module des sciences appliquÉes - …bibliotheque.uqat.ca/documents/rapportsa/77.pdf · 2.4...
Post on 15-Sep-2018
219 Views
Preview:
TRANSCRIPT
MODULE DES SCIENCES APPLIQUÉES
AMÉLIORATION D’UN SYSTÈME DE VENTILATION ET DE
CHAUFFAGE
PROJET D’ÉTUDES EN INGÉNIERIE DANS LE CADRE DU PROGRAMME DE
BACCALAURÉAT EN GÉNIE ÉLECTROMÉCANIQUE ET MÉCANIQUE
Présenté par : Rémi Paquet
Kaven Bertrand-Brochu
Superviseur : Jean-Paul Langlois, ing.
Représentant industriel : David Gingras, ing. jr. CMAC-THYSSEN
AVRIL 2010
ii
iii
REMERCIEMENTS
Sans l’aide, aux conseils et aux soutiens de plusieurs collaborateurs, la réalisation de ce
projet aurait pu sérieusement être mise en péril. Donc, nous profitons de ces quelques lignes
afin de souligner leur apport.
En premier lieu, nous voulons remercier le Groupe Minier CMAC-THYSSEN de nous
avoir permis de travailler sur un tel projet. Plus précisément, nous voulons remercier notre
représentant industriel M. David Gingras ing. jr. pour avoir su nous diriger et nous conseiller
tout au long du projet.
En deuxième lieu, nous aimerions remercier M. Georges Laszczewski ing. de Stavibel
pour son expérience en mécanique du bâtiment et ces judicieux conseils.
En troisième lieu, nous voulons remercier M. Jean-Paul Langlois ing., chargé de cours à
l’Université du Québec en Abitibi-Témiscamingue, pour son support technique, son expérience
et son encadrement en tant que superviseur de notre projet.
En quatrième lieu, nous aimerions remercier nos familles, amis, confrères et consœurs du
baccalauréat pour leur support moral et technique.
Finalement, nous voulons remercier tous ceux et celles qui ont pu contribuer de près ou
de loin à la réalisation de projet d’étude en ingénierie.
iv
RÉSUMÉ
Dans les règlements sur la santé et sécurité au travail du Québec, les fumées de soudage
et de coupage doivent être traitées de manière à minimiser la contamination de l’air de l’atelier.
Pour répondre à ces exigences, plusieurs solutions peuvent être envisagées.
Ainsi, l’entreprise Entrepreneur CMAC-THYSSEN nous a mandatés pour faire l’analyse
et proposer des solutions pour adapter leur système de ventilation qui semble inadéquat. Par
contre, dans les régions nordiques, lorsqu’il est question de ventilation, le préchauffage de l’air
sain est inévitable. Cette dernière étape génère des factures de chauffage exorbitant. Donc, nous
avons également le mandat de trouver des solutions pour générer des économies de chauffage.
À la lumière des résultats obtenus, nous nous sommes rendu compte que le système de
ventilation qui est utilisé est conforme aux normes québécoises. Cependant, l’ajout et
l’utilisation de système d’échappement local sont nécessaires pour s’assurer de maintenir un
environnement sain pour les travailleurs. Enfin, nous avons apporté une solution qui, selon
nous, pourrait corriger la situation présente.
v
ABSTRACT
In the work health and safety rules of Quebec, the welding and cutting smoke must be
treated to minimize the workshop air contamination. To meet these requirements, several
solutions can be envisaged.
The company Entrepreneur CMAC-THYSSEN appointed us to analyze and suggest
solutions to adapt their ventilation system that seems inadequate. On the other side, in the
northern regions, preheating healthy air is inevitable. This last step generates exorbitant heating
bills. We also have the mandate to find solutions to generate savings in heating.
Based on the results, we realized that the existing ventilation system complies with
Quebec’s norm. However, the addition and use of local exhaust system is necessary to preserve
a healthy environment for workers. Finally, we provided a solution that, we believe, could
correct the present situation.
vi
TABLES DES MATIÈRES
INTRODUCTION ........................................................................................................................ 1
CHAPITRE 1: Étude des besoins et du mandat .......................................................................... 2
1.1 Présentation de l’entreprise ............................................................................................ 2
1.2 Description et caractéristique de la problématique ........................................................ 3
1.3 Normes applicables ........................................................................................................ 5
1.4 Inventaire des données opérationnelles et expérimentales recueillies ........................... 6
1.4.1 Consommation de gaz naturel ................................................................................ 6
1.4.2 Spécification du générateur de ventilation tempérée à chauffage direct ................ 6
1.4.3 Spécification des chaufferettes : ............................................................................. 6
1.4.4 Température extérieure : ......................................................................................... 7
1.4.5 Quantité d’unité de soudure : .................................................................................. 7
1.4.6 Utilisation des unités de soudure : .......................................................................... 8
1.4.7 Orientation de l’atelier : .......................................................................................... 8
1.4.8 Dimension de l’atelier : .......................................................................................... 9
1.4.9 Isolation de l’atelier mécanique : ............................................................................ 9
1.5 Revue de la documentation (théorie) ............................................................................. 9
1.5.1 Principles of heating and ventilating and air conditioning ..................................... 9
1.5.2 Fundamentals of heat and mass transfer ............................................................... 10
1.6 Objectifs, contraintes et restrictions ............................................................................. 10
1.7 Formulation du mandat ................................................................................................ 10
CHAPITRE 2: Cadre théorique et élaboration des hypothèses ................................................. 12
2.1 La ventilation ............................................................................................................... 12
2.1.1 La ventilation naturelle ......................................................................................... 12
2.1.2 La ventilation mécanique ...................................................................................... 13
2.2 Générateur de ventilation tempérée ............................................................................. 15
2.3 Isolation thermique ...................................................................................................... 16
2.4 Système de récupération de chaleur ............................................................................. 16
2.4.1 Roue thermique (Rotary Wheel) ........................................................................... 16
vii
2.4.2 Boucle de serpentins (Runaround Coil Loop) ...................................................... 18
2.4.3 Échangeur à tubes (Heat Pipe) .............................................................................. 19
2.4.4 Échangeur à écoulements croisés (Cross-Flow) ................................................... 21
CHAPITRE 3: Mise en œuvre du mandat ................................................................................. 22
3.1 Recherche de solution .................................................................................................. 22
3.1.1 Solution #1 ............................................................................................................ 23
3.1.2 Solution #2 ............................................................................................................ 24
3.1.3 Solution #3 ............................................................................................................ 25
3.2 Avantages et inconvénients .......................................................................................... 27
3.3 Matrice de décision des solutions préliminaires .......................................................... 28
3.4 Choix de la solution finale ........................................................................................... 30
3.5 Élaboration de la solution finale .................................................................................. 31
3.5.1 Analyse du système de ventilation de CMAC-THYSSEN ................................... 32
3.5.2 Gaine d’évacuation ............................................................................................... 33
3.5.3 Gaine d’alimentation ............................................................................................ 36
3.5.3 Ventilateur d’évacuation ....................................................................................... 37
3.5.4 Générateur de ventilation tempérée ...................................................................... 38
3.5.5 Système d’échappement local ............................................................................... 41
3.5.6 Boucle de serpentin ............................................................................................... 44
CHAPITRE 4: Études des coûts ................................................................................................ 53
CHAPITRE 5: Santé et sécurité ................................................................................................ 55
CHAPITRE 6: Recommandations ............................................................................................. 58
CONCLUSION ........................................................................................................................... 60
BIBLIOGRAPHIE ...................................................................................................................... 61
ANNEXES ........................................................................................................................... 63
A. Facture de gaz pour chauffage ..................................................................................... 64
B. Fiche technique du compresseur .................................................................................. 65
C. Fiche technique du générateur de ventilation tempérée à chauffage direct ................. 66
D. Fiche technique du ventilateur de plafond ................................................................... 68
E. Fiche technique du bras capteur à la source ................................................................. 69
viii
F. Fiche technique des chaufferettes ................................................................................ 70
G. Tableau de conversion des diamètres en dimension rectangulaire des conduites ........ 71
H. Tableau de dimensionnement des coude dans les conduites ........................................ 72
I. Tableau de dimensionnement des transitions dans les conduites ................................ 73
J. Tableau et abaque pour choix des persiennes .............................................................. 74
K. Tableau de sélection des grilles de retour .................................................................... 75
L. Abaque des pertes de charge dans les conduites .......................................................... 76
M. Vitesses et caractéristiques recommandées des gaines de ventilation ......................... 77
N. Propriété de l’éthylène glycol ...................................................................................... 78
O. Soumission ................................................................................................................... 81
P. Script Matlab ................................................................................................................ 84
Q. Abaque et caractéristique de système d’échappement local ........................................ 89
R. RSST (Sections relatives au projet) ............................................................................. 92
S. Plans ............................................................................................................................. 99
T. Calculs ........................................................................................................................ 103
ix
LISTE DES TABLEAUX
Tableau 1.1 Température moyenne, moyenne maximale et minimale pour Val d’Or ................. 7
Tableau 2.1 Masse volumique en fonction de la température .................................................... 14
Tableau 3.1 Avantages et inconvénients des solutions ............................................................... 27
Tableau 3.2 Matrice de décision ................................................................................................. 29
Tableau 3.3 Pondération de la matrice de décision .................................................................... 30
Tableau 3.4 Résultat de la matrice de décision ........................................................................... 31
Tableau 3.5 Dimension de la gaine de retour ............................................................................. 33
Tableau 3.6 Dimension de la gaine d'alimentation ..................................................................... 36
Tableau 3.7 Tableau de sélection du générateur de ventilation à chauffage indirect ................. 41
Tableau 3.8 Caractéristique de l’eau-glycol à 50% .................................................................... 45
Tableau 3.9 Tableau des résultats des deux serpentins ............................................................... 52
Tableau 4.1 Liste des coûts ......................................................................................................... 53
Tableau 5.1 Effet des fumées de soudure sur la santé ................................................................ 56
LISTE DES FIGURES
Figure 1.1 Bâtiment de l’entreprise Entrepreneur minier CMAC-THYSSEN ............................. 3
Figure 1.2 Problématique .............................................................................................................. 4
Figure 1.3 Orientation de l'atelier ................................................................................................. 8
Figure 2.1 Schéma de la roue thermique .................................................................................... 17
Figure 2.2 Schéma de la boucle de serpentins ............................................................................ 19
Figure 2.3 Principe de l’échangeur à tube .................................................................................. 20
Figure 2.4 Efficacité de l’échangeur à tube en fonction du nombre de rangée et de la vitesse .. 20
x
Figure 2.5 Principe de l’échangeur à écoulements croisés (« Cross-flow ») .............................. 21
Figure 3.1 Conduit d'alimentation d'air frais .............................................................................. 23
Figure 3.2 Exemple de dépoussiéreur ......................................................................................... 24
Figure 3.3 Exemple de système d’échappement local ................................................................ 26
Figure 3.4 Schéma de la ventilation ........................................................................................... 32
Figure 3.5 Schéma de la gaine de retour ..................................................................................... 35
Figure 3.6 Gaine d'alimentation .................................................................................................. 37
Figure 3.7 Puissance de combustion nécessaire en fonction de la température extérieure ........ 40
Figure 3.8 Système d'échappement local .................................................................................... 43
Figure 3.9 Schéma de la boucle de serpentin ............................................................................. 47
Figure 3.10 Schématisation du serpentin dans la gaine de retour ............................................... 50
Figure 3.11 Température en fonction de l'échange de chaleur dans la gaine de retour .............. 51
Figure 3.12 Température en fonction des échanges de chaleur dans l'alimentation ................... 51
xi
LISTE DES SYMBOLES ET ABRÉVIATIONS
mètre
seconde
kilogramme
degré kelvin
degré celsius
po pouce
pied
pied cube par minute
pascal
watt
litre
J Joule
PEI
Rémi Paquet Hiver 2010 1
Kaven Bertrand-Brochu
INTRODUCTION
Depuis quelques décennies, les entreprises s’efforcent à respecter de plus en plus la santé
et sécurité au travail. Des normes, lois et règlements ont été mis en place par le gouvernement,
règlements sur la santé et sécurité au travail (RSST), afin de protéger les travailleurs. Autrefois,
les effets de produits et fumées néfastes sur la santé étaient méconnus des autorités, des experts
et de la population. Par contre, avec les recherches et technologies de nos jours, une liste de
contaminants a été élaborée. En autre, la fumée de soudure, puisqu’elle contient plusieurs
contaminants, a été ciblée en industrie. Ainsi, plusieurs règlements ont été élaborés sur ce sujet.
Dans le domaine de la mécanique minière, la soudure est un principe souvent utilisé.
C’est bien le cas de l’entreprise Entrepreneur Minier CMAC-THYSSEN à qui utilise la soudure
afin d’effectuer la maintenance sur la machinerie minière. La maintenance de la machinerie
s’effectue à l’intérieur d’un atelier qui possède un système de ventilation adapté au milieu
industriel. Par contre, le système de ventilation est inefficace, car il y a accumulation de fumée
à l’intérieur de l’atelier. Lorsqu’il y a une trop grosse accumulation de fumée, la main-d’œuvre
de l’entreprise doit ouvrir un ventilateur et une trappe afin de ventiler l’atelier directement avec
l’extérieur. Ainsi, en échangeant l’air extérieur avec l’air à l’intérieur avec l’aide d’un simple
ventilateur, la température à l’intérieur de l’atelier diminue rapidement se qui entraîne
directement augmentation du coût de chauffage de l’atelier. Or, l’entreprise désire obtenir une
analyse du système de ventilation déjà en place et elle désire aussi acquérir des propositions
afin d’améliorer la qualité de l’air de l’environnement de travail tout en réduisant le coût de
chauffage. Depuis l’installation du nouveau système de ventilation, la facture de chauffage ne
cesse d’augmenter.
PEI
Rémi Paquet Hiver 2010 2
Kaven Bertrand-Brochu
CHAPITRE 1: Étude des besoins et du mandat
1.1 Présentation de l’entreprise
Groupe minier CMAC-THYSSEN a été fondée en septembre 2003 par M. Claude
Macdonald. L’entreprise œuvre dans 4 départements miniers distincts. Les départements sont
Forage Long Trou CMAC-THYSSEN, Entrepreneur minier CMAC-THYSSEN, Manufacturier
Minier CMAC-THYSSEN et CMAC-THYSSEN Afrique.
Le projet intitulé « Amélioration d’un système de ventilation et de chauffage »est effectué
avec la collaboration d’Entrepreneur minier CMAC-THYSSEN. Intégrée au Groupe Minier
CMAC-THYSSEN en août 2003, l’entreprise se situe dans le parc industriel de Val-d’Or.
Possédant une quarantaine d’années d’expérience, l’entreprise a su développer son expertise
dans les travaux de génies civils. En autre, elle a œuvré dans les tunnels de métro souterrains et
dans les excavations de centrales hydrauliques. Elle offre ses services dans l’excavation de roc
dans toutes les directions et dimensions. De plus, elle se propose dans la fabrication et
l’installation d’infrastructure en surface et sous terres. Finalement, son expertise se termine
dans les services techniques et d’ingénierie. Tous ses domaines mis ensemble permettent à
Entrepreneur minier CMAC-THYSSEN de développer une mine à partir de la surface du sol,
d’exploiter et d’extraire le gisement jusqu’au traitement des minéraux. Une version industrielle
d’Entrepreneur Minier CMAC-THYSSEN offre également la construction des services, tel
que : contrôle de vibrations, forage de périmètre, pré découpage et les sautages.
PEI
Rémi Paquet Hiver 2010 3
Kaven Bertrand-Brochu
Figure 1.1 Bâtiment de l’entreprise Entrepreneur minier CMAC-THYSSEN
1.2 Description et caractéristique de la problématique
L’atelier où est réalisée l’analyse du système de ventilation est un atelier servant à faire la
maintenance de la machinerie. Étant donné que les mécaniciens doivent parfois couper ou
souder l’équipement en maintenance, ils doivent ainsi utiliser les torches et les soudeuses. Ces
deux derniers outils émettent de la fumée lors de leurs utilisations. Deux systèmes
d’échappement local de fumée sont en place pour contrer l’accumulation de fumée cependant,
ceux-ci ne sont pas accessibles partout. Ces systèmes d'aspiration sont formés de conduits
cylindriques avec un ventilateur accouplé à ceux-ci pour éjecter la fumée à l’extérieur.
