BE1029498B1

BE1029498B1 - Ground heating modeling method

Info

Publication number: BE1029498B1
Application number: BE20210042A
Authority: BE
Inventors: Ysaline Isabelle L Depasse; Jan Haemers; Hatem Saadaoui
Original assignee: Haemers Tech Societe Anonyme
Priority date: 2021-06-15
Filing date: 2021-06-15
Publication date: 2023-01-25
Also published as: BE1029498A1

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.The present invention relates to a method for modeling soil heating. In particular, the invention relates to an approach for modeling polluted soils in treatment by thermal desorption. The present invention proposes a method taking into account the properties of the soils to be treated as a function in particular of their moisture content. The formula developed in the present invention, written in the C programming language, takes into account the variation of the humidity over time under the effect of the heat created by the heating elements. This formula initially considers a porous medium consisting of a type of soil initially containing a certain percentage of water. It also considers numerically the energy consumed by the evaporation of this quantity of water. The present invention is used to determine the temperature profile from a hot spot to a cold spot, allowing the development of thermographs. The simulations of the present invention make it possible to generate a tool capable of predicting the treatments and treatment times of future construction sites. In one embodiment, the invention uses a 2D model. In another preferred embodiment, the invention uses 3D models.

Description

Méthode de modélisation de chauffage de sols BE2021/0042Floor heating modeling method 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.DESCRIPTION FIELD OF THE INVENTION The present invention relates to a method for modeling soil heating. In particular, the invention relates to an approach for modeling polluted soils in treatment by thermal desorption.

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.).In the same way, the present invention can also be used for modeling the heating of soils in all types of applications (sterilization of soils contaminated by pathogenic microorganisms, treatment of invasive plants by heating, 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.BACKGROUND OF THE INVENTION Soil contamination is a problem of great importance in a world where the environment and sustainable development are becoming increasingly important. This problem, often invisible, can be caused by a wide variety of chemical, biological or even radioactive contaminants and an equally wide range of pollution sources. Left as it is, the contamination can spread and end up in other resources — essential to the surrounding flora and fauna. It is therefore important, in order to protect the environment and public health, to eliminate these contaminants before they have too great an impact.

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.Soil remediation technologies are multiple and can be separated into three main categories: thermal, biological and physicochemical. The choice of technique — depends on several parameters such as the nature of the contamination, the properties of the soil, the physical constraints of the site and the total cost of the project.

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.One of these techniques, thermal desorption, is based on heating the ground to volatilize the contaminants and allow their extraction and destruction/reuse after condensation. Thermal desorption is effective against organic contaminants, cyanides, mercury and any other component that can be volatilized at temperatures below 550°C. Heating via thermal conduction is one of the techniques used in the field of thermal desorption (WO2001078914A8). With this technique, the energy coming from the heating tubes propagates radially in the ground by conduction. This has several advantages compared to other possibilities of soil remediation because thermal conduction makes it possible to heat the soil to temperatures exceeding 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.This technique is applicable ex situ and in situ. In ex-situ thermal desorption, excavated soil is used to form piles or placed in containers which are heat treated. With in-situ thermal desorption, the heating tubes are directly inserted into the polluted soil, thus avoiding the excavation and transport of soil. This also makes it possible to treat soils in restricted places and/or with limited access such as remote sites, sites in urban areas, basements of houses, etc. In general, this technique is faster and has a reduced environmental impact. The present invention consists in modeling the heat treatment of soils using modeling software such as, in a preferred embodiment, the ANSYS FLUENT software. Previously, only very basic tools were used to understand the transport phenomena in the soils to be treated, making it impossible to precisely determine the process control parameters, leading to the use of important safety factors to guarantee the achievement of the objectives. sanitation. These safety margins are a source of high energy and time losses which harm the competitiveness of the technology. Modeling is therefore essential to better understand the phenomena that take place in the soil during a heat treatment. Modeling downstream of a site also makes it possible to optimize designs and provide operational data to site teams in order to control treatment in the most optimal way according to site conditions. DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The invention presents a method for modeling the heating of soils, in particular soils undergoing depollution by thermal desorption. In a preferred embodiment, the modeling takes into account the properties of the soil due to the presence of humidity and pollutants in the soil, understands and quantifies the physico-chemical phenomena such as the evaporation and pyrolysis of the pollutants which occur during processing. In another preferred embodiment, the modeling is oriented towards the treatment installations by simulating the combustion which occurs in the burners of the heating tubes and by simulating the phenomena which occur in a unit for the treatment of polluted vapors.

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} + ShThe invention relates to a method for modeling soil heating taking into account certain properties of a soil to be treated such as its initial water content, its concentration of pollutants, etc. Simulation software, such as the ANSYS FLUENT software, makes it possible to consider soil properties which vary with temperature, which vary over time or which are a constant value. However, the thermal properties of the ground vary according to humidity. Most simulation software is able to take this factor into account but requires the resolution of several models of equations integrating the phase change of water, requiring tedious calculations. The present invention relates to the structural formula, written in the C programming language, for these properties which takes into account the variation of the humidity over time under the effect of the heat created by the heating elements. This formula initially considers a porous medium consisting of a type of soil initially containing a certain percentage of water. It also considers numerically the energy consumed by the evaporation of this quantity of water. Thanks to this proprietary formula, using the "used defined function (UDF)" option of the modeling software, the model solves the following energy equation: 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.J The robustness of the formula developed in the present invention was checked by comparing the results obtained by modeling with measurements of the temperature of the ground made on site.

La température est un paramètre qui peut être mesuré sur site au fil du temps et constitue un paramètre majeur des technologies thermiques.Temperature is a parameter that can be measured on site over time and is a major parameter in thermal technologies.

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.In the simulation, a heat treatment area was drawn in 2D and the position of the thermocouples was recorded in the software so that the site layout and the simulation were identical. By juxtaposing the temperature curves measured on site over time with those obtained numerically by the simulation, several observations were made.

Premièrement, la formule développée dans la présente invention est fonctionnelle : le comportement général de la courbe est similaire à celui observé sur le chantier.First, the formula developed in the present invention is functional: the general behavior of the curve is similar to that observed on the construction site.

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.Secondly, the heterogeneity of the soil is difficult to exploit by simulation but could highlight problems on the site such as a poorly exploited drawdown of the water table.

Enfin, la simulation a révélé l'influence des deux autres tubes de chauffe environnants sur ce point central, appelé point froid.Finally, the simulation revealed the influence of the other two surrounding heating tubes on this central point, called the cold point.

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.The present invention has also made it possible to understand the transfer of heat in the ground. When the temperature profile between a hot point (temperature of the wall tubes) and the corresponding cold point (farthest from the heating tubes) is known, it is possible to carry out a thermography at a given moment. The measurements made on the site showed that the temperature curve tends towards a parabolic profile. The present invention is able to provide the equation of the profile between the various hot and cold points, and therefore generate a thermography as close as possible to reality.

Dans un mode de réalisation, un modèle 2D est utilisé. Dans un autre mode de réalisation préféré, des modèles 3D sont utilisés.In one embodiment, a 2D model is used. In another preferred embodiment, 3D models are used.

Claims

1. Heat transfer simulation method in which the evaporation of water present in a porous medium is solved by a fixed term of the energy equation.