Critère de convergence

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1 Critère de convergence
SYSTÈME ENERGETIQUE VALORISATION DE LA BIOMASSE PAR LA CONCEPTION D’UN GENERATEUR DE VAPEUR D’EAU POUR SECHOIR Stéphane NGAKOa*, Marcel EDOUNa, Alexis KUITCHEa, Ruben MOUANGUEb a Ecole Nationale Supérieure des Sciences Agro-Industrielles B.P 455 Ngaoundéré Cameroun b Département de Génie Thermique et Energétique, Institut Universitaire de Technologie, BP : 455 Ngaoundéré, Cameroun. * Résumé: Ce travail s’inscrit dans le cadre de la diversifier les sources d’énergie utilisées dans les opérations de séchage. Il a consisté à la conception d’un générateur de vapeur et à la caractérisation de son foyer de combustion qui permet de valoriser énergétiquement la biomasse. L’analyse fonctionnelle est la méthode de conception utilisée, le dessin et l’assemblage du foyer ont été réalisés. Le générateur de vapeur proposé est constitué d’un foyer de combustion, d’un bouilleur, d’une cheminée, d’un bac d’alimentation et d’un ensemble de tuyauteries. La conception s’est inspirée du savoir-faire local en matière de réalisation de foyer de combustion et à la lumière des résultats obtenus de la simulation de la maquette nous avons proposé un foyer de combustion amélioré. Ces résultats, obtenus par simulation du phénomène de combustion, montrent que la hauteur optimale est comprise entre 50 et 100 cm et que la longueur optimale du foyer est comprise entre 50 et 75 cm. Le profil longitudinal de température obtenu lors de la simulation numérique du phénomène de combustion dans le foyer montre que nous pouvons atteindre les températures de 1300°C avec le bois comme combustible. Ce qui est se rapproche des résultats obtenus par [1] lors de l’étude expérimentale de la combustion sur grille des déchets solides. Mots clés : Valorisation, biomasse, combustion, générateur de vapeur, température References [1] Rogaume T., Jabouille F., Torero J.L. [2008], Effect of excess air on grate combustion of solid wastes and on gaseous products; International Journal of Thermal Sciences 48 (2009) pp. 165–173 [2] Tchouate H., [2003], Contribution des énergies renouvelables au développement durable du secteur électrique : le cas du Cameroun ; Thèse de doctorat, Université Catholique de Louvain. [3] Edoun M., Marouzé C., Kuitche A., Méot J.M., Giroux F., [2009], Pour une meilleure valorisation artisanale de la biomasse dans le séchage des produits alimentaires en zone tropicale humide. Récents Progrès en Génie des Procédés, Numéro 98 – 2009, , Ed. SFGP, Paris, France. [4] Asonlefac, [2006], Conception et réalisation d’un système de chauffage d’air des séchoirs TALESS, mémoire de fin d’étude Ingénieurs de Conception Maintenance Industrielle et Productique, ENSAI, 2006, Université de NGaoundéré, Cameroun, 89p. [5] GAMBIT (2006), Tutorial guide, Fluent. Inc. [6] FLUENT [2006], user manual. INTRODUCTION Les différentes sources d’énergie utilisées lors des opérations de séchage notamment le soleil, les énergies fossiles et l’électricité, ou leur combinaison ne sont pas toutes accessibles pour la plupart des producteurs ou dépendent des saisons de l’année. Les séchoirs solaires par exemple, qui paraissent les plus accessibles, sont tributaire de l’ensoleillement ce qui constitue leur limite majeur d’exploitation. L’augmentation du prix des énergies fossiles (pétrole, gaz), conjointe aux préoccupations environnementales (GES), stimule l’utilisation de la biomasse à des fins énergétiques. En zone rurale, où on retrouve la plupart des producteurs, la biomasse est présente sous ses multiples formes [2] et accessible à moindre coût [3]. La biomasse est encore utilisée aujourd’hui dans le fumage de certains produits, de plus Asonlefac en 2006 [4] a proposé un système utilisant l’air pour transporter la chaleur des gaz de combustion de la biomasse dans la chambre de séchage. Les faibles propriétés thermiques de l’air nous orientent vers l’utilisation de la vapeur d’eau comme fluide caloporteur. Il convient donc, dans le but de satisfaire aux besoins environnementaux, énergétiques et alimentaires de valoriser la biomasse (source propre d’énergie) déjà assez familière aux producteurs en développant un équipement approprié et adapté. III.3- Influence de la Hauteur et de la longueur du Foyer sur le Champ de Température: En fixant la longueur du foyer, nous obtenons le champ de température dans le foyer à différentes hauteurs respectivement 50, 100 et 150 cm. On remarque que lorsque la hauteur augmente (figure 5), deux zones de pleine réaction apparaissent autour du profil parabolique de Poiseuille. Ce profil s’étant lorsque la hauteur augmente. De ces champs de température, nous pouvons conclure que la température maximale dans le foyer diminue lorsque la hauteur augmente. Ceci pouvant aussi s’expliquer par un accroissement de l’inertie du foyer (paroi plus grande) et de l’enceinte du foyer. Ce qui nous amène à considérer une hauteur telle que : 50 ≤ H ≥100cm. De même, la Figure 6 représente le champ de température dans le foyer pour différentes longueurs avec une hauteur fixée à 50cm. On observe un allongement des zones de pleine réaction et de fin de réaction. La zone de pleine réaction (région en rouge) reste