PEI
Rémi Paquet Hiver 2010 4
Kaven Bertrand-Brochu
Figure 1.2 Problématique
D’autre part, un générateur de ventilation tempérée est installé à l’extérieur pour chauffer
l’apport d’air frais venant de l’extérieur. Le système en place consiste à un générateur de
ventilation tempérée à chauffage direct connecté à un conduit de ventilation positionné sur le
mur est de l’atelier servant d’approvisionnent en air frais. Le principe de l’unité de chauffage
est simple, il s’agit d’une flamme qui réchauffe l’air qui est entré à l’intérieur de l’unité pour en
sortir chaud. La flamme est créée à l’aide d’un brûleur fonctionnant au gaz naturel. De plus, il y
a présence de trois chaufferettes, sur le côté est que le conduit d’alimentation, servant à
maintenir la température stable. Leurs présences sont nécessaires puisqu’une fois l’air sortit de
l’unité de chauffage, celle-ci commence immédiatement à perdre de la chaleur. De cette façon,
il faut des unités pour chauffer l’air déjà à l’intérieur de l’atelier. Les chaufferettes utilisent le
principe du transfert de chaleur par convection. Tout d’abord, un fluide chaud, dans ce cas-ci,
les gaz chauds de combustion traverse des conduits en serpentin. Par la suite, un ventilateur
force un certain volume d’air à traverser ce serpentin chaud et un échange de chaleur se produit.
PEI
Rémi Paquet Hiver 2010 5
Kaven Bertrand-Brochu
1.3 Normes applicables
Au Québec, dans le domaine de la fabrication et de l’entretien dans les ateliers
mécanique, seuls les règlements sur santé et sécurité au travail s’appliquent. Ces règlements
découlent de la loi sur la santé et sécurité au travail instauré depuis déjà de nombreuses années.
Par contre, cette loi et ces règlements ont été conçus grâce aux normes imposées par les
organismes de normalisation. Entre autres, l’ACNOR (Association canadienne de
normalisation) œuvre dans les règles de sécurité en soudage, coupage et procédés connexes.
Ainsi, plusieurs règlements doivent être respectés dans la ventilation d’un atelier
mécanique. En fait, le bâtiment doit répondre aux exigences. Notamment, l’évacuation à la
source des contaminants produits par une source d’émission ponctuelle comme la fumée de
soudure, un minimum de changements d’air frais à l’heure et le maintien d’une température
minimale dans l’atelier sont des exemples d’obligations que se doivent de respecter les
entreprises munies d’un atelier mécanique. De plus, ces trois exemples cités sont les normes
que doivent de respecter la solution retenue. Plus précisément, les règlements de la santé et
sécurité au travail mentionnent que dans un atelier mécanique, il doit y avoir un minimum de
quatre changements d’air à l’heure. De plus, la température minimale à maintenir est de 16 °C.
Il est possible de consulter à l’annexe R les règlements de la santé et sécurité qui s’appliquent
au projet.
D’autre part, le système en place chez CMAC-THYSSEN a comme combustible le gaz
naturel. Notamment, le générateur de ventilation tempérée est un système à chauffage direct.
Un système de ce genre est règlementé par les normes ACNOR en vigueur et il est certain que
la solution choisie devra en tenir compte. Entre autres, le générateur ne peut avoir une capacité
d’amener d’air supérieure à un pourcentage de dix pourcent de la capacité totale du système
d’évacuation. De plus, le générateur peut être mis en fonction uniquement lorsque le système
d’évacuation est fonctionnel.
PEI
Rémi Paquet Hiver 2010 6
Kaven Bertrand-Brochu
1.4 Inventaire des données opérationnelles et expérimentales recueillies
1.4.1 Consommation de gaz naturel
Le générateur de ventilation tempérée à chauffage direct de l’atelier ainsi que les
chaufferettes fonctionnent au gaz naturel. Pour déterminer la consommation de gaz naturel de
ces deux types équipements, les données ont été prises sur une base annuelle. La consommation
de gaz pour une année est passée de 64 472 m³ en 2008 à 115 649 m³ en 2009. Pour le prix de la
facture, il est passé de 50 062,49$ en 2008 à 88 742,93$ en 2009. Cet écart est expliqué par
l’utilisation d’un nouveau système de ventilation installée en 2009. On retrouve la
consommation de gaz naturel détaillée en annexe A.
1.4.2 Spécification du générateur de ventilation tempérée à chauffage direct
Le générateur sert à la régénération et à l’alimentation de l’air de l’atelier mécanique. Il
est installé à l’extérieur pour permettre un apport d’air sain. De plus, cela permet de ne pas
perdre d’espace à l’intérieur de l’atelier. Puisqu’il est à chauffage direct, le générateur rejette
les gaz de combustion dans l’atelier et donc, il possède une puissance totale et utile de 292,81
kW (1 000 000 BTU/heure). Il débite un volume d’air de 4.01 à 2 m3/s (8500 à 4250 PCM). Il
fonctionne au gaz naturel et le ventilateur a besoin d’une alimentation de 575 volts. Pour plus
d’information, voir à l’annexe C.
1.4.3 Spécification des chaufferettes :
Puisque l’air contenu à l’intérieur de l’atelier se refroidit graduellement, à cause des
pertes et échanges thermiques par les murs, le plancher et le plafond, trois chaufferettes sont
installées à l’intérieur de l’atelier pour maintenir la température stable. Les chaufferettes sont
d’une capacité totale de 73,2026 kW (250 000 BTU/heure) mais ayant une puissance utile de
PEI
Rémi Paquet Hiver 2010 7
Kaven Bertrand-Brochu
58,56 kW (200 000 BTU/heure) puisque cet appareil à est chauffage indirect. Pour plus
d’information, voir à l’annexe F.
1.4.4 Température extérieure :
La température est une donnée importante. Pendant une année complète, à Val-d’Or, elle
varie beaucoup. Pour bien prendre en considération la température, le tableau 1.1 présente les
températures moyennes, moyennes minimales et moyennes maximales enregistrées pour
chacun des mois de l’année 2009.
Tableau 1.1 Température moyenne, moyenne maximale et minimale pour Val d’Or
Mois Maximale (°C) Minimale (°C) Moyenne (°C) Janvier -14,2 -26,5 -20,32
Février -7,4 -19,6 -13,53
Mars -0,5 -14,7 -7,62
Avril 6,9 -4,9 1
Mai 13,8 -0,4 6,74
Juin 22,1 8,7 15,39
Juillet 21,5 11,1 16,29
Août 21,4 10,5 15,96
Septembre 18,3 6 12,11
Octobre 7 -0,7 3,16
Novembre 4,8 -2,2 1,27
Décembre -7,1 -16,6 -11,82
Annuelle 7,21 -4,11 1,55
1.4.5 Quantité d’unité de soudure :
À l’intérieur de l’atelier mécanique, il y a trois postes de soudures mobiles et deux fixes.
Il y a aussi des postes de coupe de métal. Il y a un poste pour la coupe de métal à l’aide de
PEI
Rémi Paquet Hiver 2010 8
Kaven Bertrand-Brochu
chalumeaux et un poste pour la coupe de métal au plasma. De plus, il arrive parfois que le
personnel à recours à l’utilisation de l’arcair. Tous ces derniers équipements produisent de la
fumée lors de leurs utilisations.
1.4.6 Utilisation des unités de soudure :
Les postes de soudures sont étendus sur toute la surface de l’atelier puisque parfois la
machinerie en réparation prend beaucoup d’espace (exemple : chargeuse). Ainsi, les unités de
soudures sont parfois déplacées sur de bonnes distances pour effectuer les réparations
nécessaires. Habituellement, les unités de soudure ne sont pas utilisées en même temps, mais il
arrive, à l’occasion, qu’elles le soient. La période d’utilisation des unités de soudure ne peut pas
vraiment être évaluée puisque la maintenance sur l’équipement minier n’est jamais la même
d’une journée à l’autre.
1.4.7 Orientation de l’atelier :
Pour ce qui est de la position de l’atelier, la façade de l’atelier est sur le côté sud. Ainsi, la
porte arrière est pointée directement vers le nord. La figure 1.2 représente une esquisse de
l’atelier dans le but de la située avec les points cardinaux
Figure 1.3 Orientation de l'atelier
PEI
Rémi Paquet Hiver 2010 9
Kaven Bertrand-Brochu
1.4.8 Dimension de l’atelier :
L’atelier mécanique de CMAC-THYSSEN entrepreneur minier a été construit pour une
autre raison que la maintenance d’équipement minier. L’utilisation première de cette bâtisse
était reliée à l’assemblage de structure de bois pour la fabrication des groupes turbine
alternateur destiné aux barrages LG sur la Grande Rivière. Étant donné la dimension du groupe
turbine alternateur, le bâtiment se devait alors posséder une hauteur raisonnable. La largeur de
l’atelier est de 80 pieds et la longueur est de 120 pieds. Pour ce qui est de la hauteur, elle est de
30 pieds tandis que la hauteur au pignon est de 35 pieds. La modélisation de l’atelier a été
réalisée à l’aide de SolidWorks 2010.
1.4.9 Isolation de l’atelier mécanique :
L’isolation de l’atelier est la même pour tout les murs et le toit. L’isolation de l’atelier à
une épaisseur de 4 pouces. Elle est constituée de laine isolante avec une membrane par-dessus
pour la retenir adéquatement sur le mur.
1.5 Revue de la documentation (théorie)
1.5.1 Principles of heating and ventilating and air conditioning
Ce livre de référence présente la théorie de base ainsi que ces applications à la mécanique
du bâtiment. En autre, il présente les différentes informations sur la ventilation en atelier, la
conception des conduits de retour et d’alimentation, les échangeurs de chaleur et bien plus
encore. Il permet de fixer des balises qui permettront d’orienter les travaux. Cette
documentation est l’outil idéal pour la réalisation du projet.
PEI
Rémi Paquet Hiver 2010 10
Kaven Bertrand-Brochu
1.5.2 Fundamentals of heat and mass transfer
Ce livre de transfert de chaleur permet de comprendre les principes de bases au sujet des
échanges de chaleur. Il est exposé plusieurs informations relatives aux échangeurs de chaleur,
un sujet qui est fort intéressant pour le projet.
1.6 Objectifs, contraintes et restrictions
1.6.1 Objectifs :
• Diminuer la facture reliée au coût de chauffage de l’air ventilé
• Éliminer l’accumulation de fumée dans l’atelier
• Design d’un récupérateur de chaleur
• Analyser le système de ventilation de l’entreprise
1.6.2 Contraintes :
• L’unité de chauffage déjà fixé
• Le volume de l’atelier doit rester le même
• La température doit être de 16˚C
• Trois unités de soudure en fonction
1.6.3 Restrictions :
• Le coût du projet doit être amorti sur un délai de 7 ans
• Il doit y avoir au minimum quatre changements d’air à l’heure
1.7 Formulation du mandat
L’entreprise Entrepreneur CMAC-THYSSEN possède un atelier où s’effectuent les
travaux de maintenance sur la machinerie minière. Pour effectuer la maintenance de
l’équipement, les mécaniciens doivent par conséquent utiliser des soudeuses pour réparer
l’équipement. De plus, quelquefois, les mécaniciens doivent aussi utiliser les torches ou le
PEI
Rémi Paquet Hiver 2010 11
Kaven Bertrand-Brochu
plasma pour couper certains métaux. Tous ces derniers équipements produisent de la fumée lors
de leurs utilisations. Ainsi, une accumulation de fumée se forme en hauteur dans l’atelier.
Étant donné que le toit est très élevé, la fumée se répand sur un très grand volume. Il est
alors difficile pour les ventilateurs d’évacuation de retirer l’air contaminé. Actuellement, pour
résoudre le problème lorsque les mécaniciens soudent relativement beaucoup, ils doivent
effectuer un changement d’air à l’aide d’un ventilateur et de deux trappes d’air provenant
directement de l’extérieur. Ainsi, il est impossible de garder stable la température à l’intérieur
de l’atelier et la facture de gaz relié au chauffage de l’atelier est très élevée. Pour contrer ce
problème, nous devrons élaborer diverses solutions et recommandations permettant d’obtenir
un air sain à l’intérieur de l’atelier tout en respectant les normes gouvernementales reliées à ce
domaine. De plus, il faudra apporter quelques solutions et recommandations pour diminuer la
facture de chauffage.
PEI
Rémi Paquet Hiver 2010 12
Kaven Bertrand-Brochu
CHAPITRE 2: Cadre théorique et élaboration des hypothèses
Ce chapitre permet de mettre en contexte les différents éléments qui constituent le projet.
Tout d’abord, la ventilation, puisqu’à la base, la problématique se situe à ce niveau. Par la suite,
les générateurs de ventilation tempérée, puisqu’il constitue la partie financière du problème.
Encore, l’isolation puisqu’elle permet de faire des économies d’argent. Finalement, les
systèmes de récupération de chaleur; puisqu’ils permettent également de réaliser des
économies.
2.1 La ventilation
La ventilation consiste à un renouvellement de l’air. Le renouvellement de l’air devient
nécessaire pour maintenir un niveau minimum d’oxygène dans l’air. De plus, il devient
primordial lorsque l’air contient des contaminants. Par exemple, pour évacuer ces contaminants
dans un atelier mécanique, les normes au Québec recommandent un minimum de quatre
changements d’air par heure. Cette section présente les types de ventilations utilisés.
2.1.1 La ventilation naturelle
La ventilation naturelle ne nécessite aucun apport énergétique autre que le rayonnement
du soleil. Le principe de fonctionnement est simple. Il s’agit tout simplement du principe de
convection. L’air qui est réchauffé, étant plus léger, prend de l’altitude et s’échappe par les
trappes d’aération situées sur les toits des bâtisses. Ainsi, la dépressurisation créée permet de
faire entrer un volume égal d’air frais par une trappe située dans les bas des bâtiments. Ainsi, un
certain changement d’air est assuré. Par contre, il est impossible de contrôler ce volume d’air et
même de récupérer les pertes énergies.
PEI
Rémi Paquet Hiver 2010 13
Kaven Bertrand-Brochu
2.1.2 La ventilation mécanique
La ventilation mécanique constitue une meilleure méthode afin de ventiler un espace
comme un atelier mécanique. Plusieurs systèmes de ventilation mécanique existent. Par
exemple, il y a le système à volume constant, le système à double gaine. Sachant que la masse
d’air à faire circuler doit demeurer constante pour un atelier mécanique, il est tout indiqué
d’utiliser un système à volume variable. Tout d’abord, un certain volume d’air, qui est
contaminé et qui doit être expulsé hors du bâtiment, est aspiré dans des conduits par un
ventilateur. Cet air rejeté du bâtiment est appelé l’évacuation6. En période froide, pour
récupérer une certaine quantité d’énergie, il est possible d’utiliser un système de récupération
de chaleur. Par la suite, l’air vicié qui a été éliminé doit être remplacé par un volume d’air sain.
Cette masse d’air, nommé l’alimentation, provient de l’extérieur du bâtiment et doit être admise
par un système d’admission d’air. Ce système est composé d’un ventilateur qui force de l’air
dans des conduits à pénétrer dans le bâtiment. En période froide, l’air introduit doit
préalablement être chauffé afin de ne pas refroidir l’espace de travail. Donc, il est possible de
faire une boucle avec le récupérateur de chaleur et le réchauffeur d’air d’appoint.
Dans le cadre du projet, la masse d’air à faire circuler dépend de la loi sur la santé et
sécurité au travail. Ainsi, quatre changements d’un certain volume sont nécessaires. Le volume
d’air représente la surface de travail des travailleurs et une hauteur minimale d’évacuation de
3,6 mètres située au-dessus de l’espace de travail. Ainsi, le débit volumique d’air, à évacué par
heure est représenté par l’équation 2.1.
