CFD simulations to improve air distribution inside cold climate broiler houses involving heat exchangers

Coulombe, Frédéric (2018). CFD simulations to improve air distribution inside cold climate broiler houses involving heat exchangers. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

While chicken meat production is less polluting than other meats, it remains a problem, given a target of 1 ton CO2-eq per capita in 2050. Most of the emissions are associated with feed production, but cold climate requires an additional energy input for space heating. This input is usually provided by propane gas. Since 2014, energy efficiency has sparked in the world of broiler production. Heat recuperation through heat exchanger can reduce significantly the heating requirement, by preheating fresh air inlet with stale air outlet.

While there have been many studies on the improvement of direct ventilation in both hot and cold climate, little attention has been given to heat exchangers in broiler houses. It is therefore unknown how best to integrate this equipment in a broiler house to provide homogenous housing conditions (air temperature, humidity, contaminants).

This thesis studies the integration of heat exchangers (HX) in a commercial broiler house located in a cold climate (Sainte-Mélanie, Canada). The goal is to improve the housing conditions of a rectangular 1760 m3 broiler house equipped with two ductless air-to-air heat exchangers (0.38 m3s-1). Computational fluid dynamics (CFD) software OpenFOAM was used to create a 3D steady-state buoyant simulation with RNG k-ε turbulence model. CFD model was validated with experimental data collected at the participating broiler house. In the original configuration (C0), the two heat exchangers are parallel, on the same longitudinal wall. Three alternative configurations (C1, C2, and C3) were studied to improve housing conditions at chick height (0.1 m): C1 consists of increasing the distance between the HX, C1 consists of a 30° rotation of the HX, and C3 consists of positioning one HX on each end wall. Air velocity, air temperature and age of air were used as performance criteria.

All configurations behaved and performed differently. The configuration with the best overall performance was C2. It showed a 45% improvement in age of air distribution and 24% in velocity distribution. Temperature distribution also improved, but it was not reflected in the coefficient of variation.

Titre traduit

Simulations CFD pour améliorer la distribution d'air dans les poulaillers en climat froid avec échangeurs de chaleur

Résumé traduit

Bien que la viande de poulet soit moins polluante que d’autres viandes, les émissions de GES associées à ce type d’élevage demeurent problématiques si l’on considère l’objectif 2050 qui est de 1 tonne CO2-eq par capita. Dans le cas du poulet de chair, la majorité des emissions sont associées à la production de la moulée, mais la production en climat froid requiert un apport énergétique additionnel pour le chauffage de l’espace. Cet apport est généralement fourni par du gaz propane. Depuis 2014, le secteur aviaire a un intérêt accru pour l’efficacité énergétique en raison des fluctuations du prix de l’énergie. La récupération de chaleur peut réduire significativement les besoins en chauffage, en préchauffant l’air frais avec le flux sortant d’air vicié.

De nombreuses études ont porté sur l’amélioration de la ventilation directe des poulaillers, en climat chaud ou froid. Peu d’attention cependant a été accordée aux échangeurs de chaleur en milieu avicole. La littérature actuelle ne permet pas de positionner efficacement cet équipement dans un parquet d’élevage de manière à assurer des conditions environnementales homogènes (température de l’air, humidité, contaminants).

Ce mémoire étudie l’intégration d’échangeurs de chaleur dans un poulailler commercial situé en climat nordique (Sainte-Mélanie, Canada). L’objectif est d’améliorer les conditions environnementales dans ce poulailler rectangulaire de 800 m2 équipé de deux échangeurs de chaleurs air-air, sans réseau de conduites pour la distribution de l’air frais. Le logiciel de mécanique des fluides OpenFOAM a permis de créer une simulation 3D en régime permanent utilisant le modèle de turbulence RNG et tenant compte des effets de flottabilité. Le modèle CFD fut validé par des données expérimentales collectées au poulailler du partenaire de projet.

Dans la configuration originale (C0), les deux échangeurs sont positionnés parallèlement sur le même mur longitudinal du bâtiment. Trois configurations alternative (C1, C2, et C3) furent étudiées pour tenter d’améliorer les conditions environnementales à la hauteur des poussins (0.1 m) : C1 consiste à augmenter la distance entre les deux échangeurs, C2 consiste à pivoter chaque échangeur de 30°, C3 consiste à positionner un échangeur sur chaque mur de bout. La vitesse, la température et l’âge de l’air furent utilisées comme critères de performance.

Chaque configuration se comporte et performe différemment. La configuration avec la meilleure performance globale est C2. C2 montre une amélioration de 45% de la distribution de l’âge de l’air et une amélioration de 24% de la distribution de la vitesse. La distribution de température à l’extérieur des zones de chauffage est elle aussi améliorée, mais cela n’est pas reflétée par le coefficient de variation globale pour la température.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Manuscript-based thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfilment for a master's degree with thesis in engineering, concentration in renewable energy and energy efficiency". Comprend des références bibliographiques (pages 97-102).
Mots-clés libres:	âge de l’air, CFD, échangeur de chaleur, OpenFOAM, poulailler
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Rousse, Daniel R.
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie
Date de dépôt:	17 déc. 2018 17:13
Dernière modification:	21 mars 2019 19:16
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2180

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