COMPORTEMENT THERMIQUE DES WAGONS
DE FOUR TUNNEL EN CYCLES RÉELS DE CUISSON

Forgestal, S.L. a développé un programme de calcul par éléments finis, spécifiquément adapté aux wagons de four tunnel. Tenant compte des caractéristiques du wagon ainsi que de l’évolution des conditions de température et vitesse des gaz au cours du cycle réel de cuisson, il calcule l’évolution des entrées et sorties de chaleur du wagon et aussi l’ évolution des températures dans tous les noeuds d’un réseau de points prédéterminé dans son volume.
Les wagons modernes, construits avec des pièces réfractaires cuites, peuvent paraître tellement similaires entre eux, qu’il n’est pas facile de distinguer entre différentes conceptions, aussi bien sur plans que parfois même face aux wagons réalisés.
Face aux cycles et conditions réels de cuisson, leur comportement en fonctionnement peut être cependant très différent, en raison de détails importants de conception. L’analyse indique, et la réalité confirme, que des wagons très similaires en apparence peuvent présenter des comportements radicalement différents face aux impacts mécaniques, aux agressions thermiques ou aux attaques chimiques. La facilité de nettoyage, la résistance à la pénétration de cassons et la consommation de combustible en cycle réel peuvent être aussi très différents.
Chacun de ces aspects, et encore plus leur ensemble, est important pour la durée de vie et la rentabilité d’un système de wagons, mais dans cet article nous allons nous centrer sur le dernier mentionné : La consommation de combustible.
Le concept intuitif que les wagons lourds consomment plus de chaleur que les légers est essentiellement vrai. (1).
C’est un fait que un wagon mieux isolé transmettra, en régime permanent, moins de chaleur qu’un wagon moins isolé.

Mais ce serait une erreur, en partant de ces deux principes, d'en déduire que deux wagons de poids et de coefficients globaux de transmission identiques auront des consommations similaires en cycle réel. Au fait, les consommations en cycle réel peuvent être
très différentes, même pour des wagons à poids total et coefficients de transmission en régime permanent identiques. Pour une grande part, la consommation réelle dépend plus des densités individuelles, coefficients de transmission individuels et de la disposition physique de chacun des composants du wagon que des poids et transmissions globales.
La cause de cette apparente contradiction est très simple : Les conditions de travail des wagons en cycle réel sont très loin des conditions idéales sur lesquelles le calcul de transmission thermique en régime permanent est basé (2).
En régime permanent, 100% de la chaleur perdue (consommation) correspond à des pertes par transmission.

Les conditions des wagons, spécialement dans les fours modernes avec cycles rarement supérieurs à 36 heures (très souvent inférieurs à 18 heures), sont radicalement différentes. En fait, les pertes par transmission d’un wagon dans le four peuvent aller jusqu'à constituer moins du 20% de la chaleur retenue dans ledit wagon à la sortie du four.
Alors que le calcul des pertes par transmission en régime permanent est relativement simple, le calcul de la chaleur retenue dans le wagon est beaucoup plus complexe, et cela nécessite une préparation soignée ainsi que un programme de calcul puissant.
Forgestal, S.L. a développé un programme de calcul par éléments finis (3), spécifiquement conçu pour faciliter son application aux wagons de fours tunnel. Ce programme, tient compte des caractéristiques du wagon, de l’évolution des conditions de température et vitesse des gaz au long du cycle réel de cuisson, et calcule l’évolution des entrées et sorties de chaleur du wagon. Il donne aussi l’évolution des températures dans tous les noeuds d’un réseau de points prédéterminé dans son volume.

Les points de ce réseau étant situés normalement distants de 1 à 10 mm, l’information obtenue est très dense pour chaque section du wagon. Cette information serait excessive pour présentation et étude. Pour cette raison le programme comprend plusieurs possibilités pour la grouper et la condenser.

Les résultats sont présentés ici regroupés au niveau global du wagon, mais d'autres présentations beaucoup plus détaillées sont utilisées pour l’optimisation des dessins. Les calculs, indépendamment du niveau de groupement, s’effectuent toujours pour chacune des typologies de section qui constituent un wagon.