Soit :
(2.1)
où, = débit volumique d’air à évacuer [m3/s]
= taux de changement d’air frais [s-1]
PEI
Rémi Paquet Hiver 2010 14
Kaven Bertrand-Brochu
= largeur du bâtiment [m]
= longueur du bâtiment [m]
= hauteur minimale d’évacuation [m]
Donc, l’équation 2.2 permet de déterminer le débit massique d’air à déplacer et à chauffer
dans le cadre du projet. Soit :
(2.2)
où, = débit massique d’air à évacuer [kg/s]
= débit volumique d’air à évacuer [m3/s] ρ = masse volumique [kg/m3]
Pour calculer le débit massique, on doit utiliser la masse volumique de l’air. Ainsi, le
tableau 2.1 présente les différentes masses volumiques reliées aux températures du projet.
Tableau 2.1 Masse volumique en fonction de la température
Température (K) Température (°C) Masse volumique (kg/m3)
200 -73 1,7458
250 -23 1,3947
300 27 1,1614
Lorsque la température n’est pas exactement celle présentée dans le tableau,
l’interpolation linéaire est utilisée afin de trouver la valeur approximative qui doit être
employée dans les calculs.
Certaines hypothèses ont été élaborées au sujet de la ventilation afin de simplifier le
mandat. Ainsi, une des raisons soupçonnées de l’accumulation de fumée est que l’usine est très
volumineuse et qu’il y a une défaillance du système de ventilation du retour. Ces informations
seront confirmées lors de la réalisation du mandat.
PEI
Rémi Paquet Hiver 2010 15
Kaven Bertrand-Brochu
2.2 Générateur de ventilation tempérée
Il existe plusieurs types de générateur de ventilation tempérée. L’électricité, le propane, le
gaz naturel et le mazout sont toutes des sources d’énergie auquel le générateur de ventilation
tempéré produit sa chaleur. Chaque générateur de ventilation possède un ventilateur ainsi
qu’une unité de chauffage. Un générateur de ventilation tempérée fonctionnant à l’électricité
produit sa chaleur à l’aide d’un élément chauffant. En circulant à l’intérieur de l’élément,
l’électricité réchauffe ce dernier puis libère sa chaleur dans l’air par convection. Pour les
générateurs de ventilation tempérée au mazout, propane et gaz naturel, ils produisent leurs
chaleurs à l’aide d’un brûleur. Le brûleur est différent pour les trois types, cependant le principe
reste le même. Le carburant est amené dans le brûleur pour être ensuite brûlé et produire une
flamme pour réchauffer l’air. Ce principe est nommé à feu direct. Il existe aussi le type indirect.
Le principe de celui-ci est qu’un fluide est réchauffé pour être ensuite acheminé vers un
radiateur. Le ventilateur force l’air à traverser à travers le radiateur pour se faire réchauffer lors
de son passage. Pour certain modèle de générateur de ventilation tempérée, il y a présence d’un
autre serpentin servant comme récupérateur de chaleur.
Pour connaître la puissance nécessaire du générateur de ventilation tempérée pour chauffer l’air
frais nécessaire à introduire à l’intérieur de l’atelier, il faut calculer la puissance de chauffage.
L’équation 2.3 permet de calculer la puissance utile pour le chauffage de l’air frais.
(2.3)
Où, = échange de chaleur [W]
= débit massique d’air à évacué [kg/s]
= chaleur spécifique de l’air [J/kg·K]
= variation de température [K]
PEI
Rémi Paquet Hiver 2010 16
Kaven Bertrand-Brochu
2.3 Isolation thermique
Dans le cadre du projet, l’analyse des pertes de chaleur ne sera pas effectuée puisque nous
allons limiter l’analyse à la ventilation et à la récupération de chaleur. Par contre, il aurait été
intéressant de savoir s’il était possible d’améliorer le facteur énergétique du bâtiment.
2.4 Système de récupération de chaleur
Les systèmes de récupération de chaleur sont présents dans les systèmes de ventilation
afin de permettre de récupérer de l’énergie dans l’air expulsé à l’extérieur. L’air rejeté possède
une température assez élevée pour effectuer un transfert de chaleur entre l’air d’appoint et l’air
vicié. Les échangeurs de chaleur où l’air est mélangé ne sont pas appropriés pour le milieu
industriel, car il y a présence de pollution dans l’air vicié. Ainsi s’il y a un mélange d’air,
différents types de récupérateur de chaleur seront présentés.
2.4.1 Roue thermique (Rotary Wheel)
La roue thermique consiste à un cylindre tournant autour de son axe central positionné de
façon adjacente entre l’air d’appoint et l’air vicié. À l’intérieur du cylindre, il y a présence de
larges surfaces pouvant accumuler de l’énergie en forme de chaleur. L’énergie (chaleur)
amassée par l’air vicié est stockée dans les larges surfaces fabriquées de matériaux spéciaux.
Elle est ensuite libérée dans l’air d’appoint à l’aide de rotation de la roue. L’humidité est aussi
transférée lors de rotation. Elle est transférée de même façon que l’énergie soit du milieu le plus
humide vers le milieu le plus sec. Lors d’un échange de chaleur complet, le transfert d’énergie
et le transfert d’humidité s’effectuent de façon simultanée.
Le choix des matériaux pour la structure est généralement du métal ou de l’aluminium. Le
choix des matériaux est contraint par les contaminants présents à l’intérieur de l’air, la
température de l’air ainsi que par le point de rosée.
PEI
Rémi Paquet Hiver 2010 17
Kaven Bertrand-Brochu
La performance d’une roue thermique est reliée à sa vitesse. En réduisant la vitesse, cela
amène à une meilleure efficacité et à une réduction des coûts d’opération. Cependant, cela
demande une roue thermique plus grande, un investissement de départ plus important et un
espace plus grand. L’efficacité se situe entre 70 à 85 % pour un débit égal d’alimentation et de
retour.
La capacité de ces roues thermiques peut atteindre 68 000 PCM (32 m³/s) pour une
dimension maximale d’environ 14 pieds (4,25 m). La plage de température de fonctionnement
va de -70 à 1500˚F (-60 à 800˚C).
Ce modèle d’échangeur de chaleur possède un désavantage dans le milieu industriel, il
nécessite des filtres pour rester propre et efficace. Donc, il y a un coût relié à la maintenance.
La figure 2.1 présente le schéma de la roue thermique.
Figure 2.1 Schéma de la roue thermique
PEI
Rémi Paquet Hiver 2010 18
Kaven Bertrand-Brochu
2.4.2 Boucle de serpentins (Runaround Coil Loop)
Le système de récupération de chaleur avec circuit de serpentins consiste à un réseau de
tuyauterie agencé avec deux serpentins. Un des deux serpentins est situé avant le générateur de
ventilation tempérée et l’autre, dans le conduit d’évacuation. Le réseau de tuyauterie est en
circuit fermé, c'est-à-dire que le liquide circulant dans la tuyauterie est toujours le même. Le
liquide est composé d’un mélange d’eau et glycol pour empêcher la congélation du liquide.
La façon à laquelle l’énergie est récupérée est que lorsque l’air provenant du conduit
d’évacuation traverse le serpentin, celle-ci étant relativement chaude, réchauffe le serpentin
ainsi, que le liquide a l’intérieur. Étant donné qu’il y a circulation du liquide à l’intérieur des
serpentins et des tuyaux, l’eau réchauffée par le serpentin situé dans le conduit d’évacuation est
ensuite amenée vers le second serpentin situé dans le conduit d’air d’appoint. Le liquide chaud
perd ainsi sa chaleur dans le serpentin du conduit d’air d’appoint pour réchauffer en même
temps l’air d’appoint circulant à travers le serpentin. Le système est réversible en été lorsque
l’air de l’extérieur est plus froid que celle à l’intérieur.
Pour éviter le gel du liquide de circulation à l’intérieur de la tuyauterie, il faut effectuer
des mesures du liquide pour vérifier la concentration de glycol dans le liquide pour éviter la
congélation de celui-ci. De plus, il est possible d’ajouter une valve à trois voies permettant de
contrôler la température de façon à ce qu’elle soit relativement égale dans le circuit pour éviter
la congélation sur toute sa longueur. Par contre, l’utilisation d’une pompe à débit variable
effectue le même travail.
Un avantage de ce type de récupérateur de chaleur est qu’il est possible de récupérer de la
chaleur sur plusieurs conduits d’aération. Il suffit d’installer des serpentins vis-à-vis tous les
conduits d’évacuation d’air vicié. De plus, ce type de récupérateur de chaleur est très bien
approprié pour le milieu industriel. Son rendement se situe dans les alentours de 50 % et le coût
PEI
Rémi Paquet Hiver 2010 19
Kaven Bertrand-Brochu
d’investissement est relativement faible. La figure 2.2 présente le schéma de la circulation du
fluide et de l’air à travers les serpentins.
Figure 2.2 Schéma de la boucle de serpentins
2.4.3 Échangeur à tubes (Heat Pipe)
L’échangeur à tubes est un échangeur n’ayant aucune partie mobile. Il fonctionne un peu
comme un circuit de serpentins. L’échangeur est séparé en deux parties de façon à laisser passer
l’air d’appoint et l’air vicié en sens contraire. À l’intérieur de l’échangeur, il y a présence de
tubes se comportant comme des supraconducteurs pour la température. Les deux parties de
l’échangeur sont isolées l’une de l’autre de façon à ne pas laisser passer de particules polluantes
de l’air vicié vers l’air d’appoint. Les tubes sont disposés de parts égales dans chacun des côtés
de l’échangeur. L’énergie (chaleur) de l’air vicié est transféré à l’air d’appoint l’aide des tubes.
Les tubes sont fabriqués de matériaux capillaires remplis d’un liquide réfrigérant
permettant une bonne conductivité thermique. Grossièrement, les tubes agissent selon le
principe de condensation et d’évaporation dans un cycle continu tant qu’il y a une différence de
PEI
Rémi Paquet Hiver 2010 20
Kaven Bertrand-Brochu
température entre les deux conduits d’air. Les tubes sont en fait des objets iso thermiques. La
figure 2.3 présente le principe de l’échange de chaleur dans un échangeur à tube.
Figure 2.3 Principe de l’échangeur à tube
La capacité des échangeurs à tubes varie selon différents facteurs tels que le design, le
diamètre, la nature du fluide et l’orientation par rapport à l'horizontale. L’efficacité décroit
lorsque la vitesse de l’air augmente. Dans les échangeurs, les tubes sont disposés en rangées.
Lorsqu’on augmente le nombre de rangées, cela augmente l’efficacité de l’échangeur en suivant
une courbe présenté à la figure 2.4.
Figure 2.4 Efficacité de l’échangeur à tube en fonction du nombre de rangée et de la vitesse
PEI
Rémi Paquet Hiver 2010 21
Kaven Bertrand-Brochu
2.4.4 Échangeur à écoulements croisés (Cross-Flow)
Les échangeurs à écoulements croisés effectuent l’échange de chaleur sans liquide ou
parties mobiles. L’échange de chaleur entre le conduit d’air vicié et le conduit d’air d’appoint
se fait à l’aide de tôles pliées. Lorsque les débits à sont à 90 degrés, une plus grande différence
de température et un plus grand échange est créés.
La capacité des échangeurs à tubes varie selon différents facteurs tels que le design, le
poids, les dimensions et la conception. Ce type d’échangeur peut atteindre un rendement de 80
%. La figure 2.5 présente les déplacements d’air dans un échangeur à plaques fixes
Figure 2.5 Principe de l’échangeur à écoulements croisés (« Cross-flow »)
PEI
Rémi Paquet Hiver 2010 22
Kaven Bertrand-Brochu
CHAPITRE 3: Mise en œuvre du mandat
La mise en œuvre du mandat consiste à la conception en ingénierie du projet. La
démarche utilisé permet de s’assurer de ne pas biaiser les résultats et de s’assurer que le client
obtient la meilleure solution en fonction de ses besoins. Ce chapitre comprend quelques étapes.
Tout d’abord, il y a la recherche de solution; ensuite, la matrice de décision; par la suite, le
choix de la solution finale; enfin, l’élaboration de la solution choisie.
3.1 Recherche de solution
La recherche de solution a été effectuée avec l’aide du procédé du remue-méninge. Ainsi,
plusieurs idées furent étudiées et les solutions ne présentant pas, à première vue, de problème
majeur furent retenues pour une analyse plus approfondie. C'est-à-dire, trois solutions
préliminaires ont été conservées.
Par contre, il est à noter qu’un système d’alimentation d’air d’appoint constitué d’un
générateur de ventilation tempérée et des conduits d’admission de l’air est inclus dans toutes les
solutions proposées. La capacité du générateur et le dimensionnement des conduits nécessaires
pour répondre aux exigences de ce projet seront spécifiés dans l’élaboration de la solution
finale. La figure 3.1 montre le conduit d’alimentation d’air frais.
PEI
Rémi Paquet Hiver 2010 23
Kaven Bertrand-Brochu
Figure 3.1 Conduit d'alimentation d'air frais
3.1.1 Solution #1
La première solution consiste à un système de retour d’air par des systèmes
d’échappements locaux de fumées positionnés sur les murs. Les capteurs sont composés de
tuyaux et d’un entonnoir joints ensemble par des articulations. La première partie de tuyaux est
supportée par une potence pouvant tourner sur son arbre. De cette façon, le pivotement de la
potence à partir de son arbre permet d’obtenir une plus grande surface de récolte de la fumée.
Les capteurs sont disposés de façon à couvrir le plus possible la surface de l’atelier mécanique.
La totalité des changements d’air est réalisée à l’aide de ces capteurs. L’air est acheminé à
l’intérieur des capteurs grâce à un ventilateur centralisé. Un conduit de retour est présent afin de
joindre tous les capteurs de fumée à l’unité de ventilation d’air vicié. De cette façon, le
ventilateur absorbe l’air de l’atelier à partir des capteurs pour ensuite l’envoyer vers l’extérieur
sans la décontaminer.
PEI
Rémi Paquet Hiver 2010 24
Kaven Bertrand-Brochu
Ainsi, cette solution nécessite le fonctionnement du ventilateur en permanence. Afin de
respecter les normes du travail, il faut réaliser le changement d’air nécessaire par l’heure à
l’aide de ces capteurs. Si l’on ne fait pas fonctionner le ventilateur des capteurs, aucun
changement d’air n’est réalisé à l’intérieur de l’atelier.
3.1.2 Solution #2
La deuxième solution est composée de trois éléments distincts. Ces éléments sont : les
unités de dépoussiéreur, des ventilateurs situés au toit en guise de retour et une roue thermique.
Tout d’abord, pour permettre l’évacuation de la fumée de soudure de l’espace de travail, des
unités de dépoussiéreur mobile seront utilisées. Ces unités permettent d'aspirer, à la source, la
fumée dégagée lors de soudure. Ces unités filtrent l’air contaminé de fine poussière. Par la
suite, l’air décontaminé est rejeté dans l’atelier. Les unités de dépoussiéreur sont mobiles
puisqu’elles sont sur roulette. La figure 3.2 montre un des modèles de dépoussiéreur mobile
disponibles sur le marché.
Figure 3.2 Exemple de dépoussiéreur
PEI
Rémi Paquet Hiver 2010 25
Kaven Bertrand-Brochu
Par la suite, afin de respecter les normes de ventilation par heure, des ventilateurs situés
au plafond du bâtiment permettront d’évacuer, hors de l’édifice, le volume d’air vicié
nécessaire.
Enfin, l’énergie devenant de plus en plus dispendieuse et étant un facteur de rentabilité,
il est important de considérer un système qui permet de récupérer de la chaleur. Le système
retenu pour cette solution est une roue thermique. Elle constitue une solution possible puisqu’il
n’y a aucun mélange d’air ou presque qui se crée entre le retour et l’alimentation. De plus,
comme mentionné auparavant, le système de roue thermique peut avoir une efficacité de 70 % à
85 %. La figure 2.1 illustre bien le principe de la roue thermique.
