dÉpartement des sciences appliquÉesbibliotheque.uqat.ca/documents/rapportsa/08.pdf · 2010. 9....

DÉPARTEMENT DES SCIENCES APPLIQUÉES

RÉINGÉNIERIE DU SYSTÈME DE REFROIDISSEMENT DES

COMPRESSEURS D’AIR COMPRIMÉ

PROJET INTERMÉDIAIRE DANS LE CADRE DU PROGRAMME DE

BACCALAURÉAT EN GÉNIE ÉLECTROMÉCANIQUE

Présenté par : M. Mahmoud EL MOBARIK.

Superviseur : M. François GODARD, ing. , Ph. D., Professeur, UQAT.

Représentant industriel : M. Carl LEDUC, ing. jr. Temlam inc.

Hiver 2008

Projet électromécanique intermédiaire

Réingénierie du système de refroidissement des compresseurs d’air comprimé

I

Par : Mahmoud El Mobarik Hiver 2008

REMERCIEMENTS

Tout d’abord, on tient à remercier Dieu, et mes parents sans qui tout ceci ne serait pas

possible.

Un projet électromécanique intermédiaire d’une telle ampleur n’aurait pas pu être conduit à

terme sans l’aide précieuse de mon superviseur monsieur, François Godard, professeur

titulaire, Ph.D, ing., que je tiens particulièrement à remercier pour le support, ainsi que les

explications, les conseils et les commentaires dont j’ai pu bénéficier durant ce projet.

Je remercie tous mes amis, pour le support technique et moral ainsi que monsieur Steve

Messier, représentant de la compagnie de climatisation pour sa précieuse aide et ses

recommandations.

Enfin, un grand merci à monsieur Carl Leduc, ing. jr, notre représentant industriel, pour sa

collaboration, ses renseignements et son accueil lors de nos visites tout au long du projet.



II


RÉSUMÉ

Temlam Inc. est une des filières de la grande entreprise Tembec, elle est située dans la ville

d’Amos. Cette usine est spécialisé dans la fabrication de bois de placages lamellés

habituellement appelé LVL ou Laminated Veneer Lumber.

Ce genre de produit est destiné à la fabrication d’éléments structuraux utilisé dans la

construction en remplacement du bois de charpente.

Notre projet dans cette entreprise sera réalisé au niveau de la chambre à compresseurs, qui

comprend trois compresseurs d’une puissance de 161 HP chacun.

Il consiste en la conception d’un système qui va permettre de contrôler la température de

cette pièce. Le système permettra d’abaisser la température élevée en saison estivale, afin

d’améliorer le confort des usagers et l’efficacité de la compression. Aussi, notre mandat vise

à évaluer et limiter des pertes d’air comprimé dans les conduites de l’usine.

Pour atteindre ces objectifs, on doit, d’abord, analyser les paramètres à considérer dans notre

système et formuler le problème, ensuite faire un remue-méninge.

Enfin, la solution finale sera sélectionnée entre quatre solutions proposées selon nos critères

de choix définis en collaboration avec le client et s’accordant avec le mandat de notre projet.

Le design de la solution finale sera la partie principale du projet, qui est un refroidisseur de

type roof top d’une capacité de 50 tons (175,85KW) de climatisation.



III


ABSTRACT

Temlam Inc. is a chain of the great Tembec company, that is located in the town of Amos.

This plant is specialized in the production of laminated veneer lumber (wood) usually called

LVL or Laminated Veneer Lumber.

This kind of product serves to make new structural components, which are used in

construction, to replace lumber.

Our project in this company will concern the compressors chamber, which includes three

compressors of 161 hp capacity each.

It consists in the design of a system which will be able to control the temperature of that

chamber. The system will reduce the high temperature in summer, in order to improve the

users comfort and air compression efficiency. Our task will also be to evaluate and limit the

loss of compressed air in the factory’s pipe.

To achieve these goals, first, we have to analyze the parameters to be considered in our

system, formulate the problem, and then make a brainstorming.

Finally, one solution will be selected among four alternative solutions based on our selection

criteria, which was chosen in collaboration with the client and agreeing with the mandate of

our project. The design of the final solution will be the main part of the project, which is a

cooler type roof top with a capacity of 50 tons (175,85KW) cooling.



