Pertes thermique par l'ouverture d'une porte

[kiwiguigou]

Bonjour à tous,
C'est encore moi avec mes questions farfelues. Voila je rencontre à nouveau un petit soucis. Je suis face à un four a 1000 °C d'environ 26 m3. Le couvercle permettant d'entrer la charge dans le four fais approximativement 3m².
Le temps de chargement et donc d'ouverture de celui-ci dure 3 minute. Au moment de l'ouverture, le four est vide, le seul rayonnement est issus du réfractaires permissivité 0,82.

Mon problème, déduire et quantifier la puissance et l'énergie correspondant qui s'échappe pendant ces 3 minutes.

Je vous avoue que je ne vois même pas par quoi commencer hormis calculer le coefficient d'échange radiatif.

A l'avance, je vous remercie.
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[kiwiguigou]

petite précision qui doit avoir son importance, le chargement se fais par le dessus du four.

[phuphus]

Bonjour kiwiguigou,

petit protocole simple :

. tu estimes la puissance de maintien Wm de ton four à 1000°
. tu mesures, grâce à la consommation électrique de ton four, l'énergie nécessaire après refermeture de la porte pour remonter à 1000°
. tu en déduis la puissance moyenne Wr fournie par le four pour remonter en température
. tu supposes que malgré la perte temporaire de température la puissance de maintien Wm pendant ce temps est égale à celle à 1000°
. tu soustrais cette puissance de maintien au résultat précédent (donc opération Wr - Wm)
. Wr - Wm = puissance moyenne de perte pendant l'ouverture de la porte...

Tu peux faire plus précis, mais déjà avec ça tu auras une très bonne estimation.

[kiwiguigou]

Merci pour ta réponse

Ca me parait difficile de procéder de cette manière. C'est un four de fusion d'aluminium à gaz qui a 6 brûleurs. Seulement, ces 6 brûleurs ne fonctionne jamais en même temps, il y a 4 phase d'allumage qui les alterne. La puissance de maintien n'est donc jamais constante d'autant plus qu'un automate "modifie" la puissance des brûleurs selon la charge enfournée dans le four qui n'est jamais la même ... Et enfin, aucunes sondes se à l'intérieur du four me permettant de déduire le temps au bout duquel celui-ci est à 1000 °C.
Les méthode calculatoire plus précises sont si compliquée que cela ?

[A voir en vidéo sur Futura]

[invite2313209787891133]

Bonjour

Résoudre ce problème par une approche théorique me semble assez difficile.
Tu ne pourrais pas effectuer des mesures de températures autour du four plutôt ? Et relier l'élévation de température à une quantité d'énergie.

[phuphus]

Re-bonjour kiwiguigou,

si le four est régulé, alors il y a une sonde quelque part. Le tout est d'y avoir accès. Ensuite, si jamais les brûleurs sont en "tout ou rien" (régulation PWM), alors en connaissant la puissance des brûleurs et les phases d'allumage / extinction la méthode que je te propose plus haut est valable.

Le fait que la puissance de maintien ne soit pas constante n'est à priori pas un problème, il faudrait juste la moyenner sur un temps suffisamment long (quelques dizaines de minutes ?).

Sinon, comme le propose Dudulle en effet, faire en sorte que la chaleur perdue soit fournie à un système fermé connu, et faire le calcul au travers de l'échauffement de ce système.

[LPFR]

Bonjour.
Rien que par le rayonnement (Stefan-Boltzmann), vous perdez 88 MJ pendant les 3 minutes.
Je ne sais pas calculer les pertes par convection, gaz chaud qui s'échappe du four.
Au revoir.

[kiwiguigou]

Je regarderais demain si il y a une sonde mais j'en doute fort. L'automate se moque de la température. Son programme calcul le temps des phase uniquement en fonction du poids introduit.
En ce qui concerne les mesures de température, cela semble impossible pour deux raisons. La première est que le volume du "local" ou est le four est immense : difficile d'assimiler le gain thermique d'un système. Et enfin, lorsque le couvercle est ouvert, des grilles automatique condamnent l'accès au dessus du four. Impossible donc de s'y rendre pour prendre des mesures.
Par rayonnement moi je trouve 38 MJ comment as tu calculé LPFR ?

[kiwiguigou]

En faite, je ne suis même pas sur de comprendre ta méthode phuphus.
Imaginons que lors de l'ouverture l'intérieur du four passe a 700 °C. Lorsque la phase d'allumage numéro 1 se met en route, j'ai un certain débit de gaz qui correspond à la puissance nécessaire à la montée en température. Cette montée dure 15 minutes tandis que la phase 1dure 30 min.
Si je comprend bien ta méthode, les 15 dernières minutes correspondraient alors au maintien ? Ça voudrait dire qu'on devrait observer une variation du débit de gaz entre les 15 premières minute de montée en température et les 15 dernières ?

