la surface sous compression. Cet état qui persiste jusqu'à la fin du cycle de séchage constitue les contraintes résiduelles de séchage. Lorsque les contraintes dépassent la résistance mécanique du bois, elles peuvent provoquer des fentes sur les faces des planches (fentes de surface), au niveau des extrémités (fentes en bout) et à l’intérieur des planches (fentes internes).
Ces contraintes, ne pouvant être ni vues ni mesurées directement, sont évaluées à travers les déformations et les conséquences qu’elles engendrent. De nombreuses méthodes permettant d’estimer les contraintes résiduelles ont été développées. Ces méthodes ont été décrites par plusieurs auteurs (Canteri, 1996 ; Ilieva, 1998 ; Rémond, 2004, Moutee, 2006). Elles sont classées en méthodes destructives telles que le test de la fourchette (Figure 1.4a) (Kauman, 1982) ou des lamelles (Svensson et Toratti, 2002) et méthodes non destructives tels que le test de « Flying Wood » (Brandao et Perré, 1996), la méthode acoustique (Booker, 1994 ; Beall, 2002 ; Beall et al., 2003), la méthode d’analyse d’images (Hyoung-Woo et al., 2001) ou les capteurs de contraintes (Figure 1.4b) (Fortin et al., 1994 ; Allegretti et Ferrari, 2008).
a) b)
Figure 1.4.Méthode du découpage en fourche (Kauman, 1982) (a) et capteur de contraintes (Allegretti et Ferrari, 2008) (b).
L’état de contraintes internes à la fin du séchage est un indicateur de la qualité de séchage. Un séchage bien conduit devrait minimiser les contraintes internes. Par contre, une conduite de séchage mal adaptée à l’essence peut engendrer, en plus des contraintes résiduelles, d’autres défauts tel que le collapse qui se manifeste par un effondrement localisé des parois cellulaires, reconnaissable par une ondulation des faces des planches et parfois accompagné de fentes internes. Ce défaut est dû à l’utilisation d’une température trop élevée en début du séchage.
Il est aussi possible d’observer à la fin du séchage des déformations au niveau des planches (Figure 1.5). Ces défauts sont dus essentiellement à l’anisotropie du retrait et sont fonction de la position de la planche dans le billon (Figure 1.6).
Figure 1.5. Déformations selon la direction longitudinale les plus observées à la fin de séchage du bois (Aléon et al., 2001).
Figure 1.6. Déformations dans la section transversale dues à l’anisotropie du retrait et qui sont fonction de la position de la planche dans le billon (Aléon et al., 2001).
1.1.4 Modélisation du séchage
Dans le but d’optimiser le procédé de séchage de bois en terme de qualité, de durée et d’efficience énergétique, plusieurs scientifiques ont eu recours à la modélisation de ce processus. Les modèles développés permettent de simuler l'évolution des profils de teneur en humidité, de température, de pression et des contraintes dans le bois en cours de séchage.
1.1.4.1 Cinétique
Plusieurs modèles permettant la simulation de la cinétique de séchage ont été développés à l’échelle macroscopique. Ces modèles consistent à l’établissement d’un ensemble d’équations décrivant la physique des transferts de masse et de chaleur à travers un milieu poreux. Ils nécessitent tous la connaissance des caractéristiques de la pièce de bois séché (espèce, teneur en eau initiale, dimension, propriétés physique) et des conditions de séchage imposées à la surface du bois. Ils se distinguent les uns des autres par les lois gouvernant le mouvement de l’eau dans le bois, le nombre de directions d’espace étudiées (1D, 2D, 3D), les méthodes de résolution numérique et la façon de traduire les conditions de séchage imposées à la surface du bois.
Perré (2004) classe les modèles macroscopiques en trois catégories selon le nombre de variables d’état utilisées pour décrire le séchage:
- modèle à une seule variable : ce type de modèle considère que le mouvement de l’eau dans le bois est généré par le gradient de la teneur en eau ou de la concentration (Salin,
Chapitre 1
19 1999 et 2001 ; Mounji et al., 1991; Pang et Haslett, 1995), de potentiel hydrique (Fortin, 1979), de potentiel chimique (Kawai et al. 1978) ou de potentiel de transfert de masse (Luikov, 1966). Toutefois, cette formulation est incapable de considérer le couplage des transferts de chaleur et de masse,
- modèle à deux variables : les variables utilisées sont la teneur en eau et la température.