IV


TABLE DES MATIÈRES

Chapitre 1: formulation du problème ........................................................................................ 1

1.1 Introduction : ................................................................................................................... 2

1.2 Présentation du procédé : ................................................................................................ 3 1.3 Problématique – Situation actuelle : ............................................................................... 5

1.4 Objectifs – Situation désirée : ......................................................................................... 5 Chapitre 2: recherche théorique ................................................................................................ 6

2.1 Étude du compresseur : ................................................................................................... 7

2.1.1 Principes de fonctionnement : .................................................................................. 7 2.1.2 Système complet du compresseur GA 110 mono-étagée : ...................................... 8 2.1.3 Schéma d’écoulement air / huile : ............................................................................ 9

2.2 Analyse des pertes d’air comprimé : ............................................................................. 10 2.3 Analyse du besoin : ....................................................................................................... 11

2.4 Sécurité : ....................................................................................................................... 19

Chapitre 3: analyse des solutions ............................................................................................ 20

3.1 Analyse des solutions : .................................................................................................. 21 3.1.1 Ventilation : ........................................................................................................... 21

3.1.2 Pompe à chaleur : ................................................................................................... 25 3.1.3 Climatisation : ........................................................................................................ 27

3.2 Étude de praticabilité : .................................................................................................. 29

3.2.1 Ventilation : ........................................................................................................... 29 3.2.2 Pompe à chaleur : ................................................................................................... 33

3.2.3 Climatisation : ........................................................................................................ 33 3.3 Matrice de décision : ..................................................................................................... 35

3.3.1 Critères d’évaluation des solutions du projet : ....................................................... 35

3.3.2 Évaluation des solutions : ...................................................................................... 36 Chapitre 4: étude de la solution finale .................................................................................... 40

4.1 Le système de refroidissement « roof top » : ................................................................ 41 4.1.1 Description du système : ........................................................................................ 41

4.1.2 Choix de la capacité du "roof top" : ....................................................................... 45 4.2 Étude économique : ....................................................................................................... 55 4.3 Recommandations : ....................................................................................................... 58 4.4 Simulation de la solution finale : .................................................................................. 60

CONCLUSION ....................................................................................................................... 62

BIBLIOGRAPHIE .................................................................................................................. 63

ANNEXES .............................................................................................................................. 64



V


LISTE DES TABLEAUX

Tableau 1. 1 : Caractéristiques d’un compresseur d’air comprimé de Temlam ....................... 5

Tableau 3. 1 : Critères d’évaluation des solutions du projet ................................................... 35

Tableau 3. 2 : Barème de la note pour un critère d’évaluation ............................................... 36 Tableau 3. 3 : Critères d’évaluation de la solution avec ventilateur ....................................... 36 Tableau 3. 4 : Critères d’évaluation de la solution avec refroidisseur .................................... 37 Tableau 3. 5 : Critères d’évaluation de la solution avec pompe à chaleur .............................. 38 Tableau 3. 6 : Critères d’évaluation de la solution avec le roof top ....................................... 39

Tableau 4. 1 : Résultats avec roof top de 105,5KW (30tons) ................................................. 52

Tableau 4. 2 : Résultats avec le roof top de 175,85KW (50 tons) .......................................... 53 Tableau 4. 3 : Coûts fixes pour notre solution finale ............................................................. 57

Tableau 4. 4 : Coûts fixes pour le roof top de 30 tons ............................................................ 58



VI


LISTE DES FIGURES

Figure 1. 1: Aspect du Bois LVL .............................................................................................. 2 Figure 1. 2 : Exemples d’applications du LVL ......................................................................... 3

Figure 1. 3 : Schéma général de la ligne ................................................................................... 4

Figure 2. 1 : Rotors du compresseur ......................................................................................... 7 Figure 2. 2 : Composantes du compresseur .............................................................................. 8 Figure 2. 3 : Écoulement air / huile dans le compresseur ......................................................... 9

Figure 2. 4 : Conduite d’alimentation en air comprimé .......................................................... 10 Figure 2. 5 : Mur extérieur de la chambre des compresseurs ................................................. 12

Figure 2. 6 : Schéma simplifié du compresseur ...................................................................... 13 Figure 2. 7 : Schéma du compresseur avec nouveau volume de contrôle .............................. 18

Figure 2. 8 : Dispositif de sécurité dans la salle des compresseurs ........................................ 19