néanmoins localisée dans l’intervalle [50,75cm] lorsque la longueur augmente. La zone de fin de réaction s’étend avec la longueur du foyer. La température maximale dans le foyer ne varie pas assez avec la longueur. Ceci pouvant s’expliquer par la fait que la région où s’effectue la combustion est déjà couverte. Ces nous amènent à considérer une longueur telle que : ≤ L ≥75cm I- MATERIEL ET METHODES  I.1- Matériel : Le matériel utilisé est respectivement : Le logiciel Solidwork 2008 nous a permis de représenter graphiquement l’équipement; Le mailleur Gambit qui nous a permis de définir et de mailler le domaine d’étude (foyer de combustion); Le code de calcul Fluent version qui nous a permis de résoudre les équations de Navier et Stokes caractéristiques des écoulements réactifs. I.2- Méthodes : La méthode de conception est l’analyse fonctionnelle qui s’effectue suivant plusieurs phases tel que le présente la figure 1 : Figure 5. Champ de température à hauteur variable Figure 6. Champ de température à longueur variable III.5-Profil de Température dans le Foyer: De ce profil de température obtenu après calcul (Figure 7a.), on relève trois régions contrairement aux 5 régions du profil expérimental (courbe en interrompue) obtenue par [1]. Les trois régions de la courbe numérique correspondent respectivement aux régions 2, 3 et 4 de la courbe expérimentale. Ces régions semblables correspondent respectivement à : 1-L’allumage caractérisé par une élévation rapide de la température qui atteint une valeur maximale de 1840°K pour la Figure 7a et 1450°K pour la Figure 7b. Elle dure 12 secondes pour la courbe numérique et 10 secondes pour la courbe expérimentale. Cet écart de température peut s’expliquer par les caractéristiques des combustibles (le bois et les déchets solides) qui ne sont pas identiques, de plus les effets du rayonnement, qui s’exerce par l’intermédiaire des imbrulés ainsi que les parois (parois non refroidies), se traduisent par des pertes de chaleurs ; 2-La dégradation (pyrolyse) endothermique du combustible caractérisée par une diminution de température de l’ordre de 600° pour le cas numérique et 200° pour le cas expérimental. Cette phase dure 36 secondes pour le cas numérique et 80 secondes pour le cas expérimental ; 3-La combustion vive (produits issus des deux dernières phases) qui est caractérisée par une température constante de l’ordre de 1240°K pour le cas numérique et 1273°K pour le cas expérimental. Nous avons constaté que cette phase persistait au-delà de 180 secondes pour le cas numérique. Les différences observées au niveau de ces deux courbes sont ceux de début et de fin de processus. Figure 1 . Phases de l'analyse fonctionnelle Figure 2. Algorithme de calcul La méthode de caractérisation du foyer de combustion a consisté déterminer le champ de température dans le foyer en fonction des dimensions (longueur et hauteur). Pour cela nous avons utilisé l’algorithme de calcul de la figure 2. III-RESULTATS III.1-Diagramme FAST de la Fonction Principale du Générateur de Vapeur: La mise en œuvre de l’analyse fonctionnelle a permis d’obtenir le diagramme FAST (Function Analysis System Technique) qui regroupe les différentes solutions technologiques nécessaires pour la réalisation de la fonction principale (produire de la vapeur). Figure 8. Foyer de combustion Figure 7. Profils de température La figure 8 laisse ressortir la vue éclatée du foyer et la représentation en perspective du foyer de combustion muni du bouilleur dont le rôle est de contenir de l’eau à évaporer. CONCLUSION : Il ressort de ce travail que la biomasse essentiellement composé des rémanents forestiers, des résidus de transformation de bois, des résidus agricoles peut être utiliser à des fin de séchage grace à la combustion et un foyer convenablement dimensionné à cet effet. Les résultats obtenus par simulation du phénomène de combustion montrent que la hauteur optimale est comprise entre 50 et 100 cm et que la longueur optimale du foyer est comprise entre 50 et 75 cm. Les profils de température obtenus montrent que le foyer peut réellement fonctionner dans les conditions optimales. Le générateur de vapeur est conçu pour produire un débit de vapeur estimé à 1,8 g/s avec un débit de combustible estimé à 2,7 kg/h pour élever la température d’un débit d’air de 0,15 kg/s de 25°C à 46°C. Figure 3. Diagramme FAST de la fonction principale du générateur de vapeur III.2-Domaine de Calcul et Conditions aux Limites: Nous avons utilisé un système de coordonnées cartésiennes. La définition de la géométrie et la génération du maillage ont été réalisées à l’aide du mailleur « GAMBIT ». Le type de maillage utilisé est le maillage avec des mailles de forme quadrilatérale. Un raffinement des zones au voisinage des orifices d’entrée a été pris en compte pour ressortir les différents phénomènes qui peuvent intervenir dans ces zones, notamment les gradients de température. Nous avons obtenu mailles pour le domaine de calcul présenté à la Figure 4. Tableau I : Paramètres de simulation Nbre mailles Critère de convergence Nbre it. Model Air primaire Bois pulverisé Air secondaire Continuité Energie 43600 5,3*10-3 7,5*10-4 2,8*10-3 18162 10-6 10-9 15000 Κ-ε-r Figure 4. Domaine de calcul et conditions aux limites