ÉTUDE DES ÉCONOMIES D'ÉNERGIE DANS 

LES REVÊTEMENTS DE WAGON

OBJECTIF

L'objectif de la présente étude est de quantifier les économies d'énergie réalisables avec une nouvelle dalle légère et des fausses soles légères. Ce calcul est basé sur une expérience pratique réalisée dans une briqueterie existante. Il a été possible de comparer
deux types de revêtement différents dans des conditions réelles:

  1. Revêtement de wagons de four constitué de dalles pleines pressées à sec et des fausses soles, utilisés d’abord pour équiper l'ensemble des wagons. À partir de maintenant, nous l'appellerons WAGON DE FOUR.

  2. Revêtement de wagon de four constitué de dalles creuses extrudées et de fausses soles creuses fabriqués par Forgestal/Campo. Un petit nombre de wagons de four ont été équipés de ce type de pièces, sur cette usine.

On se sert de l'expérience en conditions réelles pour déterminer les températures du réfractaire à l'entrée et à la sortie du four.
Les données de base de l'installation sont les suivantes:

  • Cycle de four: 14 heures

  • Vitesse du four: 30 min / vag

  • Production 48 vag / jour.

  • Taille du wagon: largeur 4,3 m, longueur 3,98 m

  • Brique creuse

 

INTRODUCTION
Dans un four tunnel pour la cuisson d'un matériau céramique, du combustible est utilisé pour chauffer le matériau à une température suffisante pour que la céramisation ait lieu.

Dans un four à briques, le combustible est utilisé pour chauffer le produit jusqu'à une certaine température permettant la cuisson.
Afin d'obtenir un meilleur rendement thermique, une fois que le produit est à sa température de cuisson, il est refroidi, en récupérant cette énergie qui sera utilisée pour chauffer les briques qui suivent.

Dans la section de refroidissement du four, il faut récupérer l'énergie de la pièce cuite, mais aussi du revêtement du wagon du four. Le wagon du four est chauffé alors qu'il traverse la première section du four et accumule de l'énergie. Dans la section de refroidissement du four, une partie de cette énergie accumulée est récupérée, mais pas totalement. Afin d'augmenter l'efficacité thermique, il faut récupérer autant d'énergie que possible. Une fois que le wagon est sorti du four, l'énergie accumulée sur le revêtement sera transférée à l'atmosphère du hangar. Cette énergie ne peut donc pas être réutilisée, il s'agit d'une ÉNERGIE PERDUE.
Il y a deux stratégies principales pour réduire cette quantité d'énergie que les wagons transportent littéralement du four au hangar:

  1. Amélioration de la performance de refroidissement du four. En augmentant la durée de refroidissement (allongeant cette section) ou en augmentant l'efficacité de l'échange de chaleur (vitesse de convection), en augmentant la vitesse de l'air, la
    turbulence, etc.

  2. En utilisant une conception optimisée de wagon de four d'une manière à :

  • Consommer la plus faible quantité d'énergie tout au long de la période de chauffage.

  • Avoir une facilité de refroidissement.

  • Avoir une faible capacité thermique moyenne (ceci est très lié au poids/densité du revêtement). Par conséquent, à la même température, la quantité d'énergie accumulée sera plus faible.

Le point #1 ne concerne qu’a la conception du four. Nous nous concentrerons sur le numéro 2, où la conception du wagon joue un rôle. La meilleure façon de mesurer l'efficacité liée aux aspects décrits est de MESURER LA CHALEUR RESTANTE dans le wagon à la sortie du four.

En comparant les chiffres de deux conceptions différentes, travaillant dans le même four, dans les mêmes conditions, nous pourrons quantifier l'avantage d'une conception par rapport à l'autre, en matière d'économie d'énergie.
(Lorsque nous parlons de chaleur accumulée, il est entendu que nous prenons comme point de référence l'énergie accumulée à la température de l'atmosphère).

CALCUL DE LA CHALEUR PERDUE DANS L'ATMOSPHÈRE DU HANGAR

La chaleur perdue dans l’atmosphère du hangar par les wagons du four est la diFFérence ou bilan entre la chaleur restante à la sortie du four et la chaleur restante à l'entrée ultérieure.

La chaleur restante de n'importe quel élément solide dépend des paramètres physiques:

  1. Masse (kg)

  2. La chaleur spécifique (kcal/kg °C), indique la capacité à stocker la chaleur d'un certain matériau. La chaleur spécifique multipliée par la masse est l'inertie thermique (kcal/°C), c'est-à-dire la chaleur (kcal) nécessaire pour élever d'un degré Celsius la température d'une pièce.

  3. Température

Dans la présente étude, nous comparons deux types de wagons. Les paramètres 1 et 2 dépendent uniquement des matériaux et de la conception du wagon et peuvent donc être calculés de manière analytique.
Cependant, pour connaître les températures, bien que cela puisse être fait de façon analytique (Forgestal a développé une application basée sur les éléments finis pour le faire), nous mesurerons les températures réelles du wagon à la sortie du four.
Les températures ont été mesurées à l'aide d'un appareil infrarouge qui donne immédiatement les températures sur la surface. De cette façon, nous avons mesuré les températures sur plusieurs dalles en différents points afin d'obtenir un chiffre moyen.
Pour simplifier les calculs, on considère que toute la plaque (en profondeur) est à la même température que celle de la face supérieure. Ce raccourci est admissible parce qu'en fait la partie inférieure de la pièce sera plus chaude que la surface supérieure (le refroidissement se fait sur la face supérieure) ; par conséquent les résultats du calcul seront sûrs. En d'autres termes, les économies réelles seront plus élevées que celles qui ont été calculées.

