Conception Dimensionnement Et Realisatio PDF [PDF]

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INTRODUCTION GENERALE

INTRODUCTION GENERALE La réalisation des Objectifs du Millénaire pour le Développement (OMD) passe indubitablement par l’accès pour tous à l’emploi, aussi et surtout à la réduction de la pauvreté et la création d’un environnement sain et durable. Ces objectifs quand bien même nobles, peinent à se matérialiser surtout dans les pays africains. Le secteur de la production céramique devait être l’un des domaines à valoriser pour l’attente de ces objectifs dans la plupart de ces pays où les matières premières sont disponibles à grande échelle. Pourtant, bien que disponibles, ces matières premières restent inexploitées et constituent un grand manque à gagner pour nos économies notamment pour les groupes sociaux à faible revenu pour lesquels l’accessibilité et le choix d’équipement de production appropriées deviennent impossibles. Les fours céramiques constituent à n’en point douter l’équipement de production du secteur des céramiques qu’il faut à ce secteur pour le faire sortir de l’impasse. En effet, de nombreux fours ont été construits et subissent dans le temps des améliorations pour la recherche de la perfection et pour une commodité des conditions de cuisson. Aujourd’hui particulièrement, il faudra tenir compte des enjeux énergétiques et environnementaux dans la conception des fours. Dans cette optique, notre contribution à la maîtrise de la réalisation voire au perfectionnement de cet équipement, passe par une recherche dont le thème est intitulé « CONCEPTION ET REALISATION D’UN FOUR A PETROLE LAMPANT DE LABORATOIRE ATOMISE A LA VAPEUR D’EAU ». Le présent rapport de ce travail sera subdivisé en deux parties : -

La première partie consacrée à la présentation des structures de départ et d’accueil ;

-

La deuxième partie consacrée au Travail de Fin d’étude dont le thème est : « Conception et réalisation d’un four à pétrole lampant de laboratoire atomisé à la vapeur d’eau »

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CAHIER DES CHARGES

CAHIER DES CHARGES L’objectif de ce travail de fin d’études concerne la poursuite des études faites par les étudiants VODOUNON et HOUANVO pour l’amélioration du four PL du docteur SAMAH. Cette présente étude sera consacrée à la revue de la phase conceptuelle de ce four et à un nouveau dimensionnement compte tenue des nouvelles technologies adoptées. Ainsi, il s’agit de : dimensionner le four en tenant compte des nouvelles exigences ; d’évaluer le coût financier du four et de Mobiliser le matériel nécessaire pour sa construction; construire la structure du four (sole, voûte, cadre, porte et support des réservoirs) ; concevoir et Construire deux brûleurs multi-combustibles (pétrole lampant, gaz, vapeur de pétrole) pour le fonctionnement du four ; construire 11 échangeurs de chaleur (4 au niveau des murs, 2 au niveau de la voûte, 1 pour la sole, 2 pour chacun des deux déflecteurs) et 2 échangeurs pour la cheminée ; proposer et mettre en œuvre une initiative de récupération des fumées issues de la cheminée pour en extraire la chaleur à des fins utiles pour le fonctionnement du four ; étudier de façon sommaire les échanges de chaleur dans le four afin de déterminer le rendement du four. Dans la poursuite de ces objectifs, le temps imparti pour la réalisation du four (2 mois) fut la première contrainte majeure et surtout amplifiée par une difficulté de mobilisation du matériel qui n’est effective seulement qu’à l’avant-dernière semaine où nous avons bénéficié d’un soutien financier de l’EPAC ; ce qui a permis de débuter les travaux. L’autre contrainte concerne Mémoire/ Licence Professionnelle en Génie Energétique de l’IUT-LOKOSSA/UAC Présenté et soutenu par DOTOU Samuel & ALLI Makssoud/ Juillet 2012. Page 2

CAHIER DES CHARGES la difficulté d’application de la théorie développée dans la phase conceptuelle ; ce qui amène sans cesse à reprendre les travaux de conception et de dimensionnement bien que cela ne fut dans les clauses de l’accord avec le promoteur car il fallait adapter un nouveau dimensionnement au matériel existant sur le marché. Malgré ces difficultés, ce travail de fin d’études dont le thème s’intitule : « Conception et Réalisation d’un four de laboratoire à pétrole lampant et atomisé à la vapeur d’eau » a été réalisé à l’EPAC dont nous remercions les autorités.

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RESUME

RESUME : Du fait d’une mauvaise étude préalable, les fours céramiques dans leur fonctionnement souffrent de bon nombre d’insuffisances et peinent à se vulgariser et à se pérenniser surtout dans les pays en voie de développement comme le Bénin où le besoin est pourtant assez manifeste. En effet, dans la sous-région ouest-africaine les problèmes rencontrés par les utilisateurs sont surtout liés à la cuisson. A tout cela s’ajoutent aujourd’hui les enjeux énergétiques et environnementaux auxquels l’on doit désormais tenir compte dans le choix de la technologie à adopter dans la conception des fours. La présente étude se propose de concevoir et de construire un prototype de four fonctionnant au pétrole lampant (atomisé par la vapeur d’eau) ou au gaz et pour lequel des types particuliers de brûleurs seront adaptés. De par des expériences basées notamment sur les échanges thermiques, ce four à usage de laboratoire permettra d’améliorer les autres fours existant dans le choix des combustibles, la consommation de l’énergie, la répartition de la chaleur, la maîtrise de la température de cuisson et la préservation de l’environnement.

Mots-clés : fours céramiques, combustibles, pétrole lampant, vapeur d’eau, brûleurs, température, échanges thermiques, environnement.

ABSTRACT: As a result of a bad previous survey, ceramic kilns are suffering from many deficiencies and are struggle to popularize and perpetuate especially in developing countries like Benin where they are obviously needed. Indeed, in the sub-Saharan Africa, the problems encountered by users are mainly associated with cooking. To all this, nowadays, the energy and environmental Mémoire/ Licence Professionnelle en Génie Energétique de l’IUT-LOKOSSA/UAC Présenté et soutenu par DOTOU Samuel & ALLI Makssoud/ Juillet 2012. Page 4

RESUME issues are the factor of which we must now consider in the choice of the technology to adopt in kilns design.

The present survey intends to put at the disposal of the actors of the ceramic sector a model of kiln functioning with kerosene (atomized by the water vapor) or gas and for which suitable burners will be built. By including experiments based on heat exchange, this kilns will improve other existing kilns in the choice of fuels, energy consumption, the distribution of heat, the temperature control of cooking and preserving the environment.

Key-words: fuels, water vapor, kerosene, ceramic kiln, heat exchange, heat, temperature, burners.

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1ère partie :

PRESENTATION DE L’IUT DE LOKOSSA, DE LA STUCTURE D’ACCUEIL ET DEROULEMENT DU STAGE

Contenu Chapitre 1: Présentation de l’IUT de LOKOSSA. Chapitre 2 : Présentation de la structure d’accueil. Chapitre 3: Déroulement du stage.

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Présentation de l’IUT de LOKOSSA

Chapitre 1

Chapitre 1 : Présentation de l’IUT de LOKOSSA

1.1 Missions L’Institut Universitaire de Technologie (IUT) de LOKOSSA est un établissement qui a pour missions de :  former des techniciens dans les domaines de l’industrie ;  participer à la promotion de la recherche sciences et technologie.

1.2 Organisation Structurelle Au niveau stratégique, les grandes décisions sont prises par le Comité de Direction (CODIR) qui a pour missions de :  élaborer et étudier le plan de développement de l’Institut ;  définir les grandes options de gestion de l’Institut. La mise en œuvre des décisions du CODIR est impulsée par le Directeur et le Directeur Adjoint. Au niveau intermédiaire, le Secrétariat Administratif assure l’encadrement des autres services administratifs et des départements d’enseignement. Sur le plan opérationnel, sont positionnés les services ci-après :  Service des Affaires Financières ;  Service Administratif ;  Service de la Scolarité, des Etudes et de la Pédagogie ;  Service des Stages et Placements ;  Service de l’Exploitation et de la Maintenance ;  Service de la Communication et de la Coopération Universitaire.

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Chapitre 1

Présentation de l’IUT de LOKOSSA

1.3 Départements Au plan académique, l’IUT de LOKOSSA dispose de quatre départements :  Département de Génie Civil (GC) ;  Département de Génie Industriel et de la Maintenance (GIM) qui regroupe les options Maintenance Automobile et Maintenance Industrielle ;  Département de Génie Electrique et Informatique Industrielles (GEII);  Département de Génie Mécanique et Energétique (GME) qui dispose des Options Génie Productique et Génie Energétique. Chacun de ces départements dispose à leur tête des chefs qui assurent la programmation et le suivi des cours. 1.4 Diplômes délivrés à l’IUT de LOKOSSA Depuis sa création jusqu’aujourd’hui, l’IUT de LOKOSSA ne délivre pour le moment que le diplôme de Licence Professionnelle à la suite d’une formation continue de trois ans dans l’une des filières précédentes. Toutefois, avec l’avènement du système LMD, il faut noter que l’école dont la devise est « Rigueur, Travail, Excellence » a reçu depuis un certain temps l’ordre d’ouverture d’un cycle de Master dans des filières définies dans les clauses de l’accord.

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Présentation de la structure d’accueil : CERA-EPAC

Chapitre 2

Chapitre 2 : Présentation de la structure d’accueil : CERA-EPAC Le choix de notre lieu de stage qu’est le Centre d’Entretien et de Réparation Automobile (CERA) de l’Ecole Polytechnique d’Abomey-Calavi (EPAC) a pour but de maîtriser de façon pratique le fonctionnement des moteurs thermiques surtout ceux exploités en automobile afin d’approfondir les notions théoriques acquises dans ce cadre. De même, la réalisation de notre travail de fin de formation s’est faite à l’EPAC et il était convenable de faire sur place notre stage, d’où le choix du CERA-EPAC. 2.1.

Présentation de l’Ecole Polytechnique d’Abomey-Calavi (EPAC) Créée en 1977 et Fruit de la coopération bénino-canadienne, l’ex-

Collège Polytechnique Universitaire (CPU) et l’actuelle Ecole Polytechnique d’Abomey-Calavi, EPAC (depuis 2002) est une école supérieure de formation professionnelle et de perfectionnement située sur le campus Universitaire d’Abomey-Calavi. Elle est reconnue dans la sous-région de par la formation de qualité qui y est donnée et la compétence des étudiants qui en ressortent.

2.2.

Mission

L’EPAC est un établissement public à caractère scientifique qui a pour missions de : - former essentiellement des ingénieurs de conception dans les domaines biologique et industriel ; - promouvoir la recherche scientifique et technologique ; - perfectionner ou recycler des personnels d’entreprise dans les domaines de la biologie et de l’industrie.

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Chapitre 2

2.3.

Présentation de la structure d’accueil : CERA-EPAC

Organisation Structurelle

L’administration de l’EPAC est assurée par son Conseil d’Administration dont les missions sont :  définir les grandes orientations, options structurelles, et budgétaires de l’école ;  suivre la mise en œuvre de ces orientations et options stratégiques ;  collaborer à la gestion de l’école. La mise en œuvre des options stratégiques du Conseil d’Administration est stimulée par le directeur et le directeur adjoint. Un Chef de Service Administratif et Financier assure l’encadrement des différentes divisions administratives et financières ainsi que la coordination des activités et des services. Les services et les départements d’étude assurent l’opérationnalisation des décisions du Conseil d’Administration de l’EPAC.

2.4.

Départements Au plan académique, les départements sont répartis dans deux secteurs :

Secteur biologique :  Département du Génie de l’Environnement ;  Département de l’Imagerie Médicale ;  Département de l’Analyse Biomédicale ;  Département de Production et Santé Animales ;  Département de Génie de la Technologie Alimentaire. Secteur industriel  Département de Génie Informatique et Télécommunication ; Mémoire/ Licence Professionnelle en Génie Energétique de l’IUT-LOKOSSA/UAC Présenté et soutenu par DOTOU Samuel & ALLI Makssoud/ Juillet 2012. Page 10

Chapitre 2

Présentation de la structure d’accueil : CERA-EPAC

 Département de Génie Electrique ;  Département de Génie Mécanique et Energétique ;  Département de Génie Civil ;  Département de Génie Chimique – Procédés ;  Département de Génie Industriel – Logistique.

2.5.

Laboratoires et Unités d’application

L’EPAC dispose également de plusieurs unités d’applications dont :  le CAP : Centre Autonome de Perfectionnement ;  le CAR : Centre Autonome de Radiologie ;  le CUPPE : Centre Universitaire de Promotion de Petites Entreprises ;  le CCLPV : Complexe Clinique Laboratoire et Pharmacie Vétérinaires ;  le CECURI : Centre Cunicole de Recherche et d’Informations ;  l’UPSGE : Unité de Prestation de Services du Génie Electrique.

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RECHERCHE S

ETUDES 3 ème CYCLE

BATIMENTS DES SERVICES GENERAUX TRANSPORT ET SECURITE

MAGASIN CENTRAL

PROSPECTIVE ET RELATIONS EXTERIEURES

RECHERCHES

ETUDES 3 ème CYCLE ET

MAINTENANCE

APPROVISIONNE MENT GENERAL

SA

ACHATS

ADMINISTRATION ET FINANCES

DIRECTION ADJOINTE

GESTION DU PERSONNEL

CAP

SP

CUPPE

LABORATOIRES DE RECHERCHE

Figure 2.1 : Organigramme de l’EPAC

COMPTABILITE

AUDIOVISUEL

INFORMATIQUE

DOCUMENTATION ET AUDIOVISUEL

AFFAIRES ACADEMIQUE S

DEPARTEMEN S DE GENIE

CP

BIBLIOTHEQU E

SCOLARITE EXAMENS ARCHIVES

REGISTRARIAT

UNITES D’APPLICATINS ET BUREAUX D’ETUDES

OPTIONS

EPAC

CONSEIL D’ADMINISTRATION

DIRECTION CODIR SECRETARIAT PARTICULIER

Présentation de la structure d’accueil : CERA-EPAC

Chapitre 2

Légende CODIR : Comité de Direction CP : Conseil Pédagogique SP : Secrétariat Particulier SA : Secrétariat Administratif CUPPE : Centre Universitaire de Promotion de Petites Entreprises CAP : Centre Autonome de Perfectionnement. L’EPAC dispose en général de plusieurs laboratoires dans les différentes options, d’une bibliothèque équipée de tout genre de documentation, d’une salle de lecture, de bon nombre d’équipements tant pour les besoins didactiques que pour les recherches et conceptions, et aussi de plusieurs autres infrastructures. S’agissant des laboratoires, on retrouve : - le Laboratoire d’Energétique et de Mécanique Appliquée (LEMA) ; - le Laboratoire de Recherches en Biologie Appliquée (LARBA) ; - le Laboratoire d’Etudes et de Recherches en Chimie Appliquée (LERCA) ; - le Laboratoire d’Electrotechnique, de Télécommunication et d’Informatique Appliquée (LETIA) ; - le Laboratoire d’Etudes et de Recherches en Génie Civil (LERGC). 2.6.

