CHOIX ET VALIDATION EXPERIMENTALE D'UN MODELE DE PYROLYSE POUR LE BOIS TRAITE PAR HAUTE TEMPERATURE : DE LA MICRO-PARTICULE AU BOIS MASSIF
Résumé
Pyrolysis carried out at relatively low temperatures in the range 200-280C produces a material with good dimensional stability and durability, with minimal effect on the mechanical properties because of its resilience. In spite of the large amount of research work injected into this topic, it is still a difficult task to identify the precise loss of product quality that has been incurred as a result of this process. This fact provides the motivation for a fundamental study that explains the mechanisms of thermal treatment. The possibilities offered by numerical simulation allow us to propose an innovative contribution concerning the problem of homogeneity associated with the treatment of a piece of wood. The first objective of this study is to adapt an existing computational model for simulating coupled heat and mass transfer in a porous medium to include the chemical reactions that arise during pyrolysis. Another objective of the study is to devise experimental strategies that enable the wood internal temperatures and pressures to be measured for different board thicknesses during thermal treatment under an inert atmosphere. Paralleling this work, near infrared spectrometry (NIRS) has been used to characterize large wood samples submitted to different thermal treatments.
The results show that the pyrolysis model, when coupled to the comprehensive heat and mass transfer model, is able to account for many of the observable phenomena that evolve during the experiments, particularly the effect of exothermic reactions on the internal overpressure within the board. The method of spectral analysis is an adaptable technique that quickly reveals what type of thermal treatment a particular sample of wood was submitted to. It also enables the thermal history to be retraced from its thickness. NIRS seems to be a promising technique that we believe permits the profiles of degradation to be used to validate the computational model. Furthermore, it offers an interesting perspective to control the quality of wood treated at high temperature through coupling the physical and mechanical properties of a new material with its chemical constitution.
The results show that the pyrolysis model, when coupled to the comprehensive heat and mass transfer model, is able to account for many of the observable phenomena that evolve during the experiments, particularly the effect of exothermic reactions on the internal overpressure within the board. The method of spectral analysis is an adaptable technique that quickly reveals what type of thermal treatment a particular sample of wood was submitted to. It also enables the thermal history to be retraced from its thickness. NIRS seems to be a promising technique that we believe permits the profiles of degradation to be used to validate the computational model. Furthermore, it offers an interesting perspective to control the quality of wood treated at high temperature through coupling the physical and mechanical properties of a new material with its chemical constitution.
Le traitement thermique du bois est un procédé connu et étudié depuis plusieurs décennies. Il confère au matériau une meilleure stabilité dimensionnelle et une meilleure durabilité au détriment de ses propriétés mécaniques, notamment de sa résilience. En dépit de plusieurs travaux disponibles, il reste difficile d'optimiser le gain sur les propriétés recherchées et de mettre en vis-à-vis les pertes sur les qualités que l'on voudrait préserver. Ce constat nous a conduit à mener des études fondamentales pour comprendre les mécanismes mis en jeux lors du traitement thermique. Les possibilités offertes en matière de simulation numérique nous permettent de proposer une contribution innovante au problème d'homogénéité du traitement d'une pièce de bois. Elle s'appuiera d'une part sur l'adaptation d'un code de simulation développé pour le séchage du bois en y intégrant les cinétiques chimiques, d'autre part sur l'étude expérimentale du traitement thermique. Parallèlement, nous avons cherché à caractériser ces échantillons de bois massifs soumis à différents traitements thermiques par spectrométrie en réflexion diffuse dans le proche infrarouge (SPIR).
Les résultats montrent que le modèle de pyrolyse couplé au modèle de transport rend compte des différents événements caractéristiques se déroulant durant le traitement thermique, c'est-à-dire la présence de réactions exothermiques et les surpressions internes générées par les gaz produits. La méthode par analyse spectrale a révélé qu'il est possible d'une part de discriminer des échantillons de bois ayant subis différents traitements et d'autre part de retracer l'historique thermique d'une pièce de bois dans son épaisseur. La SPIR semble ainsi une technique prometteuse qui devrait permettre de valider les profils de dégradation simulés par le code de calcul. Elle devait offrir également des perspectives intéressantes en matière de contrôle qualité des bois traités à haute température pour le couplage des propriétés physiques et mécaniques du nouveau matériau à sa composition chimique.
Les résultats montrent que le modèle de pyrolyse couplé au modèle de transport rend compte des différents événements caractéristiques se déroulant durant le traitement thermique, c'est-à-dire la présence de réactions exothermiques et les surpressions internes générées par les gaz produits. La méthode par analyse spectrale a révélé qu'il est possible d'une part de discriminer des échantillons de bois ayant subis différents traitements et d'autre part de retracer l'historique thermique d'une pièce de bois dans son épaisseur. La SPIR semble ainsi une technique prometteuse qui devrait permettre de valider les profils de dégradation simulés par le code de calcul. Elle devait offrir également des perspectives intéressantes en matière de contrôle qualité des bois traités à haute température pour le couplage des propriétés physiques et mécaniques du nouveau matériau à sa composition chimique.
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