Etudes expérimentales et simulation numérique d'un procédé thermique de séchageJP Ploteau Etudes expérimentales et simulation numérique d'un procédé thermique de séchage: Application au traitement de boues 1

Etudes expérimentales et simulation numérique d'un procédé thermique de séchageJP Ploteau I NTRODUCTION 2 IntroductionEtude expérimentaleConclusionModélisation du produitDimensionnement d’un séchoir Séchage thermique Boue Traitement biologique Séparation mécanique Valorisation Boue liquide Boue pâteuse Boue solide Engrais Combustible

Etudes expérimentales et simulation numérique d'un procédé thermique de séchage 1. Entrée du produit humide 2. Produit en défilement 3. Sortie du produit sec 3 Contexte de l’étude : Séchage thermique des boues  Séchage « compact » à basse température par PAC IntroductionEtude expérimentaleConclusionModélisation du produitDimensionnement d’un séchoir

Etudes expérimentales et simulation numérique d'un procédé thermique de séchage Modèle produit 4 Méthodologie Expérimentation Propriétés thermophysiques de la boue Cinétiques de séchage de la boue Modèle 1D multiphysique Modèle 1D multiphysique Validation Modèle séchoir Modélisation multizone du séchoir Simulations Dimensionnement PAC Module Pompe à Chaleur Dimensionnement Pompe à Chaleur (Calcul SMER, COP) IntroductionEtude expérimentaleConclusionModélisation du produitDimensionnement d’un séchoir

Etudes expérimentales et simulation numérique d'un procédé thermique de séchageJP Ploteau E TUDE EXPÉRIMENTALE 5 IntroductionEtude expérimentaleConclusionModélisation du produitDimensionnement d’un séchoir Boue issue de bacs de stockage après traitement mécanique Reçu en seaux hermétiques de 5kg Matériau pâteux, hétérogène, composé de matière organique et minérale Siccité à réception X = 20% soit une teneur en eau base sèche W = 4 kg.kg -1

Etudes expérimentales et simulation numérique d'un procédé thermique de séchage 6 Propriétés thermo-physiques IntroductionEtude expérimentaleConclusionModélisation du produitDimensionnement d’un séchoir Masse vol. initialeρ0ρ kg.m -3 Masse vol. intrinsèqueρiρi 1443 kg.m -3 Capacité thermiqueConductivité thermique Masse volumique

Etudes expérimentales et simulation numérique d'un procédé thermique de séchage 7 Séchage en enceinte climatique: Déformation Tableau II. 2 : récapitulatif des paramètres des modèles d’Oswin et de GAB IntroductionEtude expérimentale Bécher ConclusionModélisation du produitDimensionnement d’un séchoir d d0d0 d 0 = 80 mm hh0h0 h 0 = 38 mm W 0 = 4.2 kg.kg -1 W= 0.16 kg.kg -1 d d0d0 d 0 = 60 mm h 0 = 16.5 mm Coupelles W= 0.17 kg.kg -1 W 0 = 4.2 kg.kg -1

Etudes expérimentales et simulation numérique d'un procédé thermique de séchage 8 Séchage en enceinte climatique: Activité Tableau II. 2 : récapitulatif des paramètres des modèles d’Oswin et de GAB IntroductionEtude expérimentale Validité du modèle d’Oswin ConclusionModélisation du produitDimensionnement d’un séchoir Modèle d’Oswin Une teneur en eau basse peut être atteinte avec une hygrométrie élevée d d0d0 d 0 = 60 mm h 0 = 16.5 mm W= 0.17 kg.kg -1 W 0 = 4.2 kg.kg -1 Whyg = 0.05 (Modèle de GAB)

Etudes expérimentales et simulation numérique d'un procédé thermique de séchage 9 Banc de séchage LIMATB IntroductionEtude expérimentaleConclusionModélisation du produitDimensionnement d’un séchoir

Etudes expérimentales et simulation numérique d'un procédé thermique de séchage 10 Séchage convectif IntroductionEtude expérimentale 5h10h20h Epaisseur de produit 30 mm Vitesse d’air 3 m/s Température d’air 60°C Humidité relative 10% - ½ séchage en 13h - Palier isenthalpe -Apparition de retrait et de crevasses ConclusionModélisation du produitDimensionnement d’un séchoir

