Cours 3 Calcul Des Fours [PDF]

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USTHB, Faculté GM & GP, Département : Génie Chimique et Cryogéniques, Spécialité : Génie Pétrochimie

Cours calcul des fours Introduction : Un four est un outil utilisé pour élever la température d’un produit. Il peut être soit : Un équipement destiné uniquement au chauffage (exemple : réchauffage de l’acier avant déformation plastique, réchauffage de pétrole brut avant distillation) ; Un véritable réacteur dans lequel on élabore les produits (exemple : four de fusion de verre, four de vapocraquage de la pétrochimie). Il s’intègre généralement dans une ligne de production complexe dont il est un des éléments. On trouve des fours dans un très grand nombre d’activités industrielles, ce qui rend une approche globale assez délicate. Le présent article traite les fours dans leurs généralités, on s’efforce d’y dégager des caractéristiques communes à l’ensemble des fours. Il introduit une série d’articles portant chacun sur les fours spécifiques à une industrie notamment : Les fours de l’industrie sidérurgique ; Les fours de traitement thermique des métaux ; Les fours de raffinage et de l’industrie chimique ; Les fours de cimenterie ; Les fours de l’industrie verrière ; Les fours des industries céramiques et des produits réfractaires. Dans ces textes, les aspects spécifiques à chaque type de fours seront abordés. I. Dimensionnement du four électrique 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. 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

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Alors nous proposons ici quatre classifications, en fonction : 

du procédé de chauffage : direct ou indirect ;



de la manutention du produit : fours continus ou discontinus ;



du niveau de température ;



du combustible comme les fours à biomasse (bois).

2.1 Classification suivant le mode (procédé) 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.

-

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. -

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 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.

2.2 Classification suivant la manutention des produits traités Dans la manutention des produits traités, on distingue les fours continus et les fours discontinus. -

Fours continus :

Dans un four continu, le produit à chauffer entre à une des extrémités et en ressort à l’autre. C’est le cas : 

des fours de réchauffage de semi-produits (fours à longerons et fours poussants) de la sidérurgie ;



des fours de l’industrie chimique et du raffinage ; 2

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

des fours rotatifs de l’industrie cimentière.

-

- Fours discontinus :

Dans un four discontinu, le produit à chauffer est immobile dans le four ; il est chargé et déchargé (enfourné et défourné) au même endroit. C’est le cas : 

des fours à sole mobile de forge ;



des fours à soles fixes de traitement thermique ;



des fours à cloches mobiles et élévateurs.

Cette 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 ; 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. 2.3 Fours à haute et à basse température : -

Le four à basse température :

Le four à basse température est idéal pour la cuisson lente, le chauffage ou le maintien des produits chauds jusqu’au moment de les servir. Le réglage très précis de la température et une sonde de température intégrée mise à l’intérieur du produit ainsi que deux trous de ventilation réglables permettent de maintenir un contrôle important sur le processus de cuisson.

-

Le four à haute température :

Est utilisé pour améliorer les propriétés physicochimique et mécanique des matériaux. Généralement utilisé pour la consolidation des matériaux pulvérulent (à partir de poudre comprimée) sous l’effet de la température, d’un agglomérat pulvérulent, matériau granulaire non cohésif (souvent dit compact, alors que sa porosité est de 40 %, donc sa compacité de 60%), les particules de la poudre de départ se soudant les unes aux autres pour donner un solide mécaniquement cohésif, ce processus s’appelle frittage. C’est l’une des opérations les plus délicates et souvent la plus coûteuse lors de la préparation des céramiques

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Le terme de frittage regroupe quatre phénomènes différents qui se développent parallèlement et entrent souvent en concurrence : - la consolidation : développement de ponts qui soudent les particules entre elles. - la densification : réduction de la porosité, donc contraction d’ensemble de la pièce. - le grossissement granulaire : grossissement des particules de grains. - réactions physico-chimiques au sein du matériau en cours de consolidation. 3. Calcul thermique des fours Chaque type de four a évidemment son processus de calcul propre, qui tient compte de sa technologie et de ses utilisations. On ne donnera donc ici que les principes de calcul communs à tous les fours et on se reportera utilement aux articles spécialisés. 3.1 Bilans énergétiques 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 défour-nement ;



la masse des produits à chauffer ;



la chaleur massique des produits et, s’il a lieu, les chaleurs de transformation durant la montée en température.

Soit Qu cette quantité de chaleur utile. 3.1.1 Rendement énergétique Le rendement

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 ou d’électricité. En appellant Qp les diverses pertes thermiques, il vient :

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Le terme

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 du four Qe .

Il y a lieu de déterminer ces pertes pour calculer le rendement du four.

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