À titre d’exemples d’applications, nous présentons ici les résultats obtenus pour:

  • Trois possibilités alternatives de conception de wagons destinés à la cuisson de briques de parement à haute température.

  • Deux posibilites alternatives de conception de wagons pour la cuisson de tuiles dans des cassetes en U.

Pour chacune on présente un schéma partiel de section et les résultats graphiques du calcul comme la moyenne de l’ensemble du wagon, comprenant l’évolution des températures moyennes à différents niveaux et la chaleur contenue à chaque instant dans l’ensemble du wagon.

Wag. br. par.1

Wag. br. par.2

Wag. br. par.3

Wag. U-cassette 1

Wag. U-cassette 2

CHALEUR ET TEMPERATURES MOYENNES DE WAGON

           Wagon U-cassettes 2          

TEMPS, en modules de wagon

(1-84) interieur four 1 module=1.050 sec. - (85-106) exterieur four 1 module=6000 sec.

TEMPERATURE ºC

CHALEUR Kcal/wagon

CHALEUR ET TEMPERATURES MOYENNES DE WAGON

Wagon Briques parement 1 (wagon avec fausses soles)

TEMPS, en modules de wagon

(1-70) interieur four 1 module=1.350 sec. - (71-106) exterieur four 1 module=6000 sec.

TEMPERATURE ºC

CHALEUR Kcal/wagon

CHALEUR ET TEMPERATURES MOYENNES DE WAGON

Wagon Briques parement 2 (wagon avec fausses soles)

TEMPS, en modules de wagon

(1-70) interieur four 1 module=1.350 sec. - (71-106) exterieur four 1 module=6000 sec.

TEMPERATURE ºC

CHALEUR Kcal/wagon

CHALEUR ET TEMPERATURES MOYENNES DE WAGON

Wagon Briques parement 3 (wagon avec fausses soles)

TEMPS, en modules de wagon

(1-70) interieur four 1 module=1.350 sec. - (71-106) exterieur four 1 module=6000 sec.

TEMPERATURE ºC

CHALEUR Kcal/wagon

CHALEUR ET TEMPERATURES MOYENNES DE WAGON

           Wagon U-cassettes 1          

TEMPS, en modules de wagon

(1-84) interieur four 1 module=1.050 sec. - (85-106) exterieur four 1 module=6000 sec.

TEMPERATURE ºC

CHALEUR Kcal/wagon

CHALEUR ET TEMPERATURES MOYENNES DE WAGON

Wagon Briques parement 1 (wagon avec fausses soles)

Régime permanent

TEMPS, en modules de wagon

(1-70) 1 module=1.350 sec. - (71-106) 1 module=6000 sec.

TEMPERATURE ºC

À noter: pour raison d’espace, les échelles de temps sont différentes pour le parcours intérieur et l’extérieur du four. Les échelles appliquées sont indiquées dans chaque graphique.

Pour une des options, le Wagon de briques de parement 1, on a calculé aussi l’évolution des températures en régime « presque permanent ». On a calculé l’évolution des températures dans un cycle imaginaire qui commence avec un chauffage identique à celui du cycle normal, mais ensuite toutes les températures se maintiennent autour de 3 jours avec les valeurs qu’elles avaient à la fin de la zone de cuisson.
À la fin de ce temps les températures sont déjà pratiquement stabilisées et se différencient en moins d’un degré de celles qui nous donnerait le calcul en régime permanent.
La comparaison de ce graphique avec celui du cycle normal nous permet observer la grande différence entre les températures des wagons en cycle réel et les températures théoriques en régime permanent.

On montre aussi un tableau résumé de quelques caractéristiques et variables significatives, individualisé pour chacun des deux groupes : Briques de parement, U-cassette.

