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

Henrichon, Charles (2012). Analyse théorique et expérimentale des phénomènes aérothermiques associés aux enclos entourant les cheminées industrielles. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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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.

Titre traduit

Theorical and experimental analysis of aerothermal phenomena happening in enclosures surrounding an industrial chimney

Résumé traduit

Industrial chimneys are essential components to exhaust combustion gases out of a building. Those gases typically come from fireplaces or other consuming devices. Thus, they are generally exposed to very high temperatures. When a chimney is not correctly cleaned, chimney fire can initiate and rise inside this conduct and temperatures can climb to extreme values for several minutes. For that purpose, the chimneys also have to resist to this type of phenomenon.

Canadian and American standards require chimney manufacturer to test their products with an enclosure made of plywood, to replicate typical condition of installation and usage in a building. When testing, if the temperatures of the wooden enclosure are too high according to standards, the chimney could not be homologated. The manufacturer has to modify his product to obtain a successful design; this could lead to a long process of prototyping and testing. Thus, to avoid such “back and forth” development technique, it is necessary to understand what is controlling heat transfer from the chimneys to the enclosure and its surrounding.

Hence, the main goal of this project is to develop a 1D theoretical model that calculates the average heat transfer (and average temperatures) and use it to predict the behavior of chimney setups. This model can be built fairly easily in a programming software with all existing heat transfer formulas. Unfortunately, for the specific heat conditions and geometrical aspect of the cavity made by the industrial chimney and wooden enclosure, it seems there is no formula that has been developed to calculate the Nusselt numbers for the natural convection happening in this setup.

In order to solve this precise problem, a dimensional analysis of the considered case is initially done. Then, commercial software using finite volumes method (Flow Simulation (FS) that comes with Solidworks CAD software) is used to virtually replicate the aerothermal phenomena. FS can be used to generate data to develop a correlation, which dépends on dimensional parameters found by the mentioned dimensional analysis.

The usage of the finite volume method needed to be validated before it is used intensively. To do so, two chimneys setups, with and without wooden enclosure, were tested to produce experimental data. The temperatures were evaluated at specific places on the setups and data (mainly temperature and CO2) from combustion gases was collected. The need to have those two setups is to isolate different aero-thermal phenomenon happening when chimneys are heated, thus facilitating validation of the numerical approach. According to the results obtained by FS in comparison to experimental data, it seems that the forced flow inside the chimney is particular (since it comes from a burner) and tough to adequately replicate with this numerical tool. A method is described to aids FS to agree with experimental results. When the results from the numerical simulations correspond with experimental data, it is now possible to use this software to analyze the natural convection taking place in the cavity, i.e. the flow in between the wooded enclosure and the chimney, and finally, generate data to develop a formula to calculate the Nusselt numbers for the considered case.

The developed correlation is incorporated to the 1D model and this theoretical model can be used and compared with the previously collected physical experimental data. Again, like the usage of FS, the same conclusion is drawn: the internal forced flow in chimneys seems to be special (exact reasons could not be stated) and existing equations show difficulties to calculate adequate Nusselt numbers in this region. A second correlation is thus developed with physical experimental data to replace the existing formula. Then, the 1D model is re-run and new results from it now show a good agreement with experimental data.

The usage of the mentioned numerical tools requires to evaluate thermo-physical properties, such emissivity and thermal conductivity, of the materials that are used to fabricate industrial chimneys. Therefore, two test benches are developed to measure each of the considered properties for different temperatures ranges. They appear to be simple and reliable when their results are compared to some available data found in literature.

Finally, the numerical tools seem to work well and they could be used in the steps needed to improve or design industrial chimneys products.

Type de document: Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires: "Mémoire présenté à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention de la maîtrise en génie mécanique". Bibliographie : pages 280-282.
Mots-clés libres: Cheminées Essais de comportement au feu. Cheminées Propriétés thermiques. Chaleur Transmission Modèles mathématiques. Chaleur Convection naturelle. Méthodes de volumes finis. aérothermique, industriel, transfert de chaleur, cheminée industrielle
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Lamarche, Louis
Co-directeurs de mémoire/thèse:
Co-directeurs de mémoire/thèse
Soulaïmani, Azzeddine
Programme: Maîtrise en ingénierie > Génie mécanique
Date de dépôt: 30 avr. 2015 16:20
Dernière modification: 02 déc. 2015 16:55
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/943

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