La formulation qui en découle permet de modéliser correctement des configurations pour lesquelles la pression gazeuse interne n'a pas d'effets sur les transferts tel que le séchage convectif à basse température,
- modèle à trois variables : ce modèle utilisant la teneur en eau, la température et la pression gazeuse est le modèle le plus complet. En intégrant la pression de la phase gazeuse, il permet de simuler le séchage à haute température, sous vide, haute fréquences, micro-onde, etc. (Perré, 1987 ; Perré et Degiovanni, 1990 ; Perré et Turner, 1996 et 1999 ; Nijdam et al., 2000).
Dans un séchoir classique à convection forcée, les planches sont empilées, baguettées et placées bord à bord sur un même lit horizontal. Ainsi, chaque planche de la pile influe sur le séchage des planches voisines. L’optimisation du procédé de séchage au niveau industriel via la modélisation nécessite, donc, une approche double échelle. Salin (2001) et Awadalla et al., (2004) ont modélisé le séchage de plusieurs planches. Cependant, leurs modèles sont basés sur une seule variable d’état et l’évolution des conditions climatiques dans la pile est basée sur une seule surface de la planche. Perré et Rémond (2006), ont développé un programme qui utilise le code TransPore pour simuler le séchage d’une pile de planches. Dans ce programme, les équations de conservation sont écrites pour chaque écoulement compris entre deux couches de planches et font intervenir les flux de chaleur et d’humidité échangés entre les faces des planches d’un canal donné et l’écoulement d’air. Le modèle double échelle développé est capable de simuler plusieurs centaines de planches non identiques en parallèle.
1.1.4.2 Mécanique
La modélisation du comportement mécanique du bois au cours de séchage permet de prédire l’évolution de l’état des contraintes dans la planche. L’objectif ultime étant de pouvoir choisir les conditions de séchage pour améliorer la qualité du bois séché ou le sécher plus vite à qualité égale.
Le comportement du bois au cours du séchage combine différentes propriétés (élasticité, plasticité, viscoélasticité et mécanosorption) qui sont influencées par la température et la teneur en eau. Dans ce qui suit, nous allons nous intéresser à la modélisation du comportement mécanosorptif du bois que l’on rencontre couramment dans la littérature.
Avant d’aborder la modélisation, nous allons tout d’abord rappeler la distinction de ces deux comportements en s’appuyant sur le résultat d’un essai de fluage-recouvrance utilisé pour caractériser la viscoélasticité du bois. En effet, lors de l’application d’une contrainte constante au cours du temps sur un échantillon de bois, il en résulte une déformation élastique qui apparait instantanément lors de l’application de la charge suivie d’une déformation différée croissante au cours du temps (Figure 1.7). Cette déformation différée joue un rôle décisif dans la relaxation des contraintes liées au retrait du bois. Lorsqu’elle se produit à humidité
constante, elle est attribuée au fluage viscoélastique, tant dis que, à humidité variable, elle est attribuée au fluage mécanosorptif.
Figure 1.7. Evolution de la déformation d’un échantillon de bois soumis à une contrainte constante sur l’intervalle de temps [t0 – t1] : OA : déformation instantanée; AB: déformation différée ; BC : recouvrance instantanée et CD : recouvrance différée (d’après Navi et Heger,
2005).
La déformation viscoélastique du bois, lié à la nature polymérique de ses constituants, dépend du temps, de la température, de l’humidité relative ainsi que du niveau de contrainte appliquée. La déformation mécanosorptive, quant à elle, dépend du niveau de contrainte et augmente avec le changement cumulatif de teneur en eau.
Plusieurs explications de l’origine du comportement mécanosorptif du bois ont été proposées dans la littérature. Ce phénomène est attribué soit aux processus de rupture et de déformation de liaisons hydrogènes des régions amorphes des chaines de cellulose (Hanhijärvi, 1995) soit aux changements géométriques et mécaniques qui se produisent entre les différents constituants de la structure de la paroi cellulaire (Mukudai et Yata, 1986 ; Gril, 1988 ; Hoffmeyer et Davidson, 1989). Nous renvoyons le lecteur désireux d’avoir plus d’informations sur l’origine du comportement différé du bois aux travaux de thèse de Gril, 1988, et Randriambololona, 2003).
Pour modéliser le comportement mécanique du bois au cours du séchage on fait généralement appel à des modèles rhéologiques qui sont établis en utilisant des éléments de base constitués de ressorts, caractérisant l’élasticité, et des amortisseurs, caractérisant la viscosité du bois.
