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Mathematical modelling of the thermal treatment of wood at high temperatures = Modélisation mathématique du traitement thermique du bois à haute température

Osma Afet Aysegül. (2005). Mathematical modelling of the thermal treatment of wood at high temperatures = Modélisation mathématique du traitement thermique du bois à haute température. Mémoire de maîtrise, Université du Québec à Chicoutimi.

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Résumé

In the high temperature heat treatment process, wood is subjected to temperatures ranging from approximately 180°C to 250°C depending the type of the species and desired physico-mechanical characteristics. The process aims to reduce the hydrophilic behavior of wood by the three-dimensional modification of its chemical structure through heat treatment in a controlled atmosphere. The high temperature heat treatment of wood was previously developed in Europe and recently introduced to the North America. The technology is new in Canada and several research activities have been started in order to better understand the process and its parameters and to improve them. This research work's objective is to develop a mathematical model based on fundamental engineering principles and to analyze the process parameters and the final properties of wood in order to establish a relationship between them during the high temperature heat treatment of wood. The model simulates the unsteady state flow, heat and mass transport phenomena occurring simultaneously in the heat treatment unit and predicts the change of moisture content and temperature at designated mesh points in the wood during the treatment. The main advantage of the model is that the effect of the possible modifications in the process parameters on the final properties of wood can be determined without extensive experimentation. As a first step of the project, a detailed literature research was carried out on wood structure, properties, moisture relations, chemical changes caused by the treatment and coupled heat and mass transfer. The preliminary 3D steady-state flow models focusing on the gas injection and wood packing configuration gave a good idea of the gas velocity at injection and between the wood channels. Then a 3D steady state flow model of the furnace predicts the distribution of the gas in the whole fumace. Different injection velocities, angles, and furnace modifications were modelled in order to obtain uniform flow conditions. The best gas distribution was obtained with the new injection geometry. A lD unsteady-state heat transfer model of wood was introduced into the 3D unsteady-state heat transfer and flow model of gas; and the temperature distribution in the wood was calculated. Finally the lD unsteady-state coupled heat and mass transfer model of wood is added to the 3D unsteady-state flow, heat and mass transfer model of gas. The temperature and humidity distributions in the wood and in the gas were obtained. This study showed that the distribution of the gas is not uniform in the fumace. As a result of the non-uniform flow, the temperature and humidity distributions in the gas and in the wood are not uniform. The model results are validated with the available plant data. The results, temperature profile in the wood and the final moisture content of the wood, are in good agreement with the experimental results. The considered and suggested modifications in this work became the subject of other research activities and tested experimentally. The geometrical and operational modifications seemed to improve the final product uniformity.

Dans un procédé de traitement thermique du bois à haute température, le bois est chauffé à des températures entre 180°C et 250°C et ce, selon l'essence à traiter et les propriétés physico-mecaniques désirées. Le procédé a pour but de diminuer le comportement hydrophile du bois par une modification tridimensionnelle de sa structure chimique à l'aide d'un traitement thermique dans une atmosphère contrôlée. Le traitement du bois à haute température fut développé en Europe et récemment introduit en Amérique du Nord. La technologie est par conséquent très nouvelle au Canada et plusieurs activités de recherches furent amorcées afin de mieux comprendre et d'améliorer le procédé et ces différents facteurs d'influence. L'objectif de la recherche consiste en la réalisation d'un modèle mathématique, basé sur des principes physiques et chimiques fondamentaux, permettant de simuler 1'évolution et l'interaction des différents paramètres du procédé, de même que des propriétés fmales du bois lors d'un traitement à haute température. Le modèle simule le transfert de quantité de mouvement, de chaleur et de masse et ce, de façon simultanée, en régime transitoire. Il permet de prédire les changements d'humidité et de température aux points désirés d'un maillage dans le bois lors d'un traitement. Le principal avantage du modèle est de permettre une foule de simulations en vue d'optimiser les différents paramètres du procédé tout en ayant une idée de l'impact sur les propriétés finales du bois sans pour autant avoir à réaliser l'ensemble de ces essais en laboratoire. La première étape dans la réalisation du projet a consisté en une recherche bibliographique sur la structure et les propriétés du bois, sur la relation entre l'humidité et le bois, sur les changements chimiques favorisés par le traitement à haute température et sur le transfert de chaleur et de mass couplé. Un modèle préliminaire d'écoulement de gaz en régime permanent (3D), où l'accent a été mis sur les configurations des injecteurs et du bois dans le four, a permis de mettre en évidence les vitesses d'écoulement entre les rangées de bois. Un autre modèle d'écoulement (3D) a permis de mettre en évidence la distribution des gaz dans le four. À l'aide de ce modèle, différentes configurations furent simulées (vitesses et angles d'injection des gaz, géométrie du four) afin d'obtenir des conditions d'écoulement plus uniformes. Le changement de design des injecteurs a permis une nette amélioration quant aux régimes d'écoulement dans le four. Un modèle transitoire unidimensionnel de transfert de chaleur dans le bois fut combiné avec un modèle tridimensionnel de transfert de quantité de mouvement et de chaleur dans les gaz. La distribution modélisée de température dans le bois fut comparée avec des mesures industrielles. La dernière étape de modélisation fut de réaliser un modèle couplé unidimensionnel de transfert de chaleur et de masse dans le bois en simulant comme conditions environnante, un modèle tridimensionnel en régime transitoire de transfert de quantité de mouvement, de chaleur et de masse. Cette modélisation a permis de simuler la distribution de la température et de l'humidité dans le bois et dans le gaz. La présente étude a permis de conclure que la distribution des gaz dans le four n'est pas uniforme. Cette conclusion a pour conséquence que la distribution des températures et de l'humidité dans les gaz et dans le bois n'est également pas uniforme. Les résultats du modèle furent validés avec des données de l'industrie et démontrent une bonne représentativité. Les modifications géométriques et opérationnelles suggérés tendent à améliorer l'uniformité de produit finale. D'autres projets de recherche ont permis et permettront de valider expérimentalement l'ensemble des concepts d'optimisation suggérés dans cette étude.

Type de document:Thèse ou mémoire de l'UQAC (Mémoire de maîtrise)
Date:Avril 2005
Lieu de publication:Chicoutimi
Programme d'étude:Maîtrise en ingénierie
Nombre de pages:190
ISBN:Non spécifié
Sujets:Sciences naturelles et génie > Génie > Génie chimique
Département, module, service et unité de recherche:Départements et modules > Département des sciences appliquées > Programmes d'études de cycles supérieurs en ingénierie
Directeur(s), Co-directeur(s) et responsable(s):Kocaefe, Duygu
Kocaefe, Yasar S.
Déposé le:07 juin 2016 15:42
Dernière modification:07 juin 2017 13:12
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