Développement du procédé de bi-oléothermie pour les bois de construction : mesure et modélisation des transferts de matière et de chaleur lors des opérations de friture-séchage et de refroidissement-imprégnation
Institution:
PerpignanDisciplines:
Directors:
Abstract EN:
The deep-oil thermal process consists in immersing timber successively in an high temperature vegetable oil bath (110 to 180°C), then in a lower temperature one (20 to 80°C). The high temperature immersion will in a first time dry the wood (so called fry-drying phase), when during the second immersion, the wood will permeate with the oil (cooling-impregnation). This latter phase will stabilize and protect the timber. This work aims to better understand interaction mechanisms between heat and mass transports, and also to give the first guide lines on how the process is to be developed. The transfers of heat, oil, and water were observed with three different online measuring devices (heat flow, vapour and oil flow; pressure, temperature) and at different scales (L 0. 16 m, L 0. 8 m, L 2. 5m). Furthermore, this experiment has been done on many different woods (beech, oak, chestnut, spruce, Douglas, pine) of various shapes (cylinders, parallelepipeds, plates). The fry-drying phase is a two stage phase. In the first stage, the water located in the outer layers of the wood is vaporized under atmospheric pressure. In the second stage, the water contained in the core of the wood will vaporize under a pressure of around (2×105 Pa). Dense mass flux are observed. These flux are ten times denser than those observed in the air-drying process. In spite of the overpressure in the core, the wood permeates with the oil (thanks to capillarity and to cracks). The quantity of oil that get in the wood can be up to 20% of the water mass drained out. During the cooling-impregnation stage, the oil penetrates in the wood under the effect of a pressure gradient that reverse itself and add a convection motion to the capillarity forces, and so helping the oil penetrating. This penetration is more or less swift, with much of the oil penetrating during the first minutes, depending on the impregnability of the wood. A 2D model of vaporized water and oil transfers in porours environements solved with the finite element method, was developed. During numerical simulations the phase of frying-drying is well represented. Good relations were established between simulated drying graphs, position of the vaparization front, pressure levels and temperature, and experimental data. Many demonstrations made it possible to test the process on the elements intended for construction, and this under real exposure conditions. This deep-oil thermal process is an alternative process for the treatment by autoclave insofar wood is likely to be impregnated, and the pesticide adapted to the final use of wood.
Abstract FR:
Le procédé de " bi-oléothermie " consiste à immerger du bois successivement dans un bain d'huile à haute température (110 à 180°C), puis dans un autre bain à moyenne température (20 à 80°C). Le procédé permet de réaliser successivement un séchage (phase dite de friture-séchage) et une imprégnation en huile (phase dite de refroidissement-imprégnation) afin de stabiliser et protéger le bois. Les travaux ont pour objectifs de mieux comprendre les mécanismes d'interactions entre les transports de chaleur et de matière et d'élaborer des règles générales de conduite du procédé pour son développement. Les transferts de chaleur, d'eau et d'huile ont été observés sur trois équipements à des échelles différentes (L 0,16 m, L 0,8 m, L 2,5m), avec des instrumentations en ligne (les flux de chaleur, vapeur, huile ; pression, température) sur de nombreux bois (hêtre, chêne, châtaignier, épicéa, douglas, pin) et des géométries variées (cylindres, parallélépipèdes, plaques). La phase de friture-séchage se décompose en deux étapes. Lors de la première étape, l'eau présente dans les couches périphériques du bois se vaporise à la pression atmosphérique. Dans la seconde étape, l'eau au cœur du bois, se vaporise à des niveaux de surpressions de l'ordre de 2×105 Pa. Des flux de matière intenses sont relevés ≈ 6×10-3 kg. M-2. S-1. Ces flux sont dix fois supérieurs à ceux observés lors d'un séchage convectif à l'air. Malgré ces surpressions au centre du bois, de l'huile pénètre dans le bois (par capillarité et au travers des fissures) et peut représenter au total 20% de la masse d'eau évacuée. Pendant la phase de refroidissement-imprégnation, l'huile pénètre dans le bois sous l'effet d'un gradient de pression qui s'inverse et qui conjugue un mouvement de convection aux forces capillaires favorables à la pénétration de l'huile. Cette pénétration est plus ou moins rapide avec l'essentiel de l'huile qui pénètre dans les premières minutes en fonction de l'imprégnabilité du bois. Un modèle de couplage des transferts de vapeur d'eau et d'huile en milieux poreux en 2D, résolu par la méthode des éléments finis, est développé pour fournir un outil de prédiction de la dynamique de séchage et d'imprégnation en huile. Lors de simulations numériques la phase de friture-séchage est bien représentée. Les courbes de séchages, la position du front, les niveaux de pression et de température, correspondent aux valeurs expérimentales. En revanche la phase de refroidissement-imprégnation est moins bien décrite. De nombreuses réalisations de démonstrations ont permis de tester le procédé sur les éléments destinés à la construction, et ce dans des conditions réelles d'exposition. La bi-oléothermie est une alternative possible au traitement par autoclave dans la mesure où l'essence n'est pas trop réfractaire à l'imprégnation, et le produit de traitement adapté à l'utilisation finale du bois.