Conception d’une hotte d’aspiration de fumées – Considérations thermomécaniques

La sidérurgie est un secteur industriel concerné par des dégagements de fumées notamment dans les ambiances de travail. Les normes d’hygiène du travail préconisent des seuils d’exposition pour les polluants présents dans ces fumées. Cela impose des captations à la source des émissions sur chaque poste susceptible de libérer des fumées.

Nous proposons ici l’étude de captation d’un de ces postes. Une poche d’acier émet des fumées chaudes. Une hotte avec son débit d’aspiration sont dimensionnés. La simulation numérique en mécanique des fluides et thermique (CFD Computational Fluid Dynamics) permet de tester la configuration proposée en vérifiant la qualité de la captation. L’efficacité de captation, définie comme la part de fumées captée par rapport à la quantité de fumées dégagées constitue un critère quantitatif objectif qui peut être évalué grâce à l’outil numérique.

De plus, dans le cadre de l’aide à la conception de la hotte, nous relevons ici les températures sur la hotte et évaluons les contraintes thermomécaniques (FEA Finite Element Analysis) dues à la disparité des températures sur l’installation notamment causée par le vis à vis avec la surface libre d’acier liquide à très haute température.

Conditions aux limites et modèles physiques

• Un débit d’aspiration est imposé à l’extrémité de la gaine
• Une condition de pression et de température ambiante est imposée sur les zones ouvertes sur la halle
• Un débit de fumées chaude issue de la poche d’acier est imposé.
• Une température de surface est imposée sur la surface libre d’acier liquide
• Une température de surface est imposée sur les parois de la poche.
• La dilatation de l’air et des fumées et la gravité permettent la convection naturelle
• Outre l’aspiration des fumées, on s’intéresse également au champ de température sur la hotte. Le transfert thermique par rayonnement est donc modélisé
• La conduction thermique est modélisée dans les parois de la hotte

Résultats de simulation

Les deux images ci-dessus comparent la captation des fumées pour un rapport de débit d’aspiration de 1 à 3. Le gain de captation entre les deux configurations ci-dessus est visible. Cependant, si l’objectif de l’exploitant est de tendre vers « zéro émissions », l’augmentation du débit ne sera pas nécessairement la solution la plus judicieuse. On proposera de travailler le design de la hotte vers plus de confinement.

De plus, le champ de pression montre qu’une perte de dépression importante intervient dans l’étranglement en haut de la hotte et tout le long de la gaine de petit diamètre, ce qui augmente la puissance nécessaire à débit d’aspiration égal.

Considérations thermiques et thermomécaniques

La température relevée sur les parois situées autour de la poche sont élevées. La hotte elle-même subit une importante montée en température. La visualisation de la température des fumées montre que celles-ci sont déjà diluées avec de l’air et refroidies en arrivant au niveau de la hotte. La température élevée de la hotte s’explique donc par l’intensité du rayonnement thermique reçu de l’acier liquide et ses 1500°C. La hotte elle-même retransmet de l’énergie rayonnée sur les parois alentours.

Cette température élevée de la hotte n’est pas homogène. On observe une variation rapide des températures à mesure qu’on s’éloigne de la poche d’acier. Le gradient thermique est notamment important dans la transition rond-carré convergente en haut de hotte. Cette variation de température laisse présager l’apparition de contraintes thermomécaniques. C’est ce qui est vérifié sur les images ci-dessous montrant les résultats d’une étude linéaire statique en mécanique des structures (FEA Finite Element Analysis) à partir du champ de températures relevé dans le calcul en mécanique des fluides et thermique (CFD Computational Fluid Dynamics). Les contraintes observées sont très au dessus de la limite élastique de l’acier à ces températures.