Présentation du lieu de stage : Centre d’entretien et de réparation Automobile (CERA) Situé précisément dans le département du Génie Mécanique et

Energétique de l’EPAC, le CERA est implanté dans le bâtiment E au rez-dechaussée comme l’indique le schéma suivant :

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Présentation de la structure d’accueil : CERA-EPAC

Chapitre 2

CERA

B e

A

Salle de froid

D

C

Figure 2.2: Position du CERA dans les différents bâtiments de l’EPAC 2

Il abrite en son sein six (6) compartiments dont :  un garage de véhicules qui constitue en même temps l’atelier d’automobile dans lequel s’effectuent les différents travaux de réparation ;  une salle machines où sont disposés plusieurs équipements mécaniques et électromécaniques tels que : les groupes électrogènes de différents types, l’unité de compression d’air… ;  un magasin où sont exposés les divers matériels et instruments dont dispose le CERA pour ses travaux ;  une salle aménagée pour les séances d’explication lors des travaux pratiques ;  deux bureaux réservés aux responsables du centre.

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Chapitre 2

2.7.

Présentation de la structure d’accueil : CERA-EPAC

But de la création du CERA Le Centre d’Entretien et de Réparation Automobiles (CERA) a été

institué dans le but de :  créer un cadre où les étudiants de l’EPAC ex CPU pourront effectuer leurs stages pratiques ;  rentabiliser les équipements du département en fournissant des services à une clientèle aussi bien interne qu’externe à l’UAC dans les limites de ses possibilités ;  promouvoir le développement du département par un autofinancement progressif des équipements.

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Chapitre 3

Déroulement du stage et travaux effectués

Chapitre 3 : Déroulement du stage et travaux effectués

3.1.

Déroulement du stage Du18 Avril au 7 Juillet 2012, le stage pratique de fin de formation

effectué au Centre d’Entretien et de Réparation Automobiles (CERA) nous a permis de faire quelques travaux en atelier mais aussi la réalisation de notre Travail de Fin d’Etude portant sur les fours céramiques. Le présent chapitre sera consacré aux différents travaux effectués en atelier. 3.2.

Travaux effectués Les travaux réalisés au cours du stage se regroupent en travaux

d’entretien et en travaux de réparation. Travaux d’entretien

Plusieurs travaux ayant trait à l’entretien des véhicules ont été effectués. Il s’agit essentiellement de la vidange, le renouvellement d’huile du carter, le contrôle des garnitures et des organes pneumatiques, l’ajustement du niveau d’huile à frein dans le bocal du maître-cylindre et d’eau dans le radiateur etc. La vidange des différents carters (notamment celui du moteur et de la boîte de vitesses) suivi du changement du filtre à huile puis du renouvellement des huiles se fait sous recommandation de la fiche technique du véhicule après un certain nombre de kilométrages qui varie selon le type. Parallèlement à ces travaux d’entretien, nous avons servi au réglage des divers éléments susceptibles de se dérégler et dont le mauvais fonctionnement pourrait être préjudiciable à celui du véhicule. On peut citer entre autres :  le lavage et le repositionnement des étriers de frein ;  la lubrification des pistons de freinage pour faciliter leur action ; Mémoire/ Licence Professionnelle en Génie Energétique de l’IUT-LOKOSSA/UAC Présenté et soutenu par DOTOU Samuel & ALLI Makssoud/ Juillet 2012. Page 16

Chapitre 3

Déroulement du stage et travaux effectués

 le réglage du câble d’accélération… 3.2.1. Travaux de réparation 3.2.1.1. Réparation d’une voiture de marque COROLLA Cette automobile à transmission automatique, avait des fuites d’huile qui coulait jusqu’à la face extérieure du carter inférieur du moteur. Pour pallier à ce problème, on a procédé à la dépose du carter. En effet, sur ce carter inférieur, l’on avait déjà effectué un travail de collage suite à une fissure et donc l’actuelle fuite provenait de la défaillance de la précédente opération de collage. Comme il s’agit d’un travail de soudure, le carter après nettoyage fut envoyé dans un atelier de soudure afin de fermer la fissure. En vue d’éviter de probables fuites après montage, de la colle fut mise sur les bords de ce carter qu’on a par suite remonté dans le véhicule. 3.2.1.2. Réparation du moteur à essence d’un TOYOTA Corolla La plupart du temps, dans les moteurs à pistons alternatifs, la mauvaise lubrification des parties mobiles provoque d’énormes dégâts tels que l’usure des pièces mobiles et immobiles, l’échauffement excessif du moteur pouvant conduire au grippage. C’est le cas de ce véhicule de marque TOYOTA qui a été amené au CERA suite à certaines remarques faites par le conducteur. Ce dernier aurait entendu depuis l’habitacle des bruits à répétition que l’on appelle en automobile « Cognements ». A cet effet, de par l’esprit d’analyse technique et les expériences acquises, les techniciens du CERA ont aussitôt émis comme hypothèse qu’une ou plusieurs bielles se seraient coulées : on dit communément que le moteur a coulé bielle. Autrement dit, la mauvaise lubrification des coussinets interposés entre le maneton et la tête de bielle aurait entrainé l’usure de ces deux pièces en contact, ce qui aurait donc créé Mémoire/ Licence Professionnelle en Génie Energétique de l’IUT-LOKOSSA/UAC Présenté et soutenu par DOTOU Samuel & ALLI Makssoud/ Juillet 2012. Page 17

Chapitre 3

Déroulement du stage et travaux effectués

un jeu important entre elles. Il urge donc de démonter le moteur, de vérifier le vilebrequin et de changer les coussinets usés. Nous avons ainsi procédé sans d’amples détails à la dépose du bloc moteur, au démontage de la culasse et de l’embiellage, ce qui nous a permis de constater que seule la bielle n° 2 à compter du distributeur avait été endommagée. Les différentes opérations de correction ont été fait et le moteur a été réassemblé puis remis en marche. Outre ces travaux essentiels effectués au cours du stage, nous pouvons également citer les plus fréquents qui sont :  réparation de l’allumeur (DELCO) de voiture;  remplacement :  de la pompe à huile d’une voiture ;  des patins des freins Avant et Arrière ;  des câbles d’accélération ;  les roulements des voitures ;  des amortisseurs ;  des arrêts d’huile ;  dépose, nettoyage et repose d’étrier de frein ;  entretien et vidange de plusieurs moteurs ;  dépose, réparation et repose d’un radiateur ;  changement des filtres à huile ;  dépose, réparation et repose d’un démarreur

En guise de remarque, la plupart des appareils utilisés dans ce centre sont malheureusement en panne et l’indisponibilité des pièces de rechange ou la gravité de la panne ne permet pas une réparation immédiate.

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2ème partie :

TRAVAIL DE FIN D’ETUDES : « Conception et réalisation d’un four PL de laboratoire atomisé à la vapeur d’eau ».

Contenu Chapitre1: Généralités sur les fours. Chapitre 2: Généralités sur les combustibles utilisés dans les fours céramiques.

Chapitre 3 : Four PL du Docteur SAMAH : état des lieux.

Chapitre 4 : Amélioration du four PL et mise au point du four de laboratoire.

Chapitre 5 : Construction du four PL.

Chapitre 6 : Théorie du calcul thermique du four PL.

Chapitre 7 : Impacts du four PL.

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Chapitre 1

Généralités sur les fours

Chapitre 1 : Généralités sur les fours

1.1.

Définition Un four est un outil de production destiné à élaborer ou transformer des

matériaux grâce aux transferts thermiques entre une source de chaleur et la matière à traiter. De façon particulière, les fours céramiques sont des ouvrages de maçonnerie destinés à porter une matière (les briques en terre cuite, les tuiles, les cœurs céramiques, etc.) à de très hautes températures pour opérer une transformation physique ou chimique. 1.2.

Classification Les fours sont classés suivant le procédé de chauffage, la manutention

des produits traités, le niveau de température et suivant le combustible utilisé. 1.2.1. Classification suivant le mode de chauffage En fonction du procédé de chauffage, on distingue les fours à chauffage directs et les fours à chauffage indirects. Le critère est ici le contact entre le produit et les gaz issus de la combustion. 1.2.1.1. Fours à chauffage direct Dans les fours à chauffage direct, il y a contact entre les gaz issus de la combustion et les produits à chauffer. Du point de vue thermique, cela entraîne qu’une partie du transfert de chaleur s’effectue par convection. 1.2.1.2. Four à chauffage indirect Au niveau des fours à chauffage indirect, l’interaction entre les gaz de combustion et les produits n’existe plus. Par contre, il s’introduit une résistance supplémentaire au transfert de chaleur qui doit se faire par conduction au travers de la paroi protectrice, puis par rayonnement et éventuellement par convection vers la charge. Le problème technologique est Mémoire/ Licence Professionnelle en Génie Energétique de l’IUT-LOKOSSA/UAC Présenté et soutenu par DOTOU Samuel & ALLI Makssoud/ Juillet 2012. Page 20

Chapitre 1

Généralités sur les fours

alors la tenue de cette paroi qui est portée à haute température et est au contact de la flamme et/ou des gaz à haute température. 1.2.2. Classification suivant la manutention des produits traités Dans la manutention des produits traités, on distingue les fours continus et les fours discontinus. 1.2.2.1. Fours continus Dans un four continu (encore appelé four tunnel ou four à passage), le produit à chauffer entre à une extrémité et en ressort à l’autre, c’est-à-dire que l’enfournement et le défournement sont mis en œuvre pendant le fonctionnement du four. 1.2.2.2. Fours discontinus Dans un four discontinu (ou four intermittent ou périodique), le produit à chauffer est immobile dans le four, autrement dit, il est chargé et déchargé (enfourné et défourné) au même endroit. Pour ces types de four, le foyer doit être éteint pendant le déchargement et le rechargement du four.

La différence dans la manutention entraîne des différences notables du point de vue thermique. Dans un four continu, un point du four sera toujours (ou à peu près) à la même température tandis que dans un four discontinu la température en un point donné du four évoluera en fonction du cycle de chauffage que l’on veut faire subir au produit. 1.2.3. Classification suivant le niveau de température Par rapport au niveau de température, les fours sont soit à haute température ou soit à basse température. La classification est ici plus arbitraire car une même température peut être considérée comme haute dans un type d’activité et basse dans une autre activité. Même si cette limite est un temps soit peu arbitraire, elle n’en est pas moins réelle. Mémoire/ Licence Professionnelle en Génie Energétique de l’IUT-LOKOSSA/UAC Présenté et soutenu par DOTOU Samuel & ALLI Makssoud/ Juillet 2012. Page 21

Chapitre 1

Généralités sur les fours

1.2.3.1. Fours à haute température Les fours à haute température sont en particulier les fours de sidérurgie, de verrerie, de cimenterie. La température que l’on veut obtenir sur le produit dépasse, et parfois nettement, 1200 °C. Le transfert de chaleur s’y fait essentiellement par rayonnement de la flamme et des gaz issus de la combustion. 1.2.3.2. Fours à basse température Il s’agit des fours de traitement thermique de métallurgie, les fours de revêtement de surface et les fours pour les métaux non ferreux. La température que l’on veut obtenir sur le produit dépasse rarement 700 °C, et est parfois sensiblement inférieure. C’est également le cas des zones de convection des fours de l’industrie du pétrole et de la chimie. Le transfert de chaleur s’y fait essentiellement par convection de gaz transparents. 1.2.4. Classification suivant le combustible utilisé On trouvera dans le domaine des fours industriels, avec plus ou moins d’importance selon les activités, toutes les formes d’énergie : - des fours électriques : il s’agit des fours à résistances (effet Joule), à arcs, à induction, à électrodes submergées, etc. ; - des fours à gaz ; ils utilisent le gaz naturel, mais aussi le gaz de cokerie, le gaz de raffinerie, le gaz de haut-fourneau, etc. ; - des fours à combustibles liquides : ils utilisent le fuel lourd, mais aussi le gazole, le naphta, etc. ; - des fours à combustibles solides : ils utilisent les charbons ou le coke de pétrole (généralement sous forme pulvérisée), mais aussi les déchets divers.

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Chapitre 1

1.3.

Généralités sur les fours

Structure des fours

En général, un four est constitué : - d’une partie inférieure, la sole, qui est la partie réfractaire horizontale sur laquelle on place les produits à cuire. Elle est en quelque sorte le « plancher » du four et peut être parfois inclinée ; - d’une partie supérieure, la voûte qui peut avoir des formes diverses : plate, cintrée, avec des rampants, suspendue. La voûte est en contact avec les produits de combustion et souvent avec la flamme. Elle joue un rôle essentiel dans le transfert de chaleur en renvoyant, par rayonnement sur les produits, l’énergie qu’elle reçoit de la flamme ; - de murs verticaux comportant en général plusieurs épaisseurs de nature différente et faisant la liaison entre la voûte et la sole ; - d’un système de chauffage (brûleurs ou résistances électriques) généralement accroché aux parois mais dans certains cas, à la voûte ou à la sole. Les matériaux constituants les parois, la sole et la voûte sont choisis en fonction de leur faible conductivité thermique, mais également en fonction de leur résistance mécanique. Ils sont également choisis pour leur compatibilité avec l’atmosphère de l’enceinte et avec le produit traité. Comme il est difficile de trouver des matériaux satisfaisant à toutes ses conditions, des parois composées de plusieurs couches sont souvent utilisées. L'utilisation de la brique réfractaire permet de rendre le four plus efficace énergétiquement, et de mieux contrôler et de lisser les variations de sa température interne. 1.4.

