Refroidissement de fumées par dilution d’air frais

Certains procédés industriels utilisant mettent en circulation des fumées chaudes. La température doit être contrôlées pour optimiser le traitement de ces fumées (réactions chimiques) et protéger les installations qui risquent des dommages si une chaleur trop élevée les atteint (Filtres à manches). Plusieurs solutions sont possibles pour refroidir les fumées. On peut citer l’utilisation d’une tour de refroidissement qui fait l’objet d’une présentation sur ce site, ou la dilution avec de l’air frais.

On propose ici d’étudier une installation de dilution par le biais de la simulation numérique en mécanique des fluides et thermique (CFD Computational Fluid Dynamics). Le dimensionnement de ces installations doivent prendre en compte le niveau de pression afin de garantir une dépression dans la zone de la prise d’air frais pour ne pas que les fumées s’en échappent, mais aussi le mélange de l’air capté avec les fumées. En effet, les flux de fumées chaudes pouvant se former suite à la captation d’air peuvent aussi créer des dommages sur une partie de l’appareil aval à protéger.

Conditions aux limites et modèles physiques

• Un débit de fumées chaudes provenant du process en amont est donné
• Une perte de charge est imposée, permettant de fixer le niveau de pression qui sera le moteur de l’aspiration d’air frais
• Un ventilateur, modélisé par sa courbe caractéristique, permet de faire circuler le fluide
• L’appareil à protéger est pris en compte par un milieu homogène imposant des pertes de charge équivalentes
• Une mise à pression atmosphérique est imposée en sortie de cheminée.
• Une mise à la pression atmosphérique est imposée au niveau du piquage de dilution
• Une perte de charge au niveau du piquage de dilution modélise un registre permettant de contrôler le flux d’air frais.

Résultats de simulation

Les niveaux de pression statique sur les parois de l’installation s’équilibrent avec la sollicitation qui est la dépression du ventilateur et le débit imposé à l’entrée de l’appareil des fumées chaudes venant de l’amont du process, ainsi qu’avec les pertes de charge des différents éléments sur la ligne. De l’entrée des fumées jusqu’au ventilateur, la ligne est en dépression, ce qui permet d’ouvrir la ligne à l’atmosphère pour y placer le piquage de dilution et qui garanti que la fumée de s’y échappe pas.

Il est possible d’estimer le débit d’air entrant, ici un quart du débit de fumées. La visualisation des profils de température et de présence d’air dans l’écoulement montre que l’air frais aspiré ne se mélange pas naturellement avec les fumées mais que ces deux gaz poursuivent leur parcours dans les gaines de manière très indépendante (zone bleue et rouge sur les planches concernées). La présence du mélangeur statique, constitué de pales incitant le fluide à prendre un mouvement rotationnel, puis des mêmes pales mais incitant l’écoulement à se redresser, est indispensable pour casser cette séparation entre les deux gaz (fumées et air).

La place disponible pour procéder au mélange est restreinte, on pourrait tenter malgré cela d’écarter les deux lots de pales, et travailler sur leur inclinaison pour optimiser le mélange.

Le champ de pression sur les pales est tracé pour montrer que l’aspect tenue structurelle de cet élément peut être pris en compte pour son dimentionnement en introduisant ce champ de pression comme condition de chargement pour une analyse FEA Finite Element Analysis, ou en extrayant des grandeurs macroscopiques telles que les forces de réaction du fluide sur ces pales.