3.1.3 Solution #3
La troisième solution est constituée de trois éléments techniques. Tout d’abord, elle
possède un système d'échappement local qui est fixe et activé sur demande. Comme système
d’évacuation, elle détient un système de conduits d’évacuation de l’air vicié couplés à un
ventilateur d’évacuation. Enfin, la solution est complétée par un système de récupérateur de
chaleur composé d’un circuit indépendant de serpentin.
D’une part, la solution est composée de capteurs de fumée qui sont fixes, comme
mentionnée à la solution #1. De plus, ils sont situés stratégiquement de manière à couvrir le
plus d’espace de plancher possible. Les capteurs installés sont indépendants entre eux et entre le
système de ventilation de l’atelier. Ainsi, il faut prévoir, pour chaque unité d'échappement local,
un moteur et ses conduits d’évacuations. Donc, l’air qui est aspiré par les capteurs de fumée est
directement rejeté vers l’extérieur. La figure 3.3 illustre le type de capteur de fumée qui sera
utilisé.
PEI
Rémi Paquet Hiver 2010 26
Kaven Bertrand-Brochu
Figure 3.3 Exemple de système d’échappement local
D’autre part, la solution est formée d’un système de conduits de ventilation, le retour,
pour assurer le respect du taux de changements d’air par heure dans l’atelier. Le système de
conduits de ventilation est complété par moteur qui compose le ventilateur. Les conduits
d'évacuation de l’air pollué sont situés au mur opposé des conduits d’alimentation en air sain.
Cela permet de minimiser le mélange de l’air et même de s’assurer de l’évacuation de l’air
pollué sur l’ensemble de l’espace de travail. La figure 3.1 présentée auparavant illustre bien le
type de conduit recherché.
Finalement, la solution #3 est munie d’un circuit indépendant de serpentins. Ce circuit,
ayant un serpentin situé avant l’évacuation extérieure de l’air vicié et un autre situé avant
l’entrée d’air sain dans le générateur de ventilation tempérée, permet de récupérer un certain
pourcentage de chaleur évacué. Le circuit est composé d’un liquide, ayant des propriétés
thermophysiques, qui assure un bon transfert de chaleur. De plus, une pompe permet de
s’assurer d’un bon échange thermique. La figure 2.2 illustre bien le principe du circuit de
serpentin.
PEI
Rémi Paquet Hiver 2010 27
Kaven Bertrand-Brochu
3.2 Avantages et inconvénients
La section suivante permet d’établir les avantages et inconvénients des différentes
solutions préliminaires. Les avantages et inconvénients permettent de mieux classifier les
différentes solutions et de les évaluer qualitativement les unes entres les autres. Le tableau 3.1
présente les avantages et inconvénients de chaque solution.
Tableau 3.1 Avantages et inconvénients des solutions
Solutions Avantages Inconvénients
Solution #1
• Peu de composantes
• Peu dispendieux
• Peu encombrant
• Couvre presque la totalité
de la surface de plancher
• Non rentable
• Système de ventilation plus
ou moins efficace
Solution #2
• Économie et efficacité
intéressante
• Système sur roulette
permettant de couvrir la
surface de travail
• Aucune perte de chaleur
reliée à la l’aspiration de
fumée
• Ne s’appliquent pas à toutes
les possibilités de soudure
• Mobilité restreinte
• Coût d’investissement élevé
• Entretien rigoureux
Solution#3
• Peu dispendieux
• Peu encombrant
• Couvre presque la totalité
de la surface de plancher
• Ventilation efficace
• Bonne économie
• Demande un entretien
régulier
• Beaucoup de composantes
PEI
Rémi Paquet Hiver 2010 28
Kaven Bertrand-Brochu
3.3 Matrice de décision des solutions préliminaires
La matrice de décision est un outil de prédilection lorsqu’il vient le temps de choisir une
solution parmi toutes celles qui ont été soumises. Par contre, l’élaboration d’un tel outil
nécessite plusieurs heures de travail afin d’obtenir un résultat valide. Le choix des catégories et
de leurs attributs doit refléter chaque aspect des solutions à évaluer. De plus, la pondération des
attributs est très complexe et demandes d’êtres étudiés en profondeurs. En se basant sur les
commentaires des travailleurs, du contremaître et de l’ingénieur ainsi que sur le mandat et les
objectifs fixés, il est possible d’établir une structure de pondération. Voici un aperçu du travail
effectué :
Évaluation indépendante des attributs sur 15
12 points : niveau d’importance jugée élevé
8 points : niveau d’importance jugée moyen
4 points : niveau d’importance jugée faible
Au total, un maximum de 92 points accordés
Le tableau 3.2 représente la matrice de décision qui a été élaborée pour évaluer les
solutions qui ont été présentées dans la section ci-haut.
PEI
Rémi Paquet Hiver 2010 29
Kaven Bertrand-Brochu
Attribut Objectif 4 3 2 1
Performance
Le système récolte le maximum de fumée
Le système récolte toute la fumée
Le système laisse échapper un peu de fumée
Le système récolte peu de fumée
Le système ne récolte pas de fumée
Mobilité
Le récupérateur de fumée est facile transporter au lieu de travail
Les travailleurs n’ont pas à bouger le récupérateur
Les travailleurs doivent seulement bouger le bec récupérateur
Les travailleurs doivent bouger le récupérateur
Simplicité
Facile d’utilisation et a besoin d’aucun apport énergétique
Ne demande aucun apport énergétique
Demande un apport énergétique
Espace occupé
L’appareil encombre le moins possible le plancher
L’appareil n’est pas encombrant pour les travailleurs
L’appareil est légèrement encombrant pour les travailleurs
L’appareil est encombrant pour les travailleurs
L’appareil est très encombrant pour les travailleurs
Rentabilité
La solution est rentabilisée dans un court délai
Le projet est rentable en moins de 7 ans
Le projet est rentable en 7 ans
Le projet est rentable en plus de 7 ans
Le projet n’est pas rentable
Économie
Le système génère le maximum d’économie
Le système génère beaucoup d’économie
Le système génère un peu d’économie
Le système ne génère pas d’économie
Le système nécessite une dépense d’argent
Facilité d’entretien
Le système doit être simple d’entretien
Le système ne demande aucun entretien
Le système demande peu d’entretien
Le système demande un entretien régulier
Le système demande un entretien rigoureux
Durabilité Un mécanisme robuste est recherché
Robuste Assez robuste
Assez fragile Fragile
Polyvalence
Le système doit être en mesure de s’adapter à tous les types de position
Le système s’adapte as toutes les positions de soudure
Le système ne s’adapte pas à toutes les positions de soudure
Tableau 3.2 Matrice de décision
PEI
Rémi Paquet Hiver 2010 30
Kaven Bertrand-Brochu
De plus, le tableau 3.3 présente la pondération qui a été expliquée auparavant.
Tableau 3.3 Pondération de la matrice de décision
Catégorie Attribut Pointage Pourcentage Sous-total
Monétaire Rentabilité 14 15,22
20 (21,74%) Économie 6 6,52
Système
Performance 15 16,30
72 (78,26%)
Mobilité 11 11,96
Simplicité 8 8,70
Espace occupé 9 9,77
Facilité d’entretien 7 7,61
Durabilité 8 8,70
Polyvalence 14 15,22
Total 100 92
3.4 Choix de la solution finale
À la suite de la réalisation de toutes les autres étapes préliminaires, l’évaluation des
solutions devient la suite logique. Les informations à retenir de cette étape sont très
importantes. Par contre, la solution qui obtient le meilleur classement ne doit pas être
automatiquement retenue. Une étude élaborée de chaque résultat permettra de s’assurer qu’il
n’y a pas de lacune de conception. De plus, la solution retenue doit obligatoirement répondre
aux mandats et aux objectifs fixés avant le début du projet. Il est devient important de faire une
double vérification afin de s’assurer répondre aux exigences du client. Le tableau 3.4 présente
les résultats de la matrice de décisions des trois solutions
PEI
Rémi Paquet Hiver 2010 31
Kaven Bertrand-Brochu
Tableau 3.4 Résultat de la matrice de décision
Attributs Points % Solution #1 Solution #2 Solution #3
Rentabilité 14 15,22 1 2 3
Économie 6 6,52 1 4 3
Performance 15 16,30 2 3 3
Mobilité 11 11,96 2,5 2,5 2,5
Simplicité 8 8,70 4 11 4
Espace occupé 9 9,78 4 1 4
Facilité d’entretien 7 7,61 2 3 2
Durabilité 8 8,70 3 4 3
Polyvalence 14 15,22 4 1 4
Total des points 2,6032 2,2663 3,2011
Total 92 100 % 65,08 % 56,66 % 80,02 %
Rang 2e 3e 1er
3.5 Élaboration de la solution finale
Cette section présente les différentes étapes de conception de la solution choisies
précédemment. En autre, il y a l’analyse du système de ventilation de CMAC-THYSSEN, la
conception de la gaine d’évacuation, la conception de la gaine d’alimentation, le choix des
différents ventilateurs, la conception du système d’évacuation à la source de la fumée de
PEI
Rémi Paquet Hiver 2010 32
Kaven Bertrand-Brochu
soudure et le récupérateur d’énergie par boucle de serpentin. La figure 3.4 présente les
différents éléments reliés entre eux ainsi que leur apport dans la ventilation
Figure 3.4 Schéma de la ventilation
3.5.1 Analyse du système de ventilation de CMAC-THYSSEN
Tout d’abord, on peut affirmer que la ventilation de l’atelier mécanique est conforme aux
normes de santé et sécurité. Le calcul du volume nécessaire au changement d’air a été fait pour
une hauteur de 3,66 mètres (12 pieds) tel que demandé par les normes de sécurité. Pour ce
volume, le débit volumique entrant est de 3,62 m3/s (7680 PCM). Ainsi, avec une capacité de
4,01 m3/s (8500 PCM), le générateur de ventilation tempéré est adéquat pour l’atelier
mécanique. Les trois ventilateurs de toit ont, pour leurs parts, une capacité de 1.13 m3/s (2400
PCM) ce qui représente un total de 3,40 m3/s (7200 PCM). Le débit volumique sortant est plus
faible que celui entrant, car il faut obtenir une pression positive à l’intérieur de l’atelier.
PEI
Rémi Paquet Hiver 2010 33
Kaven Bertrand-Brochu
Cependant, il est possible de voir que le système de ventilation est inefficace, car il y a
accumulation de fumée dans l’atelier. La raison pour laquelle il y a accumulation est que la
hauteur du toit est très élevée. Ainsi, le calcul du volume nécessaire au changement d’air avec
une hauteur de 3,66 mètres (12 pieds) semble être faible pour cet atelier. En considérant une
hauteur de 5,49 mètres (18 pieds), il y aura une augmentation des débits sortant et entrant ce qui
entraîne une meilleure évacuation de la fumée. Le débit volumique devient 5,44 m3/s (11 520
PCM). Ainsi, il y a une augmentation de 50 % pour ce qui est du débit entrant.
3.5.2 Gaine d’évacuation
La gaine de retour a été conçue pour capter la fumée à l’intérieur de l’atelier. En installant
la gaine de retour à l’opposé de la gaine d’alimentation, une circulation d’air est créée du mur
côté est vers le côté ouest. Pour obtenir une bonne captation, la longueur du conduit sera de
22,86 mètres (75 pieds) séparée en 5 parties soit 4,57 mètres (15 pieds) chacune. Sur chacune
des parties du conduit, il y aura 5 bouches de captation. Les largeurs et les hauteurs des 5
parties du conduit sont différentes. Plus le conduit est loin du ventilateur, plus le conduit sera
petit. La raison pour laquelle les dimensions des parties de conduit changent est qu’il est
nécessaire d’obtenir un débit constant tout le long du conduit. Une jonction de 30 degré
d’ouverture est nécessaire pour faire la jonction entre chacune des parties du conduit. Le
matériau utilisé à la fabrication du conduit est de l’acier galvanisé.
Le tableau 3.5 présente les dimensions des différentes parties de la gaine de retour.
Tableau 3.5 Dimension de la gaine de retour
Longueur [m] (po) Largueur [m] (po) Hauteur [m] (po)
1ere partie 4,572 (180) 0,9144 (36) 0,6096 (24)
2e partie 4,572 (180) 0,762 (30) 0,6096 (24)
3e partie 4,572 (180) 0,762 (30) 0,4318 (17)
PEI
Rémi Paquet Hiver 2010 34
Kaven Bertrand-Brochu
Longueur [m] (po) Largueur [m] (po) Hauteur [m] (po)
4e partie 4,572 (180) 0,5334 (21) 0,4318 (17)
5e partie 4,572 (180) 0,2794 (11) 0,4318 (17)
Pour débuter le dimensionnement des différentes parties de la gaine de retour, il faut tout
d’abord connaître le débit volumique total auquel la gaine doit distribuer. L’équation 2.1 vue
précédemment permet de calculer le débit à transiter.
Puisqu’il est nécessaire d’obtenir une pression positive à l’intérieur de l’atelier, le débit
évacué doit être inférieure à celui entrant. Un pourcentage de 90 % de la valeur du débit
volumique d’air entrant a été posé afin d’obtenir une pression positive à l’intérieur du bâtiment.
Ainsi, l’équation 3.1 présente le débit volumique d’air à évacué en fonction du débit d’air de
l’alimentation.
(3.1)
Où, = débit volumique d’air à évacué [m3/s]
= débit volumique d’air à entrer [m3/s]
Par la suite, il faut séparer ce débit par le nombre de sections que la gaine possède. Une
fois que ce débit est trouvé, il suffit d’appliquer la règle des nœuds sur les transitions entre
chacune des sections (sommation des débits entrant dans un nœud est égale à zéro). La figure
3.5 présente une esquisse ainsi que les débits de chaque section de la gaine.
PEI
Rémi Paquet Hiver 2010 35
Kaven Bertrand-Brochu
Figure 3.5 Schéma de la gaine de retour
L’équation 3.2 permet de calculer le débit que chaque section de la gaine doit supporter.
(3.2)
Où, = débit volumique aspiré par chaque bouche [m3/s]
= débit volumique de la première partie de conduit [m3/s]
= débit volumique de la deuxième partie de conduit [m3/s]
De cette façon, le débit dans chacune des sections de la gaine sera connu. Ainsi, sachant
que, dans le milieu industriel, la vitesse de l’air dans une conduite est de 9,144 m/s (1800
pieds/minute) et à partir de l’équation 3.3, il est possible de déterminer l’aire du profil de la
gaine.
(3.3)
Où, = débit volumique d’air d’une section [m3/s]
= aire de la section [m2]
= vitesse de l’air dans la section [m/s]
Or, le diamètre équivalent peut être déterminé avec l’équation 3.4.
PEI
Rémi Paquet Hiver 2010 36
Kaven Bertrand-Brochu
(3.4)
Où, = diamètre équivalent d’une section de gaine [m]
= aire d’une section de la gaine [m²]
= 3,1416
Puisque la gaine est de forme rectangulaire, il faut utiliser la table de conversion à
l’annexe G.
3.5.3 Gaine d’alimentation
Pour sa part, la gaine d’alimentation a été conçue pour distribuer l’air frais de façon
uniforme à grandeur de l’atelier. Comme mentionné précédemment la gaine d’alimentation sera
installée à l’opposé de la gaine de retour. La longueur de la gaine d’alimentation sera de 24,38
mètres (80 pieds) séparée en 4 parties de 6,10 mètres (20 pieds). Des jonctions de 30 degrés
d’ouverture sont, une fois de plus, utilisées entre chacune des parties. Il y aura trois bouches par
section afin de distribuer l’air adéquatement. Le matériau utilisé pour la fabrication est de
l’acier galvanisé.