Composants des fours Les composants annexes du four sont essentiellement les brûleurs, la

cheminée (conduit de récupération des fumées), la tuyauterie, les systèmes de récupération de chaleur. Mémoire/ Licence Professionnelle en Génie Energétique de l’IUT-LOKOSSA/UAC Présenté et soutenu par DOTOU Samuel & ALLI Makssoud/ Juillet 2012. Page 23

Chapitre 1

Généralités sur les fours

1.4.1. Les brûleurs Les brûleurs sont les organes qui assurent la libération de l’énergie de combustion et la distribution des flux thermiques dans le four, par la mise en contact du combustible et du comburant. Ils permettent de déterminer les zones de préchauffe, de chauffe et d’égalisation grâce à la distribution de leur puissance dans chaque zone. Le brûleur a pour rôle primordial dans la conception, la construction et le fonctionnement des fours de :  fournir l’énergie thermique au four et à la charge ;  préparer la mise en contact du combustible et du comburant dans les proportions choisies ;  réaliser la combustion de ce mélange dans les conditions optimales ;  provoquer la circulation des combustibles brûlés favorisant l’égalisation des températures dans l’enceinte ;  créer une liaison entre le casing extérieur du four et les parois en réfractaire qu’il traverse, et entraîne de ce fait, un point délicat dans la construction. Il a donc un rôle déterminant dans la qualité de la combustion, et par suite dans l'émission de polluants ou d'imbrûlés en plus ou moins grande quantité dans les fumées. Le choix des brûleurs est un compromis entre les contraintes d’implantation, les flux de chaleur, les variations de ces flux pour les divers cas de production envisagés et les coûts d’installation et de maintenance. Il existe de nombreux types de brûleurs, certains spécifiques à un seul type de four ou/et à un seul combustible, d’autres à vocation plus large. Mémoire/ Licence Professionnelle en Génie Energétique de l’IUT-LOKOSSA/UAC Présenté et soutenu par DOTOU Samuel & ALLI Makssoud/ Juillet 2012. Page 24

Chapitre 1

Généralités sur les fours

Suivant son emplacement, on distingue :  Les brûleurs frontaux orientés vers l’enfournement ou vers le défournement (flammes inversées). Leur impulsion est adaptée dans le but d’obtenir une recirculation maximale de fumées ;  Les brûleurs latéraux (de type conventionnels ou de type à flux modulable) utilisés de part et d’autres de la charge ;  Les brûleurs à flamme plate ou brûleurs de voûte. Selon le mélange des réactifs, les brûleurs sont classés en deux types à savoir :  Les brûleurs à pré-mélange où le mélange entre le combustible et le comburant se fait avant son introduction dans le four ;  Les brûleurs à flamme de diffusion où le mélange entre réactifs se fait au nez (sortie) du brûleur. Suivant le type de combustible, on distingue les brûleurs à solide, les brûleurs à liquide et les brûleurs à gaz.

Figure 1.1 : Schéma du brûleur à solide

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Chapitre 1

Généralités sur les fours

Figure 1.2 : Schéma du brûleur à liquide

Figure 1.3 : Schéma du brûleur à gaz

1.4.2. Les systèmes de récupération de chaleur Le préchauffage de l’air est indispensable afin d’augmenter la température de combustion et générer ainsi un transfert de chaleur suffisant vers la charge. Pour préchauffer l’air, l’énergie des fumées sortant du four est récupérée. 1.5.

Principe de fonctionnement général des fours Le principe de fonctionnement du four est simple : l'objet à cuire y est

enfermé pour être soumis à la chaleur interne du four. Cette chaleur provient d'une source de chaleur externe aux parois internes du four. La chaleur à l'intérieur du four peut être répartie par forçage de la circulation de l'air, ou par convection naturelle.

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Chapitre 1

1.6.

Généralités sur les fours

Avantages et inconvénients des fours à gaz Un four gaz nécessite d'être souvent présent ponctuellement pendant la

cuisson pour régler la montée en température. Il fonctionne cheminée ouverte, ce qui engendre forcément des pertes de chaleur. Par contre, il est le seul à permettre une cuisson en atmosphère oxydante, réductrice, ou neutre, en fonction du pourcentage d'oxygène incorporé par le réglage des brûleurs, et l'ouverture du registre de cheminée. Avec ce procédé, on obtient des couleurs d'émaillage incomparables. 1.7.

Les produits traités dans les fours Dans le secteur de la production céramique en Afrique de l’Ouest, les

matières premières les plus couramment utilisées dans la fabrication de produits de terre cuite sont les argiles d’une part et les éléments dégraissants (sables, kaolin…) d’autre part. Le procédé de fabrication dans les fours céramiques 2 passe par des étapes successives comme : - Le stockage et le transport des matières premières ; - La préparation des matières premières ; - Le mélange ; - Le façonnage ou formage des produits céramiques qui fait intervenir les opérations de pressage (mécanique, hydraulique ou par impact), d’extrusion, de moulage ; - Le séchage et la cuisson.

En définitive, il existe une variété de fours avec des accessoires adaptés pour leur bon fonctionnement. Les combustibles font partie des éléments de différenciation des fours et il urge de faire un aperçu général sur ceux-ci afin de comprendre les procédés de leur combustion dans les fours. Mémoire/ Licence Professionnelle en Génie Energétique de l’IUT-LOKOSSA/UAC Présenté et soutenu par DOTOU Samuel & ALLI Makssoud/ Juillet 2012. Page 27

Chapitre 2

Généralités sur les combustibles utilisés dans les fours et leur combustion

Chapitre 2 : Généralités sur les combustibles utilisés dans les fours et leur combustion 2.1.

Les combustibles

2.1.1. Définition Un combustible est une matière qui, en présence d'oxygène et d'énergie, peut se combiner à l'oxygène (qui sert de comburant) dans une réaction chimique générant de la chaleur. Les corps combustibles industriels contiennent toujours du carbone (C), presque toujours de l’hydrogène (H2) et parfois du soufre (S). Ils peuvent également renfermer d’autres éléments ou composés chimiques (l’oxygène (O2), l’azote (N2), l’eau (H2O), etc.) et des matières non combustibles (cendres) qui ne participent pas directement aux réactions chimiques de combustion. 2.1.2. Les différents types de combustibles D’une manière générale, on distingue les combustibles solides, les combustibles liquides et les combustibles gazeux. Du fait que ce travail porte sur le pétrole et le gaz, la notion de combustibles solides ne sera pas développée ici. 2.1.2.1. Les combustibles liquides Les deux combustibles liquides les plus courants sont le fioul domestique (ou gazole) et le fioul lourd. Le pétrole est le combustible fossile liquide incontesté.

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Chapitre 2

Combustible

Généralités sur les combustibles utilisés dans les fours et leur combustion

Carbone % Hydrogène % Soufre % Azote %

Fioul domestique 86.4

13.4

0.2

-

Fioul lourd

9.8

3.3

-

86.5

Tableau 2.1 Composition chimique de quelques combustibles liquides [3]

2.1.2.2. Les combustibles gazeux Les combustibles gazeux courants sont des hydrocarbures légers, composés de carbone et d'hydrogène. Leur combustion complète produit du gaz carbonique (CO2) et de l'eau (H2O). En défaut d'air, la combustion peut aussi produire du carbone (C), du monoxyde de carbone (CO). Les combustibles gazeux les plus couramment utilisés sont : - le gaz naturel (composé entre 81 et 97% de méthane) ; - le propane (C3H8) ; - le butane (C4H10). 2.2.

Le pétrole

2.2.1. Définition Le pétrole est une roche liquide carbonée, ou huile minérale. Énergie fossile, son exploitation est l’un des piliers de l’économie industrielle contemporaine, car il fournit la quasi-totalité des carburants liquides. Le pétrole est aussi souvent appelé « or noir » en référence à sa couleur et à son coût élevé. Le pétrole lampant est l’une des dérivées du pétrole.

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Chapitre 2

Généralités sur les combustibles utilisés dans les fours et leur combustion

2.2.2. Le pétrole lampant 2.2.2.1. Définition En raffinerie, le pétrole lampant ou kérosène est issu de la distillation atmosphérique du pétrole brut. Le pétrole lampant est constitué d’un ensemble d’hydrocarbures contenant des alcanes (CnH2n+2) de formule chimique allant de C10H22 à C14H30. Le pétrole lampant, également connu sous les dénominations « pétrole blanc », est aussi très utilisé comme combustible pour des poêles à pétrole. Il est aussi très fréquemment utilisé comme combustible pour cuisinières et, dans certaines régions d’Afrique, d’Amérique du sud et d’Asie, il est le combustible le plus utilisé après le bois. 2.2.2.2. Propriétés physico-chimiques Les pétroles lampants sont des liquides de faible viscosité ou légèrement jaunes, pratiquement insoluble dans l’eau, mais miscible à un grand nombre de solvants usuels. Les principales caractéristiques physiques du pétrole lampant [3] sont les suivantes : -

intervalle de distillation : entre 140 et 300°C ; densité : 0,77 à 0,84 ; densité de vapeur (air = 1) : ≥ 5 ; point éclair : ≥ 38°C ; température d’auto-inflammation : > 220°C ; C'est la température minimale pour laquelle les pétroles lampants, de pression et de composition données, s'enflamment spontanément sans contact avec une flamme; - température fusion :-48 à -26 °C ; - température d’ébullition: 150 à 300 °C - masse volumique: 0,8 g·cm-3 à 15 °C Mémoire/ Licence Professionnelle en Génie Energétique de l’IUT-LOKOSSA/UAC Présenté et soutenu par DOTOU Samuel & ALLI Makssoud/ Juillet 2012. Page 30

Chapitre 2

Généralités sur les combustibles utilisés dans les fours et leur combustion

- Pouvoir Calorifique Inférieur (PCI) : 43105 kJ/kg. 2.2.3. Le butane 2.2.3.1. Définition Le butane est un hydrocarbure saturé de la famille des alcanes de formule brute C4H10. Il existe sous 2 formes isomères, le butane ou n-butane et le 2méthylpropane ou isobutane. Le butane est très inflammable, incolore et facilement liquéfiable. Le nom « butane » vient de la racine but- (de l’acide butyrique) et du suffixe –ane. Le n-butane est obtenu par distillation sous pression du G.P.L (gaz de pétrole liquéfié) ainsi que par la purification du gaz naturel. 2.2.3.2. Propriétés physico-chimiques Le butane est soluble dans l'alcool et l'éther, mais peu soluble dans l'eau. Peu réactif, il nécessite un catalyseur pour participer à des réactions chimiques, sauf bien sûr pour la réaction de combustion avec le dioxygène. Les caractéristiques du butane sont les suivantes : - masse molaire : 58,12 g /mol ; - masse volumique : 2,48 kg /m3, à l’état gazeux (15° C, 1 atm) et 600°C kg /m3 à l’état liquide (0°C, 1 atm) ; - point de fusion : -138,4°C ; - point d’ébullition : -0,5°C - solubilité dans l’eau : 6,1mg/100ml (20°C) ; - Pouvoir Calorifique Inférieur : 29585 kcal/Nm³ ; - Pouvoir Calorifique Supérieur : 32075 kcal/Nm³ ; - point éclair : -60°C ; - température d’auto-inflammation : 500°C ; - limites explosives : 1,8 – 8,4%. Une application de la combustion du pétrole lampant sera donnée en annexe de ce document. Mémoire/ Licence Professionnelle en Génie Energétique de l’IUT-LOKOSSA/UAC Présenté et soutenu par DOTOU Samuel & ALLI Makssoud/ Juillet 2012. Page 31

Chapitre 3

Four PL du Docteur SAMAH : état des lieux

Chapitre 3 : Four PL du Docteur SAMAH : état

des lieux 3.1.

Fours PL du Docteur SAMAH

3.1.1. Problématiques de la mise au point du four PL Le four PL a été réalisé par le docteur SAMAH Ouro-Djobo1 et est un perfectionnement récent des fours céramiques. En effet, cette réalisation n’est pas sans fondements. Dans ses travaux de recherche, docteur SAMAH a mené des enquêtes sur la production céramique en Afrique, dans le but de recenser les difficultés et les problèmes auxquels sont confrontés les producteurs céramiques. Les résultats issus de ces enquêtes ont révélé plusieurs problèmes (essentiellement liés aux procédés de cuisson) faces auxquels les utilisateurs ont manifesté le désir d’avoir un équipement de cuisson plus amélioré. Ce qui a amené monsieur SAMAH, de par son innovation technologique, à concevoir et à réaliser un four dont le combustible est du pétrole lampant atomisé à la vapeur d’eau 3.1.2. Présentation du four à pétrole lampant atomisé à la vapeur d’eau Il s’agit d’un four de forme carrée, surmonté au plafond par une voûte, et reposant sur des piliers de support qui permettent de le rendre plus solide et donc beaucoup plus résistant. Sa structure prévoit une entrée pour l’enfournement et le défournement des produits à cuire, laquelle entrée reste fermée pendant tout le temps de cuisson. Ce four est à flammes renversées ou à tirage descendant, et est pourvu de deux ouvertures diagonalement opposées qui abritent chacune un brûleur à combustible liquide. Chaque brûleur dispose d’un mur de déflexion en forme de « saut de ski », qui permet d’orienter les1 flammes produites vers le haut, afin de favoriser leur renversement. Une

1

Directeur du « Centre de la Construction et de Logement », Cacavelli, BP : 1762 Lomé, Togo

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Chapitre 3

Four PL du Docteur SAMAH : état des lieux

cheminée construite à même le sol, à l’arrière du four, permet la mise à l’atmosphère des fumées produites. De plus, par endroit dans les murs sont prévues de petites ouvertures (trous) pour la prise des différentes températures de cuisson. Les murs de ce four sont construits en deux couches jointoyées par un mortier d’argile. La vapeur d’eau nécessaire au fonctionnement de ce four est produite à partir d’une bouteille d’eau mise sur un foyer à gaz butane. Cet équipement utilise donc au cours de son fonctionnement, deux sources d’énergie. La forme voûtée

Palier de support

Espaces aménagés pour les brûleurs

Entrée

Socle en béton

Murs de déflexion

Cheminée

Figure 3.1 : Forme du four

2

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Chapitre 3

Four PL du Docteur SAMAH : état des lieux

Pour le fonctionnement du four, Monsieur SAMAH a conçu et réalisé deux brûleurs fonctionnant uniquement au pétrole lampant. 3.1.3. Brûleur adapté au four à Pétrole Lampant Le four PL utilise comme combustible, le pétrole lampant atomisé à la vapeur d’eau. Pour une bonne combustion, les brûleurs qui lui sont adaptés sont de construction particulière. Ils sont conçus de façon à pouvoir favoriser la récupération simultanée de la vapeur d’eau sous pression et du pétrole lampant. Ainsi, ils sont constitués des circuits d’arrivée du pétrole et de la vapeur d’eau, et d’un corps cylindrique qui permet non seulement l’orientation des flammes vers l’intérieur du four, mais aussi joue le rôle d’échangeur de chaleur entre les flammes et la vapeur d’eau. Le pétrole descend au brûleur par gravité tandis que la vapeur y est convoyée sous l’effet de la pression régnant à l’intérieur de la bouteille d’eau, qui est de l’ordre de 0,48 MPa. Un peu avant la sortie du brûleur, la tuyauterie d’arrivée du pétrole passe au travers de celle de la vapeur d’eau. Il s’effectue donc un échange de chaleur au cours duquel la vapeur d’eau cède une partie de sa chaleur au pétrole de manière à le préchauffer ou à le vaporiser partiellement. La figure ci-dessous présente le schéma plan de ces brûleurs :

PL

Ve

Figure 3.2 : Schéma de principe des brûleurs du four PL

2

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Chapitre 3

Four PL du Docteur SAMAH : état des lieux

Légende : Circuit du pétrole lampant Circuit de la vapeur d’eau Flamme Attache métallique 3.2.

