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Auteur(s)
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Isidore JACUBOWIEZ : Ingénieur du Conservatoire National des Arts et Métiers - Ingénieur Conseil en énergie et environnement au groupe Elf Aquitaine et à l’Association Technique Énergie Environnement (ATEE)
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Lire l’articleINTRODUCTION
Un four est un outil utilisé pour élever la température d’un produit. Il peut être soit :
-
un équipement destiné uniquement au chauffage (exemple : réchauffage de l’acier avant déformation plastique, réchauffage de pétrole brut avant distillation) ;
-
un véritable réacteur dans lequel on élabore les produits (exemple : four de fusion de verre, four de vapocraquage de la pétrochimie).
Il s’intègre généralement dans une ligne de production complexe dont il est un des éléments.
On trouve des fours dans un très grand nombre d’activités industrielles, ce qui rend une approche globale assez délicate.
Le présent article traite les fours dans leurs généralités, on s’efforce d’y dégager des caractéristiques communes à l’ensemble des fours. Il introduit une série d’articles portant chacun sur les fours spécifiques à une industrie notamment :
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les fours de l’industrie sidérurgique ;
-
les fours de traitement thermique des métaux ;
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les fours de raffinage et de l’industrie chimique ;
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les fours de cimenterie ;
-
les fours de l’industrie verrière ;
-
les fours des industries céramiques et des produits réfractaires.
Dans ces textes, les aspects spécifiques à chaque type de fours seront abordés.
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Calcul thermique des fours
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2. Transfert de chaleur dans les fours
La finalité d’un four est de transférer de l’énergie à une charge (produits) pour en élever la température. Ce transfert se fera pas les trois modes de transfert de chaleur (rayonnement, convection, conduction), la plupart du temps simultanément, mais dans des proportions très variables.
2.1 Fours à haute température
Ce sont les fours de sidérurgie, de verrerie, de cimenterie. La température que l’on veut obtenir sur le produit dépasse, et parfois nettement, 1 200 ×C.
C’est également le cas d’un certain nombre de fours de l’industrie du pétrole et de la chimie dans lesquels, bien que la température du produit soit inférieure à 500 ×C, une partie importante de la chaleur est fournie directement par le rayonnement de la flamme dans une zone de radiation. Le transfert de chaleur s’y fait essentiellement par rayonnement de la flamme et des gaz issus de la combustion.
Les transferts de chaleur par rayonnement découlent fondamentalement de la loi de Stefan-Boltzmann :
avec :
-
- puissance thermique
et de considérations géométriques liées aux dimensions et aux positions respectives des surfaces réceptrices de la chaleur (le produit à chauffer), des surfaces et volumes des émetteurs (flammes et gaz de combustion) et des surfaces réflectrices (parois du four).
Cette loi indique que la valeur de la puissance thermique émise par le rayonnement d’un corps noir est fonction de la température absolue de ce corps, à la puissance quatrième :
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