Le tableau 3.6 présente les dimensions des différentes parties du conduit d’alimentation :
Tableau 3.6 Dimension de la gaine d'alimentation
Longueur [m] (po) Largueur [mm] (po) Hauteur [mm] (po)
1ere partie 6,096 (240) 711,2 (28) 711,2 (28)
2e partie 6,096 (240) 711,2 (28) 508 (20)
3e partie 6,096 (240) 457,2 (18) 508 (20)
4e partie 6,096 (240) 304,8 (12) 406,4 (16)
PEI
Rémi Paquet Hiver 2010 37
Kaven Bertrand-Brochu
Le dimensionnement de la gaine d’alimentation s’effectue de la même façon que pour la
gaine de retour vu à la section 3.5.1. La figure 3.6 présente la gaine d’alimentation modélisée à
l’aide du logiciel SolidWorks.
Figure 3.6 Gaine d'alimentation
3.5.3 Ventilateur d’évacuation
Pour permettre d’expulser la fumée à l’extérieur à partir de la gaine de retour, il est
nécessaire d’opter pour un ventilateur. Le ventilateur est joint à la gaine de retour et pousse l’air
vers l’extérieur ce qui crée une succion à l’intérieur de la gaine. Pour permettre de choisir le
bon type de ventilateur, il faut connaître le débit d’air et la perte de charge du système. Le débit
d’air vicié devant être expulsé est de 4,893 m3/s (10368 PCM) tandis que la perte de charge
totale du système est de 35,306 mm (1,39 po) d’eau. Les pertes de charge du système sont
causées par la friction du conduit, le serpentin de récupération de chaleur, le filtre ainsi que les
transitions entre chacune des parties de la gaine.
PEI
Rémi Paquet Hiver 2010 38
Kaven Bertrand-Brochu
Pour déterminer le type de ventilateur requis, il faut connaître le débit nécessaire ainsi que
la pression statique à l’entrée du ventilateur. La méthode pour déterminer le débit est la même
que celle présentée au dimensionnement de la gaine de retour. Pour déterminer la pression
statique à l’entrée du ventilateur, il faut calculer les pertes de charge à l’intérieur de la gaine de
retour.
À partir de l’abaque fourni en annexe L, il est possible de déterminer la valeur de perte de
charge ∆P à l’intérieur des gaines à l’aide de son diamètre. De cette façon, une valeur ∆P sur
30,48 m (100 pieds) est déterminée pour appliquer à la longueur du conduit à l’aide d’un
produit croisé. Par la suite, il faut ajouter les autres pertes de charges présentent dans le
système. La sommation des pertes de charges représente la pression statique que le ventilateur
doit faire face.
Le ventilateur choisi est de marque DELHI. Il est de type axial et il est entraîné par le
moteur à l’aide d’une courroie. Le diamètre du ventilateur est de 0,635 m (25 pouces) et sa
capacité est d’un peu plus de 4,72 m3/s (10 000 PCM). Pour obtenir plus de détail sur le
ventilateur, la fiche technique est présente en O.
3.5.4 Générateur de ventilation tempérée
L’apport d’air frais se fait à l’aide du générateur de ventilation tempérée. L’air est ensuite
distribué par la gaine d’alimentation à l’intérieur de l’atelier. Le débit d’apport d’air frais
nécessaire pour l’atelier est de 5,44 m3/s (11520 PCM). Cependant, le compresseur produit une
partie du débit nécessaire à l’aide de son système de refroidissement. Le système de
refroidissement développe, à plein régime, 3,54 m3/s (7500 PCM). En considérant que le
compresseur développe un débit de 1,77 m3/s (3750 PCM) lorsqu’il tourne au ralenti, le débit
de générateur de ventilation tempérée doit être de 3,67 m3/s (7770 PCM). De plus, le ventilateur
du générateur d’air chaud devra être apte à supporter une pression de 11,684 mm (0,46 pouce)
d’eau.
PEI
Rémi Paquet Hiver 2010 39
Kaven Bertrand-Brochu
Puisqu’en hiver la température est basse, il faut réchauffer l’air qui est introduit à
l’intérieur de l’atelier. Ainsi, en analysant les températures minimales en hiver, soit la
température extrême maximale moyenne de 26,5 degrés Celsius sous zéro, le générateur de
ventilation tempérée doit fournir une puissance d’au moins 222,54 kW (760 000 BTU/heure)
pour permettre de réchauffer l’air à une température adéquate. Par contre, il est important de
prendre une température plus élevée afin de s’assurer une certaine marge de sécurité. En
utilisant une température de 40 Celsius sous zéro, la puissance de chauffage nécessaire que doit
fournir le générateur de ventilation est donc de 293,22 kW (1 000 000 BTU/heure).
En évaluant la fiche technique du générateur de ventilation qui est installé, soit un
générateur à chauffage direct, la puissance générée ainsi que le débit est suffisant pour répondre
aux exigences québécoises. Par contre, le type de générateur de ventilation, au gaz naturel,
devra être conçu pour permettre l’installation d’un serpentin de récupération de chaleur à
l’intérieur de l’unité. Après étude, il est impossible d’insérer un serpentin dans le générateur de
ventilation à chauffage direct. Ce dernier est muni d’un système de sécurité pour assurer une
bonne combustion afin de ne pas asphyxier les humains. Ainsi, un autre générateur a été
sélectionné. Il s’agit d’un générateur de ventilation à chauffage indirect. Les paramètres du
générateur répondent aux exigences calculées. Par contre, une des particularités de ce
générateur c’est qu’il a une efficacité de 80% alors de celle du générateur de ventilation à
chauffage direct est d’approximativement de 100%. La figure 3.7 présente les différentes
puissances nécessaires pour chauffer l’air extérieur en fonction de la température.
PEI
Rémi Paquet Hiver 2010 40
Kaven Bertrand-Brochu
Figure 3.7 Puissance de combustion nécessaire en fonction de la température extérieure
L’analyse du graphique 3.7 permet de remarquer que la puissance nécessaire pour
préchauffer l’air de l’atelier est toujours plus faible avec un générateur de ventilation tempérée
à chauffage indirect couplé à une boucle de serpentin, d’une efficacité de 40 %, en guise de
récupérateur de chaleur. En fait, dès que le récupérateur est efficace à 25%, le générateur
indirect et le générateur direct deviennent équivalents.
Donc, l’élément choisi sera de générateur de ventilation tempérée à chauffage indirect. Le
tableau 3.7 présente la sélection effectuée avec l’aide des catalogues de la compagnie Bousquet
technologies.
-40 -30 -20 -10 0 10 200
50
100
150
200
250
300
350
400P
uisa
nce
de c
ombu
stio
n q
(kW
)
Température (°C)
Puissance de combustion nécessaire en fonction de la température
DirectIndirectIndirect avec boucle de serpentin
PEI
Rémi Paquet Hiver 2010 41
Kaven Bertrand-Brochu
Tableau 3.7 Tableau de sélection du générateur de ventilation à chauffage indirect
3.5.5 Système d’échappement local
Les règlements de la SST nécessitent d’évacuer la fumée directement à la source. Pour
s’y faire, l’utilisation de système d’échappement local est nécessaire. En installant ces systèmes
sur des potences rotatives de 4,572 m (15 pieds), cela permet d’avoir une plus grande surface
couverte par les systèmes d’échappement local. De plus, ces systèmes possèdent des conduits
pouvant être articulés sur une longueur de près de 6,096 m (20 pieds). Pour obtenir une bonne
captation de la fumée, une buse est installée au bout du conduit. La buse est ouverte avec un
diamètre de 0,3556 m (14 pouces) d’un bout et rapetisse à 0,2032 m (8 pouces) sur son second
diamètre. Ainsi, elle sert d’entonnoir pour la fumée provenant de la source. La capacité de
celui-ci est d’environ 0,47 m3/s (1000 PCM). La disposition des systèmes d’échappement local
à travers l’atelier peut être vue à l’aide du plan mis en annexe Q.
PEI
Rémi Paquet Hiver 2010 42
Kaven Bertrand-Brochu
La conception de ce système d’échappement local a été faite grâce aux calculs et
recommandations en annexe. Tout d’abord, il faut poser une valeur au plus grand diamètre de la
buse ainsi qu’une valeur à la distance entre la source de fumée et la buse. De cette façon, en
calculant, avec l’équation 3.5, le pourcentage du rapport entre la distance et le diamètre et en
utilisant l’abaque en annexe Q, on obtient la valeur de la vitesse de l’air au niveau de la buse.
(3.5)
Où, : Distance entre la buse et la source de fumée [m]
: Diamètre de la buse [m]
: Pourcentage longueur
Ainsi, selon annexe Q et la valeur de , la valeur de la vitesse à la source correspond
à environ 15% de la vitesse à la buse. L’équation 3.6 permet de calculer la vitesse de la fumée à
la hauteur de la source.
(3.6)
Où, = vitesse de la fumée à l’entrée de la buse [m/s]
= vitesse de la fumée à la hauteur de la source [m/s]
Or, on peut trouver la valeur de la vitesse de la fumée à l’entrée de la buse grâce à la
vitesse recommandée de la fumée au niveau de la source. Après d’avoir obtenu la valeur de la
fumée à l’entrée de la buse, il faut calculer le débit à cet endroit. Puisque le diamètre de la buse
a été posé, le débit est facilement calculable avec l’équation 3.7.
(3.7)
PEI
Rémi Paquet Hiver 2010 43
Kaven Bertrand-Brochu
Où, = débit au niveau de la buse [m3/s]
= diamètre de la buse [m]
= vitesse de la fumée à l’entrée de la buse [m/s]
Une fois le débit trouvé au niveau de la buse, il est possible de dimensionner le conduit à
l’aide de ce débit et la recommandation de la vitesse de la fumée à l’intérieur du conduit. Il
s’agit d’utiliser la dernière équation puis de trouver un nouveau diamètre.
La sélection du système d’échappement local a été réalisée chez le fournisseur Pollu-
Control. Le modèle sélectionné possède presque les mêmes caractéristiques que ceux calculés
lors de sa conception. Les différences entre la conception et le modèle choisi se résident dans le
diamètre du tuyau et dans la capacité du ventilateur .Pour plus d’information sur le système
d’échappement local sélectionné, il suffit de consulter la fiche technique mise à l’annexe O. La
figure 3.8 présente système d’échappement local modélisé.
Figure 3.8 Système d'échappement local
PEI
Rémi Paquet Hiver 2010 44
Kaven Bertrand-Brochu
3.5.6 Boucle de serpentin
Dans le but de dimensionner la boucle de serpentin et de connaitre les caractéristiques de
cette composante, la méthode NTU, « Number of transfert units », sera utilisée. Cette méthode
demande de connaître certaine information comme, deux des quatre températures et les deux
débits massiques. De plus, il est nécessaire de fixer certaines hypothèses. Voici les hypothèses
fixées dans le cas des deux types de serpentin :
• La condensation et le gel sont négligés
• Le système est en régime permanent
• Aucune fuite
• Aucun échange de chaleur envers les environs
• Aucun gain de chaleur avec le moteur et le ventilateur
• L’efficacité de la boucle est fixée à 40%
• Aucune variation des débits
• Le coefficient global d’échange de chaleur est fixé à 50 W/m2·K
• Aucun changement de phase dans le procédé
• Chaleur spécifique constante de l’air : 1,006 kJ/kg·K
• L’échange de chaleur latente est négligé
Une des informations importantes à connaitre est le débit du mélange de l’eau et de
l’éthylène glycol. Le débit massique de l’eau-glycol est déterminé par la vitesse du fluide, l’aire
du conduit, ainsi que la densité volumique du mélange. La vitesse du mélange doit être
comprise entre 0,3 et 2,4 m/s et le diamètre du conduit doit être compris entre 6,35 mm et 50,8
mm. Ainsi, suite à des discussions avec un ingénieur d’expérience dans le domaine, un débit de
3,78 l/s et un diamètre de 15,875 mm espacés entre eux de 15,875 mm a été fixé. Les raisons
qui permettent de déterminer ces informations sont les pertes de charge ainsi que la convection
forcée dans une conduite. Sachant que la densité volumique de l’eau-glycol dépend du
PEI
Rémi Paquet Hiver 2010 45
Kaven Bertrand-Brochu
pourcentage du mélange, et pour conserver une certaine sécurité, le pourcentage
volume/volume est de 50 %. La température de congélation de ce mélange est calculée par
interpolation linéaire avec les informations de la table fournie à l’annexe N. C’est-à-dire, la
température de congélation du mélange sera de 37 degrés Celsius sous zéro. Par la suite, toutes
les autres caractéristiques du mélange sont définies par interpolation dans les tables fournie aux
annexes N et en fonction des températures d’utilisation. Le tableau 3.8 fournit les informations
relatives au fluide utilisé.
Tableau 3.8 Caractéristique de l’eau-glycol à 50%
Température de congélation (°C) -37
Masse volumique (kg/m3) 1079,94
Chaleur spécifique (KJ/kg·K) 3,213
Coefficient de conduction thermique (KJ/m·K) 0,3655
Viscosité dynamique (Pa·s)
Par la suite, la détermination de l’échange thermique est réalisable. Par contre, certaines
étapes de calcul et d’analyse préliminaire sont nécessaires. Ainsi, l’équation 3.8 met en relation
les caractéristiques du fluide ou de l’air qui permettent de déterminer son taux capacité
calorifique.
(3.8)
où, = Taux de capacité calorifique [W/K]
= Débit massique [kg/s]
= Chaleur spécifique [J/kg·K]
Par la suite, pour déterminer l’échange thermique de température, il est nécessaire de
connaitre les températures de chaque étape. Les équations 3.9 et 3.10 permettent de déterminer
la température de sortie du retour et celle de l’alimentation.
PEI
Rémi Paquet Hiver 2010 46
Kaven Bertrand-Brochu
(3.9)
où, = Température chaude de sortie de l’air de retour [°C]
= Température chaude d’entrée de l’air d’entrée [°C]
= Température froide d’entrée de l’air d’alimentation [°C]
= efficacité
= Taux de capacité calorifique de l’air minimal entre le retour et l’alimentation [W/K]
= Taux de capacité thermique de l’air du retour [W/K]
Et,
(3.10)
où, = Température froide de sortie de l’air d’alimentation [°C]
= Température chaude d’entrée de l’air d’entrée [°C]
= Température froide d’entrée de l’air d’alimentation [°C]
= efficacité
= Taux de capacité calorifique minimal de l’air entre le retour et l’alimentation [W/K]
= Taux de capacité calorifique de l’air du d’alimentation [W/K]
La figure 3.9 présente les températures des différentes étapes et le processus de la boucle
de serpentin. Les températures du mélange eau-glycol ont été déterminées par itérations.
PEI
Rémi Paquet Hiver 2010 47
Kaven Bertrand-Brochu
Figure 3.9 Schéma de la boucle de serpentin
Ayant les caractéristiques de la conduite de retour et du diamètre du tuyau des serpentins,
l’aire d’échange pour une colonne de tuyau peut-être déterminé. L’équation 3.11 permet de
calculer l’aire d’échange du serpentin.
(3.11)
où, = Aire d’échange d’une colonne de serpentin [m2]
= 3,1416
= Diamètre du tuyau de serpentin [m]
= Longueur d’une colonne de serpentin [m]
PEI
Rémi Paquet Hiver 2010 48
Kaven Bertrand-Brochu
En négligeant le rayon, la longueur d’une colonne de serpentin est de1,3 m. Ainsi, l’aire
correspondant à un seul tuyau est de 0,0648 m2. Ayant une hauteur de 1,3 m, il est possible
d’assembler 40 tuyaux de haut. L’aire totale pour une rangée est de 2,57 m2.
Par la suite, il faut déterminer l’échange de chaleur maximal et l’échange réel qui est
possible d’obtenir en fonction avec les caractéristiques déterminer. L’équation 3.12 présente
l’échange de chaleur maximal qu’il est possible d’obtenir avec les échangeurs de chaleur.
(3.12)
où, = Taux d’échange de chaleur maximal [W]
= Taux de capacité calorifique minimal entre le fluide chaud et froid [W/K]
= Température chaude d’entrée [°C]
= Température froide d’entrée [°C]
Quant à l’équation 3.13, celle-ci représente l’échange de chaleur réel réalisé. Comme il est
présenté, l’échange de chaleur réel peut-être déterminé de plusieurs manières.