Principe de fonctionnement du four PL du Docteur SAMAH

La vapeur d’eau est produite sur un foyer au gaz butane. Elle arrive à travers le brûleur sous la pression minimale de 0,25MPa, et vaporise le pétrole pour constituer le combustible et la mise à feu est enclenchée. La combustion qui en découle produit la chaleur, qui est transmise à l’intérieur du four. La montée en température se fait grâce à l’intensité des flammes que l’on obtient en régulant à l’aide des robinets d’arrêt les débits de vapeur d’eau sous pression et de pétrole.

3.3.

Améliorations récentes apportées au four PL Résultat d’un travail de recherche, le four PL fut tout récemment l’objet

d’une étude visant surtout l’amélioration de ses performances. Cette étude a conduit à la conception d’un modèle de four sur la base du fonctionnement du four PL. Il s’agit d’un four de dimensions intérieures 1 × 1 × 1 m3 et de dimensions extérieures donc 1, 225 × 1, 225 × 1, 225 m3 conçu par deux étudiants en fin de formation à l’IUT de LOKOSSA sous la direction du docteur ANJORIN1. Conçu pour être consacré à un usage en laboratoire, ce four n’a pas été malheureusement construit mais présente dans sa phase

1

Enseignant à l’Ecole Polytechnique d’Abomey-Calavi (EPAC/UAC), Bénin

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Chapitre 3

Four PL du Docteur SAMAH : état des lieux

conceptuelle le mérite d’avoir corrigé en partie les insuffisances relevées sur celui de SAMAH. Autre que les éléments de base qu’on retrouve sur les fours que sont la structure du four elle-même constituée de la chambre de cuisson, de la cheminée,

du

foyer ;

le

dispositif

d’alimentation

en

combustible,

l’amélioration portée sur le four PL de SAMAH intègre les échangeurs de chaleur qui se retrouvent au niveau des murs du four, de sa cheminée ainsi qu’à la sortie des fumées produites. Ces derniers assurent à travers les différents systèmes de régénération

la production de la vapeur d’eau

nécessaire à l’atomisation du pétrole lampant qui constitue le combustible utilisé. L’eau circule à travers un réseau de tuyauteries que forment les différents échangeurs et une turbopompe. Cette dernière doit fonctionner à partir des fumées en provenance de la cheminée. Quant au pétrole, il part d’un fût pour se retrouver directement dans le brûleur où il traversera un ou deux échangeur (s) suivant la combinaison choisie au niveau de ce dernier. D’une façon générale, cette étude a permis de passer de deux combustibles (pétrole lampant et gaz) utilisés simultanément à un seul combustible (pétrole lampant) puisque le système de production de vapeur est de l’énergie fluide qui vient vaporiser l’eau de la bouteille. Cette modification a impliqué la mise en place d’un brûleur adapté au nouveau fonctionnement du four. 3.3.1. Brûleur conçu dans l’étude Le dispositif d’alimentation en combustibles est constitué de deux brûleurs conçus de façon à faciliter l’alimentation simultanée en vapeur d’eau et en pétrole lampant (kérosène). Ils sont constitués chacun :

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Chapitre 3

Four PL du Docteur SAMAH : état des lieux

- d’un corps cylindrique double concentrique c’est-à-dire composé de deux passes dont l’une pour la vapeur d’eau, l’autre pour le pétrole, et puis d’une passe centrale pour la flamme produite. Il joue le rôle de double échangeur de chaleur ; - un échangeur de chaleur à deux tubes concentriques co-courant, l’échange se faisant entre la vapeur d’eau et le pétrole ; - de trois circuits fluidiques (arrivées de vapeur d’eau, du pétrole et de gaz) commandés par des vannes. On retrouve également sur ces circuits des manomètres et des thermomètres.

1 1

1 0

7

1

9

8

4 6

3

Figure 3.3: Schéma du brûleur

2

2 5

Figure 3.3: Dispositif d’alimentation en combustible Légende : Circuit de la vapeur d’eau Circuit du pétrole lampant La tuyauterie de gaz est identique à celle de la vapeur d’eau

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Chapitre 3

Four PL du Docteur SAMAH : état des lieux

1- vanne principale d’arrivée de la vapeur d’eau ; 2; 3 ; 5 ; 6 ; 8 ; 9 ; 10 ; 11- vannes de sélection ; 4- vanne principale d’arrivée du pétrole ; 7- vanne principale d’arrivée du gaz ; E1-échangeur à deux tubes concentriques ; E2- double échangeur du corps cylindre.

3.3.2. Fonctionnement des brûleurs Au début du fonctionnement, l’intérieur du four étant froid, la production de la vapeur via les échangeurs est impossible. On utilise donc du gaz pour amorcer la combustion jusqu’à ce que la vapeur soit prête à être utilisée. Par des « jeux » de vannes, l’alimentation du système en gaz est arrêtée tandis que le passage du PL est autorisé ainsi que celui de la vapeur d’eau qui permettra de vaporiser le PL. Le PL et la vapeur d’eau pourront échanger de la chaleur lors de leur passage dans les échangeurs de chaleur. Par ailleurs, il faut noter que la conception du brûleur offre huit possibilités de fonctionnement en fonction des combinaisons des circuits de PL et de vapeur d’eau.

Conclusion partielle Si le four PL conçu par Monsieur SAMAH a la particularité de corriger en partie les insuffisances relevées sur ses prédécesseurs, il faut noter que même les améliorations apportées à ce four de par l’étude dirigée par le Docteur ANJORIN n’ont pas résolu tous les problèmes sur ce four.

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Chapitre 4

Amélioration du four PL et mise au point du four de laboratoire

Chapitre 4 : Amélioration du four PL et mise au point du four de laboratoire.

Introduction Le recours au four à pétrole lampant atomisé à la vapeur d’eau conçu par Monsieur SAMAH apparaît dans sa phase conceptuelle comme une alternative dans la recherche d’un système efficace de production de chaleur à partir d’un combustible autre que le bois, ainsi qu’une bonne transmission et répartition de la chaleur à l’intérieur du four. Mais dans son fonctionnement, le four présente de nombreuses insuffisances. Dans le présent chapitre, il sera d’abord question d’apporter des améliorations au four PL en vue de la mise au point d’un autre four qui pourra combler l’attente des utilisateurs du point de vue des dépenses énergétiques et de la préservation de l’environnement. Ensuite, il sera présenté la phase conceptuelle du four objet de notre étude. 4.1.

Analyses du four de laboratoire Dans son approche technologique, le FOUR PL a été réalisé pour

pallier aux difficultés rencontrées par les céramistes à savoir : le manque et parfois les difficultés de contrôle des températures, la longue durée de cuisson ainsi que la gestion complexe des cendres lorsqu’on utilise le bois comme combustible pendant l’opération de cuisson. Mais à analyser ce four, il est clair qu’une revue de la technologie adoptée doit être faite. En effet, vue les enjeux énergétiques et environnementaux actuels, il urge que tout dispositif puisse dépendre le moins possible de plusieurs sources d’énergie de façon simultanée. Or, la vapeur d’eau nécessaire au Mémoire/ Licence Professionnelle en Génie Energétique de l’IUT-LOKOSSA/UAC Présenté et soutenu par DOTOU Samuel & ALLI Makssoud/ Juillet 2012. Page 39

Amélioration du four PL et mise au point du four de laboratoire

Chapitre 4

fonctionnement du four du docteur SAMAH est produite à partir d’une bouteille d’eau mise sur un foyer à gaz butane qui constitue en effet une autre source d’énergie en dehors de celle liée au pétrole lampant utilisé. Dans ces conditions, la recherche d’une technologie allant dans la suppression de cette source additionnelle d’énergie est nécessaire, d’où l’étude précédente sur le four PL conduite par le Docteur ANJORIN. Cette insuffisance a été en partie corrigée par la précédente étude, mais il faut noter que même à ce niveau, d’autres apports de technologie se font encore nécessaires.

4.2.

Mise au point du four de laboratoire

4.2.1. Types de four souhaité Le four à réaliser doit permettre d’avoir :  une parfaite qualité des produits cuits;  une homogénéité de la chaleur à l’intérieur ;  l’accès au combustible;  la facilité évacuer la fumée et de pouvoir le réutiliser ;  le contrôle de la montée de température ;  la possibilité d’adaptation de n’importe quel combustible ; 

une facilité dans la cuisson des objets émaillés.

4.2.2. Problèmes résolus par la présente étude Si le problème de la source d’énergie pour le fonctionnement du four PL a pu être résolu par l’étude précédente dirigée par le Docteur ANJORIN, d’autres corrections ne sont pas cependant exclues.

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Chapitre 4

Amélioration du four PL et mise au point du four de laboratoire

En effet, dans la présente étude, le système de bouteilles est remplacé par des échangeurs de chaleur qui se retrouvent au niveau des murs du four, de sa cheminée ainsi qu’à la sortie des fumées produites. Ces derniers assurent à travers les différents systèmes de régénération la production de la vapeur d’eau nécessaire à l’atomisation du pétrole lampant qui constitue le combustible utilisé. (Voir annexe 4.1) De même, dans la précédente étude, l’eau est aspirée du réservoir par une turbopompe qui nécessite d’énergie pour son fonctionnement et constitue donc une nouvelle dépense d’énergie. Pour remédier à cela dans notre étude, les réservoirs d’eau et de pétrole lampant sont placés sur un support au-dessus de la voûte du four afin de permettre leur circulation par gravité. (Voir annexe 4.1) Il sera aussi question dans cette étude de concevoir un brûleur multicombustible à partir duquel on pourra alimenter le système soit au gaz pour le préchauffage du système ou pour toute l’opération de cuisson, soit au pétrole liquide (kérosène) atomisé à la vapeur d’eau , ou soit au pétrole-gaz issu de la montée en température du pétrole liquide. (Voir annexe 4.2) Par ailleurs, notre étude s’intéresse également à l’importante calorie de chaleur des fumées déversées jusque-là dans la nature sans aucune mesure de réutilisation. Dans la présente étude, le réservoir d’eau est placé dans un autre réservoir de diamètre relativement plus grand afin de canaliser les fumées dans la partie intermédiaire aux deux réservoirs. Cette même disposition est adoptée pour le réservoir de pétrole. Ainsi, les fumées issues de la chambre de combustion du four circulent à l’intérieur d’une tuyauterie, passent par les échangeurs de la cheminée, elles circulent ensuite dans la partie intermédiaire au grand réservoir (par rapport à l’eau) avant de sortir pour continuer à présent sa circulation dans le réservoir du pétrole pour sortir finalement par le Mémoire/ Licence Professionnelle en Génie Energétique de l’IUT-LOKOSSA/UAC Présenté et soutenu par DOTOU Samuel & ALLI Makssoud/ Juillet 2012. Page 41

Chapitre 4

Amélioration du four PL et mise au point du four de laboratoire

bout de la cheminée. (Voir annexe 4.1). Le but de cette disposition est de chauffer les réservoirs d’eau et de pétrole par la chaleur résiduelle existant dans les fumées et de minimiser donc les pertes de chaleur. En outre, il est placé à divers endroits du four, des échangeurs de chaleur de différentes formes, lesquels échangeurs pourront capter et transférer à l’eau une bonne partie des calories perdues (voir annexe 4.3). Ce qui permettra, en fonction de la quantité de chaleur transférée, de vaporiser l’eau et peut-être de conduire à l’obtention d’une vapeur surchauffée. Enfin, la porte du four PL construit par le Docteur SAMAH est fermée avec des couches de briques dont les joints sont colmatés avec de la boue. L’ouverture et la fermeture de cette porte apparaît comme un travail fatigant et conduit parfois à des pertes de briques par cassure car il faut à chaque ouverture déplacer une à une ces briques et les remettre en place lors de la fermeture. Face à tout ce travail pénible, il est conçu dans cette étude, une porte mobile qui sera ouverte et fermée sans aucune difficulté (voir annexe 4.4). 4.3.

Etude du four de laboratoire à pétrole lampant atomisé à la vapeur d’eau

4.3.1. Choix de la forme et du type de four En matière du choix de la forme et du type de four, nous retenons dans cette étude un four mono chambre et à tirage descendant ou à flammes renversées identique au four PL, mais de dimensions réduites, soit un volume utile de 1m3. 4.3.2. Choix du pétrole lampant (PL) Depuis longtemps et même aujourd’hui, les combustibles solides et surtout ceux ligneux (le bois et ses dérivées, paille, broussailles) demeurent Mémoire/ Licence Professionnelle en Génie Energétique de l’IUT-LOKOSSA/UAC Présenté et soutenu par DOTOU Samuel & ALLI Makssoud/ Juillet 2012. Page 42

Chapitre 4

Amélioration du four PL et mise au point du four de laboratoire

les sources d’énergie dans les fours céramiques. Mais face à une déforestation sans cesse et ses conséquences atroces sur l’environnement, il urge de tourner vers d’autres sources d’énergie dont le pétrole lampant (voir généralités sur les combustibles au chapitre 2). A quoi conduit le fractionnement du pétrole lampant par la vapeur d’eau ? 1 Le fractionnement du pétrole lampant au moyen de la vapeur d’eau sous pression, par mélange, doit permettre l’obtention de produits plus légers et plus volatils, de la famille des essences lourdes et légères et des gaz, le tout se présentant sous forme « gazeuse » ou de « vapeur » immédiatement brûlée dans le brûleur du four mis au point. Dans certaines conditions, notamment de températures élevées, la vapeur d’eau peut se décomposer, et ses éléments (H2 et O2) se recombinant aux constituants dérivant du pétrole lampant sous l’effet de la chaleur dans un processus chimique complexe de décomposition et de recomposition : il s’agit dans ce cas de l’opération dite de cracking en présence de vapeur d’eau encore appelé « steam-cracking » comme c’est habituellement réalisé dans le raffinage de pétrole brut. Une telle opération de cracking de pétrole lampant à la vapeur d’eau conduirait à l’obtention de fractions de plus faibles masses moléculaires : gaz et essences. Dans le cas où la température voire la pression de la vapeur d’eau ne permettraient pas la décomposition de la vapeur d’eau en vue de la recomposition précédente, alors la vapeur agit tout simplement comme un vecteur chaud d’atomisation ou de vaporisation du pétrole lampant en de fines gouttelettes afin de mieux assurer une plus grande surface de contact avec l’oxygène de l’air et ainsi favoriser une combustion normalement plus accrue.

