1èresJournées Internationales de Physique
Université Constantine 1, 16 et 17 décembre 2013. JIPC1
Simulation du Transfert de Chaleur dans un Four Cubilot
Sofiane BOULKROUNE1,2, Mohamed CHAOUR1,2, Omar KHOLAI2, M. Tayeb ABDGHARS1
1Welding and NDT Research, Centre (CSC), B.P 64 Cheraga, Algeria.
2Laboratoire Ingénierie des transports et environnement, Université Constantine 1, Algérie
Résumé Dans ce travail, on présente une étude numérique du transfertde chaleur dans les parois d’un four cubilot. Pour cela un code de calcul ANSYS est utilisé pour effectuer les simulations numériques.
Les résultats sont présentés pour plusieurs matériaux constitue les parois du four dans des conditions réelles en faisant tester l’influence des plusieurs paramètres sur le transfert de chaleur tel que le choix du matériau et l’épaisseur de chaque couche. 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.
1. INTRODUCTION
Dans de très nombreux secteurs de l'industrie, l'ingénieur se trouve en face de plusieurs problèmes de transfert thermique qui ont une grande importance en raison du coût élevé, de l'énergie et les impératifs d'économie qui en résultent. Le transfert de chaleur est l'un des modes les plus communs d'échange d'énergie, il intervient naturellement entre deux systèmes dés qu’ils existent entre eux une différence de température ou lorsqu'un gradient de température existe à l'intérieur d'un système.
Parmi les plus importantes applications du transfert thermique dans le domaine technologique on peut citer l’échauffement et le refroidissement des fluides s’écoulant à l’intérieur des conduites, échanges thermique dans les fours, chaudières et les centrales thermiques, isolation des conduites et des bâtiments.
Le transfert de chaleur peut se faire par trois modes différents : Conduction, Convection et Rayonnement. Plusieurs chercheurs ont présentés lors de ces deux dernières décennies des travaux relatifs à l’étude de ce phénomène [1-4].L’objectif du présent travail consiste à examiner les effets de choix de matériau sur le transfert de chaleur dans un mur multi couche soumis aux conditions réelles d’un four cubilot.
2. FORMULATION MATHEMATIQUE DU PROBLEME Les équations de bilan thermique s’écrivent:
; (1)
Conditions initiales (2)
Conditions aux limites (3)
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3. RESULTATS ET DISCUSSION
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 deuxième couche (brique ordinaire, sable secet 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.
e3
b a
FIGURE 1. Présentation du système
(a): schéma représentatif d’un cubilot ;(b) : configuration étudiée,
Les simulations numériques sonteffectuées à l’aide du codede 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 1et 3 sont toujours en ciment mortier
(λ =1.3W/m K), et acier (λ= 36.7W/m K). Tandis que pour la deuxième paroi (intérieur) sont comme suite :
e1
e2
(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
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Premier cas: brique ordinaire (λ =0.69 W/m K) Deuxième cas: sable sec. (λ= 0.58 W/m K) Troisième cas: ciment Portland. (λ= 0.3 W/m K)
Sur la Figure 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 0.69 W/m K (FIG.2a), pour une conductivité de 0.58 W/m K
la température interne chute d'environ 91°C(FIG2.b). Une température de 66°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
C
FIGURE 2. Influence de la nature du matériau de la paroi intérieur sur la distribution de la température: (a)brique ordinaire, (b)sable sec, (c) ciment Portland sec.
Pour plus de détails nous avons présenté les différents profils de température en fonction de l'épaisseur sur la Figure 3 pour les trois cas étudiés.
La Figure 3 montre quela 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 paroi intérieur.
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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
(a) (b)
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
(c)
FIGURE 3. Evolution de la température en fonction de l'épaisseur (a) cas 1, (b) cas 2, (c) cas 3.
4. CONCLUSION
L’étude présentée dans ce travail porte sur la distribution de la température dans un four cubilot par l’utilisation du code de calcul ANSYS En se basant sur la méthode des éléments finis.L’analyse des résultats obtenus révèle qu’il est possible de choisir les matériaux qui composent les parois du four en fonction des objectifs fixés.
REFERENCES
1. N. Berour, UHP - Université Henri Poincaré. (2005).
2. K. Saito and M. Ohta, Imono. 60,307-312 (1988).
3. H.H. Sun, C. C Kong, H.H. Wu, Canadian Metallurgical Quarterly. 45, 395-408 (2006).
4.Y. Tamene, S. Abboudi and C. Bougriou, Revue des Energies Renouvelables12,117-124, (2009). 5. L. Chazé and R. Sanz, Revue de Techniques de l’Ingénieur.M1.765P.2,(1997).
6. T. Stolarski, S. Makasone and Yoshimoto, Tokyo university of science, Tokyo Japon. (2006).