Etudes expérimentales et simulation numérique d'un procédé thermique de séchage 11 Séchage conductif et combiné IntroductionEtude expérimentale 5h10h20h ConclusionModélisation du produitDimensionnement d’un séchoir 20h Vitesse d’air 2 m/s Température d’air 50°C Humidité relative 11% Température de fond 60°C Vitesse d’air 2 m/s Température d’air 20°C Humidité relative 57% Température de fond 50°C Séchage conductifSéchage combiné

Etudes expérimentales et simulation numérique d'un procédé thermique de séchage 12 Analyse du retrait et des crevasses Masse vol. apparente sècheρ sa Porositéε ρ sa fonction des conditions de séchage - Le retrait n’est pas idéal - Déformations difficiles à modéliser IntroductionEtude expérimentaleConclusionModélisation du produitDimensionnement d’un séchoir Convectif Ép. finale 26 mm Conductif Ép. finale 22 mm Combiné Ép. finale 25 mm

Etudes expérimentales et simulation numérique d'un procédé thermique de séchage 13 Influence des conditions de séchage Essai UaTaYaHRaTft 1/2 m.s -1 °Cg.kg -1 %°Cheures CV % CV % CV % IntroductionEtude expérimentaleConclusionModélisation du produitDimensionnement d’un séchoir Paramètres importants  Température d’air  Vitesse d’air

Etudes expérimentales et simulation numérique d'un procédé thermique de séchage 14 Intérêt de l’apport conductif IntroductionEtude expérimentaleConclusionModélisation du produitDimensionnement d’un séchoir Essai UaTaYaHRaTft 1/2 m.s -1 °Cg.kg -1 %°Cheures CV % CD % CD % Tf = 50°C: Gain de 9 h par rapport à CV Tf = 60°C: Gain de 14 h par rapport à CV

Etudes expérimentales et simulation numérique d'un procédé thermique de séchage 15 Détermination du coefficient d’échange convectif IntroductionEtude expérimentale Coefficient d’échange théorique Corrélation pour un écoulement turbulent dans une conduite rugueuse en région d’entrée de tube Le diagramme de Moody donne f en fonction du nombre de Reynolds Re et de la rugosité ε/d h Essai UaTa Tf h c (Lv) h c (km)h c (Nu) m s -1 °C°C °C°C W.K -1.m -2 CV CV CV CV Bilan thermique à la surface : Expression du flux masse Relation de Lewis Phase isenthalpe ConclusionModélisation du produitDimensionnement d’un séchoir

Etudes expérimentales et simulation numérique d'un procédé thermique de séchage 16 Détermination du coefficient de diffusion effectif Solution analytique de la loi de Fick: IntroductionEtude expérimentaleConclusionModélisation du produitDimensionnement d’un séchoir Teneur en eau réduite:

Etudes expérimentales et simulation numérique d'un procédé thermique de séchageJP Ploteau M ODÉLISATION DU PRODUIT 17 IntroductionEtude expérimentaleConclusionModélisation du produitDimensionnement d’un séchoir Hypothèses Modèle 1D Milieu poreux hygroscopique Homogène et isotrope Pas de thermomigration Pas de convection thermique Pas de déformation du maillage (ρ sa imposée) Transfert thermique Transfert hydrique Conditions aux limites U a, T a, HR a TfTf

Etudes expérimentales et simulation numérique d'un procédé thermique de séchage 18 Coefficient de diffusion μ b : Facteur de résistance à la diffusion [Pa.m -1.kg -1 ] π a : Perméabilité de l’air [m 2 ] P v sat : Pression de vapeur saturante [Pa] Diffusion de la vapeur A, B et C : solution analytique de la loi de Fick Croissant au cours du séchage : déformation Diffusion du liquide IntroductionEtude expérimentaleConclusionModélisation du produitDimensionnement d’un séchoir

Etudes expérimentales et simulation numérique d'un procédé thermique de séchage 19 Simulation du séchage convectif U a =3 m/s, T a =60°C, HR a =11% Simulations en accord avec l’expérience Surface sèche en 2h Diminution de W fond à 10h 20-50°C IntroductionEtude expérimentaleConclusionModélisation du produitDimensionnement d’un séchoir