(3.13)
où, = Taux d’échange de chaleur [W]
= Taux de capacité calorifique chaud ou froid [W/K]
= Température chaude d’entrée [°C]
= Température chaude de sortie [°C]
= Température froide d’entrée [°C]
= Température froide de sortie [°C]
= Efficacité d’une passe de l’échangeur
= Taux d’échange de chaleur maximal [W]
PEI
Rémi Paquet Hiver 2010 49
Kaven Bertrand-Brochu
Ainsi, le nombre de colonnes de tuyau est déterminé en utilisant les équations 3.14 et 3.15
qui représentent, respectivement, l’efficacité de l’échangeur de chaleur et le nombre
adimensionnel NTU pour un échangeur à flux transversal.
(3.14)
où, = Nombre d’unité de transfert
= coefficient général d’échange de chaleur [W/m2·K]
= Aire d’échange d’une colonne de serpentin [m2]
= Taux de capacité thermique minimal entre le fluide chaud et froid [W/K]
(3.15)
où, = Efficacité de l’échange
= Nombre d’unité de transfert
= Ratio de la capacité calorifique
L’efficacité et le nombre NTU demeurent constants dans toutes les colonnes du serpentin. De
plus, il est nécessaire de faire l’hypothèse que la température d’entrée du mélange est égale, à
chaque colonne, à la température de sortie du mélange pour le calcul de l’échange de chaleur
maximal. Par exemple, la température de sortie du mélange de l’eau-glycol de la colonne 1,
T1co, devient la température d’entrée de la colonne 1, T1ci1. De même, la température de sortie
de du mélange de l’eau-glycol de la colonne 2, T1co2, est égale à la température d’entrée de la
colonne 1, T1ci1. C’est cette valeur qui est utilisée dans le calcul de l’échange de chaleur
maximal alors que la valeur réelle devrait être T1ci2. L’erreur approximative générée est moins
de 5%. La figure 3.10 schématise l’approximation utilisée. Enfin, le calcul du nombre de
colonnes de serpentin est fait par itération.
PEI
Rémi Paquet Hiver 2010 50
Kaven Bertrand-Brochu
Figure 3.10 Schématisation du serpentin dans la gaine de retour
Les figures 3.11 et 3.12 présentent les échanges de chaleur effectuée entre l’air et le fluide
dans les deux serpentins. Après plusieurs itérations, il est à spécifié que l’efficacité de la boucle
de serpentin à été diminuer à 13 %. De plus, la récupération escomptée à été beaucoup diminué.
Effectivement, actuellement avec les caractéristiques choisies par le serpentin, il est possible de
récupérer près de seulement 30 kW. Cette nouvelle puissance est plus basse que celle
escomptée.
PEI
Rémi Paquet Hiver 2010 51
Kaven Bertrand-Brochu
Figure 3.11 Température en fonction de l'échange de chaleur dans la gaine de retour
Figure 3.12 Température en fonction des échanges de chaleur dans l'alimentation
0 5 10 15 20 25 307
8
9
10
11
12
13
14
15
16
Transfert de chaleur q (kW)
Tem
péra
ture
(°C)
Graphique de la température en fonction de l'échange de chaleur
Température de l'eau-glycolTempérature de l'air
0 5 10 15 20 25 30-30
-25
-20
-15
-10
-5
0
5
10
15
Transfert de chaleur q (kW)
Tem
péra
ture
(°C)
Graphique de la température en fonction de l'échange de chaleur
Température de l'airTempérature de l'eau glycolé
PEI
Rémi Paquet Hiver 2010 52
Kaven Bertrand-Brochu
Le tableau 3.9 permet de résumer tous les éléments utilisés ainsi que les résultats obtenus
dans le cas des deux serpentins. L’annexe P présente le script Matlab qui a permis de
déterminer les différentes caractéristiques des deux serpentins.
Tableau 3.9 Tableau des résultats des deux serpentins
Unité Serpentin du retour (1) Serpentin de l’alimentation (2)
Température d’entrée de l’air (°C) °C 16 -26.5
Température de sortie de l’air (°C) °C 11,21 -20,54
Type de fluide 50% Éthylène glycol 50% Éthylène glycol
Température d’entrée du fluide °C 8 10,1814
Température de sortie du fluide °C 10,1814 8
Débit du fluide (l/s) l/s 3,78 3,78
Débit d’air (m3/s) m3/s 4,893 3,67
Nombre de rangée 38 18
Aire totale m2 123,66 45,18
Efficacité du serpentin % 60 15
Dimensions
(largeur*hauteur*longueur)
(m) 1,45*1,45*1,23 0,99*1,651*0,59
Échange de chaleur kW 29,2292 29,2292
PEI
Rémi Paquet Hiver 2010 53
Kaven Bertrand-Brochu
CHAPITRE 4: Études des coûts
Étant donné que la solution finale a été élaborée, il est possible d’effectuer une étude des
coûts sur cette solution. Dans cette étude, l’analyse sera limitée seulement aux coûts
d’investissement. Le tableau 4.1 présente la quantité, les prix ainsi que les fournisseurs de
l’équipement choisi dans la solution finale. Les prix sont arrondis au dollar près et les taxes sont
exclues.
Tableau 4.1 Liste des coûts
Équipements Quantité Prix unitaire Prix total Fournisseur
Générateur de ventilation tempérée
Serpentin 1 2 236 $ 35 250 $ Bousquet
Unité 1 33 014 $
Gaine d’évacuation 1 2 840 $ 2 840 $ Distribution F.L.B
Gaine d’alimentation 1 2 633 $ 2 633 $ Distribution F.L.B
Serpentin 1 2 236 $ 2 236 $ Bousquet
Système d’échappement local
Ventilateur 3 1 290 $
12 888 $ Pollu-Control Tuyau 3 1 850$
Potence 3 1 156 $
Ensemble ventilateur
Ventilateur 1 2 433 $ 2673 $ Distribution
F.L.B Moteur 1 240 $
Main-d’œuvre (16$/heure) 1600 $
Sous-total 60 120 $
PEI
Rémi Paquet Hiver 2010 54
Kaven Bertrand-Brochu
Imprévus (30%) 18 036$
Total 78 156 $
Les prix sont sujets à changement sans préavis. Les prix peuvent varier d’un fournisseur à
un autre, ils sont énoncés seulement comme référence. Pour obtenir plus de détail concernant
les prix, il est possible de consulter les soumissions reçues par les fournisseurs présents en
annexe.
PEI
Rémi Paquet Hiver 2010 55
Kaven Bertrand-Brochu
CHAPITRE 5: Santé et sécurité
La santé et la sécurité sont des aspects importants dans la conception des travaux en
ingénierie. Sachant que l’ingénieur a le devoir, dans le cadre de l’exécution de ses fonctions, de
respecter les obligations envers la vie et la santé des hommes, il devient alors important de
considérer la problématique présentée dans le projet. Ainsi, un atelier mécanique est une source
de contaminant pouvant être nuisible pour la santé des travailleurs. Étant plus ou moins évident
d’agir directement à la source, il est nécessaire de prendre certaines précautions pour ne pas
nuire au bien-être des travailleurs. Pour cela, ce chapitre traitera des différents contaminants
contenus dans la fumée de soudure, leur provenance, leurs effets sur la santé ainsi quelques
précautions à prendre.
Tout d’abord, il est important de spécifier que toute fumée contient des poussières très
fines potentiellement dangereuses pour l’homme. Ces poussières ont, en grande majorité, un
diamètre inférieur à cinq microns. Les contaminants contenus dans la fumée peuvent être
différents, car elles dépendent de plusieurs facteurs. Par exemple, la nature de la pièce, le
matériel d’apport, le type de procédé et l’état de la pièce sont des facteurs qui influent sur la
composition des fumées de soudage et de coupage. Les contaminants pouvant se retrouver dans
l’air sont eux aussi nombreux. Les oxydes métalliques sont des contaminants qui dépendent de
la nature de la pièce de métal à souder. De plus, il est parfois possible de retrouver des traces de
béryllium et de cadmium, des substances très toxiques même en petite concentration. En
utilisant des fondants, les fumées peuvent contenir des acides du fluorure, chlorure ou de
borures. En plus, en utilisant le procédé de soudage à l’arc et à l’acétylène, il est possible de
répandre des gaz asphyxiants dans l’environnement de travail. Notamment, l’azote, l’argon,
l’hélium et le dioxyde de carbone sont des exemples de gaz asphyxiants générés par les
procédés cités en exemple. D’autres gaz peuvent également être émis dans l’environnement de
travail tel que l’ozone, les oxydes d’azote, le monoxyde de carbone et autres. Toutes
expositions à ces contaminants doivent être considérées dans un environnement qui est mal
ventilé comme l’atelier d’Entrepreneur CMAC-THYSSEN.
PEI
Rémi Paquet Hiver 2010 56
Kaven Bertrand-Brochu
À la suite de la prise de conscience de la toxicité des fumées de soudage et de coupage,
certaines études ont été effectuées afin de connaître les effets sur le corps humain. Les effets
peuvent être très variés passant de la simple irritation au cancer pulmonaire. En effet, des études
et des observations tentent de démontrer que les contaminants contenus dans la fumée de
soudage et de coupage sont néfastes pour la santé. Les effets sur la santé sont classés dans sept
catégories. Le tableau 5.1 présente les différentes catégories et les malaises observés.
Tableau 5.1 Effet des fumées de soudure sur la santé
Catégorie Effet sur la santé
Irritation et corrosion Œdème pulmonaire
Irritation bronchique
Effets aigus Asphyxie
Fièvre des fondeurs
Effets chroniques
Intoxication systémique
Rhinite
Bronchite chronique
Pneumoconiose
Lésions de la peau et des muqueuses
Sensibilisation
Asthme
Urticaire
Eczéma
Effets sur la reproduction (peu d’étude) Taux d’avortements spontanés plus élevé
Diminution de la qualité du sperme
Effets cancérogènes Cancer pulmonaire
Autre site de cancer possible
PEI
Rémi Paquet Hiver 2010 57
Kaven Bertrand-Brochu
En observant tous ces effets sur la santé, il est normal de vouloir protéger les travailleurs.
Ainsi, un système de ventilation adéquat permettant un bon taux de changement d’air à l’heure
est une nécessité. Par contre, cette solution n’agit pas à la source et permet même une certaine
contamination de l’atelier. Donc, en utilisant des systèmes d’échappement local, l’effet est
directement ressenti à source du problème. Cela permet de limiter la contamination de l’atelier.
PEI
Rémi Paquet Hiver 2010 58
Kaven Bertrand-Brochu
CHAPITRE 6: Recommandations
1. Vérifier le bon fonctionnement du système de ventilation et de chauffage
Suite aux résultats de l’étude du système de ventilation présentement opérationnel dans
l’atelier, nous recommandons de vérifier le système de ventilation pour s’assurer qu’il est en
bon état de fonctionnement.
2. Faire une analyse économique pour assurer la rentabilité du projet
Sachant que le système de ventilation est conforme aux règlements sur la santé et sécurité
au travail, il serait important, avant l’investissement, de faire une analyse économique pour
s’assurer de la rentabilité d’un tel investissement (boucle de serpentin et générateur de
ventilation à chauffage indirect).
3. Faire une analyse d’élément fini pour s’assurer d’un bon écoulement d’air dans l’atelier
Sachant que le système de ventilation est adéquat selon les normes, il est recommandé de
faire une analyse par élément fini afin de déterminer les causes et solutions d’un mauvais
écoulement de l’air.
4. Fermer le système de ventilation lors de l’inactivité de l’atelier
Afin de réduire les coûts de chauffage relié à la ventilation, il est recommandé fermé le
système de ventilation lorsqu’il n’y a pas d’activité dans l’atelier (soir, nuit et fin de
semaine).
5. Positionner les unités de soudage et de coupage près de la gaine de retour
PEI
Rémi Paquet Hiver 2010 59
Kaven Bertrand-Brochu
Dans le but de limiter la propagation de fumée de soudage et de coupage dans l’atelier, il est
recommandé d’effectué, lorsque possible, les travaux de soudage et de coupage près de la
gaine de retour.
6. Faire l’étude pour remplacer les trois unités de chaufferette par un système de
rayonnement
Dans le but de limiter la propagation de fumée de soudage et de coupage dans l’atelier, il est
recommandé de remplacer les trois unités de chaufferette par un système de rayonnement.
Ainsi, le mélange de l’air créé par la convection forcée des chaufferettes sera évité.
7. Utiliser adéquatement les unités d’échappement local
Dans le but de diminuer la contamination de l’air de l’atelier, il est recommandé d’agir
directement à la source du problème.
PEI
Rémi Paquet Hiver 2010 60
Kaven Bertrand-Brochu
CONCLUSION
À la suite de la réalisation de ce projet, on remarque que la solution proposée répond
adéquatement aux objectifs fixés. Ces objectifs étant la diminution de la facture reliée au coût
de chauffage de l’air ventilé, l’élimination de l’accumulation de fumée de soudure dans l’atelier
et le design d’un récupérateur de chaleur. Il est certain qu’aucune analyse économique n’a été
effectuée dans le cadre du projet pour s’assurer de la rentabilité, mais la solution proposée
permet tout de même de réduire les coûts d’opération reliés à la ventilation. De plus, cette
analyse nous a permis de constater que les installations en place répondent amplement au
règlement de la santé et sécurité au travail. Toutefois, les observations sur place ont permis de
constater le problème lié à la ventilation et ainsi apporter certains correctifs qui sont proposés
dans la solution soumise.
De plus, la réalisation du projet a permis de percevoir les principales contributions que
pourrait avoir l’impact de ce projet. Tout d’abord, comme mentionné plus haut, le projet
contribue à la diminution de la facture de chauffage reliée à la ventilation. Aussi, l’installation
de certaines composantes, comme le système d’échappement local, permettra de contribuer à un
environnement sain pour les travailleurs.
Enfin, le projet nous a permis d’appliquer des notions vues dans le cadre de la formation
et d’en acquérir de nouvelles qui ne sont pas au programme de formation en génie mécanique et
électromécanique. Notamment, nous avons appliqué des notions de dynamique des fluides, de
transfert de chaleur et de gestion de projet. De plus, nous avons dû nous familiariser avec les
normes en vigueur s’appliquant au projet.
Finalement, la réalisation de ce projet nous a permis d’acquérir une certaine expérience
nous permettant de nous attaquer à la prochaine étape, le projet de fin d’études. De plus, le
projet nous a également permis d’apprivoiser le domaine industriel, soit notre prochain objectif
de carrière.
PEI
Rémi Paquet Hiver 2010 61
Kaven Bertrand-Brochu
BIBLIOGRAPHIE
1. GROUPE MINIER CMAC-THYSSEN INC, groupe minier CMAC-THYSSEN,
< http://www.cmac-thyssen.com/>, consulté le 5 novembre 2009
2. GROUPE MINIER CMAC-THYSSEN INC, Une perspective internationale, un service
personnalisé., brochure publicitaire mai 2007
3. CSST, Gaz et fumées de soudage et de coupage, http://www.reptox.csst.qc.ca/
Produit.asp?no_produit=13896#Hygiene, Consulté le 2010-01-15, Dernière mise à jour :
2004-02-27
4. Environnement Canada, Archives nationales d’information et de données
climatologiques, www.climate.wheatheroffice.gc.ca, Consulté le 9 février 2010,
Dernière mise à jour : 2008-11-01
5. CENGEL, Yunus A.; BOLES, Michael A.; (2008) Thermodynamique une approche
pragmatique,Montréal (Qc), Les Éditions de la chenalière inc, 2008.
