Analyse théorique et expérimentale des phénomènes aérothermiques associés aux enclos entourant les cheminées industrielles

Résumé

Les cheminées industrielles sont des composantes essentielles à l’évacuation des gaz de combustion provenant d’un appareil de chauffage, le cas échéant, d’un foyer installé dans un bâtiment. Celles-ci subissent d’extrêmes températures et doivent leur résister sans compromis pour toute leur durée de vie. Si une cheminée n’est pas entretenue convenablement, le phénomène de feu de cheminée peut se produire. Ce dernier peut entrainer, pendant quelques minutes, une hausse importante de température dans la conduite cylindrique verticale. À cet égard, la cheminée doit aussi résister à ce phénomène. Les différentes normes (canadiennes/américaines) contrôlant l’homologation de cheminées industrielles contraignent les fabricants à ce que leurs produits puissent résister aux feux de cheminées. Selon ces normes, ces produits doivent être testés physiquement. Pour ce faire, les cheminées sont entourées de parois de contreplaqués de bois et chauffées par un brûleur. Il ne faut pas qu’elles transfèrent trop de chaleur vers le bois, sans quoi il pourra atteindre une température trop haute non sécuritaire, voire prendre en feu. Advenant un tel cas, le fabricant doit la modifier jusqu’à ce que les exigences des normes soient atteintes s’il veut la vendre sous homologation. Il est possible de constater que si le fabricant de cheminées ne veut pas procéder par essaiserreurs jusqu’à l’aboutissement d’une conception respectant les normes, il doit s’armer d’outils théoriques pour prédire comment une cheminée réagira aux conditions auxquelles elle sera soumise, notamment en fonction de sa géométrie, des températures de chauffage et des matériaux qui la compose. L’objectif principal de ce travail est donc d’apporter des méthodes théoriques d’analyse pour traiter les problèmes aérothermiques, très complexes, qui gouvernent les performances des cheminées industrielles. Pour ce faire, un modèle 1D calculant le transfert de chaleur moyen (et les températures moyennes) pour ces montages en particulier est construit. Le modèle 1D peut facilement être développé dans un logiciel de programmation à l’aide des formules déjà existantes liées au transfert de chaleur. Malheureusement, le modèle 1D comprend une inconnue : à ce jour, il ne semble pas y avoir d’équation/corrélation qui permette de calculer les nombres de Nusselt liés aux phénomènes de convection naturelle survenant dans la cavité formée par la cheminée et l’enclos de bois. Afin de remédier à ce manque, en premier lieu, une analyse dimensionnelle du problème est effectuée. Ensuite, il est choisi d’utiliser un logiciel employant la méthode des volumes finis (MVF) (module Flow Simulation (FS) greffé au logiciel CAD Solidworks) afin de répliquer virtuellement les phénomènes aérothermiques liés aux montages des cheminées. Le logiciel est utilisé pour générer des données afin de développer une corrélation pour le modèle 1D. La corrélation qui est proposée dépend de paramètres adimensionnels trouvés à l’aide de l’analyse dimensionnelle du problème. Aussi, avant d’utiliser le logiciel FS intensément, ce dernier doit préalablement être validé à l’aide des données expérimentales physiques. À cet effet, deux bancs d’essais sont construits et chauffés à l’aide d’un brûleur : le premier banc d’essai comprend uniquement une cheminée industrielle, et le deuxième banc comprend la même cheminée, mais cette fois-ci, entourée d’un enclos de bois. Lorsque les montages sont chauffés, des températures sont mesurées à des intervalles de temps et à des endroits stratégiques sur ceux-ci. De plus, le CO2 et les températures dans la conduite sont recueillies dans la conduite et les débits générés par le brûleur peuvent être déterminés à l’aide de calculs de combustion. La nécessité d’avoir deux montages est de permettre d’isoler les phénomènes aérothermiques et de valider le cas le plus simple de la cheminée sans enclos avant de s’attaquer au montage avec enclos. Par rapport aux données expérimentales, les résultats obtenus à l’aide de FS montrent que l’écoulement interne forcé est spécial et très difficile à simuler. Une méthode pour aider FS à simuler adéquatement ces phénomènes est décrite. Lorsque l’approche numérique (MVF) est validée, elle peut ensuite être utilisée pour générer des données en vue du développement de la corrélation pour le modèle 1D. Subséquemment, puisque le modèle 1D dispose maintenant de la corrélation qui était manquante à son fonctionnement, il est aussi validé à l’aide des données expérimentales des bancs d’essais des cheminées industrielles. Tout comme le logiciel FS, il semble que ce modèle éprouve des difficultés à simuler correctement l’écoulement interne dans la cheminée (les raisons exactes ne peuvent pas être précisées). À cet effet, une nouvelle corrélation est donc développée d’après les données expérimentales des bancs d’essais pour calculer les nombres de Nusselt pour l’écoulement interne dans la cheminée. Lorsque cette nouvelle corrélation est incorporée au modèle 1D, ce dernier arrive maintenant à bien prédire les températures moyennes comparativement aux résultats expérimentaux. Également, autant pour l’utilisation du modèle 1D que du logiciel employant la MVF, il est aussi nécessaire de développer deux bancs afin de mesurer les conductivités thermiques et les émissivités des matériaux utilisés pour fabriquer les montages des cheminées industrielles. Les résultats de ces bancs d’essais simples semblent concluants en comparaison avec d’autres données. Finalement, les résultats des modèles théoriques correspondent (avec un certain pourcentage d’écart) aux mesures expérimentales et ces outils peuvent donc être utilisés avec une certaine confiance dans le but éventuel de développer et/ou d’optimiser les différents produits reliés aux cheminées industrielles.

Date	12 janv. 2012
langue originale	Français
Établissement diplômant	École de technologie supérieure
Superviseur	Louis Lamarche (Directeur(-trice)) & Azzeddine Soulaïmani (Codirecteur(-trice))