Etudes expérimentales et simulation numérique d'un procédé thermique de séchage 20 Simulation du séchage conductif Simulations en accord avec l’expérience Surface sèche en 10h Diminution de W fond à 15h IntroductionEtude expérimentaleConclusionModélisation du produitDimensionnement d’un séchoir U a =2 m/s, T a =20°C, HR a =57% 50°C

Etudes expérimentales et simulation numérique d'un procédé thermique de séchage 21 Simulation du séchage combiné Simulations en accord avec l’expérience Surface sèche en 2h Diminution de W fond à 7h U a =2 m/s, T a =50°C, HR a =11% 60°C IntroductionEtude expérimentaleConclusionModélisation du produitDimensionnement d’un séchoir

Etudes expérimentales et simulation numérique d'un procédé thermique de séchageJP Ploteau M ODÉLISATION DES ÉCHANGES AÉRAULIQUES 22 Bilan sur l’air hc 12n dx T ai, W ai T a, W a, U a i T b, W b, U b dS c IntroductionEtude expérimentaleConclusionModélisation du produitDimensionnement d’un séchoir Calcul de T et W Air entrantAir sortant Ta i, Wa i, Ua eaea ΔxΔx Fm, Ts Ta i+1, Wa i+1 Séchoir multizones

Etudes expérimentales et simulation numérique d'un procédé thermique de séchage 23 Etapes de calcul IntroductionEtude expérimentaleConclusionModélisation du produitDimensionnement d’un séchoir x Comsol 1D n°1 Zone 1 Zone 2 Zone n Zone n-1 Zone i Entrée Sortie Comsol 1D n°1 Comsol 1D n°2 Comsol 1D n Comsol 1D n-1 Comsol 1D n Comsol 1D n-1 Comsol 1D n°1 t = 0 t = 20 min t = 40 min t = 60 min t = n x 20 min Initial Régime permanent xxxxxxx

Etudes expérimentales et simulation numérique d'un procédé thermique de séchage 24 Cas d’étude: séchoir à deux convoyeurs Air chaud Evacuation boue sèche Evacuation air humide Boue humide Conditions de simulation: Séchoir : 2 tapis de dimensions 10 m x 1 m x 25 cm Air en entrée: 50°C, 11% HR, 2 m/s Boue en entrée: 20°C, 4 kg.kg zones, 20 min/zone, U b = 2 cm.s -1 IntroductionEtude expérimentaleConclusionModélisation du produitDimensionnement d’un séchoir Hypothèses: Variation des propriétés thermophysiques de l’air négligée. Pertes de charge négligées, pression atmosphérique Ua homogène, hc constant Pertes par l’enveloppe négligées.

Etudes expérimentales et simulation numérique d'un procédé thermique de séchage 25 Simulation du séchoir à deux covoyeurs IntroductionEtude expérimentaleConclusionModélisation du produitDimensionnement d’un séchoir 2 nd tapis: Co-courants1 er tapis: Contre-courants

Etudes expérimentales et simulation numérique d'un procédé thermique de séchage 26 Outils de dimensionnement d’un procédé de séchage: PAC PAC à détente indirecte au R134a Etude des éléments principaux: compresseur, détendeur, échangeurs Pas de perte de charge sauf détendeur Détente isenthalpique Compression polytropique Echangeurs idéaux IntroductionEtude expérimentaleConclusionModélisation du produitDimensionnement d’un séchoir E S S E P PAC Module de calcul PAC Refprop Modèle multizones S

Etudes expérimentales et simulation numérique d'un procédé thermique de séchage E F S S R D N M 27 Etapes de calcul IntroductionEtude expérimentaleConclusionModélisation du produitDimensionnement d’un séchoir

Etudes expérimentales et simulation numérique d'un procédé thermique de séchage 28 Etapes de calcul IntroductionEtude expérimentaleConclusionModélisation du produitDimensionnement d’un séchoir Evaporateur Condenseur Détendeur Compresseur 1.Mélange « air neuf – air recyclé » 2.Batterie froide 3.Batterie chaude et condenseur: T 4.Evaporateur 5.Compresseur 6.Batterie chaude et condenseur : P