[kiwiguigou]

Ce qui me gêne en faite dans ton raisonnement phuphus, c'est que d'après les consommations de gaz qui ont été mises à ma disposition, le débit de gaz est le même à des infimes variation prêt pendant tout le cycle de fusion et quelque soit la phase d'allumage. En conséquence, je ne vois pas comment en déduire une puissance de maintien et une puissance d'élévation de température.

[LPFR]

...
Par rayonnement moi je trouve 38 MJ comment as tu calculé LPFR ?

Re.
Cette fois (en corrigeant une erreur de frappe) je trouve 65 MJ.
Pour la puissance: W = 0,82 . 3. 5,67 10^-8 . 1270⁴ = 363 kW
A+

[invite2313209787891133]

Re.
Cette fois (en corrigeant une erreur de frappe) je trouve 65 MJ.
Pour la puissance: W = 0,82 . 3. 5,67 10^-8 . 1270⁴ = 363 kW
A+

Bonjour LPFR

En fait tu as oublié de soustraire le rayonnement ambiant.

[phuphus]

Re,

si ton four est régulé en température, alors le schéma en pièce jointe devrait correspondre à ce que tu observes.

Si maintenant le débit de gaz est uniquement fonction de la charge introduite (ce qui serait assez étonnant, il y a au moins un rupteur pour une Tmax), alors tu peux t'en sortir en instrumentant le four (par exemple quelques thermocouples bien placés, proches des parois). Une fois en régime permament et à débit de gaz (=puissance) connu, tu ouvres la porte 3 minutes et tu la refermes (sans charger le four !). Tu attends d'être de nouveau stabilisé en température. La "surface perdue" entre une courbe de température constante et la courbe mesurée représente les calories perdues pendant l'ouverture de la porte, four à vide.

Si cette méthode ne va toujours pas, alors j'espère que les propositions de LPFR et Dudulle te conviendront mieux !

[LPFR]

Bonjour LPFR

En fait tu as oublié de soustraire le rayonnement ambiant.

Bonjour.
Ce n'est pas un oubli. Je l'ai négligé volontairement. Car il est 489,5 fois plus faible.
Au revoir.

[kiwiguigou]

Bon et bien j'ai essayer mais malheuresement, j'ai bien peur que cette méthode soit définitivement impossible.
Il y a bien une sonde de température seulement, celle-ci se trouve au niveau du réfractaire. L'importante inertie de celui-ci empêche la sonde de mesurer la température correctement. Ainsi, lorsque l'on a ouvert le couvercle, je n'ai même pas observer une variation de 1°C. Impossible donc de connaitre la chaute en température que provoque cette ouverture tout comme le temps nécessaire pour remonter à 1000 °C....
Enfin, pour enterrer le tout, le débit est strictement constant, la quantité de gaz en fonction du temps est donc une parfaite fonction affine. Mon seul moyen de quantifier la déperdition par cette méthode était donc de mesurer le temps nécessaire pour repasser a 1000 °C. Mais comme je l'ai dit précédemment, la sonde le permet pas ...

Il y a t'il une autre parade ou suis-je définitivement coincé ?

[LPFR]

Bonjour.
Quel est l'intérêt ce connaître une valeur qui n'a pas l'air influencer la consommation de combustible de façon appréciable (mesurable)?
Au revoir.

[phuphus]

Bonjour kiwiguigou,

peut-être une autre idée, mais je ne sais pas vraiment ce qu'elle vaut...

Modélise ton système, avec les inerties thermiques, les résistances thermiques (parois et porte) et la source de calories. Grâce à quelques essais (réponse à un échelon pour la montée en température, ensuite descente en température porte ouverte / brûleur éteint, voire même descente en température porte ouverte / brûleur allumé), identifie ton système (ou plutôt tes systèmes puisqu'il y aura un modèle porte fermée et un modèle porte ouverte). A partir de ces modèles équivalents, tu pourras calculer les pertes thermiques à cause de l'ouverture de la porte.

Il y a peut être beaucoup plus simple, avec un seul essai de descente en température de 1000° jusqu'à l'ambiante porte ouverte / brûleur éteint, mais comme je ne suis pas spécialiste de ce genre de choses je n'ai pas ici de conseil immédiat.

Je ne vais pas pouvoir te donner plus de détails, là il faudrait un automaticien pour savoir si un telle méthode est pertinente et ce que l'on peut en faire...

[kiwiguigou]

L'intérêt LPFR est d'une part de dresser un bilan thermique cohérent mais surtout d'économiser de l'énergie. En effet, il est possible de modifier le programme de l'automate pour que le chargement ne dure plus que 2 minutes. Sachant que ce couvercle est ouverte environ 30 fois par jour et que le four fonctionne 300 jours par an et que rin que par rayonnement, 363 kW s'échappe cette petite économie de temps peu en réalité représenter une belle économie pour un investissement zéro. Mais pour lancer cela il faut être capable de chiffrer combien cela rapporterai ...