6. SOLIDWORKS : Dassault systèmes (2009). Windows Vista, [logiciel], États-Unis
7. 2005 ASHRAE Handbook Fundamentals (2005). [CD-ROM], Atlanta: the American
society of heating, Refrigerating and Air-Conditioning engineers
8. 2007 ASHRAE Handbook HVAC Applications (2007), [CD-ROM], Atlanta: the
American society of heating, Refrigerating and Air-Conditioning engineers
9. 2008 ASHRAE Handbook HVAC Systems and Equipment (2008), [CD-ROM], Atlanta:
the American society of heating, Refrigerating and Air-Conditioning engineers
10. INCROPERA, Frank P.; DEWITT, David P.; BERGMAN, Theodore L. (2007),
Fundamentals of Heat and Mass Transfert, 6e edition, John Wiley & Sons editions,
2007
11. BERNIER, Michel; (2000) Design et efficacité énergétique en mécanique du bâtiment,
Montréal (Qc), La presses internationales Polytechnique, 2000.
PEI
Rémi Paquet Hiver 2010 62
Kaven Bertrand-Brochu
12. H. HOWELL, Ronald; J. SAUER Harry; J. COAD William; (1998) Principles of
heating, ventilating, and air conditionning, Atlanta, American society of Heating,
Refrigerating and Air-Conditioning Engineers.,
PEI
Rémi Paquet Hiver 2010 63
Kaven Bertrand-Brochu
ANNEXES
PEI
Rémi Paquet Hiver 2010 64
Kaven Bertrand-Brochu
A. Facture de gaz pour chauffage
PEI
Rémi Paquet Hiver 2010 65
Kaven Bertrand-Brochu
B. Fiche technique du compresseur
PEI
Rémi Paquet Hiver 2010 66
Kaven Bertrand-Brochu
C. Fiche technique du générateur de ventilation tempérée à chauffage direct
PEI
Rémi Paquet Hiver 2010 67
Kaven Bertrand-Brochu
PEI
Rémi Paquet Hiver 2010 68
Kaven Bertrand-Brochu
D. Fiche technique du ventilateur de plafond
PEI
Rémi Paquet Hiver 2010 69
Kaven Bertrand-Brochu
E. Fiche technique du bras capteur à la source
PEI
Rémi Paquet Hiver 2010 70
Kaven Bertrand-Brochu
F. Fiche technique des chaufferettes
PEI
Rémi Paquet Hiver 2010 71
Kaven Bertrand-Brochu
G. Tableau de conversion des diamètres en dimension rectangulaire des conduites
PEI
Rémi Paquet Hiver 2010 72
Kaven Bertrand-Brochu
H. Tableau de dimensionnement des coude dans les conduites
PEI
Rémi Paquet Hiver 2010 73
Kaven Bertrand-Brochu
I. Tableau de dimensionnement des transitions dans les conduites
PEI
Rémi Paquet Hiver 2010 74
Kaven Bertrand-Brochu
J. Tableau et abaque pour choix des persiennes
PEI
Rémi Paquet Hiver 2010 75
Kaven Bertrand-Brochu
K. Tableau de sélection des grilles de retour
PEI
Rémi Paquet Hiver 2010 76
Kaven Bertrand-Brochu
L. Abaque des pertes de charge dans les conduites
PEI
Rémi Paquet Hiver 2010 77
Kaven Bertrand-Brochu
M. Vitesses et caractéristiques recommandées des gaines de ventilation
PEI
Rémi Paquet Hiver 2010 78
Kaven Bertrand-Brochu
N. Propriété de l’éthylène glycol
PEI
Rémi Paquet Hiver 2010 79
Kaven Bertrand-Brochu
PEI
Rémi Paquet Hiver 2010 80
Kaven Bertrand-Brochu
PEI
Rémi Paquet Hiver 2010 81
Kaven Bertrand-Brochu
O. Soumission
PEI
Rémi Paquet Hiver 2010 82
Kaven Bertrand-Brochu
PEI
Rémi Paquet Hiver 2010 83
Kaven Bertrand-Brochu
PEI
Rémi Paquet Hiver 2010 84
Kaven Bertrand-Brochu
P. Script Matlab
%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% %%% Auteur: Rémi Paquet %%% %%% Kaven Bertrand-Brochu %%% %%% %%% %%% Programme calculant les echange de %%% %%% de chaleur dans dans deux serpentins %%% %%% dans le cadre du PEI %%% %%% %%% %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% clear all close all clc %1-> Gaine de retour %2-> Gaine d'alimentation %c->froid %h->chaud %i->qui entre %o->qui sort %Déclaration des constantes D = 0.015875; %diamètre du tuyau L1 = 1.45; %Longueur du Tuyau L2 = 0.9906; %Longueur du Tuyau n1 = 45; %nombre de tuyau par colonne n2 = 51; %nombre de tuyau par colonne i = 1; %nombre d'itération et rangée pour le serpentin 2 j = 1; %nombre d'itération et rangée pour le serpentin 1 qtot1 = 0; %Échange de chaleur totale qtot2 = 0; %Échange de chaleur totale U = 50; %Coefficient général d'échange de chaleur (W/m^2*k) epsilon_boucle = 0.13; %efficacité de la boucle de serpentin Q_air2 = 3.67 ; %Débit de l'air neuf (m^3/s) Q_air1 = 4.893; %Débit de l'air vicié (m^3/s) Qmel = 0.00378; %Débit du mélange eau-glycol (m^3/s) rho_mel = 1079.94; %densité du mélange (kg/m^3) rho_air2 = 1.4193; %densité de l'air froid(kg/m^3) rho_air1 = 1.2127; %densité de l'air froid(kg/m^3) Cp_air = 1.006; %Chaleur spécifique de l'air(kJ/kg*K) Cp_mel = 3.213; %Chaleur spécifique du mélange (kJ/kg*K) T1hi = 16; %Température (°C) T2ci = -26.5; %Température (°C) T1ci = 8; %température (°C)
PEI
Rémi Paquet Hiver 2010 85
Kaven Bertrand-Brochu
rho_air = [1.7458, 1.3947, 1.1614]; %Densité de l'air T_air = [-73, -23, 27]; %Température relié à la desité de l'air T_mel = [-30, -25, -20, -15, -10, -5, 0, 5, 10, 15, 20]; %Température relié à la desité et au Cp de du mélange %Densité du mélange rho_mel_int = [1089.04, 1088.01, 1086.87, 1085.61, 1084.22, 1082.71, 1081.08, 1079.33, 1077.46, 1075.46, 1073.35]; %Chaleur spécfique du mélange Cp_mel_int = [3.088, 3.107, 3.126, 3.145, 3.165, 3.184, 3.203, 3.223, 3.242, 3.261, 3.281]; %calcul des taux de capacité thermique en kW/K C1c = Qmel*rho_mel*Cp_mel; C1h = Q_air1*rho_air1*Cp_air; C2h = C1c; C2c = Q_air2*rho_air2*Cp_air; %Calcul des température de l'air de sorti des deux serpentins T1ho = T1hi + epsilon_boucle*(min(C1h,C2c)/C1h)*(T2ci-T1hi); T2co = T2ci - epsilon_boucle*(min(C1h,C2c)/C2c)*(T2ci-T1hi); %Calcul du transfert de chaleur en kW q1 = C1h*(T1hi-T1ho); q2 = C2c*(T2co-T2ci); %Calcul de la température en °C T1co = T1ci + q1/C1c; T2hi = T1co; T2ho = T2hi - q2/C2h; %Calcul du transfert maximal de chaleur en kW qmax1 = min(C1h, C1c)*(T1hi-T1ci); qmax2 = min(C2c, C2h)*(T2hi-T2ci); %Calcul de l'efficacité du transfert epsilon_gen1 = q1/qmax1 epsilon_gen2 = q2/qmax2 %calcul du ratio de capacité thermique Cr1 = min(C1h,C1c)/max(C1h,C1c); Cr2 = min(C2h,C2c)/max(C2h,C2c); %calcul de l'air d'échange d'une passe du serpentin 1 A1 = pi*D*L1*n1; A2 = pi*D*L2*n2; %calcul du NTU NTU1 = U*A1/(min(C1h, C1c)*10^3);
PEI
Rémi Paquet Hiver 2010 86
Kaven Bertrand-Brochu
%calcul de l'efficacité de la rangée epsilon1 = 1-exp((1/Cr1)*((NTU1)^0.22)*((exp(-Cr1*NTU1^0.78))-1)); %Calcul du nombre de rangée nécessaire et de la chaleur transmise while T1co>T1ci; Cr1 = min(C1h,C1c)/max(C1h,C1c); %calcul du NTU NTU1 = U*A1/(min(C1h, C1c)*10^3); %calcul de l'efficacité de la rangée epsilon1 = 1-exp((1/Cr1)*((NTU1)^0.22)*((exp(-Cr1*NTU1^0.78))-1)); %calcul d'interpolation pour déterminer les taux de transfert %calorifique rho_air1 = interp1(T_air,rho_air, T1hi(i)); rho_mel = interp1(T_mel, rho_mel_int, T1co(i)); C1h = Q_air1*rho_air1*Cp_air; Cp_mel = interp1(T_mel, Cp_mel_int, T1co(i)); C1c = Qmel*Cp_mel*rho_mel; %Calcul du transfert maximal de chaleur en kW qmax1(i) = C1h*(T1hi(i)-T1co(i)); %Calcul du transfert de chaleur en kW q1(i) = epsilon1*qmax1(i); %Somme des échange de chaleur qtot1(i+1) = qtot1(i)+q1(i); %Calcul de la température de sortie du fluide froid en °C %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% %Connaissant la température de sortie du fluide pour le serpentin, %sachant qu'il s'agit d'un échangeur à contre courant, on pose l'hypothèse que %la température de sortie du fluide est égale à la température d'entrée %pour chaque rangée. Ainsi, on retire la chaleur obtenue dans le dans %l'échange afin de connaitre le nombre d'itération nécessaire jusqu'à %obtenir la température d'entrée du fluide dans le serpentin %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% T1co(i+1) = T1co(i) - q1(i)/C1c; %calcul de la température de sortie l'air chaud en °C %L'air se refroidie donc, on retire la chaleur de l'air T1hi(i+1) = T1hi(i) - q1(i)/C1h; %Ajout d'une passe de tuyau
PEI
Rémi Paquet Hiver 2010 87
Kaven Bertrand-Brochu
i = i+1; end %Détermination du nombre final de colonne i = i-1; figure(1); plot(qtot1, T1co,'--<', qtot1, T1hi,'->', 'linewidth', 2) xlabel('Transfert de chaleur q (kW)') ylabel('Température (°C)') title('Graphique de la température en fonction de l''échange de chaleur') legend('Température de l''eau-glycol', 'Température de l''air', 'Location', 'northeast') %Calcul du nombre de rangée nécessaire et de la chaleur transmise while T2co>T2ci Cr2 = min(C2h,C2c)/max(C2h,C2c); %calcul du NTU NTU2 = U*A2/(min(C2h, C1c)*10^3); %calcul de l'efficacité de la rangée epsilon2 = 1-exp((1/Cr2)*((NTU2)^0.22)*((exp(-Cr2*NTU2^0.78))-1)); %calcul d'interpolation pour déterminer les taux de transfert %calorifique rho_air2 = interp1(T_air,rho_air, T2co(j)); rho_mel = interp1(T_mel, rho_mel_int, T2hi(j)); C1h = Q_air1*rho_air2*Cp_air; Cp_mel = interp1(T_mel, Cp_mel_int, T2hi(j)); C1c = Qmel*Cp_mel*rho_mel; %Calcul du transfert maximal de chaleur en kW qmax2(j) = C2c*(T2hi(j)-T2co(j)); %Calcul du transfert de chaleur en kW q2(j) = epsilon2*qmax2(j); %Somme des échanges de chaleur qtot2(j+1) = qtot2(j)+q2(j); %Calcul de la température de sortie froide en °C T2co(j+1) = T2co(j) - q2(j)/C2c; %calcul de la température de sortie T2hi(j+1) = T2hi(j) - q2(j)/C2h; %Ajout d'une passe de tuyau j = 1+j;
PEI
Rémi Paquet Hiver 2010 88
Kaven Bertrand-Brochu
end %Détermination du nombre final de passe j = j-1; hold on %Tracer le graphique de l'échange de chaleur figure(2); plot(qtot2, T2co,'--<', qtot2, T2hi,'->' , 'linewidth', 2) xlabel('Transfert de chaleur q (kW)') ylabel('Température (°C)') title('Graphique de la température en fonction de l''échange de chaleur') legend( 'Température de l''air','Température de l''eau glycolé', 'Location', 'southwest')
PEI
Rémi Paquet Hiver 2010 89
Kaven Bertrand-Brochu
Q. Abaque et caractéristique de système d’échappement local
PEI
Rémi Paquet Hiver 2010 90
Kaven Bertrand-Brochu
PEI
Rémi Paquet Hiver 2010 91
Kaven Bertrand-Brochu
PEI
Rémi Paquet Hiver 2010 92
Kaven Bertrand-Brochu
R. RSST (Sections relatives au projet)
PEI
Rémi Paquet Hiver 2010 93
Kaven Bertrand-Brochu
PEI
Rémi Paquet Hiver 2010 94
Kaven Bertrand-Brochu
PEI
Rémi Paquet Hiver 2010 95
Kaven Bertrand-Brochu
PEI
Rémi Paquet Hiver 2010 96
Kaven Bertrand-Brochu
PEI
Rémi Paquet Hiver 2010 97
Kaven Bertrand-Brochu
PEI
Rémi Paquet Hiver 2010 98
Kaven Bertrand-Brochu
PEI
Rémi Paquet Hiver 2010 99
Kaven Bertrand-Brochu
S. Plans
PEI
Rémi Paquet Hiver 2010 100
Kaven Bertrand-Brochu
PEI
Rémi Paquet Hiver 2010 101
Kaven Bertrand-Brochu
PEI
Rémi Paquet Hiver 2010 102
Kaven Bertrand-Brochu
PEI
Rémi Paquet Hiver 2010 103
Kaven Bertrand-Brochu
T. Calculs
Débit volumique en entrée :
Pour permettre d’analyser quel volume d’air il faut renouveler à l’intérieur, il faut
calculer, tout d’abord, le débit volumique en entrée. Selon le règlement de CSST #103, il faut
au minimum 4 changements d’air par heure dans un atelier mécanique ainsi le débit volumique
nécessaire est:
Où, Qe = débit volumique d’air à entrer [m3/s]
= taux de changement d’air frais [s-1]
= largeur du bâtiment [m]
= longueur du bâtiment [m]
= hauteur du volume d’air à changer [m]
Une hauteur de 18 pieds a été posée pour le volume d’air à renouveler. La norme
industrielle est de 12 pieds cependant, puisqu’il a présence d’une mezzanine située à
une hauteur de 12 pieds, la hauteur a été augmentée de 6 pieds pour contenir la grandeur
du travailleur. Ainsi, le débit volumique nécessaire en entrée est :
PEI
Rémi Paquet Hiver 2010 104
Kaven Bertrand-Brochu
1.1. Débit massique de l’alimentation (air frais) :
Pour permettre de calculer la capacité de chauffage de l’air à l’intérieur de l’atelier
mécanique, il faut en premier lieu connaître la valeur du débit massique d’air frais.
Où, = débit massique total d’air à entrer [kg/s]
= débit volumique d’air à entrer [m3/s]
= masse volumique [kg/m3]
La valeur de la masse volumique a été trouvée pour une température de -26,5 ˚C par
interpolation à l’aide des valeurs du tableau 2.1
Puisque le compresseur de l’atelier mécanique est installé dans une pièce jointe à
l’atelier mécanique, celui-ci ventile l’atelier durant son fonctionnement. Le système de
refroidissement du compresseur développe un débit d’air chaud considérable. À partir de la
fiche descriptive du compresseur (Annexe B), nous avons pu obtenir le débit d’air chaud rejeté
par le ventilateur du système de refroidissement. Une hypothèse doit être posée pour le débit du
système de refroidissement. En considérant la moitié du débit du système de refroidissement,
cela représente une bonne approximation puisque le système de refroidissement ne fonctionne
pas toujours à débit maximal étant donné que le compresseur ne fonctionne pas toujours à plein
régime. Ainsi, le débit d’air chaud à obtenir par le générateur de ventilation tempérée a pu être
calculé :
PEI
Rémi Paquet Hiver 2010 105
Kaven Bertrand-Brochu
1.2. Puissance de chauffage
Pour connaître la puissance nécessaire du générateur d’air chaud pour chauffer l’air frais
nécessaire à introduire à l’intérieur de l’atelier, il faut calculer la puissance de chauffage.
