BE1029498A1 - Méthode de modélisation de chauffage de sols - Google Patents

Abstract

La présente invention concerne une méthode de modélisation de chauffage des sols. En particulier, l'invention concerne une approche pour modéliser les sols pollués en traitement par désorption thermique. La présente invention propose une méthode prenant en compte les propriétés des sols à traiter en fonction notamment de leur taux d'humidité. La formule développée dans la présente invention, écrite dans le langage de programmation C, prend en compte la variation de l'humidité dans le temps sous l'effet de la chaleur créée par les éléments chauffants. Cette formule considère initialement un milieu poreux constitué d'un type de sol contenant initialement un certain pourcentage d'eau. Elle considère également numériquement l'énergie consommée par l'évaporation de cette quantité d'eau. La présente invention est utilisée pour déterminer le profil de température d'un point chaud vers un point froid, permettant le développement de thermographies. Les simulations de la présente invention permettent de générer un outil capable de prédire les traitements et temps de traitement de futur chantier. Dans un mode de réalisation, l'invention utilise un modèle 2D. Dans un autre mode de réalisation préféré, l'invention utilise des modèles 3D.

Description

Méthode de modélisation de chauffage de sols BE2021/0042

DESCRIPTION DOMAINE DE L'INVENTION La présente invention concerne une méthode de modélisation de chauffage des sols. En particulier, l'invention concerne une approche pour modéliser les sols pollués en traitement par désorption thermique.

De la même façon, la présente invention peut aussi être employée pour la modélisation de la chauffe des sols dans tout type d’applications (stérilisation des sols contaminés par des micro- organismes pathogènes, traitement de plantes invasives par chauffage, etc.).

CONTEXTE DE L'INVENTION La contamination des sols est un problème de grande importance dans un monde où l'environnement et le développement durable prennent de plus en plus d'importance. Ce problème, souvent invisible, peut être causé par une grande variété de contaminants chimiques, biologiques ou même radioactifs et une toute aussi grande gamme de sources de pollutions. Laissée telle quelle, la contamination peut se propager et se retrouver dans d'autres ressources — indispensables à la faune et la flore environnante. Il est donc important, dans un but de protection de l’environnement et de santé publique, d'éliminer ces contaminants avant qu'ils n'aient de trop grandes répercussions.

Les technologies de remédiation du sol sont multiples et peuvent être séparées en trois catégories principales : thermique, biologique et physicochimique. Le choix de la technique — dépend de plusieurs paramètres tel que la nature de la contamination, les propriétés du sol, les contraintes physiques du site et le cout total du projet.

Une de ces techniques, la désorption thermique, est basée sur le chauffage du sol pour volatiliser les contaminants et en permettre l'extraction et la destruction/réutilisation après condensation. La désorption thermique est efficace face aux contaminants organiques, aux cyanures, au mercure et tout autre composant pouvant être volatilisé à des températures situées en dessous de 550°C. Chauffer via conduction thermique est une des techniques utilisées dans le domaine de la désorption thermique (WO2001078914A8). Avec cette technique, l'énergie provenant de tubes de chauffes se propage radialement dans le sol par conduction. Ceci comporte plusieurs avantages vis-à-vis des autres possibilités de remédiation du sol car la conduction thermique permet de chauffer le sol à des températures dépassant les 350°C.