[kiwiguigou]

oui je pense que ton idée pourrait marcher phuphus mais cela impliquerai de laisser le four à l'arrêt un temps à mon avis très long (surtout en porte fermée). Je ne peux pas faire cela. Travail à la chaine oblige ... Si le four ne tourne pas, c'est toute laproduction qui s'arrête.
Je vais essayer de négocier avec la direction mais à mon avis, pour eux, c'est tout vu.

[LPFR]

Re.
Si on met un prix du kW.h à 0,08 € (et j'imagine que vous le payez bien moins cher), 3 minutes de porte ouverte vous coutent 1,45 €.
Si vous passez à 2 minutes vous ferez une économie de 50 cts, ce qui donne 15 € d'économie par jour.
Il faut comparer aux autres coûts pour voir si le problème de la porte ouverte est le plus important.
Il faudrait comparer avec la consommation totale d'énergie du four.
A+

[kiwiguigou]

Oui c'est sur qu'a côté de la facture totale d'énergie cette économie est ridicule. Mais il parait que c'est les ruisseaux qui forment les rivières. Et puis, comme je l'ai dit, il n'y a quasiment rien à faire. Juste rajouter une temporisation a l'automate ...
C'est sur qu'il y a d'autres économies bien plus importantes à réaliser mais elles nécessistent toutes de lourds investissement et bien que rentabilisé au bout de 2 ans, les industriel ne sont pas pret à les entreprendre.

[phuphus]

oui je pense que ton idée pourrait marcher phuphus mais cela impliquerai de laisser le four à l'arrêt un temps à mon avis très long (surtout en porte fermée). Je ne peux pas faire cela. Travail à la chaine oblige ... Si le four ne tourne pas, c'est toute laproduction qui s'arrête.
Je vais essayer de négocier avec la direction mais à mon avis, pour eux, c'est tout vu.

Sans compter qu'il faut déjà être certain que cet essai est pertinent...

[kiwiguigou]

Après avoir effectuer quelques recherches dans des vieux bouquins, il est conseiller pour déterminé les pertes par convection d'utiliser dans ma situation le tirage thermique.
J'ai donc trouvé une formule sur wikipédia me permettant de déterminer un débit. A partir de ce dernier, j'ai déterminé une puissance mais elle est trop importante et surement incohérente ! Quelqu'un s'y connait t'il en calcul de tirage thermique ?

[LPFR]

Après avoir effectuer quelques recherches dans des vieux bouquins, il est conseiller pour déterminé les pertes par convection d'utiliser dans ma situation le tirage thermique.
J'ai donc trouvé une formule sur wikipédia me permettant de déterminer un débit. A partir de ce dernier, j'ai déterminé une puissance mais elle est trop importante et surement incohérente ! Quelqu'un s'y connait t'il en calcul de tirage thermique ?

Bonjour.
Le problème des formules de tirage thermique est qu'elles sont valables pour des cheminées et en régime permanent. Dans votre cas le régime n'est pas permanent et de plus je ne sais pas si vous avez une ouverture en bas pour permettre le tirage.
Si vous l'avez, je comprends que pour un four à 1000° et 3 m² vous ayez un tirage énorme.
Si vous ne l'avez pas, les formules ne sont pas applicables.
Au revoir.

[kiwiguigou]

Le four présente 4 portes de 0,3 m² afin d'évacuer les oxydes d'aluminium qui se forment à chaque fusion.
Lors du chargement ces portes sont fermées. Mais elles ont des gros problèmes d'étanchétité et de l'air passe forcément.
Lors de l'ouverture, il est arrivé de fondre les composants électriques (cable etc) de la grue de chargement qui se trouve 8 mètre plus haut ce qui, à mon avis montre l'importance du débit d'air qui s'échappe.

Dans l'hypothèse ou les portes sont suposées totalement étanches, on peut suposer qu'il n'y a pas de tirage c'est à dire pas d'air qui s'échappe du four ? Auquel cas les pertes engendrées ne seraient issus que du rayonnement ?

Je ne cherche pas à faire une étude très précise, quelques hypothèses comme "on considère que le volume d'air du four (6700 L) s'échappe pendant l'ouverture du four" me suffiraient largement. Je ne sais juste pas lesquelles seraient les plus pertinantes.

En tout cas encore merci pour ta réponse.

[LPFR]

Re.
Quand vous renversez un verre d'eau, l'eau tombe sans rentrer par le fond.
Dans votre four, l'air chaud sort en faisant rentrer de l'air froid par le haut. L'air chaud et l'air froid se croisent dans la porte et de chaque côté.
Mais ce n'est plus l'effet cheminée. Et je n'ai pas la moindre idée de comment calculer ça.
A+