Deux catégories de modèles existent dans la littérature :
- les modèles à activation indépendante : ils sont basés sur l’hypothèse de découplage entre le fluage viscoélastique dépendant du temps et de l’humidité relative et du fluage mécanosorptif dépendant que de l’humidité,
- les modèles à activation combinée : ces modèles supposent l’existence d’une interaction entre l’effet du temps et celui de l’humidité relative.
1.1.4.2-a Modèles à activation indépendante
En se basant sur l’hypothèse de l’absence d’interaction entre le fluage viscoélastique et mécanosorptif, la déformation mécanique totale peut être exprimée ainsi :
Chapitre 1
21 ( ) (1.3) où est la déformation élastique instantanée, la déformation due au retrait libre, la déformation viscoélastique et la déformation mécanosorptive.
Plusieurs modèles mécanosorptifs ont été développés dans cette approche (Leicester, 1971 ; Ranta-Maunus, 1975 ; Hunt, 1989 ; Svensson et Toratti, 2002 ; Salin, 1992 ; Martensson, 1994).
Ces modèles découlant soit du modèle de Maxwell (Leicester, Ranta-Maunus) soit de celui de Kelvin-Voigt (Salin, Svensson et Toratti, Hunt, Martensson) se différencient, d’une part, par leur comportement à la recouvrance. En effet, les modèles de type Kelvin permettent une recouvrance totale de la déformation mécanosorptive accumulée lors des variations d’humidité après déchargement. Tandis que, pour les modèles de type Maxwell, une partie de la déformation mécanosorptive reste irrécouvrable après déchargement. D’autre part, le modèle de type Kelvin admet un ralentissement du fluage mécanosorptif vers une valeur limite après quelques cycles d’humidité, alors que pour les modèles de type Maxwell il n’existe pas de limite.
1.1.4.2-b Modèles à activation combinée
Ces modèles considèrent une interaction entre le fluage viscoélastique et le fluage mécanosorptif :
( ) ( ) ( ) ( ) (1.4) où est la déformation élastique instantanée, la déformation due au retrait libre, la forme couplée des déformations viscoélastique et mécanosorptive.
Plusieurs modèles ont été développés sur ce principe (Gril, 1988 ; Hanhijarvi et Hunt, 1998 ; Randriambolona, 2003 ; Husson et al., 2010). Une synthèse approfondie des modèles existants dans la littérature est présentée dans Randriambololona (2003).
Dans la littérature, les travaux sur la modélisation du comportement mécanique du bois sont abondants. Cependant, les données actuelles ne permettent pas de conclure sur la pertinence d’un modèle plutôt qu’un autre pour le séchage du bois (Hanhijärvi et Hunt, 1998 ; Montero, 2010). Les principales raisons sont :
- la complexité du processus de séchage : transferts couplés de masse et de chaleur, - la variabilité du matériau : entre espèces mais aussi entre planches de la même charge
à sécher,
- la complexité du comportement mécanique : influence du temps, de la température, de l’humidité et de l’historique des déformations précédentes sur les contraintes et les déformations pouvant apparaitre au cours du séchage.
1.2 La pratique du séchage du bois
Un séchage de qualité devrait satisfaire un compromis entre la qualité finale du bois séché, la durée du procédé et le coût de revient du séchage. Cependant, étant donné que ces trois
critères sont interdépendants, il est difficile d'agir sur l'un des critères sans affecter les deux autres. Jusqu’à présent, seule la pratique des conducteurs de séchoirs a permis d’atteindre un compromis. Toute cette connaissance est résumée dans les tables de séchage. Celles-ci donnent, pour chaque essence, les conditions de température et d’hygrométrie de l’air à utiliser en fonction de la teneur en eau moyenne du bois (Perré, 1993).
1.2.1 Procédés de séchage courants
Le séchage naturel ou à l’air libre est le procédé de séchage le plus simple ne nécessitant aucun apport d’énergie artificielle. Ce procédé est encore très souvent employé dans l’industrie du bois, soit comme seul moyen de séchage, soit combiné avec un autre procédé de séchage artificiel. Cependant, vu que les conditions de température et de l’humidité relative de l’air ne sont pas maitrisées dans ce mode de séchage, la qualité du bois reste tributaire de conditions climatiques extérieures. Il en résulte, d’une part, des risques de dégradation du matériau (fentes de surface et en bout). D’autre part, des temps de séchage très longs qui engendrent des frais d’immobilisation importants (Aléon, 2012). Le choix des professionnels s’est orienté ainsi vers le séchage artificiel qui permet de maitriser les conditions de séchage pour avoir un produit fini de qualité. Les procédés de séchage existants sont :
- séchage convectif à basse et moyenne température (pré séchoirs, séchoirs à pompe à chaleur, séchoirs à air chaud climatisé). Le séchage par air chaud climatisé, appelé aussi séchage conventionnel, est le procédé le plus ancien et le plus répandu dans l’industrie du bois.