Une fois les donnés obtenues, nous appliquons la formule suivante:

 

                                                 ∆Q reste = ∑ [(T fi - T ii ) · c i · m i ]
Où:
∆Q
reste = Chaleur accumulée
T
fi = température finale de l'élement i
T
ii = température initiale de i
C
i = Chaleur spécifique du matériau de i
m
i = Masse de l'élément
Ci-dessous, nous comparons ces paramètres entre les deux modèles de wagons de four::

 

TEMPÉRATURES

Le tableau ci-dessous montre que les températures à la sortie du four sont très différentes selon la conception du wagon. Dans le cas de la conception Forgestal, la température est de 140º C sur les dalles de noyau et 111°C sur le périmètre, tandis que les
températures dans la conception Solid sont de 225°C et 121°C respectivement.

Dans le dernier tableau, la température du wagon à l'entrée du four a été estimée à 35°C dans les deux modèles. Cette situation représenterait un refroidissement complet du revêtement lorsqu'il se déplace à l'extérieur du four. Cela se produirait lorsque les wagons du four sont hors du four pendant une période
relativement longue.

D'autre part, il peut également arriver que les wagons de four qui viennent juste de sortir du four soient décharges, chargés et introduits à nouveau dans le four dans des délais très courts. Ce temps relativement court ne permettrait pas un refroidissement complet, mais seulement un refroidissement partiel.
La température de ces wagons de four a été mesurée juste avant l'entrée du four : 65°C :

REFROIDISSEMENT COMPLET

Forgestal/Campo

Dalles noyau

Dalles périmètre

Wagon Massif

Dalles noyau

Dalles périmètre

Températures

Sortie

140

111

Entrée

35

35

225

121

35

35

REFROIDISSEMENT PARTIEL

Forgestal/Campo

Dalles noyau

Dalles périmètre

Wagon Massif

Dalles noyau

Dalles périmètre

Températures

Sortie

140

111

Entrée

65

65

225

121

65

65

Dans ce deuxième cas, la perte de chaleur est évidemment moindre.

MASSE

La quantité de masse à réchauer est fondamentale, car l'énergie qu'elle implique sera proportionnelle à celle-ci. Dans la présente étude, seule la chaleur accumulée sur les dalles est prise en compte, rejetant toute la tête accumulée dans des couches plus profondes. Il y a deux raisons : d'une part parce qu'il est évidemment compliqué de connaître et de mesurer la température à des couches plus profondes. D'autre part, les variations de température dans ces couches sont plus faibles, et aussi leur densité est beaucoup plus faible. Par conséquent, sa contribution aux valeurs globales est beaucoup plus faible.

Les comparaisons de poids/masse dans les deux dalles sont présentées dans le tableau suivant:

DALLES

Forgestal/Campo

Dalles noyau

Dalles périmètre

Total Wagon Forgestal/Campo

Wagon Massif

Dalles noyau

Dalles périmètre

Total Wagon Massif

Pièces

kg/un.

un./wagon

kg/wagon

1.678

1.065

1

1.678

1

1.065

2.743

31,8

32,8

77

2.449

40

1.314

3.762

La conception solide pèse 37 % de plus que le wagon du four Forgestal.

CAPACITÉ THERMIQUE

La même valeur a été prise pour les deux modèles. La raison en est que les variations à l'intérieur de matériaux de même nature sont très faibles. La valeur retenue est de 0,29 kcal/kg °C.

PERTE DE CHALEUR DANS L’ATMOSPHÈRE DU HANGAR
En appliquant la formule mentionnée, avec les valeurs décrites, on obtient les résultats suivants:

DALLES- REFROIDISSEMENT COMPLET

Wagon

Énergie (kcal/wag)

Frais/wag

Cycle Four

min/wag

wag/jour

Wagon

Forgestal/Campo

Dalles noyau

Dalles périmètre

51.095

23.507

2,57€

30

52

1,18€

52

30

TOTAL Wagon Forgestal/Campo

Wagon Massif

Dalles noyau

Dalles périmètre

TOTAL Wagon Massif

74.602

3,75€

134.918

32.825

6,79€

30

52

1,65€

30

52

167.743

8,44€

Jour

Énergie (kWh)

3.089

1.421

4.511

8.158

1.985

10.143

Épargne par jour (dalles seulement)

5.632

ÉPARGNE ANNUEL

2.055.590

DALLES- REFROIDISSEMENT PARTIEL

Wagon

Énergie (kcal/wag)