Etudes expérimentales et simulation numérique d'un procédé thermique de séchage E F S S R D N M E S S D M 29 Résultats GrandeurUnitéPAC Température d’air [°C] 50 Humidité de l’air [-]11%16% Taux d’air recyclé [-] Puissance installée [kW] COP [-]2.88 MER [kg.h -1 ] SMER [kg.kWh -1 ]1.062 Teneur en eau finale [kg.kg -1 ] IntroductionEtude expérimentaleConclusionModélisation du produitDimensionnement d’un séchoir Pour un séchage conventionnel SMER max = 1

Etudes expérimentales et simulation numérique d'un procédé thermique de séchageJP Ploteau C ONCLUSION 30 IntroductionEtude expérimentaleConclusionModélisation du produitDimensionnement d’un séchoir Réalisation d’un banc de séchage expérimental - Base de données cinétiques de séchage : T, W m, déformation - Modèles de comportement - Estimation de paramètres : hc, Deff Mesure de propriétés Aspect expérimental Aspect numérique Modélisation des transferts dans le produit - Simulation – Validation : T et W - Influence des paramètres opératoires Modélisation multi-zone d’un séchoir - Etudes de scénarios de fonctionnement Modélisation PAC et auxiliaires - Dimensionnement Les outils numériques développés permettent d’obtenir des points de fonctionnement du séchoir et des systèmes énergétiques associés

Etudes expérimentales et simulation numérique d'un procédé thermique de séchageJP Ploteau P ERSPECTIVES 31 IntroductionEtude expérimentaleConclusionModélisation du produitDimensionnement d’un séchoir Optimisation de la conception d’un séchoir Conception d’un prototype - Etude de la conformation géométrique du produit - Recherche multi-critères des paramètres opératoires du séchoir et de l’ensemble « séchoir –PAC » - Validation des modèles sur des mesures à l’échelle 1:1 - Etude des phénomènes de déformation sur les grandes surfaces Etudes complémentaires - Modélisation de l’aéraulique dans un séchoir

Etudes expérimentales et simulation numérique d'un procédé thermique de séchageJP Ploteau 32 Merci de votre attention IntroductionEtude expérimentaleConclusionModélisation du produitDimensionnement d’un séchoir

Etudes expérimentales et simulation numérique d'un procédé thermique de séchageJP Ploteau A NNEXE : SUIVI DU RETRAIT 33 IntroductionEtude expérimentaleConclusionModélisation du produitDimensionnement d’un séchoir

Etudes expérimentales et simulation numérique d'un procédé thermique de séchageJP Ploteau A NNEXE : S ENSIBILITÉ À LA MASSE VOLUMIQUE APPARENTE 34 IntroductionEtude expérimentaleConclusionModélisation du produitDimensionnement d’un séchoir

Etudes expérimentales et simulation numérique d'un procédé thermique de séchageJP Ploteau C OURBES C ARACTÉRISTIQUES DE S ÉCHAGE 35 ConvectionConduction et combiné  Les CCS convectif et combiné donne une bonne représentation de l’évolution de la teneur en eau moyenne du produit.  Certains essais (CD4) ne s’alignent pas sur le modèle CCS.  Ne permet pas de modéliser l’évolution des températures de surface du produit.  Ne permet pas d’accéder aux champs de température et de teneur en eau IntroductionEtude expérimentaleConclusionModélisation du produitDimensionnement d’un séchoir

Etudes expérimentales et simulation numérique d'un procédé thermique de séchageJP Ploteau C OEFFICIENT D ’ ÉCHANGE CONVECTIF 36 h c calculé sur la phase isenthalpe et supposé constant au cours du séchage Modèle pas sensible à h c, c’est la diffusion qui pilote la cinétique de séchage Aucune information disponible sur le prototype de séchoir Modélisation 3D possible de l’aéraulique (Fluent/Volumes finis), mais coûteuse en temps Pas de modèle de calcul du développement des crevasses et du retrait IntroductionEtude expérimentaleConclusionModélisation du produitDimensionnement d’un séchoir

Etudes expérimentales et simulation numérique d'un procédé thermique de séchageJP Ploteau D ÉTAIL D ’ UN POINT DE FONCTIONNEMENT 37 IntroductionEtude expérimentaleConclusionModélisation du produitDimensionnement d’un séchoir

Etudes expérimentales et simulation numérique d'un procédé thermique de séchage 38 Etude de sensibilité: IntroductionEtude expérimentaleConclusionModélisation du produitDimensionnement d’un séchoir Coefficient de diffusion liquideTempérature de l’air et du fond