- séchage convectif à haute température : les bois les plus fréquemment séchés moyennant ce procédé sont les résineux et dans une moindre mesure le peuplier. Les sciages sont généralement de faible ou moyenne épaisseur, inférieure ou égale à 50 mm (Aléon, 2012).
- séchage sous vide (continue, discontinue et en vapeur surchauffée) : ce procédé de séchage est adapté aux essences les plus difficiles à sécher (feuillus et résineux épais) (Aléon, 2012).
- séchage par rayonnement électromagnétique haute fréquence : ce procédé de séchage peut être bénéfique énergétiquement dans la mesure où il propose un transfert direct d’énergie entre la source et le matériau à sécher et permet, en outre, de concentrer l’énergie sur les surfaces ou volumes à sécher.
- séchage mixte vide/haute fréquence.
- séchage solaire ou par infra-rouge.
Une description détaillée des principaux procédés de séchage du bois se trouve dans les ouvrages de Joly et More-Chevalier, 1980 ; Aléon et al., 2001 et Aléon, 2012.
Nous allons dans ce qui suit comparer les procédés de séchage les plus utilisés en industrie selon la durée du séchage, l’efficience énergétique et la qualité du bois séché.
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23 1.2.1.1 Durée
La durée nécessaire pour le séchage du bois en tenant compte du critère qualité mécanique du produit fini est le résultat d’un équilibre subtil entre les caractéristiques du bois séché, l’épaisseur des avivés, les caractéristiques du séchoir et les priorités de production (Perré et al., 2012).
Le tableau 1.3 récapitule la durée du séchage observé en industrie pour deux catégories d’espèces (feuillus de haute densité et résineux) selon le procédé de séchage utilisé et la teneur en eau initiale et finale (Perré et al., 2012 adapté de Joly et More-Chevalier (1980) et Aléon et al., 2001).
Tableau 1.3. Comparaison de la durée de séchage (jours) du bois d’épaisseur 27 mm de résineux (R) et de feuillus de haute densité (F) selon différents procédés (Perré et al.,2012).
Procédé de séchage Etat vert à 18 % Etat vert à 10 % 30 % à 10 % Séchage à l’air R
F
25 - 60 190 - 340
impossible Séchage conventionnel R
F
2 15 - 20
3 20 - 30
1.5 10 - 15 Déshumidification R
F
7 - 8 20 - 25
10 - 12 25 - 35
5 - 7 18 - 20 Vide continu R
F
1.5 4 - 5
2 5 - 6
1 2.5 - 4 Nous pouvons constater, tout d’abord, qu’il est impossible d’atteindre certaines teneurs en eau finale en utilisant le séchage à l’air libre. Ceci est lié à l’impossibilité d’obtention d’une teneur en eau finale inférieure à l’équilibre hygroscopique extérieure.
Le temps de séchage le plus court est obtenu pour le procédé sous vide particulièrement dans le cas de séchage des feuillus. Ce gain en temps est obtenu grâce à une amélioration de la circulation de l’eau dans le bois par l’augmentation du coefficient de diffusion de la vapeur d’eau et par la création d’un gradient de pression dans le bois sous l’effet de la vaporisation de l’eau (Aléon, 2012).
La durée du séchage est fortement influencée par l’espèce séchée et ce pour tous les procédés.
En effet, le séchage des feuillus est beaucoup plus lent que le séchage des résineux. Ceci est expliqué par la difficulté de séchage de certaines essences nécessitant ainsi l’utilisation des conditions de séchage modérées. C’est le cas du chêne, par exemple. Cette essence est caractérisée par des transferts internes laborieux en plus des risques de discoloration, de collapse et de fissures dues à la présence des gros rayons ligneux (Perré, 1993).
Les durées de séchage par déshumidification sont plus longues que celles obtenues avec le séchage conventionnel et sous vide. Ceci est dû aux faibles températures de fonctionnement de ce procédé.