Frais/wag

Cycle Four

min/wag

wag/jour

Wagon

Forgestal/Campo

Dalles noyau

Dalles périmètre

36.497

14.241

1,84€

30

52

0,72€

52

30

TOTAL Wagon Forgestal/Campo

Wagon Massif

Dalles noyau

Dalles périmètre

TOTAL Wagon Massif

50.738

2,55€

113.615

21.396

5,71€

30

52

1,08€

30

52

135.011

6,79€

Jour

Énergie (kWh)

2.207

861

3.068

6.870

1.294

8.163

Épargne par jour (dalles seulement)

5.096

ÉPARGNE ANNUEL

1.859.896

Dans le cas d'un refroidissement complet, il y a une économie de 167.743 - 74.602 = 93.141 kcal par wagon de four. En supposant un cycle dans le four produisant 52 wagons par jour, l'économie journalière serait de 5,632 kWh, soit une économie annuelle de 2,055,590 kWh.
Dans le cas d'un refroidissement partiel, le calcul est analogique.

CALCUL ÉCONOMIQUE

Pour calculer les chiffres économiques, nous avons pris les données suivantes:
Prix du Gaz: 3,46 c€/kWh
Efficacité de l'installation: 80%
Coût effectif de l'énergie: 5,029 x 10E-05 €/kcal
Avec ces données, nous obtenons les résultats suivants:

DALLES - REFROIDISSEMENT COMPLET

Wagon

Énergie (kcal/wag)

Frais/wag

Cycle Four

min/wag

wag/jour

Wagon Forgestal/Campo

Dalles noyau

Dalles périmètre

51.095

23.507

2,57€

30

52

1,18€

52

30

TOTAL Wagon Forgestal/Campo

Wagon Massif

Dalles noyau

Dalles périmètre

TOTAL Wagon Massif

74.602

3,75€

134.918

32.825

6,79€

30

52

1,65€

30

52

167.743

8,44€

Jour

Frais

133,62€

61,74€

195,09€

352,83€

85,84€

438,67€

Épargne par jour (dalles seulement)

244€

ÉPARGNE ANNUEL

88.904€

DALLES - REFROIDISSEMENT PARTIEL

Wagon

Énergie (kcal/wag)

Frais/wag

Cycle Four

min/wag

wag/jour

Wagon Forgestal/Campo

Dalles noyau

Dalles périmètre

36.497

14.241

1,84€

30

52

0,72€

52

30

TOTAL Wagon Forgestal/Campo

Wagon Massif

Dalles noyau

Dalles périmètre

TOTAL Wagon Massif

50.738

2,55€

113.615

21.396

5,71€

30

52

1,08€

30

52

135.011

6,79€

Jour

Frais

95,44€

37,24€

132,69€

297,12€

55,95€

353,07€

Épargne par jour (dalles seulement)

220€

ÉPARGNE ANNUEL

80.441€

L'économie annuelle finale se situera entre 80.441 € et 88.904 € selon la proportion de wagons de four avec refroidissement complet et refroidissement partiel (wagons qui restent un certain temps sur les rails ou wagons qui retournent rapidement dans le four).

FAUSSES SOLES PERFORÉES

Comme pour les calculs sur les plaques, nous avons également calculé les différences entre les supports pleins et les supports perforés de Forgestal.

Dans cette étude, nous n'avons considéré que la chaleur résiduelle accumulée dans les supports de mise en place, en jetant la chaleur accumulée sur la pièce en contact avec les supports de mise en place qui seront à des températures similaires.
Cette simplification fait que l'économie réelle sera plus grande que celle calculée théoriquement. Le tableau de calcul pour les supports de réglage est le suivant:

FAUSSES SOLES

Faus. sol. Forgestal/Campo

Fausses Soles existantes

Wagon

Énergie (kcal/wag)

Frais/wag

SPA

28.397

Binoculaires

42.178

1,43€

2,1€

Cycle Four

min/wag

wag/jour

30

52

30

52

Jour

Frais

74,26€

110,30€

Épargne par jour (fausses soles)

ÉPARGNE ANNUEL

36€

13.154€

L'économie d'énergie est relativement moindre dans le cas des dalles. Bien qu'il y ait une différence de poids importante, les températures des supports de durcissement à la sortie du four sont nettement plus basses parce que le taux masse/surface en contact avec l'air est beaucoup plus bas et donc ils se refroidissent plus rapidement dans la dernière section du four.
Les avantages énormes des supports creux doivent être trouvés dans leurs caractéristiques pour faciliter la cuisson de la pièce, plutôt que d'accumuler moins d'énergie lorsqu'ils sortent du four. Dans cette étude, il n'est pas valorisé le matériau le moins cassé dans les premières couches (ou rendant possible des cycles plus rapides) ou sa durée de vie plus longue, réalisable avec ce type de pièces.

CONCLUSION
L'énergie économisée grâce à la transformation des dalles en dalles creuses Forgestal est considérable, de l'ordre de 85.000 € par an.

En cas de changement des supports de réglage, il y aura une économie annuelle supplémentaire de 13.154 €
Si nous avons à l'esprit que l'investissement nécessaire pour le changement complet du revêtement de 65 wagons de four serait de 476.000 €, il est logique de penser à l'économie d'énergie, comme une motivation pour justifier le changement.

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