Figure 3. 1 : courbes débit-pression et débit-puissance d’un ventilateur centrifuge .............. 22 Figure 3. 2 : Point de fonctionnement d’un ventilateur .......................................................... 23

Figure 3. 3 : Ventilateur centrifuge ......................................................................................... 23 Figure 3. 4 : Ventilateur axial ................................................................................................. 24 Figure 3. 5 : Cycle de fonctionnement d’une pompe à chaleur .............................................. 26

Figure 3. 6 : Cycle d’un circuit frigorifique ............................................................................ 28 Figure 3. 7 : Représentation de la pièce avec ventilation ....................................................... 29

Figure 3. 8 : Cabane de protection du système de refroidissement ........................................ 34

Figure 4. 1 : Système monobloc « roof top » .......................................................................... 41 Figure 4. 2 : « roof top » fabriqué par l’entreprise TRANE ................................................... 42

Figure 4. 3 : Vue de haut et de côté du « roof top » ................................................................ 42 Figure 4. 4 : Dimensions du « roof top » ................................................................................ 43

Figure 4. 5 : Boucle de régulation de la température (rétroaction) ......................................... 44 Figure 4. 6 : Écart de température dans la salle ...................................................................... 46 Figure 4. 7 : Résumé des résultats obtenus avec différentes solutions avec une humidité

relative de 70% de l’air extérieur ............................................................................................ 54 Figure 4. 8 : Schéma simplifié des puissances pour un réfrigérateur et transferts de chaleur 55

Figure 4. 9 : Vue intérieure de la salle des compresseurs ....................................................... 59 Figure 4. 10 : Vue extérieure du système roof top installé ..................................................... 60 Figure 4. 11 : Vues d’ensemble et du haut de la solution finale ............................................. 61



1


CHAPITRE 1: FORMULATION DU PROBLÈME



2


1.1 Introduction :

L’usine Temlam Inc. installée à Amos, est une filiale du groupe Tembec, dédiée à la

fabrication de poutres pour soutien de structures, ces poutres sont constituées de lamelles de

bois parvenant de l’essence du tremble, et sont plus connus dans le langage industriel sous le

nom de LVL (Laminated Veneer Lumber).

Figure 1. 1: Aspect du Bois LVL

Parmi les avantages de ces planches en placages de bois lamellés :

- Légèreté : 35 lb/ pi3 (Frais de transport inférieurs).

- Facilité pour œuvrer (clouage, sciage, boulonnage…)

- Plus de résistance (meilleures caractéristiques physiques)

- Meilleure apparence (pour les applications ouvertes)

- le faite qu’elles soient unifeu, ce qui veut dire qu’en cas d’incendie seules les feuilles

extérieurs brulent.



3


La figure 1.2 montre que ces poutres sont utilisées comme madriers, solives, chevrons et

panneaux de rive. Ce produit doit toutefois être approuvé pour une application désirée grâce

à des essais et calculs précis énoncé dans la documentation technique du fabricant sinon dans

certaines applications comme les poteaux d’ossature, les membrures, des calculs

supplémentaires peuvent être nécessaires.

Figure 1. 2 : Exemples d’applications du LVL

1.2 Présentation du procédé :

Le principe de ce procédé vient d’une technologie très automatisé, pour commencer

le bois arrive en forme de billes devant un détecteur de métal et un scanneur qui détermine

ses dimensions et détecte le centre de la bille.

Ensuite, les billes passent à la coupe en forme de feuilles de (6*8) pi, suivi d’une

mise dans l’un des deux séchoirs (6 étages chacun), pendant 15min par feuille à une

température entre 190°C et 195°C afin de ne pas les brûler.

Un bassin d’huile thermique, qui constitue la centrale thermique, est installé à

l’extérieur pour question de sécurité.



4


Ultérieurement, ce bois sort du séchoir à 5% d’humidité environ pour lui appliquer un

rideau de colle (phénol formaldéhyde qui est composé de résine avec un durcisseur et des

stabilisants).

En dernière étape, les placages dont le fil est parallèle à la longueur de la pièce, sont

assemblés avec un léger chevauchement et disposés de couche en couche de telle façon à

décaler les joints en biseau. Cet ensemble est pressé à chaud environ 25 min ce qui donne

une compression de 11% sur l’épaisseur et une pénétration de la colle.

La figure 1.3, illustre les différentes étapes, décrites auparavant, de la ligne de production de

cette usine.