Où, = débit massique d’air à évacuer [kg/s]
= chaleur spécifique de l’air [KJ/kg·˚C]
= variation de température [˚C]
= humidité absolue [kg d’eau/kg d’air sec]
= enthalpie massique de vapeur d’eau (KJ/kg)
Tel que spécifié dans le manuel « Principles of heating ventilating and air conditioning »
le terme ω·hv est négligeable dans le milieu industriel étant donné que le changement d’air
est important.
PEI
Rémi Paquet Hiver 2010 106
Kaven Bertrand-Brochu
Il est important de prendre une température plus élevée afin de s’assurer une certaine marge
de sécurité. En utilisant une température de 40 Celsius sous zéro, la puissance de chauffage
nécessaire pour le dimensionnement du générateur de ventilation est donc de 293,22 kW.
1.3. Débit volumique du retour (air vicié) :
Selon le code du gaz, le bâtiment peut être en pression positive d’au plus 10% dans le cas
d’utilisation d’un générateur de ventilation tempérée à chauffage direct. Ainsi, le débit
d’évacuation de l’air vicié peut être 10% plus faible que celui entrant. De cette façon, il y a plus
d’air entrant que sortant. Étant donné qu’il y a trop d’air à l’intérieur de l’atelier, l’air est
dégagé à l’extérieur par les portes et fenêtres. Donc, puisque l’air tente de sortir par les joints de
portes et fenêtres, cela représente une pression positive.
Où, = débit volumique d’air à sortir [m3/s]
= débit volumique d’air à entrer [m3/s]
PEI
Rémi Paquet Hiver 2010 107
Kaven Bertrand-Brochu
1.4. Dimensionnement de la gaine de sortie
Ainsi pour aspirer l’air vicié de l’atelier, il a été convenu de fabriquer une gaine ayant une
longueur de 75 pieds séparée en 5 parties soit 15 pieds chacune. À chaque partie, 5 bouches
d’aspiration sont présentes pour capter l’air vicié ce qui représente un total de 25 bouches. Pour
obtenir une aspiration de l’air vicié uniforme, il doit avoir un débit d’air égal dans toutes les
bouches d’aspiration. L’hypothèse suivante permet de simplifier les calculs et la conception de
la gaine : il est considéré que les caractéristiques des sections de la gaine demeurent constantes
tout au long des cinq bouches. Ainsi, le débit d’air vicié à travers chaque bouche d’aspiration
est donné par :
Où, = débit volumique d’air à sortir [PCM]
= débit volumique d’air d’une bouche [PCM]
La somme des débits des 5 bouches d’aspiration par partie de gaine peut être représentée
par :
Où, = débit volumique total des 5 bouches [PCM]
PEI
Rémi Paquet Hiver 2010 108
Kaven Bertrand-Brochu
= débit volumique d’air d’une bouche [PCM]
La représentation des débits à l’intérieur de la gaine de sortie est illustrée par la figure
suivante :
Une fois la valeur connue, il est possible de déterminer le débit à travers chacune des
parties de la gaine de sortie.
Où, = débit volumique total des 5 bouches [PCM]
= débit volumique de la première partie de conduit [PCM]
= débit volumique de la deuxième partie de conduit [PCM]
PEI
Rémi Paquet Hiver 2010 109
Kaven Bertrand-Brochu
Les valeurs de , et peuvent être déterminées de la même façon. Ainsi :
1.4.1. Dimensionnement de la bouche d’aspiration
Puisque la vitesse recommandée de l’air à l’intérieur d’une bouche d’aspiration en milieu
industriel est de 1000 PCM, il est possible de déterminer la dimension de la gaine à partir du
débit et de la vitesse de l’air. Ainsi :
Où, = Aire de la bouche d’aspiration [pi²]
= débit volumique d’air d’une bouche [PCM]
= Vitesse d’aspiration recommandée [pi/min]
PEI
Rémi Paquet Hiver 2010 110
Kaven Bertrand-Brochu
À partir de l’abaque A31 du manuel « Desing et efficacité en mécanique du bâtiment » :
→
→
→
PEI
Rémi Paquet Hiver 2010 111
Kaven Bertrand-Brochu
Dimensionnement de la première partie de la gaine de retour:
Puisque la vitesse recommandée de l’air à l’intérieur d’une gaine de retour en milieu
industriel est de 1800 pieds/min, il est possible de déterminer la dimension de la gaine à partir
du débit et de la vitesse de l’air. Ainsi :
À partir de la table 9.1 du manuel « Principles of heating ventilating and air
conditioning » :
→
→
→
PEI
Rémi Paquet Hiver 2010 112
Kaven Bertrand-Brochu
Dimensionnement de la deuxième partie de la gaine de sortie :
Puisque la vitesse recommandée de l’air à l’intérieur d’une gaine de sortie en milieu
industriel est de 1800 pieds/min, il est possible de déterminer la dimension de la gaine à partir
du débit et de la vitesse de l’air. Ainsi :
À partir de la table 9.1 du manuel « Principles of heating ventilating and air
conditioning » :
→
→
→
PEI
Rémi Paquet Hiver 2010 113
Kaven Bertrand-Brochu
Dimensionnement de la troisième partie de la gaine de sortie :
Puisque la vitesse recommandée de l’air à l’intérieur d’une gaine de sortie en milieu
industriel est de 1800 pieds/min, il est possible de déterminer la dimension de la gaine à partir
du débit et de la vitesse de l’air. Ainsi :
À partir de la table 9.1 du manuel « Principles of heating ventilating and air
conditioning » :
→
→
→
PEI
Rémi Paquet Hiver 2010 114
Kaven Bertrand-Brochu
Dimensionnement de la quatrième partie de la gaine de sortie :
Puisque la vitesse recommandée de l’air à l’intérieur d’une gaine de sortie en milieu
industriel est de 1800 pieds/min, il est possible de déterminer la dimension de la gaine à partir
du débit et de la vitesse de l’air. Ainsi :
À partir de la table 9.1 du manuel « Principles of heating ventilating and air
conditioning » :
→
→
→
PEI
Rémi Paquet Hiver 2010 115
Kaven Bertrand-Brochu
Dimensionnement de la cinquième partie de la gaine de sortie :
Puisque la vitesse recommandée de l’air à l’intérieur d’une gaine de sortie en milieu
industriel est de 1800 pieds/min, il est possible de déterminer la dimension de la gaine à partir
du débit et de la vitesse de l’air. Ainsi :
À partir de la table 9.1 du manuel « Principles of heating ventilating and air
conditioning » :
→
→
→
PEI
Rémi Paquet Hiver 2010 116
Kaven Bertrand-Brochu
Dimensionnement des gaines de sortie pour le serpentin de chauffage :
Puisque la vitesse recommandée de l’air à travers un serpentin est de 500 pieds/min, il est
possible de déterminer la dimension de la gaine à partir du débit et de la vitesse de l’air. Ainsi :
À partir de la table 9.1 du manuel « Principles of heating ventilating and air
conditioning » :
→
→
→
PEI
Rémi Paquet Hiver 2010 117
Kaven Bertrand-Brochu
Calcul de pertes de charge à l’intérieur de la gaine de sortie :
Pertes de charge dans les conduites :
1. Gaine partie 5 : ∆P= 0,3/100 pi → ∆P5= 0,0450 po d’eau
2. Gaine partie 4 : ∆P= 0,2/100 pi → ∆P4= 0,0100 po d’eau
3. Gaine partie 3 : ∆P= 0,15/100 pi → ∆P3= 0,0225 po d’eau
4. Gaine partie 2 : ∆P= 0,125/100 pi → ∆P2= 0,0188 po d’eau
5. Gaine partie 1 : ∆P= 0,01/100 pi → ∆P1= 0,0240 po d’eau
6. Gaine partie serpentin : ∆P= 0,3/100 pi → ∆Ps= 0,0015 po d’eau
Les valeurs de ces pertes de charge dans les conduites ont été trouvées à l’aide de la
figure 9.2 du manuel « Principles of heating ventilating and air conditioning »
Coefficient de pertes de charge dans les transitions rectangulaires :
7. Sortie rectangulaire 4 : =30˚, Ao/A1= 0,52 → C0,4= 0,24
8. Sortie rectangulaire 3 : =30˚, Ao/A1= 0,70 → C0,3= 0,12
9. Sortie rectangulaire 2 : =30˚, Ao/A1= 0,71 → C0,2= 0,12
10. Sortie rectangulaire 1 : =30˚, Ao/A1= 0,83 → C0,1= 0,06
Les valeurs de ces pertes de charge dans les conduites ont été trouvées à l’aide de la
table 9.4, 4-2 du manuel « Principles of heating ventilating and air conditioning »
PEI
Rémi Paquet Hiver 2010 118
Kaven Bertrand-Brochu
Pertes de charge dans les transitions rectangulaires :
7.1 Sortie rectangulaire 4 : ∆Ps4=Pv* C0,4 → ∆Ps4= 0,0485 po d’eau
8.1 Sortie rectangulaire 3 : ∆Ps3=Pv* C0,3 → ∆Ps3= 0,0242 po d’eau
9.1 Sortie rectangulaire 2 : ∆Ps2=Pv* C0,2 → ∆Ps2= 0,0242 po d’eau
10.1 Sortie rectangulaire 1 : ∆Ps1=Pv* C0,1 → ∆Ps1= 0,0121 po d’eau
Autres pertes de charge :
11. Serpentin récupérateur chaleur : → ∆Pserp = 0,35 po d’eau
12. Grille : → ∆Pg = 0,05 po d’eau
13. Filtre-sac → ∆Pf = 0,80 po d’eau
Des hypothèses ont été posées pour ces trois dernières pertes de charge. Puisque la
marque et le modèle du serpentin et de la grille sont inconnus, la valeur de perte de charge a été
évaluée par rapport aux recommandations du tableau 9-2 d’ASHRAE.
Ainsi, la perte de charge totale correspond à :
PEI
Rémi Paquet Hiver 2010 119
Kaven Bertrand-Brochu
Dimensionnement de la gaine d’alimentation
Sachant qu’une partit du débit volumique d’air qui est admis par le compresseur, la gaine
d’alimentation doit être dimensionnée en fonction du débit admis par le générateur de
ventilation tempérée à chauffage direct. Ainsi, le débit massique nécessaire à introduire dans
l’atelier par la gaine est de . Ce débit massique donne un débit volumique de :
Afin de s’assurer d’une bonne ventilation, la gaine doit couvrir, le plus possible, la
longueur de l’usine en entier. Ainsi, il serait possible de couvrir une distance approximative de
90 pieds dans l’atelier. Afin de relier la gaine d’alimentation au générateur de ventilation
tempérée à chauffage direct, un conduit d’approximativement de 30 pieds devra être installé. La
gaine est composée de quatre sections de différentes dimensions. Chaque section à une
longueur de 20 pieds et possède une transition approximative de 1 pied. Chaque section
comporte 3 diffuseurs ou grille. Ainsi, 12 diffuseurs seront nécessaires pour réaliser cette gaine.
Afin de dimensionner la gaine, il est nécessaire de déterminer le débit volumique de chaque
diffuseur.
PEI
Rémi Paquet Hiver 2010 120
Kaven Bertrand-Brochu
Dimensionnement des persiennes d’alimentation
Les persiennes sont dimensionnées en fonction du débit volumique d’air qui sort de la conduite
par les bouches. Ainsi, la figure 4.23 du livre de Design et efficacité énergétique en mécanique
du bâtiment permet de déterminer la surface de persiennes. Ainsi, la surface recommandée est
approximativement de 0,4 m2.
Dimensionnement des sections de la gaine
Le débit volumique de chaque section sera de 2273,55 PCM. Connaissant la vitesse de
transport de l’air déterminé par les recommandations d’ASHRAE, soit entre 1200 et 1800
pieds/minute, il est possible de déterminer la dimension des conduites.
Ainsi, le débit des 4 sections peut-être déterminé.
PEI
Rémi Paquet Hiver 2010 121
Kaven Bertrand-Brochu
Dimensionnement de la 1re section de la gaine
À partir de la table 9.1 du manuel « Principles of heating ventilating and air
conditioning » :
→
→
→
PEI
Rémi Paquet Hiver 2010 122
Kaven Bertrand-Brochu
Dimensionnement de la 2e section de la gaine
À partir de la table 9.1 du manuel « Principles of heating ventilating and air
conditioning » :
→
→
→
PEI
Rémi Paquet Hiver 2010 123
Kaven Bertrand-Brochu
Dimensionnement de la 3e section de la gaine
À partir de la table 9.1 du manuel « Principles of heating ventilating and air
conditioning » :
→
→
→
PEI
Rémi Paquet Hiver 2010 124
Kaven Bertrand-Brochu
Dimensionnement de la 4e section de la gaine
À partir de la table 9.1 du manuel « Principles of heating ventilating and air
conditioning » :
→
→
→
PEI
Rémi Paquet Hiver 2010 125
Kaven Bertrand-Brochu
Calcul des pertes de charge :
Pertes de charge dans les conduites:
1. Gaine partie 4 : ∆P= 0,45/100 pi → ∆P4= 0,09 po d’eau
2. Gaine partie 3 : ∆P= 0,28/100 pi → ∆P3= 0,056 po d’eau
3. Gaine partie 2 : ∆P= 0,2/100 pi → ∆P2= 0,04 po d’eau
4. Gaine partie 1 : ∆P= 0,18/100 pi → ∆P1= 0,09 po d’eau
Les valeurs de ces pertes de charge dans les conduites ont été trouvées à l’aide de la
figure 9.2 du manuel « Principles of heating ventilating and air conditioning »
Coefficient de pertes de charge dans les transitions rectangulaires :
1. Sortie rectangulaire 3 : =20˚, Ao/A1= 0,75 → C0,3= 0,075
2. Sortie rectangulaire 2 : =30˚, Ao/A1= 0,66 → C0,2= 0,163
3. Sortie rectangulaire 1 : =20˚, Ao/A1= 0,66 → C0,1= 0,102
Les coefficients de ces pertes de charge dans les conduites ont été trouvés à l’aide de la
table 9.4, 4-2 et 4-3 du manuel « Principles of heating ventilating and air conditioning »
PEI
Rémi Paquet Hiver 2010 126
Kaven Bertrand-Brochu
Pertes de charge dans les transitions rectangulaires :
5. Sortie rectangulaire 3 : ∆Ps3=Pv* C0,3 → ∆Ps3= 0,0152 po d’eau
6. Sortie rectangulaire 2 : ∆Ps2=Pv* C0,2 → ∆Ps2= 0,0329 po d’eau
7. Sortie rectangulaire 1 : ∆Ps1=Pv* C0,1 → ∆Ps1= 0,0206 po d’eau
Pertes de charge dans le coude :
Selon le tableau 2-10 d’ASHRAE, le coude rectangulaire ayant les caractéristiques suivantes :
r/W = 1 et L/W = 12, obtient un coefficient de perte de charge, C0 = 1,2.
8. Coude rectangulaire : ∆Pc=Pv* C0 = 0,202*1,2 = 0,2424 po d’eau
Autres pertes de charge :
Les autres pertes de charge ont été évaluées selon les recommandations du tableau 9-2
d’ASHRAE et du livre design et efficacité énergétique en mécanique du bâtiment exemple de
figure 4.20.
9. Serpentin récupérateur chaleur : → ∆Pserp= 0,35 po d’eau
10. Grille : → ∆Pg= 0,05 po d’eau
11. Diffuseur : → ∆Pd= 0,03 po d’eau
Pertes totales
PEI
Rémi Paquet Hiver 2010 127
Kaven Bertrand-Brochu
top related