Modélisation de la combustion de bois bûches en foyer domestique

Modeling of wood log combustion in stove

• Auteur / Autrice : Mariam Abdo
• Direction : Yann Rogaume, Rabah Mehaddi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences du bois et des fibres
• Date : Soutenance le 20/12/2023
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale SIMPPé - Sciences et ingénierie des molécules, des produits, des procédés, et de l'énergie (Lorraine ; 2018-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LERMAB - Laboratoire d'Études et de Recherche sur le MAtériau Bois (Vandoeuvre-lès-Nancy)
• Jury : Président / Présidente : Sophie Duquesne
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Yann Rogaume, Rabah Mehaddi, Frédéric Marias, Hugues Prétrel, Lucas Terrei, Valérie Tschamber
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Frédéric Marias, Hugues Prétrel

Mots clés

Mots clés contrôlés

Simulation, Méthodes de

Simulation par ordinateur

Charbon -- Combustion

Pyrolyse

Chauffage au bois

Habitations -- Chauffage et ventilation

Mots clés libres

Combustion du bois dans les appareils de chauffage domestiques

Pyrolyse du bois

Oxydation du charbon

Simulation numérique

Fire dynamics simulator

Wood combustion in domestic heating appliances

Wood pyrolysis

Coal oxidation

Numerical simulation

Fire dynamics simulator

Résumé

Cette thèse s'inscrit dans le domaine de la modélisation de la combustion du bois dans les appareils de chauffage domestiques. Son objectif principal est d'améliorer le processus de combustion du bois bûche dans les foyers domestiques en développant une démarche de modélisation complète. Cette démarche vise à prendre en compte l'ensemble des phénomènes impliqués, depuis la pyrolyse du bois sous l'effet de la chaleur jusqu'à l'évacuation des fumées. La première partie de ce travail visait à élaborer un modèle exhaustif de la pyrolyse du bois qui soit performant à la fois en termes de cinétiques et de transfert de chaleur. Cette étude a été menée selon une approche multi-échelle, couvrant à la fois l'échelle matière (ATG) et l'échelle matériau (cône calorimètre). À l'échelle matière, des analyses thermogravimétriques ont été réalisées sur deux types de bois, le hêtre et l'épicéa, dans une atmosphère inerte à différentes vitesses de chauffage. Ces analyses ont conduit au développement d'un modèle cinétique global multi-réactionnel de la pyrolyse du bois. Ce modèle cinétique a ensuite été intégré dans un modèle de transfert de chaleur (1D) pour simuler la pyrolyse d'un échantillon de bois thermiquement épais exposé à un flux de chaleur provenant d'un cône calorimètre. La deuxième partie a impliqué une analyse de l'oxydation du charbon par thermogravimétrie, à la fois dans des conditions dynamiques et isothermes, à différents taux d'oxygène (2%, 10% et 21%). Les essais ont été réalisés à l'aide de deux dispositifs distincts : une micro-thermobalance et une macro-thermobalance, permettant respectivement de représenter l'oxydation des échantillons de charbon thermiquement minces et épais. À la suite de ces analyses, un modèle de l'oxydation du charbon a été développé. Dans la dernière partie, un modèle global a été élaboré, intégrant les deux parties précédemment développées, tout en ajoutant un modèle de combustion en phase homogène des gaz issus de la pyrolyse. L'objectif ultime était de représenter de manière complète le processus de combustion d'une bûche de bois dans un appareil de chauffage domestique. Cette modélisation complète a été mise en œuvre sous le logiciel FDS. Dans cette partie, la modélisation de la combustion du bois dans un foyer domestique a été effectuée selon une complexité progressive, en commençant par la modélisation de la dégradation thermique du bois en 0D, pour aboutir à la représentation complète de la combustion de bûches de bois dans un foyer domestique.

This thesis analyses the modelling of wood combustion in domestic heating appliances. Its main objective is to improve the combustion process of wood logs in domestic appliances by creating a comprehensive modelling approach. This approach aims to take into account all the phenomena involved, from the heat-induced pyrolysis of the wood to the evacuation of the smoke. The first part of this work aimed to develop a comprehensive model for wood pyrolysis that is characterised by kinetics and heat transfer. This study used a multi-scale approach, including both the small scale (ATG) and the large scale (cone calorimeter). At the material scale, thermogravimetric analyses were carried out on two types of wood, beech and spruce, in an inert atmosphere at different heating rates. These analyses led to the development of a global multi-reaction kinetic model for wood pyrolysis. This kinetic model was then integrated into a heat transfer model (1D) to simulate the pyrolysis of a thermally thick wood sample exposed to a heat flux from a cone calorimeter. The second part involved an analysis of char oxidation by thermogravimetry under both dynamic and isothermal conditions and at different oxygen concentrations (2%, 10% and 21%). The tests were carried out using two different instruments: a micro-thermobalance and a macro-thermobalance, which allow the char oxidation to be represented in thin and thick char samples respectively. Following these analyses, a char oxidation model was established. In the final part, a comprehensive model was developed by integrating the two previously developed sections and incorporating a homogeneous phase combustion model for the gases produced during pyrolysis. The ultimate aim was to provide a comprehensive representation of the wood log combustion process in a domestic heating appliance. This comprehensive modelling was carried out using FDS. In this section, the modelling of wood combustion in a domestic appliance progressed from the initial 0D representation of the thermal degradation of wood to a comprehensive representation of wood log combustion in a domestic heating appliance.