Figure 1. 3 : Schéma général de la ligne

Approvisionnement

Triage

Coupe

Séchage

Application de la colle

Assemblage

Compression

Emballage et stockage ou

expédition



5


1.3 Problématique – Situation actuelle :

Notre problématique est située au niveau de la salle des compresseurs de l’usine, en

faite en été la température de cette salle peut atteindre 40°C ce qui affecte le confort des

usagers et le débit d’air comprimé pour cette période.

La chambre comporte trois compresseurs identiques, l’air comprimé sert au nettoyage

ainsi que pour entraîner les outils pneumatiques. Ces compresseurs sont fabriqués par Atlas

Copco et les caractéristiques de chacun sont résumées dans le tableau suivant :

Tableau 1. 1 : caractéristiques d’un compresseur d’air comprimé de Temlam

Maximum pression de travail 9,10 bar, 132 psig

Puissance d’entrée 120 KW, 161 hp

Vitesse de rotation 1790 tr par min

Année de fabrication 2005

L’air comprimé sort de ces compresseurs à 21°C environ. Une autre tâche à réaliser

est d’analyser et évaluer les pertes d’air comprimé dans le réseau de l’usine.

1.4 Objectifs – Situation désirée :

Notre objectif dans ce projet est de résoudre cette problématique afin d’effectuer un

contrôle continu de la température, qui doit rester entre 25° et 28°C en tenant compte des

contraintes et critères du client. Ainsi qu’une évaluation et limitation des pertes d’air

comprimé dans le réseau de l’usine.



6


CHAPITRE 2: RECHERCHE THÉORIQUE



7


Le but de ce chapitre est de décrire les éléments théoriques, qu’il faut prendre en

considération, lors de la résolution de notre problématique.

2.1 Étude du compresseur :

2.1.1 Principes de fonctionnement :

Le modèle GA 110 - 60Hz est un compresseur rotatif à vis lubrifiées, son

principe consiste en la rotation de deux rotors hélicoïdaux, l’un à quatre lobes et l’autre à six

cannelures, comme le montre la figure suivante :

Figure 2. 1 : Rotors du compresseur

Ces deux rotors donc tournent l’un par rapport à l’autre avec un rapport de

vitesse de 1,5 , afin de réduire progressivement le volume contenant l’air.

L’air rentre par les extrémités et pénètre dans la chambre de compression,

alors l’air se retrouve emprisonné dans l’enceinte formée entre le lobe et la cannelure, l’air

comprimé sort finalement par l’orifice de refoulement. De l’huile est injectée pour fermer

hermétiquement les interstices (jeu) et lubrifier les rotors contre l’usure.

Cannelure

Lobe Rotors



8


2.1.2 Système complet du compresseur GA 110 mono-étagée :

Figure 2. 2 : Composantes du compresseur

La figure présentée, montre les différentes composantes du compresseur.

Légende de la figure 2.2 :

A : Sécheur par réfrigération (R404A conforme à la réglementation concernant

l’environnement).

B : Système de régulation.

C : Filtre à huile (facile à remplacer).

D : Séparateur air / huile (trois étapes : centrifugation, gravité et filtration).

E : Filtration d’air.

F : Système de contrôle et affichage Elektronikon.

G : Séparation en moitié chaude et froide pour optimiser l’efficacité et la capacité.

H : Élément compresseur (s’adapte à des charges variables).

I : Plateforme en acier. Ce qui offre un fonctionnement silencieux.

A

B

C

D I

H

G

F

E



9


2.1.3 Schéma d’écoulement air / huile :

La figue suivante, représente le schéma d’écoulement air/huile dans le compresseur :

Figure 2. 3 : Écoulement air / huile dans le compresseur

Légende de la figure 2.3 :

1 : Entrée d’air.

2 : Élément compresseur.

3 : Refroidisseur final.

4 : Sortie d’air.

5 : Réservoir de séparation d’air / huile.

6 : Carter d’huile.

7 : Refroidisseur d’air.



10


2.2 Analyse des pertes d’air comprimé :

A partir de la salle des compresseurs, l’air comprimé est distribué à travers un réseau

de conduites pour alimenter divers outils dans la ligne de production (nettoyage, tri de billes

de tremble…). La figure suivante montre une conduite d’alimentation.