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Chapitre 4

4.4.

Amélioration du four PL et mise au point du four de laboratoire

Conception du four de laboratoire à pétrole lampant atomisé à la vapeur d’eau

4.4.1. Dimensionnement de la structure du four 4.4.1.1. Dimensionnement des parois du four Pour chacune des six (06) faces du four à savoir les quatre faces latérales, la voûte, puis la sole, nous adoptons le même dimensionnement que celui fait dans l’étude précédente. En effet, les quatre faces latérales, la sole et le plafond seront construites avec des briques réfractaires, ce qui permettra de mieux conserver la chaleur qui sera produite, ceci compte tenu de leur résistance thermique (voir annexe 3). La partie inférieur du four ( cadre de la sole) est soudée à 04 (quatre) pieds (assemblage de deux fers en U de 60/6) de longueur 500 mm . En fonction des contraintes des travaux de génie civil, on pourra trouver les dimensions de ces briques, mais nous retenons ici les briques dont les dimensions sont : - épaisseur e = 6 cm ;

e

- largeur l = 10 cm ; - longueur L = 22 cm.

L

l

l

Afin de bien maintenir les couches de briques de la sole, deux traverses en fer cornière de 80/8 sont posées au milieu du cadre de la sole et reposant également sur un pied de mêmes caractéristiques que les précédents. Pour des raisons de résistances, la chambre de cuisson sera maintenue sur des fers corniers en formant un cadre de forme parallélépipédique. Pour les raisons de stabilité, de solidité de la structure du four et surtout celle de l’isolation, on adoptera un mur composé de deux couches de ces briques et dont l’épaisseur de chaque face sera deux fois l’épaisseur d’une brique. La face contenant la porte et celle qui lui est parallèle ne contiendront pas Mémoire/ Licence Professionnelle en Génie Energétique de l’IUT-LOKOSSA/UAC Présenté et soutenu par DOTOU Samuel & ALLI Makssoud/ Juillet 2012. Page 44

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Chapitre 4

d’échangeurs muraux. Les deux autres faces auront une épaisseur égale à deux fois l’épaisseur d’une brique plus un joint de liaison de couches (mortier) d’épaisseur 2,5 cm dans lequel seront logés les échangeurs de chaleur. Les dimensions intérieures du four étant 1 × 1 × 1 m3, les dimensions extérieures seront donc 1,45 × 1,4 × 1,25 m3 soit une arrête extérieure de 125 mm. Pour la construction de la voûte, nous retenons le même dimensionnement que l’étude précédente à savoir : - portée A égale à l’arête intérieur du four soit 1 m ; - le rayon C = H √

5 4

donc C = 1, 12 m où H est l’arête intérieure du

four ; valeur trouvée en considérant le triangle en rouge ; - la flèche ou la hauteur sous clef B = C – H = 12 cm.

A

B

D

E

C

Figure 4.1 : Elément de la voûte

4.4.1.2. Dimensionnement de la porte d’entrée du four Pour la porte d’accès au four, elle sera constituée d’un cadre rectangulaire (fait en fer cornière de 80/8) de dimensions 1090 × 𝟒𝟎𝟎 𝒎𝒎𝟐 dans lequel est logée une couche de briques. Afin de protéger ces briques, une Mémoire/ Licence Professionnelle en Génie Energétique de l’IUT-LOKOSSA/UAC Présenté et soutenu par DOTOU Samuel & ALLI Makssoud/ Juillet 2012. Page 45

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feuille de tôle recouvre l’une des faces tandis que la seconde face porte des fers ronds qui maintiennent les briques dans le cadre. La porte est mobile autour d’une charnière et placée au milieu de la face de grande dimension ne contenant pas de mortier entre les couches de briques (voir annexe 4.4).

4.4.1.3. Dimensionnement du cadre de support des réservoirs Les réservoirs de pétrole et d’eau sont placés sur un support sous forme de cadre situé à 500 mm en-dessus du cadre de la voûte avec lequel ce support-réservoirs forment un ensemble démontable en un. Ce support des réservoirs est dimensionné en fonction du diamètre du grand fût (environ 580 mm) et par rapport à la grandeur dimension du cadre de la voûte (1450 mm), soit une dimension de 1450× 𝟔𝟎𝟎 𝒎𝒎𝟐 (voir annexe 4.1). 4.4.2. Dimensionnement de la cheminée « La cheminée doit avoir un diamètre égal au quart ou au cinquième de diamètre du four », telle est la recommandation de Bernard LEACH, dans son livre « the Potter's Book ». Dans le cas de l’étude précédente sur le four PL, il a été adopté pour le diamètre de cheminée, une proportion de 1/5 du diamètre correspondant au four ; ce qui avait permis de trouver que le diamètre de la cheminée sera d = 0, 20 m soit d = 20 cm. Mais l’indisponibilité d’un tuyau de 200 mm sur le marché nous amène dans cette étude à choisir un diamètre de tuyau disponible et proche de 200 mm, soit un tuyau de diamètres 102/114 mm. Ce tuyau permettra d’obtenir les deux tubes de sortie de fumées placés dans chacun des trous faits dans la sole pour la sortie de fumées. Ces deux tubes convergent ensuite dans un seul tube de diamètre 200 mm qui sera obtenu en roulant une feuille de tôle d’épaisseur Mémoire/ Licence Professionnelle en Génie Energétique de l’IUT-LOKOSSA/UAC Présenté et soutenu par DOTOU Samuel & ALLI Makssoud/ Juillet 2012. Page 46

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convenable. La cheminée sera donc circulaire et spirale, puis du fait de la mobilité du four, elle sera construite en métal et démontable. 4.4.3. Dimensionnement des échangeurs de chaleur Les deux fûts contenant l’eau à vaporiser et le pétrole sont placés en hauteur au-dessus de la voûte pour assurer la circulation de ces fluides dans le four par gravité. En interposant entre les deux couches de briques et à différents autres endroits des échangeurs, on pourra capter et transférer de la chaleur à l’eau pour sa vaporisation et au pétrole pour sa montée en température. Par définition, un échangeur de chaleur est un appareil qui permet de transférer un flux de chaleur d’un fluide chaud à un fluide froid à travers une paroi. Il existe plusieurs types d’échangeurs de chaleur à savoir : les échangeurs à plaques, les échangeurs à double tubes concentriques co-courant ou contre-courant, les échangeurs à faisceau tubulaire et à calandre, les échangeurs spiraux, les échangeurs serpentins…Ceux utilisés dans la conception du four de laboratoire sont semblables aux trois derniers. 4.4.3.1. Echangeur des murs Il est interposé entre les deux couches des parois dans l’espace aménagé pour le joint, d’une épaisseur de 25 mm. Il occupe deux parois latérales (sans la face de la porte et celle qui lui est opposée), une partie de la sole et au niveau de la voûte. Il est composé de nourrices supérieures, de nourrices inférieures, et des tubes traverses intermédiaires. Il fonctionne donc comme un faisceau tubulaire. Les dimensions de cet échangeur dépendront de l’architecture du four (sans aucun calcul thermique) vu notre niveau d’étude.

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Nous disposons de deux sortes d’échangeurs qui sont les échangeurs internes et les échangeurs externes : - Les échangeurs internes Ils sont juxtaposés aux briques réfractaires à l’intérieur du four. Au niveau des 2 faces latérales, en considérant N comme le nombre de faces, l la longueur interne de chaque traverse et e le nombre de traverses, on trouve la longueur L des traverses de 10/12 par la formule L = N.l.e, soit 𝐿 = 2 × (1000 × 8) = 𝟏𝟔 𝟎𝟎𝟎 𝒎𝒎. Par la même formule, on trouve que la longueur des 2 nourrices de 20/27 vaut 4000 mm. En ce qui concerne la voûte, la longueur de l’arc intérieur est 𝐿 = 𝑅. 𝛼, où R est le rayon de cercle et 𝛼 l’angle orienté, soit L = 1 120 mm × 𝜋/2 = 1 760 mm. Par suite, la longueur des huit (08) traverses de 10/12 vaut L=

14 080 mm. Par rapport aux deux nourrices de 2O/27, la longueur vaut 𝑳 = 𝟐𝟎𝟎𝟎 𝒎𝒎 et cette valeur est également valable pour les nourrices 20/27 utilisées au niveau de la sole. Par rapport à la sole, la longueur des 8 traverses de 10/12 vaut L= 1 000mm × 𝟖 = 8 000 mm - Les échangeurs externes Ils sont interposés entre les deux couches de briques réfractaires dans l’espace aménagé pour le joint, d’une épaisseur de 25 mm Au niveau des 2 faces latérales, en considérant N comme le nombre de faces, l la longueur interne de chaque traverse et e le nombre de traverses, on trouve la longueur L des traverses de 10/12 par la formule L = N.l.e, soit 𝐿 = Mémoire/ Licence Professionnelle en Génie Energétique de l’IUT-LOKOSSA/UAC Présenté et soutenu par DOTOU Samuel & ALLI Makssoud/ Juillet 2012. Page 48

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2 × (1250 × 8) = 𝟐𝟎𝟎𝟎𝟎 𝐦𝐦. Par la même formule, on trouve que la longueur des 2 nourrices de 20/27 vaut 5600 mm. En ce qui concerne la voûte, la longueur de l’arc extérieur E est 𝐿 = 𝑅. 𝛼, où R est le rayon de cercle et 𝛼 l’angle orienté, soit L = (1 120 + 100 + 25) mm × 𝜋/2 = 1 956 mm. Par suite, la longueur des huit (08) traverses de

10/12 vaut L= 15 648 mm. Par rapport aux deux nourrices de 2O/27, la longueur vaut 𝑳 = 𝟐𝟖𝟎𝟎 𝒎𝒎 . 4.4.3.2. L’échangeur de la cheminée Comme nous avons précédemment dit, les échangeurs seront de deux sortes à savoir les échangeurs horizontaux (sortie des deux trous de la cheminée) et les échangeurs verticaux. Ils seront en tubes serpentins (à spires jointives) de diamètres intérieurs respectifs 114 mm (par enroulement des tuyaux de 20/27 sur une longueur de 600 mm) et 200 mm (par enroulement des tuyaux de 26/34 sur une longueur de 1500 mm). Au niveau de l’échangeur de la cheminé de diamètre 114 mm, le diamètre extérieur est D = 114 mm + 2 × 27 mm = 168 mm ; le périmètre extérieur vaut P= 168 mm × 𝜋 = 527,52 mm et par suite, le nombre de spires sur une longueur de 600 mm est N= 600 mm ÷ 27 = 22,22 spires. Par conséquent, la longueur des tuyaux de 20/27 pour faire les 2 tubes de sortie de fumées vaut L= 2 N × P = 23 442,99 mm. Pour l’échangeur de la cheminé de diamètre 200 mm, le diamètre extérieur est D = 200 mm + 2 × 34 mm = 268 mm ; le périmètre extérieur vaut P= 268 mm × 𝜋 = 841,52 mm et par suite, le nombre de spires sur une longueur de 1500 mm est N= 1500 mm ÷ 34 = 44,12 spires. Par conséquent, la longueur des tuyaux de 26/34 vaut L= N × P = 37 125,34 mm. Mémoire/ Licence Professionnelle en Génie Energétique de l’IUT-LOKOSSA/UAC Présenté et soutenu par DOTOU Samuel & ALLI Makssoud/ Juillet 2012. Page 49

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4.4.3.3. Les déflecteurs Pour s’assurer de la production effective de la vapeur d’eau surchauffée pouvant atomiser le pétrole, il est prévu un surchauffeur (déflecteur) sur le circuit de la vapeur d’eau. Ce surchauffeur est aussi un échangeur de chaleur mais de forme différente que les précédents. En effet, chaque foyer dispose d’un déflecteur qui permet d’orienter la flamme de façon à la renverser. Ainsi, pour ce four de laboratoire nous adoptons des déflecteurs (en forme de « saut de ski ») qui seront construits comme des échangeurs muraux, couverts de feuilles de tôle, dans lesquels circulera la vapeur d’eau quittant la cheminée.

Four +

La

Feuille de tôle

h Surchauffeur

l

Figure 4.2 : Disposition des déflecteurs dans le four 2 Chaque déflecteur aura 8 traverses et 2 nourrices sur une longueur La = 600 mm et sur une largeur l = 200 mm à l’intérieur du four. Pour les échangeurs de chaque déflecteur, la longueur des 8 traverses de 10/12 vaut L= 2× (200 × 8) = 3 200 mm et celle des nourrices de 20/27 est L= 2× (600 × 2) = 2400 mm.

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Chapitre 4

4.4.4. Dimensionnement des brûleurs Le corps du bruleur sera constitué de 3 tuyaux concentriques (sur une longueur de 350 mm) à savoir un tuyau diamètre de 63/78 mm, un tuyau de diamètre 96/114 mm et d’un tuyau de diamètre 125/140 mm.  Circuit de vapeur d’eau : 1 tuyau (15/21) de 5,75 m.  Circuit de gaz butane : 1 tuyau (12/17) de 5,75 m.  Circuit de pétrole : 1 tuyau (10/12) de 5,75 m. Le passage des combustibles des réservoirs vers le corps du brûleur est assuré par des Té comme le montre la figure suivante : Pétrole liquide

Gaz Butane

Vapeur d’eau

Pétrole gaz

Figure 4.3 : organisation du passage des combustibles par des Té Du point de vue fonctionnement, au début de cuisson dans le four, le brûleur fonctionne grâce à un préchauffage du système au gaz butane. Après ce préchauffage, l’alimentation en gaz est coupée et on démarre avec le pétrole liquide qui, à l’entrée du corps du brûleur est atomisée par la vapeur Mémoire/ Licence Professionnelle en Génie Energétique de l’IUT-LOKOSSA/UAC Présenté et soutenu par DOTOU Samuel & ALLI Makssoud/ Juillet 2012. Page 51

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Chapitre 4

d’eau admise entre temps dans le système. On pourra à volonté cuire uniquement à partir du gaz issu de la montée en température du pétrole liquide ou soit uniquement à partir du gaz butane. Il s’agit en effet d’un brûleur multi-combustible (double échangeurs à 3 fluides) dont le schéma synoptique se présente de la manière suivante : 12

𝜽

2

1

𝜽

3 9

8

10

7 11

4

𝜽

5 6

Figure 4.4 : schéma synoptique du brûleur

Légende Circuit de vapeur d’eau ; Circuit de gaz butane ; Circuit de pétrole ; 1, 2, 3, 4, 5 et 6 : vannes de sélection ; 7 : Té 10/12 ;

8 : Té 12/17 ; 9: Té 15/21 ; 10 : Gicleurs

11 : Thermomètre

12 : Manomètre.

