Modélisation thermique de dégivrage
Posté le 11 mai 2020 dans Actualités
Modélisation thermique d’un système de dégivrage de piste pour tramway à pneus
Le risque hivernal pour les routes et bandes de roulement pour les tramways à pneus peut être combattu soit par des fondants (sel, saumures, fondant organique,…) ou par un chauffage en sous couche. La première solution présente de nombreux inconvénient. Le sel corrode les systèmes de freinage des tramways et les fondants organiques perturbent le retour à la terre de l’alimentation électrique via le galet central. A cela s’ajoute la question environnementale.
La solution du chauffage par des câbles chauffants implantés dans la bande de roulement est la méthode la plus pratique à mettre en œuvre. Cependant le dimensionnement nécessite une modélisation en éléments fini.
THEMACS Ingénierie a développé pour FLEXELEC Groupe Omerin, fabricant de câbles chauffants, un outil permettant de modéliser le comportement thermique d’une chaussée.
FLEXELEC Groupe Omerin fournisseur des systèmes de maintien hors-gel est maintenant capable d’apporter une solution optimisée du point de vue énergétique.
Le problème à résoudre :
Les bandes de roulements sont constituées d’une semelle en béton armé dans laquelle on a immergé des câbles chauffant d’une certaine puissance linéique. Pour des raisons de maintenance on peut immerger des tubes métalliques dans lesquels on introduit le câble chauffant. Cela facilite la maintenance. La figure 1 présente un exemple de bande de roulement posée sur un remblai.
Figure 1 : coupe schématique d’une bande de roulement
La solution proposée par THEMACS ingénierie:
Pour simplifier le modèle nous n’avons pas traité les effets de bord. On a considéré la chaussée comme une suite infinie de câbles chauffant alignés dans le béton.
Une coupe schématique de la route est présenté figure 1. Sous la bande de roulement il y a de l’air et ce n’est pas une erreur ! En effet dans le cas de viaduc la bande de roulement est suspendue. Les couches E1 à E8 représentent les éventuelles différences de comportement thermique du béton. La couche E8 peut être augmentée (1m ou plus) pour représenter le remblai semi-infini (similaire à la figure 1).
Les paramètres de la simulation sont les propriétés thermiques (conductivité thermique, capacité thermique, masse volumique) des différentes couches minérales (de 2 à 8 couches), la puissance linéique de chauffage (fournis directement ou calculé à partir de la résistance linéique en Ω/m, de la longueur et de la tension d’alimentation), et les dimensions géométriques du problème :
- le diamètre des câbles chauffants
- la distance entre les fils chauffants
- Les épaisseurs des différentes couches E1 à E8
Les paramètres de sortie sont :
- Profil de température à la verticale d’un fil chauffant
- Profil de température entre deux fils chauffant
- Profil de température à la surface d’un fil chauffant
- Evolution de la température au cours du temps de différents points de la chaussée.
Les échanges sur les surfaces inférieures et supérieures de la bande de roulement béton s’effectuent avec l’air. Les coefficients d’échange convectif sont à paramétrer en fonction de la vitesse supposée du vent. Les échanges radiatifs sont aussi pris en compte.
Un coefficient d’échange par convection est choisi en face supérieure et inférieure
L’outil de modélisation utilisé est CASTEM développé par le CEA. Cet outil permet modéliser par éléments finis le comportement thermique de la géométrie étudié.
L’interface utilisateur est assurée par une feuille Excell qui permet de dimensionner tous le système. Les paramètres sont échangés avec CASTEM grâce à des fichiers CSV. Ceux-ci sont lus et traités par le programme CASTEM. La figure 3 montre le principe de fonctionnement de l’ensemble.
La figure 4 montre la zone modélisée (zone encadrée en rouge) Celle-ci peut se reproduire par symétrie pour modéliser l’ensemble de la chaussée.
Figure 2 : coupe schématique correspondant à la modélisation d’une bande de roulement
Exemple de résultats d’une modélisation :
Nous avons réalisé grâce à notre outil une modélisation d’une chaussée en béton avec 50mm de béton au-dessus des câbles chauffant et 200mm de béton en dessous. Le résultat temporel est visible figure 5 et les profils de température au bout de 5h sont visible figure 6.
Cette modélisation permet de mieux dimensionner la puissance à injecter dans le béton, trouver le bon compromis pour avoir une montée uniforme de la température en surface et améliorer la géométrie du système de chauffage.
Figure 5 : A gauche présentation des points et lignes de mesures. A droite exemple de réponse temporelle.
Figure 6 : exemple de profil de température au sein de la chaussée en béton (les libellés correspondent à ceux de la figure 5.
Conclusion :
Cet outil permet de dimensionner au mieux les systèmes de chauffage pour assurer le dégivrage des chaussées. Cela pourra aussi s’appliquer au routes, pistes d’aéroports et terrains de sports afin d’optimiser les systèmes de chauffage.
La modélisation doit s’accompagner d’un système de mesure des propriétés thermiques du substrat (conductivité thermique capacité calorifique , …) afin d’alimenter au mieux le modèle. En effet en fonction de la quantité de ferraillage incluse dans la chaussée les propriétés thermiques effectives changent notablement.