Récupération de la chaleur fatale : application aux fours rotatifs

Heat recovery exchanger applied to the rotary kiln equipment

• Auteur / Autrice : Maxime Piton
• Direction : Bogdan Cazacliu
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des procédés
• Date : Soutenance le 06/11/2015
• Etablissement(s) : Nantes, Ecole des Mines
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences pour l'Ingénieur, Géosciences, Architecture
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de génie des procédés - environnement - agroalimentaire / GEPEA - Institut Français des Sciences et Technologies des Transports, de l'Aménagement et des Réseaux
• Jury : Président / Présidente : Fabrice Patisson
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Olivier Le Corre, Florian Huchet
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Sylvain Guillou, Jérôme Morchain

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matériaux bitumineux

Turbulence

Fours rotatifs

Échangeurs de chaleur

Mots clés libres

Four rotatif

Enrobé bitumineux

Transfert thermique

Taylor-Couette-Poiseuille

Turbulence

SGS

Rotary kiln

Hot Mix Asphalt

Heat transfer

Taylor-Couette-Poiseuille

Turbulence

LES

Résumé

Ce travail de thèse part d’un constat : d’importantes pertes thermiques sont observées lors de l’élaboration des matériaux du génie civil. Motivés par l’ajout d’une double enveloppe, les travaux contenus dans ce manuscrit visent à caractériser un échangeur de chaleur appliqué en paroi des fours rotatifs. Tout d’abord, un modèle intégré est développé, puis validé sur une centrale d’enrobage dont la paroi intérieure du four est munie de releveurs nécessaires au mélange des matériaux. Leur distribution dans la section transversale est estimée à partir d’une loi de déchargement granulaire. Les expérimentations numériques montrent que les transferts Gaz / Solide et Solide / Paroi dominent, ce dernier phénomène limitant les performances globales du procédé. L’ajout de l’échangeur sur paroi mobile est quant à lui exploré sur un banc d’essai instrumenté de type rotor-stator, avec entrée tangentielle. Développant un écoulement de type Taylor-Couette-Poiseuille, les transferts thermiques pariétaux sont caractérisés expérimentalement. Les résultats sont sans équivoque dans la gamme de nombres de Reynolds imposés : la contribution du mouvement axial surpasse le mouvement rotationnel turbulent. Une corrélation adimensionnelle basée sur le nombre de Nusselt est proposée afin d’estimer numériquement l’effet de l’échangeur sur les profils de température internes dans le four. Enfin, les structures tourbillonnaires de l’écoulement dans l’espace annulaire sont étudiées à partir d’un code de mécanique des fluides numériques utilisant la Simulation aux Grandes Echelles. Les simulations permettent de décrire les cellules contrarotatives au sein de la couche limite turbulente dont l’amplitude et la fréquence de passages sont reliées aux paramètres de fonctionnement de l’échangeur (débit axial et vitesse de rotation du four).

This work results on a finding: the heat loss from rotary kiln represents a significant energy amount during materials processing in civil engineering domain. Motivated by traditional energy recovery methods from heat exchanger, this thesis is aimed at providing their rigorous thermodynamic diagnostics. Firstly, a thermal-granular model is developed, and then validated in asphalt plant whose the rotary kiln is composed of flights to ensure the materials mixing. Their cross-section distribution is calculated from a granular discharge law. The numerical experiments showed an increase of heat transfer phenomena between gases and solids, and those between the solids and the wall, this latter phenomenon limiting the process performances. Heat recovery exchanger applied to the rotary kiln is studied from a semi-industrial pilot based on a rotor stator configuration including a tangential inlet. Developing a Taylor-Couette-Poiseuille flow, the heat transfer results are undoubted in the range of the studied Reynolds numbers: the axial motion contribution is larger than the rotational turbulent motion. A dimension less criterion is proposed in order to be applied to the aforementioned integrated model including the heat exchanger applied to the rotary kiln, its effect being assessed upon the internal thermalprofiles. Finally, the vortices flow structure within the annular gap exchanger is studied from Large Eddy simulation. The amplitude and frequency passage of the contrarotatives cells located in the turbulent boundary layer are connected to the process parameters (the axial flowrate and the kiln shell rotation).