Cette technique est applicable ex situ et in situ. Pour ce qui est de la désorption thermique ex- situ, le sol excavé est utilisé pour former des piles ou placé dans des conteneurs qui sont traités thermiquement. Avec la désorption thermique in-situ, les tubes de chauffes sont directement insérés dans le sol pollué permettant ainsi d'éviter l'excavation et le transport des terres. Ceci 40 permet aussi de traiter des sols dans des endroits restreints et/ou avec un accès limité tel que des sites éloignés, des sites en zones urbaines, des sous-sols de maisons, etc. De manière générale, cette technique est plus rapide et a un impact environnemental réduit. La présente invention consiste à modéliser le traitement thermique des sols à l'aide d’un logiciel de modélisation tel que, dans un mode de réalisation préféré le logiciel ANSYS FLUENT. Auparavant, seuls des outils très basiques étaient utilisés pour comprendre les phénomènes de transport dans les sols à traiter rendant impossible de déterminer avec précision les paramètres de contrôle du procédé, conduisant à l'utilisation de facteurs de sécurité importants pour garantir l'atteinte des objectifs d'assainissement. Ces marges de sécurité sont une source de pertes d'énergie et de temps élevées qui nuisent à la compétitivité de la technologie. La modélisation est donc indispensable pour mieux comprendre les phénomènes qui se déroulent dans le sol lors d'un traitement thermique. La modélisation en aval d'un chantier permet également d'optimiser les designs et de fournir des données opérationnelles aux équipes du chantier afin de piloter le traitement de la manière la plus optimale en fonction des conditions du site. DESCRIPTION DÉTAILLÉE DE L'INVENTION L'invention présente une méthode de modélisation de chauffage des sols, en particulier des sols en cours de dépollution par désorption thermique. Dans un mode de réalisation préféré, la modélisation prend en compte les propriétés du sol dues à la présence d'humidité et de polluants dans le sol, comprend et quantifie les phénomènes physico-chimiques tels que l'évaporation et la pyrolyse des polluants qui se produisent pendant le traitement. Dans un autre mode de réalisation préféré, la modélisation s'oriente vers les installations de traitement en simulant la combustion qui se produit dans les brûleurs des tubes chauffants et en simulant les phénomènes qui se produisent dans une unité de traitement des vapeurs polluées.

L'invention concerne une méthode de modélisation du chauffage des sols prenant en compte certaines propriétés d'un sol à traiter tel que sa teneur en eau initiale, sa concentration en polluants, etc. Les logiciels de simulation, tel que le logiciel ANSYS FLUENT, permettent de considérer des propriétés du sol qui varient avec la température, qui varient dans le temps ou qui sont une valeur constante. Or, les propriétés thermiques du sol varient en fonction de l'humidité. La plupart des logiciels de simulation sont capables de prendre en compte ce facteur mais nécessitent la résolution de plusieurs modèles d'équations intégrant le changement de phase de l'eau, demandant des calculs fastidieux. 40 La présente invention concerne la formule développée, écrite dans le langage de programmation C, pour ces propriétés qui prend en compte la variation de l'humidité dans le temps sous l'effet de la chaleur créée par les éléments chauffants. Cette formule considère initialement un milieu poreux constitué d'un type de sol contenant initialement un certain pourcentage d'eau. Elle considère également numériquement l'énergie consommée par l'évaporation de cette quantité d'eau. Grâce à cette formule propriétaire, en utilisant l'option "used defined function (UDF)" du logiciel de modélisation, le modèle résout l'équation énergétique suivante : ô 1, ; ar PE) HV. (B(pE + p)) = V. (en - > hl; + Gar} + Sh

J La robustesse de la formule développée dans la présente invention a été vérifiée en comparant les résultats obtenus par modélisation avec des mesures de la température du sol faites sur site.

La température est un paramètre qui peut être mesuré sur site au fil du temps et constitue un paramètre majeur des technologies thermiques.

Dans la simulation, une zone de traitement thermique a été dessinée en 2D et la position des thermocouples a été enregistrée dans le logiciel afin que la disposition du site et la simulation soient identiques. En juxtaposant les courbes de température mesurées sur le chantier au cours du temps avec celles obtenues numériquement par la simulation, plusieurs observations ont été faites.

Premièrement, la formule développée dans la présente invention est fonctionnelle : le comportement général de la courbe est similaire à celui observé sur le chantier.

Deuxièmement, l'hétérogénéité du sol est difficilement exploitable par simulation mais pourrait mettre en évidence des problèmes sur le chantier tels qu'un rabattement de nappe mal exploité.

Enfin, la simulation a révélé l'influence des deux autres tubes de chauffe environnants sur ce point central, appelé point froid.

La présente invention a également permis de comprendre le transfert de chaleur dans le sol. Lorsque l'on connaît le profil de température entre un point chaud (température des tubes de paroi) et le point froid (le plus éloigné des tubes de chauffes) correspondant, il est possible de réaliser une thermographie à un moment donné. Les mesures effectuées sur le site ont montré que la courbe de température tend vers un profil parabolique. La présente invention est capable de fournir l'équation du profil entre les différents points chauds et froids, et donc générer une — thermographie aussi proche que possible de la réalité.

Dans un mode de réalisation, un modèle 2D est utilisé. Dans un autre mode de réalisation préféré, des modèles 3D sont utilisés.

Claims (1)

REVENDICATIONS

1. Méthode de simulation de transfert de chaleur dans laquelle l'évaporation d’eau présente dans un milieu poreux est résolue par un terme fixe d’équation énergétique.