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Chapitre 5

Construction et fonctionnement du four PL de laboratoire

Chapitre 5 : Construction et fonctionnement du four PL de laboratoire.

5.1.

Construction du four Avant le début des travaux de construction, il était question de sillonner

les quincailleries afin de faire une mise au point des matériaux. En fonction des matériaux trouvés sur le marché, des modifications successives ont été apportées sur le dimensionnement. En effet, la réalisation du four PL de laboratoire concerne la construction du cadre du four, des 2 brûleurs, des 2 déflecteurs, de la cheminée, la porte et des échangeurs de chaleurs. Cependant, en raison de l’important retard accumulé dans la mobilisation du matériel et de l’épuisement du temps imparti au travail de fin d’études, jusqu’à présent nous n’avons construit que la structure du four (cadre) et la porte malgré notre volonté d’aller au bout des travaux. 5.1.1. Construction du cadre du four La structure du four est construite en deux parties indépendantes les unes des autres pour la mobilité : - la partie regroupant le cadre de la sole et les pieds du four en un seul ensemble ; - une autre partie composée de la voûte et du support des réservoirs ; Ces deux parties sont reliées par 4 traverses verticales visées chacune sur chaque sommet du cadre de la sole et du cadre haut. D’une manière générale, les travaux ont commencé par la découpe des 4 barres de fers corniers de 80/8 (réceptionnées en début des travaux) suivant les dimensions extérieures du four afin de former le cadre de la sole, du réservoir ainsi qu’à l’obtention des traverses verticales. Après avoir percé des Mémoire/ Licence Professionnelle en Génie Energétique de l’IUT-LOKOSSA/UAC Présenté et soutenu par DOTOU Samuel & ALLI Makssoud/ Juillet 2012. Page 53

Chapitre 5

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trous de diamètre 20 mm pour le vissage des traverses, les cadres furent formés par soudure des fers coupés. 5.1.2. Construction de la porte Avant la réalisation de la porte, un support constitué de deux traverses est construit pour la fixation des gons de la porte et la mise en place de la serrure de la porte. Du fait de la mobilité du four, ces deux traverses sont visées sur les cadres (inférieur et supérieur) du four. (Voir annexe 4.4) 5.2.

Fonctionnement général du four

5.2.1. Circuit de l’eau L’eau descend par gravité du fût, arrive au niveau des nourrices supérieures de la voûte, passe par les traverses en forme d’arc de la voûte et continue son chemin jusqu’aux nourrices inférieures. Elle arrive ensuite dans les nourrices supérieures des deux faces latérales du four, passe par les traverses verticales et arrive au niveau des nourrices inférieures. Au cours de ce trajet, elle subit au niveau des échangeurs extérieurs un 1er échange de chaleur. Après cet échange, « la vapeur d’eau » est admisse dans les tubes en serpentins de la cheminée, traverse les échangeurs horizontaux et l’échangeur vertical de la cheminée : c’est le 2ème échange de chaleur. Par la suite, elle s’achemine vers les échangeurs internes et fait le même trajet que celui décrit dans le premier paragraphe. Après ce trajet, l’eau passe par les échangeurs de la sole et subit pendant le trajet un 3ème échange de chaleur. Elle passe enfin par les échangeurs des déflecteurs avant de regagner le brûleur en face du déflecteur pour vaporiser le PL.

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5.2.2. Circuit de pétrole Après sa sortie du fût, le pétrole quant à lui passe par les échangeurs du déflecteur avant d’aller au brûleur où elle est fragmentée en de fines gouttelettes par la vapeur d’eau avant l’enclenchement de la combustion.

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Chapitre 6

Théorie du Calcul thermique du four PL de laboratoire

Chapitre 6 : Théorie du calcul thermique du four PL de laboratoire.

Introduction L’un des objectifs de notre travail réside dans la maîtrise de la répartition de la chaleur dans le four. Pour ce faire, le présent chapitre sera consacré à l’étude des échanges de chaleur dans le four. 6.1.

Processus d’échange thermique dans les fours Les échanges thermiques dans les fours sont de deux types : - Les échanges externes caractérisés par le processus d’échange entre le porteur de chaleur (flamme, gaz) ou une source d’énergie rayonnante (arc électrique, résistances) et la surface de chauffe ; - Les échanges internes mis en évidence par l’échange de chaleur à l’intérieur du corps (solide, liquide, gazeux) chauffé. Trois modes de transfert,à savoir le rayonnement, la convection et la

conduction peuvent séparément ou simultanément avoir lieu. Cependant, la conduction dans les échanges externes et le rayonnement dans les échanges internes ne jouent pas le rôle du type d’échange thermique prédominant. Ainsi, dans les échanges externes, les régimes caractéristiques sont : * le régime de rayonnement (orienté direct et orienté indirect) ; * le régime de convection. Dans les échanges internes, les régimes caractéristiques sont les suivants: * le régime de conduction ; * le régime de convection.

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Chapitre 6

Théorie du Calcul thermique du four PL de laboratoire

Afin de déterminer un modèle adéquat, nous devons identifier le type de four conçu par l’intermédiaire du régime de transfert mis en place. Pour ce faire, une connaissance des régimes et des conditions de fonctionnement des différents fours existants s’avère nécessaire. 6.1.1. La Convection Le régime de convection est applicable aux fours qui fonctionnent à une température inférieure à la température d’inflammation du combustible. Le domaine d’application du régime de fonctionnement convectif des fours est assez limité. Le plus souvent, ce régime est employé dans les installations de séchage à destination technologique variée, fonctionnant aux températures qui ne dépassent pas 400°C. On peut de ce fait penser que notre four en étude qui fonctionne à des températures allant à 1000°C et au-delà, n’est pas exactement de type à convection. 6.1.2. Le Rayonnement Nous distinguons deux orientations pour le rayonnement :  le rayonnement orienté direct largement répandu pour le chauffage des pièces minces ou massives ;  le rayonnement orienté indirect aussi largement utilisé sauf dans le cas où la température de la surface à chauffer se rapproche de la température limite admissible du briquetage et sauf également le cas du chauffage de corps massif dont l’éclairement uniforme de la surface à chauffer est difficile à obtenir. Dans les fours où le rayonnement est l’un des modes de transfert, il est recommandé de supposer qu’il y existe deux zones : - la zone représentant celle d’échange de chaleur au voisinage de la surface en céramique entre la couche de combustible en combustion et cette surface ; on peut considérer que cette couche ne participe Mémoire/ Licence Professionnelle en Génie Energétique de l’IUT-LOKOSSA/UAC Présenté et soutenu par DOTOU Samuel & ALLI Makssoud/ Juillet 2012. Page 57

Chapitre 6

Théorie du Calcul thermique du four PL de laboratoire

pratiquement pas à l’échange de chaleur entre la surface à chauffer et les autres éléments du four. Conventionnellement, cette zone représente le générateur de chaleur ; - la deuxième zone du four proprement dite, est celle d’échange entre la surface de céramique, la surface à chauffer, et les autres éléments de la voûte en présence d’un milieu absorbant le rayonnement. Ce milieu possède une certaine température intermédiaire entre la température du mélange en combustion et la température de la surface à chauffer. Une telle représentation est conventionnelle et semble cependant répondre aux conditions concrètes de fonctionnement de tels fours, tant que la température du mélange en combustion est essentiellement différente de celle de l’atmosphère des gaz du four. 6.2.

Régime des tempérarures Conformément au second principe de la thermodynamique, la forme

généralisée dans le processus d’échange de chaleur est représentée par une différence de potentiels ou différence des températures. La transformation dans le temps d’un champ en un autre caractérise le régime de ce champ (

𝝏𝑻 𝝏𝒕

en degré/heure). L’égalité des températures dans le système indique l’absence des échanges thermiques et caractérise l’état d’équilibre thermodynamique. La constance du champ des températures dans le temps (

𝝏𝑻 𝝏𝒕

= 0) caractérise un état stationnaire. Le régime des températures s’observe en trois étapes :  l’étape de la montée des températures dont le début correspond à celui de la mise à feu des brûleurs ;  l’étape de plein palier où le régime de chauffe ne varie plus ; 

et l’étape de refroidissement où les brûleurs sont éteints.

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Chapitre 6

Théorie du Calcul thermique du four PL de laboratoire

6.2.1. Phase de montée en température A l’instant 𝑡, la montée de température est caractérisée par la relation : Φ=

Δ𝑄 Δ𝑡

= 𝑐. 𝑚.

Δ𝑇 Δ𝑡

𝑒𝑛 𝑊𝑎𝑡𝑡

(6.1)

Où : Q  c.m.T 

quantité de chaleur reçue par la matière à cuire 𝑒𝑛 𝐽𝑜𝑢𝑙𝑒

c  chaleur spécifique de la matière à cuire 𝑒𝑛 𝐽/𝑘𝑔

m = masse de la matière 𝑒𝑛 𝑘𝑔  différence de

;

;

température 𝑒𝑛 𝐾𝑒𝑙𝑣𝑖𝑛 ;

Δ𝑡 = variation de temps ;   puissance de chaleur .

A l’intérieur du four, le phénomène de convection entre les parois du four et les combustibles liquides brûlés est caractérisé par l’expression : 𝑄 = ℎ. 𝑆. (𝑇0 − 𝑇𝑝𝑖 )

𝑒𝑛 𝐽𝑜𝑢𝑙𝑒

(6.2)

Où : 𝑆 = surface de la paroi 𝑒𝑛 𝑚2 ; 𝑇𝑝𝑖 = température de la paroi intérieure 𝑒𝑛 𝐾𝑒𝑙𝑣𝑖𝑛 ; 𝑇0 = température du fluide 𝑒𝑛 𝐾𝑒𝑙𝑣𝑖𝑛 ; ℎ = coefficient d’échanges superficiels 𝑒𝑛 𝐽/𝑚2 𝐾 . Pendant ce temps, les températures locales varient en fonction du temps, cela signifie que l’équilibre thermique peut être alors qualifié de transitoire.

6.2.2. Phase de palier Pendant le palier, à l’intérieur du four, il y a uniquement le transfert par conduction. Ce phénomène est exprimée par la relation : Φ = 𝑐. 𝑚.

Δ𝑇 Δ𝑡

𝑒𝑛 𝑊𝑎𝑡𝑡

(6.3)

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Chapitre 6

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A l’extérieur du four, il est observé le phénomène de transfert par convection à partir des parois du four vers l’air ambiant exprimée par la relation : 𝑄 = ℎ. 𝑆. (𝑇𝑝𝑒 − 𝑇𝑎𝑖𝑟 ) 𝑊𝑎𝑡𝑡

(6.4)

Avec : 𝑇𝑝𝑒 = température sur la paroi extérieure du four ; 𝑇𝑎𝑖𝑟 = température de l’air ambiant ; ℎ = coefficient d’échange par convection 𝑊/𝑚2 . 𝐾 ; 𝑆 = surface d’échange entre parois du four et air ambiant. 𝑚2 Au niveau de la sole, il se produit aussi le phénomène de transfert par conduction. 6.2.3. Phase de refroidissement Après l’arrêt du feu, tant que la température à l’intérieur du four est supérieure à celle de l’extérieur, les échanges sont toujours dirigés de l’intérieur du four vers l’extérieur. Ils cesseront seulement dès que les conditions intérieures égaleront celles extérieures. Nous allons avoir un processus tel que : 𝑄 = ℎ. 𝑆. (𝑇𝑖 − 𝑇𝑒 ) − 𝑐. 𝑚. 𝛥𝑇 = 0 Soit

(6.5)

ℎ. 𝑆(𝑇𝑖 − 𝑇𝑒 ) = 𝑐. 𝑚. Δ𝑇

(6.6)

Ce phénomène s’observe au niveau des parois du four et des produits à cuire. Au niveau de la paroi du four en contact avec la terre (sole), les produits à cuire vont libérer une chaleur qui sera transportée par conduction à travers la maçonnerie et le socle en béton. Le phénomène est exprimé par la relation : 𝑐. 𝑚.

𝑑𝑇 𝑑𝑡

= −𝑆. 𝜆.

𝑑𝑇 𝑑𝑥

(6.7)

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Théorie du Calcul thermique du four PL de laboratoire

𝑑𝑥 : épaisseur de la maçonnerie ; 𝜆 : conductivité thermique des briques de la sole 𝑒𝑛 𝑊/𝑚. 𝐾 ; 𝑆: surface d’échange 6.3.

