Phénomènes thermiques

Au cours de ces dernières années le coût de l’énergie n’a fait qu’augmenter et a priori ce phénomène n’est pas près de s’enrayer. En tant que gros consommateur de courant électrique, les producteurs d’aluminium ont dû s’adapter et tenir de plus en plus compte du rendement énergétique des cuves d’électrolyse. Il est clair qu’une part importante de la perte énergétique provient de l’effet Joule que génère le courant en traversant le bain faiblement conducteur. De ce fait la distance entre anode et aluminium influence énormément le coût énergétique de production. Malheureusement il est connu que diminuer cette distance a tendance à augmenter les instabilités MHD et de ce fait a diminuer le rendement Faraday.

Une étude des effets thermiques semble donc primordiale pour assurer un fonctionnement optimal des cuves. D’autre part il faut également tenir compte de la formation de zones de bain solidifié (talus) sur le bord des cuves qui permet de protéger la structure métallique du bain fortement corrosif.

Au sein du logiciel Alucell, la chaire ASN a donc développé un modèle permettant la résolution d’un problème thermique (équation de la chaleur) couplé avec les équations de la MHD (Maxwell pour calculer l’effet Joule et Navier-Stokes pour la convection de la température). Ce modèle permet de calculer une solution stationnaire du problème thermique, d’étudier les flux au bord, la formation de zones solidifiées et l’influence de ces zones sur l’écoulement des fluides et sur l’effet Joule.

Ci- après, un exemple de température stationnaire (sans effet convectif) dans une cuve réaliste (vue de dessus) et zones solidifiées associées.

En guise d’illustration des simulations thermo-électriques, voici une animation de l’évolution des zones de bain solidifié et leur interaction avec les vitesses des fluides à l’interface aluminium – bain.