TABLEAU RÉSUMÉ

Briques parement 1

Température de cuisson

Durée de cycle

Poids total des wagons

ºC

1.180

heures

26,25

Kg

7.550

Température tôle inf. (régime permanent)

Chaleur transmise à la fosse (régime pt.)

ºC

92

Kcal/h wag.

16.600

Température maximale tôle  (cycle réel)

ºC

66

Perte par transmission dans le four (cycle réel)

Kcal/wag.

58.900

Chaleur retenue à la sortie du four (cycle réel)

Kcal/wag.

467.500

Wagon

Briques parement 2

Briques parement 3

U-Cassette 1

U-Cassette 2

1.180

26,25

8.250

1.180

26,25

9.100

1.040

24,50

4.800

1.040

24,50

7.500

98

20.500

92

16.200

87

10.400

108

19.700

77

111.200

614.700

66

49.400

715.400

69

43.100

248.600

73

69.900

489.900

Wagon Briques de parement 1

Wagon U-Cassettes 1

En analysant les données de ce tableau, il est évident que le dessin optimal, (avec de très importants avantages en ce qui concerne la consommation), correspond aux types “Wagon Briques de parement 1” et “Wagon U-cassettes 1”. Sur les photos, on voit quelques wagons réalisés par Forgestal et Refractarios Campo selon ces dessins de principe.
Dans quelques cas cette importante différence en chaleur consommée (transmise + retenue) correspond aux transmissions théoriques calculées en régime permanent (“Wagon Briques de parement 1” comparé avec “Wagon Briques de parement 2” et
“Wagon U-cassettes 1” comparé avec “Wagon U-cassettes 2”) mais dans d’autres, (“Wagon Briques de parement 1” comparé avec “Wagon Briques de parement 3”), la différence de chaleur retenue par le seconde est 53% supérieure à celle du premier même si ses transmissions en régime permanent sont presque égales.

CONCLUSIONES

  1. Le calcul de transmission en régime permanent, indispensable pour la bonne conception d’un wagon, n’est pas du tout utile
    pour le calcul de la chaleur retenue par le wagon à la sortie du four. En réalité, il ne sert même pas pour le calcul des pertes par transmission dans le four.

  2. Les pertes par transmission ainsi que les pertes par la chaleur retenue à la sortie du four ont besoin d’un programme de calcul qui puisse simuler l’évolution du wagon en fonction des conditions variables au cours du cycle de cuisson.

  3. L’intuition, pas vérifiée par un calcul approprié, pourrait donner lieu à de graves confusions au moment d'estimer le comportement thermique d’un wagon.

  4. Le programme de calcul par éléments finis, développé et utilisé par Forgestal, S.L. depuis 1999, s'est révélé être un outil de grande utilité pour optimiser le dessin des wagons avec l’intention d’améliorer les conditions de cuisson et de réduire la consommation.

NOTES

  1. Du fait que les chaleurs spécifiques (capacité calorifique par unité de masse de matériel) des matériaux composants habituels du wagon,
    légers ou lourds, sont très similaires entre eux.

  2. Rappel : Sous conditions théoriques de transmission en régime permanent, ou stabilisé :

    1. Les températures du côté four et du côté fosse sont constantes.

    2. Le flux de chaleur qui traverse toutes les couches du wagon est le même.

    3. La chaleur contenue dans le wagon est constante, sans accumulation ni perte.

  3. Rappel : Cette méthode de calcul, en appliquant les lois physiques aux éléments matériels très petits mais de dimension finie, permet d’eectuer des calculs d’ingénierie qu'il serait impossible d'opérer par le calcul diérentiel classique. Développé en parallèle avec les ordinateurs qui l’ont rendu viable, il est amplement utilisé aujourd’hui en résistance des matériaux, fluides, transmission de chaleur, météorologie, navigation spatiale et tous type de calculs de simulation.

© 2020 FORGESTAL S.L.   Camí Ral, 104 | Polígon Industrial Sud | 08292 ESPARREGUERA | Tel. +34 937 778 707 | Fax. +34 937 787 714 | forgestal@forgestal.com

  • LinkedIn - Grey Circle