Bilan énergétique du four

6.3.1. Quelques hypothèses simplificatrices Pour simplifier l’étude des échanges thermiques à l’intérieur du four nous avons admis les hypothèses simplificatrices suivantes : - la température, paramètre le plus important en terme d’exploitation et d’utilisation reste la même partout à l’intérieur du four mais croît (montée), devient constante (palier) , et diminue (refroidissement) comme nous venons de l’expliquer plus haut ; - les produits à cuire sont de formes régulières ; - les parois du four ont des températures uniformes ; - les produits à cuire reçoivent la même intensité de chaleur. Il est proposé un modèle du régime de températures qui caractérise la montée et le palier. Ce qui permet de déterminer à n’importe quel instant la valeur moyenne de la tempérarure à l’intérieur du four . L’équation qui explique ce régime de températures se traduit par le bilan énergétique. 6.3.2. Bilan énergétique Quel que soit le four, l’objectif est de fournir aux produits une quantité de chaleur déterminée par : - sa température initiale ou température d’enfournement ; - la température finale désirée ou température de défournement ; - la masse des produits à chauffer ;

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Chapitre 6

Théorie du Calcul thermique du four PL de laboratoire

la chaleur massique des produits et, s’il a lieu, les chaleurs de

-

transformation durant la montée en température. Le flux de chaleur traversant le volume du four (limité par la surface totale de l’enveloppe) pendant un temps infiniment petit 𝑑𝑡 est celui provenant du brûleur diminué des déperditions (parois et fumées à la cheminée). Cette énergie, donnée par le flux de chaleur dans l’enceinte, permet de faire varier l’énergie interne du gaz (air) contenu dans l’enceinte de volume V Le bilan énergétique peut s’écrire sous la forme : (6.8)

𝑭(𝑻𝒎 − 𝑻). 𝒅𝒕 = 𝝆. 𝑪𝒑 . 𝑽. 𝑻(𝒕 + 𝒅𝒕) − 𝑻(𝒕)

avec : 𝑭 : variable qui dépend du 𝑃𝐶𝐼 ( pouvoir calorifique inférieur) du pétrole, de l’état de la vapeur d’eau, et de l’état de l’air admis ; 𝑻𝒎 : température maximale de palier atteinte par les gaz chauds à l’intérieur du volume 𝑉

𝑒𝑛 °𝐾 ;

𝑇 = 𝑻(𝒕): température instantatnée des gaz chauds ; 𝝆 : masse volumique du gaz dans 𝑉

𝑒𝑛 𝑘𝑔/𝑚3 ;

𝑪𝒑 : chaleur spécifique du gaz dans 𝑉

𝑒𝑛 𝐽/𝑘𝑔. 𝐾

𝑉: volume de l’enceinte du four (intérieur)

;

𝑒𝑛 𝑚3 ;

𝑻(𝒕 + 𝒅𝒕): température à l’instant 𝒕 + 𝒅𝒕. La variable 𝑭 peut être réécrite en fonction des puissances 𝑃𝐵 et 𝑃𝑃 sous forme de : 𝐹 = 𝑃𝐵 − 𝑃𝑃

(6.9)

Avec : 𝑃𝐵 : Puissance du feu émise par le brûleur, 𝑃𝑃 ∶ Puissance évacuée en pertes. 𝐹. (𝑇𝑚 − 𝑇). 𝑑𝑡 = 𝜌. 𝐶𝑝 . 𝑉. 𝑑𝑇

(6.10)

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Chapitre 6

Théorie du Calcul thermique du four PL de laboratoire

⟹

𝐹.(𝑇𝑚 −𝑇) 𝜌.𝐶𝑝 .𝑉

=

𝑑𝑇

(6.10.a)

𝑑𝑡 𝒅𝑻

Soit

𝑻−𝑻𝒎

=−

𝑭

𝑑𝑡

𝝆.𝑪𝒑 .𝑽

(6.10.b)

En intégrant la relation (6.12.b) par rapport au temps, nous pouvons avoir accès à l’évolution de la température dans le four. En effet, nous avons : 𝐥𝐧 𝑻 − 𝑻𝒎 = −

𝑭.𝒕 𝝆.𝑪𝒑 .𝑽

+ 𝒄 où c est une constante.

(6.11)

A 𝑡 = 0, 𝑇 = 𝑇0 et 𝑐 = ln(𝑇0 − 𝑇𝑚 ) Par suite, 𝐹.𝑡

ln 𝑇 − 𝑇𝑚 = − ⟹ ln 𝑇−𝑇𝑚 𝑇0 −𝑇𝑚

𝑇−𝑇𝑚 𝑇0 −𝑇𝑚

=−

𝜌.𝐶𝑝 .𝑉

+ ln(𝑇0 − 𝑇𝑚 )

𝐹.𝑡

(6.11.b)

𝜌.𝐶𝑝 .𝑉

= exp (−

𝐹.𝑡 𝜌.𝐶𝑝 .𝑉

)

(6.11.c)

𝑇(𝑡) = 𝑇𝑚 + (𝑇0 − 𝑇𝑚 ). 𝑒𝑥𝑝 ( Si

le

rapport

(6.11.a)

𝜏=

𝜌.𝐶𝑝 .𝑉 𝐹

est

−𝐹.𝑡 𝜌.𝐶𝑝 .𝑉

égal

)

à

(6.12) une

Constante,

−𝒕

𝑻(𝒕) = 𝑻𝒎 − (𝑻𝒎 − 𝑻𝟎 ). 𝒆𝒙𝒑 ( ) 𝝉

alors :

(6.13)

Où 𝑇0 est prise égale à la température au temps t = 0 du lancement du feu dans le four.

6.3.3. Rendement énergétique du four Le rendement 𝑟 d’un four est le rapport de l’énergie utile 𝑄𝑢 à l’énergie 𝑄 qu’il faut fournir au four sous forme de combustible. En appelant 𝑄𝑝 les diverses pertes thermiques, il vient : 𝑄 = 𝑄𝑢 + 𝑄𝑝 et

𝒓=

𝑸𝒖 𝑸

=

𝑸−𝑸𝒑 𝑸

(6.14) 𝑒𝑛 %

(6.15)

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Chapitre 6

Théorie du Calcul thermique du four PL de laboratoire

Le terme 𝑄𝑝 comprend : - les pertes par les fumées 𝑄𝑓 ; - les pertes par les parois 𝑄𝑣 ; - l’énergie nécessaire au réchauffage des parois 𝑄𝑚𝑣 ; - les pertes par les ouvertures des portes 𝑄𝑒 . Il y a lieu de déterminer ces pertes afin de calculer le rendement du four. 6.3.3.1. Les pertes par les fumées Les pertes par les fumées s’écrivent : 𝑸𝒇 = 𝑽𝒇 . 𝑪𝒑𝒇 . 𝑻𝒇

(6.16)

Avec : 𝑇𝑓 : la température de sortie des fumées (en °C) ; 𝑉𝑓 : le volume des fumées (en Nm3/kg) ; 𝐶𝑝𝑓 : la capacité thermique volumique moyenne à pression constante dans l’intervalle de température 0°C à 𝑇𝑓 . 6.3.3.2. Les pertes par les parois Dans les fours continus, en régime thermique établi, on applique pour les parois planes (murs, sole, voûte) la relation : 𝑸𝒗 = 𝑲. 𝑺. (𝑻𝒊 − 𝑻𝒆 )

(6.17)

Avec : 𝑲=

𝟏 𝒆 𝟏 +∑ 𝒊 𝒉𝒆 𝝀𝒊

(6.18)

𝑒𝑖 : épaisseur des 𝑖 couches successives de réfracteurs ou d’isolants 𝑒𝑛 𝑚 ; 𝜆𝑖 : conductivité thermique des 𝑖 couches successives de réfracteurs ou d’isolants ; ℎ𝑒 : coefficient d’échange de la paroi externe avec l’ambiance ; 𝑇𝑖 : température de la paroi interne du four ; Mémoire/ Licence Professionnelle en Génie Energétique de l’IUT-LOKOSSA/UAC Présenté et soutenu par DOTOU Samuel & ALLI Makssoud/ Juillet 2012. Page 64

Chapitre 6

Théorie du Calcul thermique du four PL de laboratoire

𝑇𝑒 : température externe ambiante ; S : surface externe du four. Les pertes par les parois calculées de cette façon sont dans le cas général légèrement majorées pour tenir compte des effets de bords et d’angles où les déperditions peuvent être sensiblement plus importantes que celles calculées pour un mur plan. Cette majoration ne dépasse pas 10 à 15 % de la valeur obtenue par le calcul. 6.3.3.3. L’énergie nécessaire au réchauffage des parois Le calcul de l’énergie nécessaire au réchauffage des parois Qmv demande la connaissance de la distribution de température dans les parois lorsque l’équilibre thermique est atteint, ainsi que celle des caractéristiques physiques, à la température considérée, des matériaux composants ces parois. Pour chacun des composants des parois, on a : 𝑸𝒎𝒗𝒊 = 𝑴𝒊 . 𝑪𝒊 . (𝑻𝒇 − 𝑻𝒊 )

(6.19)

𝑀𝑖 : masse du matériau considéré ; 𝐶𝑖 : capacité thermique massique du matériau considéré ; 𝑇𝑖 𝑒𝑡 𝑇𝑓 : températures initiales et finales du matériau. - 𝐶𝑖 étant le plus souvent fonction de la température, on prendra la valeur moyenne entre 𝑇𝑖 𝑒𝑡 𝑇𝑓 ; - Les températures 𝑇𝑖 𝑒𝑡 𝑇𝑓 variant dans l’épaisseur de la paroi, on prendra les valeurs moyennes entre les deux faces de la paroi. Les fours continus étant assez peu souvent arrêtés et refroidis, l’énergie utilisée durant les périodes de mise en température est souvent négligeable dans le bilan global d’exploitation.

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Chapitre 6

Théorie du Calcul thermique du four PL de laboratoire

D’une façon générale, le calcul du rendement se fait sur une base horaire ; la chaleur utile 𝑄𝑢 et les pertes 𝑄𝑣 et 𝑄𝑒 seront déterminées sur une heure. Pour un four, nous distinguons le rendement de combustion et le rendement en exploitation. Le rendement de combustion (application à la combustion du PL) sera traité en annexe de ce document. 6.3.4. Rendement en exploitation En exploitation les conditions sont variables : - le four n’est pas utilisé en permanence à sa production maximale ; - certaines installations fonctionnent d’une façon discontinue. Cela entraîne une consommation énergétique qui peut être sensiblement supérieure à celle obtenue lors d’un essai limité dans le temps. On utilise alors la notion de consommation spécifique Cs qui est le rapport de l’énergie totale utilisée pendant une période donnée (par exemple un mois) à la quantité de produit chauffé ou traité durant la même période : 𝑪𝒔 =

é𝒏𝒆𝒓𝒈𝒊𝒆 𝒄𝒐𝒏𝒕𝒆𝒏𝒖𝒆 𝒅𝒂𝒏𝒔 𝒍𝒆 𝒄𝒐𝒎𝒃𝒖𝒔𝒕𝒊𝒃𝒍𝒆 𝒎𝒂𝒔𝒔𝒆 𝒅𝒆 𝒑𝒓𝒐𝒅𝒖𝒊𝒕𝒔 𝒄𝒉𝒂𝒖𝒇𝒇é𝒔

(6.20)

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Chapitre 7

Impacts de la réalisation du four PL

Chapitre 7 : Impacts de la réalisation du four PL.

Comme tout travail de réalisation, le four réalisé a des impacts qu’ils soient directs ou indirects. Dans son concept de four de laboratoire, ces impacts concernent surtout le niveau didactique. Si ce four venait à être vulgarisé, les impacts s’aperçoivent à deux niveaux : au niveau socioéconomique et du développement humain, et au niveau environnemental. 7.1.

Impacts au niveau pédagogique Le four réalisé permettra sur le plan pédagogique aux étudiants de

consolider leur savoir dans le domaine des échanges thermiques et surtout d’avoir une notion assez claire du rôle des échangeurs de chaleur. C’est dire donc que le four sera dans cette dénomination consacré à des expériences en laboratoire et limitera ainsi le manque de matériels auxquels nos établissements sont confrontés dans les recherches. 7.2.

Impacts au niveau socio-économique et du développement humain Lorsque le four à pétrole lampant atomisé à la vapeur d’eau est

vulgarisé, il engendrera des conséquences au plan économique et dans l’amélioration des conditions de vie et de travail des utilisateurs (développement humain). Ces impacts seront perçus sur deux niveaux, c’est-à-dire les impacts directs et la rentabilité économique à moyen et long termes. 7.2.1. Impacts directs Les conséquences directes sont essentiellement liées :  à la création d’emploi lors de la réalisation, la fourniture de matériel et de prestation de services qui s’ensuivent par les entreprises locales ;

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Chapitre 7

Impacts de la réalisation du four PL

 à la transformation des habitudes de la population riveraine à travers la réalisation de petites activités économiques. En effet, pendant la construction et l’exploitation de l’équipement, il y aura des activités économiques qui vont se créer : vente de nourriture, transport, communication, et diverses prestations de services. 7.2.2. Au niveau de la rentabilité économique En termes de rentabilité économique, il s’agit :  de la réduction du taux de chômage car la production et la commercialisation des matériaux céramiques engendreront l’emploi des jeunes ;  des nouvelles techniques de production qui apporteront inévitablement un changement socio-économique positif au développement régional. 7.3. Impacts environnementaux La plupart des problèmes environnementaux sont dus aux activités humaines et trouvent leur origine dans la production, la transformation, le transport et l’utilisation finale de l’énergie. En effet, lors de l’exploitation du four PL pour la fabrication de produits céramiques, nous assisterons à des émissions dans l'air, dans l'eau, dans le sol (déchets) et des émissions de bruit. 7.3.1. Emissions dans l’air Les émissions dans l’air concernent le rejet dans l’atmosphère des particules/poussières, de la suie, … En effet, le traitement des argiles et autres matières premières céramiques conduit inévitablement à la formation de poussières en particulier, dans le cas de matières sèches. Le séchage (notamment le séchage par atomisation), la fragmentation (concassage, broyage), le criblage, le mélange et le convoyage peuvent tous provoquer le soulèvement de fines poussières, ce qui demande un équipement de Mémoire/ Licence Professionnelle en Génie Energétique de l’IUT-LOKOSSA/UAC Présenté et soutenu par DOTOU Samuel & ALLI Makssoud/ Juillet 2012. Page 68

Chapitre 7

Impacts de la réalisation du four PL

dépoussiérage. Des poussières se forment également au cours de la décoration et de la cuisson des céramiques, et pendant les opérations d'usinage ou de finition effectuées sur les céramiques cuites. La poussière est l'un des principaux polluants, en termes quantitatifs, produits par les procédés céramiques. A tout cela s’ajoute le rejet des gaz de combustion qui contribue à la dégradation de l’environnement par la présence des gaz à effet de serre (CO2, H2O etc.) et dont l’impact sur l’environnement est local, régional et mondial. Ces émissions gazeuses concernent : le dioxyde de souffre et autres composés de souffre SOx (SO2 principalement), les oxydes d’azote (NOx) et autres composés de l'azote, le monoxyde de carbone et le dioxyde de carbone (CO et CO2), les Composés Organiques Volatils (COV), les métaux et leurs composés, le chlore et ses composés. Cependant, le choix du pétrole lampant comme combustible apparait paradoxalement comme une solution au problème de l’émission de CO2 qui, faut-il le rappeler demeure le principal GES. En effet, en développant un autre combustible autre que le bois, le couvert végétal va s’agrandir et bien se développer. Or, les végétaux absorbent une partie du CO2 de l’atmosphère au cours de la photosynthèse ; donc plus ces végétaux seront nombreux et moins il y a aura de CO2 dans l’atmosphère. Par ailleurs, la très faible teneur en soufre dans le pétrole lampant limite les émissions de dioxyde de soufre (SO2) à un niveau extrêmement bas. 7.3.2. Emissions dans l’eau Par rapport aux émissions dans l’eau, il faut noter qu’il s’agit principalement des matières en suspension (argiles, frittes et silicates insolubles en général, des anions dissous (sulfates), des métaux lourds en suspension et dissous (plomb et zinc par exemple), de bore en Mémoire/ Licence Professionnelle en Génie Energétique de l’IUT-LOKOSSA/UAC Présenté et soutenu par DOTOU Samuel & ALLI Makssoud/ Juillet 2012. Page 69

Chapitre 7

Impacts de la réalisation du four PL

petites quantités et des traces de matière organique (colles utilisées dans les opérations d’émaillages). 7.3.3. Déchets de production Les déchets engendrés par la fabrication des produits céramiques sont essentiellement constitués de différents types de boues, de déchets de casse, de moules en plâtre usagés, d'agents de sorption usés, de résidus solides (poussières, cendres) et de déchets d'emballage 7.3.4. Emissions sonores Les émissions sonores sont liées à du bruit qui se produit lors des différentes étapes des procédés de fabrication de produits céramiques, en raison principalement du fonctionnement de machines génératrices de bruit et du fait de la mise en œuvre de procédures de travail bruyantes. 7.3.5. Mesures de prévention des problèmes environnementaux Les mesures de prévention des problèmes environnementaux suscités par le fonctionnement du four PL et de la collecte des matières premières vont de la réduction de la consommation d’énergie à la prévention des émissions gazeuses. 7.3.5.1. Réduction de la consommation d’énergie La réduction de la consommation d’énergie passe par une meilleure étanchéité et isolation thermique des fours, l’utilisation des brûleurs à haute impulsion, la récupération de la chaleur résiduelle du four et par la modification des pâtes céramiques et la conception améliorée des fours. 7.3.5.2. Préventions des émissions de poussière (particules) Les techniques et les mesures destinées à empêcher les émissions diffuses et les émissions canalisées de poussière concernent : Mémoire/ Licence Professionnelle en Génie Energétique de l’IUT-LOKOSSA/UAC Présenté et soutenu par DOTOU Samuel & ALLI Makssoud/ Juillet 2012. Page 70

Chapitre 7

Impacts de la réalisation du four PL

- les mesures pour les opérations génératrices de poussières ; - les mesures pour les zones de stockage en vrac ; - les systèmes de séparation/filtration. 7.3.5.3. Prévention des émissions gazeuses Cette prévention fait appel à l’utilisation des matières premières et d’additifs à basse teneur en Soufre, en Fluor ou en Chlore pour réduire les émissions respectivement de SOX, de fluorure et de chlore et la minimisation des composés azotés dans les matières premières et les additifs, les agglomérats, etc., pour réduire les émissions de NOX et de COV.

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CONCLUSION GENERALE

CONCLUSION GENERALE Avec l’évolution du monde et l’inauguration des nouveaux plans de développement, nous assistons à une forte concentration de la population dans les centres urbains entraînant un impérieux besoin en logements. Dans les pays de la sous-région ouest-africaine, la production et l’emploi des matériaux de construction faits à base de matières premières localement disponibles (argile, terre rouge etc.) demeurent un facteur économiquement avantageux. En effet, sans les fours, le domaine de la production et l’emploi des produits céramiques à diverses fins ne peut connaître un réel essor et il urge de repenser la conception des fours afin d’optimiser leur performance. Dans cette étude, les améliorations apportées au four conçu par les étudiants VODOUNON et HOUANVO concernent entre autres la structure du four, la mise au point au point d’un brûleur double échangeurs et à trois fluides, le système de récupération de la chaleur des fumées et l’intégration des échangeurs de chaleur au niveau de la voûte du four. L’étude va plus loin en proposant le champ de température dans le fonctionnement du four afin de maîtriser la température de cuisson. Malheureusement, ce four n’a pas pu être réalisé dans son entièreté pour diverses raisons. L’adaptation à ce four d’une forme d’énergie renouvelable (le solaire par exemple) serait un atout majeur et pour cela d’autres études ne sont pas exclues surtout que nous n’imaginons pas avoir fait un travail parfait.

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BIBLIOGRAPHIE

BIBLIOGRAPHIE [1]

Ouro-Djobo SAMAH - Etude et mise au point d’un four à pétrole lampant atomisé

à la vapeur d’eau : application à la cuisson céramique – Thèse, EPAC, 2005 [2]

Enock VODOUNON & Arnaud HOUANVO Etude et conception d’un four de

laboratoire à pétrole lampant atomisé à la vapeur d’eau- Mémoire, IUT-LOKOSSA, 2010 [3]

Maxime SEHOU & Hervé ABBO- Etude et conception d’un réchaud multi-

combustibles (à pétrole et à gaz) – Mémoire, IUT-LOKOSSA, 2010 [4] Diala ABDO - Modélisation dynamique et supervision des fours de réchauffage continus de la sidérurgie, Thèse, Ecole des Mines de Paris, Octobre 2006 [5] Ing René AKAKPO - Cours : Thermique I (IUT/Lokossa) - 2011-2012 [6] Grandes Installations de Combustion, Commission Européenne, Juillet 2006 [7] O.D. SAMAH, A. VIANOU, E. SANYA, E.K. Atcholi, Echanges thermiques dans un four à combustible eau sous pression et pétrole lampant : modélisation d’un cycle de cuisson, Journal des Sciences pour l’Ingénieur N°6/2006 – p. 11- 17 [8]

Sites Internet et moteurs de recherches  http/www.theses.abes.fr  (2012) « Combustibles et combustion », http://smart2000.pagesperso orange.fr/combustibles_et_combustion.htm  INRS,(2012) : « PETROLES LAMPANTS », http://www.inrs.fr/INRSPUB/inrs01.nsf/IntranetObject-accesParReference/FT+140/$File/ft140.pdf  « Fours et chaudières industrielles (Isidore JACUBWEIZ) », http:// www.techniques-de-lingenieur.com

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ANNEXES

Annexe 1 : Quelques définitions ARGILE : (ou terre, ou terre glaise) Matériau de la céramique provenant de la décomposition des roches sous-jacentes. Imbibée d’eau, elle est imperméable et malléable. Mémoire/ Licence Professionnelle en Génie Energétique de l’IUT-LOKOSSA/UAC Présenté et soutenu par DOTOU Samuel & ALLI Makssoud/ Juillet 2012. Page 74

ATOMISATION : réduction d’un corps en particules très fines ou en minuscules gouttelettes. BRULEUR : appareil qui assure le contact et le réglage entre le combustible et l’oxygène de l’air pour permettre la combustion. CERAMIQUE : Toute argile ayant subi une cuisson à une température de 600°C au moins, entraînant une modification chimique irréversible. CHEMINEE : construction destinée à l’évacuation des fumées dans les installations de combustion. CONDUCTION : c’est la transmission de proche en proche de la chaleur à travers les corps solides opaques sous l’influence d’une différence de température et sans déplacement de matière. CONVECTION : transfert de chaleur entre un solide et un fluide avec déplacement de la masse du fluide. DEFLECTEUR : dispositif destiné à modifier la direction d’un flux. RAYONNEMENT : émission d’ondes électromagnétiques par un corps chauffé. VAPORISTION : Passage d’un corps de l’état liquide à l’état gazeux sous l’effet de la chaleur ou du vide.

Annexe 2 : Application de la combustion du pétrole lampant  Notion de combustion

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On désigne généralement sous le nom de combustion, une réaction chimique qui s’effectue entre deux corps avec dégagement de chaleur et de lumière. En technique industrielle, la combustion désigne les réactions chimiques de combinaison d’un corps avec l’oxygène (avec dégagement de chaleur et de lumière), on appelle ce corps combustible. La réaction chimique de combustion ne peut se produire que si l'on réunit trois éléments : - un combustible ; - un comburant : la plupart du temps, il s’agit de l’air ambiant, et plus particulièrement de l’un de ses composants principaux, le dioxygène; - une énergie d'activation (en quantités suffisantes) : Il s’agit généralement de chaleur. Il existe plusieurs façons de fournir l’énergie d’activation : l'échauffement du frottement dans le cas de l’allumette, le câble électrique qui chauffe, ou une autre flamme, une étincelle, l’électricité, la radiation, la pression… qui permettront toujours une augmentation de la température. On représente de façon symbolique cette association par le triangle du feu. De la même manière, la combustion cesse dès qu'un élément du triangle est enlevé.

L’équation générale de la combustion se présente comme suit :

La combustion peut être complète ou incomplète.  Application de la combustion au pétrole lampant

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Lorsque l’oxygène est en quantité suffisante, la combustion du pétrole lampant dans l’air donne comme produits le dioxyde de carbone et de l’eau. Cependant, une quantité insuffisante d’oxygène entraîne aussi la formation du monoxyde de carbone. Nous établirons à titre d’exemple les équations chimiques de combustion du pétrole lampant de formule brute C10H22. Ces équations caractéristiques de la combustion complète et incomplète de ce combustible dans le dioxygène se présentent comme suit : 2 C10H22 + 31 O2 → 20 CO2 + 22 H2O 2 C10H22 + 21 O2 → 20 CO + 22 H2O L’équation caractéristique de la combustion du pétrole lampant de formule brute C10H22 dans l’air est : C10H22 + 15,5 O2 + 58,28 N2 → 10 CO2 + 11H2O + 58,28 N2  Evaluation du potentiel énergétique de la combustion du pétrole lampant La composition centésimale du pétrole lampant est énumérée comme suit : c + h + o +

n + s+ω

85, 7 + 14, 3 + 0 + 0 + 0 + 0

(%)

Evaluons les différents paramètres caractérisant le kérosène dans la réaction de combustion d’une unité de masse de ce combustible.

- Le Pouvoir Calorifique Le pouvoir calorifique est c'est la quantité de chaleur produite par la combustion totale d'une quantité unitaire de combustible. On distingue le Pouvoir Calorifique Inférieur (PCI) et le Pouvoir Calorifique Supérieur (PCS)  Le Pouvoir Calorifique Inférieur (PCI) C’est la quantité d'énergie dégagée par la combustion complète Mémoire/ Licence Professionnelle en Génie Energétique de l’IUT-LOKOSSA/UAC Présenté et soutenu par DOTOU Samuel & ALLI Makssoud/ Juillet 2012. Page 77

d'un kg ou d'un m3 de combustible, l'eau étant produite à l'état vapeur (unité kJ.kg-1 ou kJ.m3). Le pouvoir calorifique inférieur PCI du pétrole lampant est égal à 43105 kJ/kg.  Le Pouvoir Calorifique Supérieur (PCS) Il s’agit l'énergie dégagée par la combustion complète d'un kg ou d'un m3 de combustible, l'eau étant produite à l'état liquide (unité kJ.kg -1 ou kJ.m3). La différence

entre PCI et PCS étant due à la chaleur

de

condensation de l’eau contenue dans les fumées, alors on donne dans les manuels la formule suivante du PCS : PCS = PCI + 5400 h + 600 ω (kcal/kg) Appliquée au cas de la combustion du pétrole lampant, cette relation nous permet d’écrire à partir de la composition centésimale et du PCI du pétrole lampant que le PCS du pétrole lampant est : PCS =

43105 𝟒,𝟏𝟖

+ 5400× 𝟎, 𝟏𝟒𝟑 + 600× 𝟎 (kcal/kg)

PCS = 11084, 4009 (kcal/kg) - Le pouvoir comburivore C'est la quantité d'air nécessaire pour brûler une quantité unitaire de combustible, en kg d'air par kg de combustible (pour les solides) ou en Nm3 d'air par Nm3 de combustible (pour les gaz). Pour les combustibles solides et liquides, le pouvoir comburivore s’exprime par : 𝑉𝑎 = 8,89 c + 26,67 h + 3,33 (s – o)

𝑁𝑚3 /kg

Pour la combustion du pétrole lampant, on obtient : 𝑉𝑎 = 8,89 × 0,857 + 26,67 × 0,143 + 3,33 × 0

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𝟏𝟏, 𝟒𝟑𝟐𝟓𝟒 𝑵𝒎𝟑 𝑽𝒂 = 𝐤𝐠 - Le pouvoir fumigène C'est la quantité de fumées produites par la combustion à l'air d'une quantité unitaire de combustible, en kg de fumées par kg de combustible ou Nm3 de fumées par Nm3 de combustible. Pour le calcul du pouvoir fumigène, il conviendra de considérer un coefficient d’excès d’air égal à 1, soit une combustion neutre. Le pouvoir fumigène sec des combustibles liquides est donné par : 𝑉𝑠 = 8,89 𝑐 + 21,07 ℎ + 3,33 𝑠 + 0,8 𝑛 – 2,63 𝑜

𝑁𝑚3 𝑘𝑔

Pour la combustion du PL, nous avons: 𝑉𝑠 = 8,89 × 0,857 + 21,07 × 0,143 + (3,33 + 0,8– 2,63 ) × 0 𝑵𝒎𝟑 𝑽𝒔 = 𝟏𝟎, 𝟔𝟑𝟏𝟕𝟒 𝒌𝒈 Le volume de vapeur d’eau résultant de combustion d’hydrogène. Ve = 11,2 h Nm3 Le pouvoir fumigène humide quant à lui, est égal à: 𝑉𝑓 = 𝑉𝑠 + 11,2 ℎ Soit 𝑉𝑓 = 12,23334

𝑁𝑚3 𝑘𝑔 𝑁𝑚3 𝑘𝑔

 Rendement de la combustion du PL - Les pertes de chaleur par les fumées s’écrivent : 𝑄𝑓 = 𝑉𝑓 . 𝐶𝑝𝑓 . 𝑇𝑓 (confère chapitre 4 de ce rapport) ; - La chaleur apportée par l’air s’écrit : 𝑄𝑎 = 𝑉𝑎 . 𝐶𝑝𝑎 . 𝑇𝑎 où 𝑇𝑎 est la température de l’air à son entrée dans le four (en °C) et 𝐶𝑝𝑎 la capacité thermique volumique à pression constante de l’air ; Mémoire/ Licence Professionnelle en Génie Energétique de l’IUT-LOKOSSA/UAC Présenté et soutenu par DOTOU Samuel & ALLI Makssoud/ Juillet 2012. Page 79

On appelle rendement de combustion le rapport : 𝑟𝑐 =

𝑃𝐶𝐼 + (𝑄𝑎 − 𝑄𝑓 ) 𝑃𝐶𝐼

Le rendement de combustion ne dépend que du combustible, des conditions d’excès d’air dans lequel il est brûlé et de la température des fluides entrant et sortant du four. Il ne dépend pas du type de four, ni de sa technologie.

Annexe 3 : Tables incluant les caractéristiques des briques réfractaires

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Annexe 4 : Modélisations sur TopSolid 2008 Annexe 4.1 : Présentation générale du four

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Annexe 4.2 : Les brûleurs

Annexe 4.3 : Les échangeurs

Annexe 4.4 : Porte Mémoire/ Licence Professionnelle en Génie Energétique de l’IUT-LOKOSSA/UAC Présenté et soutenu par DOTOU Samuel & ALLI Makssoud/ Juillet 2012. Page 83

Annexe 4.5 : Traverse de la porte et la voûte

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