Figure 2. 4 : Conduite d’alimentation en air comprimé

Il existe une chute de pression entre le compresseur et les points d’utilisation, qui

peut atteindre facilement 40% de la pression maximale fournie par le compresseur. Des

mesures de conservation peuvent réduire l’énergie relié à cette chute de pression et diminuer

son coût de revient.

Cette énergie perdue à cause de la tuyauterie et la maintenance peut aller jusqu’à 50%

de la consommation du compresseur, néanmoins avec de simples mesures (remplacer des

joints, vérifier l’étanchéité) on est capable de récupérer la moitié de cette énergie perdue (25%

de la consommation du compresseur).

Économie d’énergie = (puissance économisée) (heures d’opération) / ηmoteur (1)

Valeur relié à cette économie = (Économie d’énergie) (coût unitaire de l’énergie) (2)

Les fuites d’air comprimé sont les causes majeures des pertes d’énergie, le

compresseur pour compenser ce manque va consommer plus d’énergie et fonctionner plus de



11


temps, pratiquement il est impossible d’éliminer toutes ces fuites mais un taux (pertes) de 10%

d’air comprimé est considéré acceptable.

En général, les fuites se manifestent aux joints, coudes (changement de direction),

extensions, conduites flexibles (avec le pliage et l’usure, on a formation de petits trous),

valves de contrôle et l’équipement connecté aux lignes d’air comprimé.

Pour la détection de fuites il existe plusieurs méthodes :

- En écoutant, les fuites produisent un sifflement qu’on peut distinguer à moins

d’avoir un niveau de bruit élevé.

- En vérifiant, avec de l’eau savonnée les surfaces suspectées (bulles de savon).

Cette méthode n’est pas très pratique pour une grosse installation ou bien des

endroits difficiles d’accès.

- Détecteur acoustique de pression, qui est une technologie moderne basée sur des

capteurs de proximité détectant les variations de pression.

Les mesures à prendre pour entretenir le système d’air comprimé est de contrôler et

remplacer les joints périodiquement pour assurer l’étanchéité ainsi que les points

d’utilisation.

2.3 Analyse du besoin :

Pour analyser le besoin en refroidissement de la chambre des compresseurs, il faut

d’abord calculer la chaleur dégagée par les compresseurs et l’éclairage. On négligera le

rayonnement solaire, à cause de la couleur blanche du mur extérieur et le faite qu’il est isolé

avec trois pouces de laine isolante (en plus d’être à l’ombre pendant la journée). La chaleur

dégagée par les employés est aussi négligeable devant les autres sources.



12


Figure 2. 5 : Mur extérieur de la chambre des compresseurs

Pour calculer la charge interne, on va commencer par la chaleur dégagée par les

compresseurs.

La prise d’air vient de l’extérieur (système ouvert) comme illustré sur la figure 2.5 alors on

prend :

T1 = 25°C et P1 = 101 KPa.

Ouverture du

ventilateur

Prise d’air

de

l’extérieur



13


Voici un schéma simplifié de notre compresseur :

Figure 2. 6 : Schéma simplifié du compresseur

On va effectuer nos calculs pour un compresseur idéal et ensuite pour un rendement

isentropique de 0.9 :

Pour un compresseur idéal ηc = 1 (ηc : rendement du compresseur)

On a une compression isentrope (adiabatique et réversible).

À partir de la table A-17 du livre de thermodynamique [1] on va chercher les enthalpies de

chaque état, en effectuant une interpolation on trouve :

À une température de T1 = 298K , on obtient H1 = ( ) 295,17 + ( )300,19

Alors H1 = 298,182 KJ/Kg



14


Pour calculer T2 on a besoin de connaître la pression relative :

Prel2 = Prel1 ( )

Prel1 = ( ) 1,3068 + ( ) 1,386 (interpolation)

Prel1 = 1,3543 Prel2 = 1,3543 ( )

Prel2 = 12,2

Puisque ηc = 1 on aura h2s = h2r (ηc = avec H2s : enthalpie idéale et H2r : enthalpie

réelle)

Avec la pression relative entre le compresseur et le refroidisseur, on trouve T2 [1] :

T2 = ( ) 560(K) + ( ) 550(K)

T2 = 554,25K (281,250C) et H2r = 559,75 KJ/Kg

À l’état 2 (entre la compression et le refroidissement) la pression est assez élevée, alors il

faut vérifier qu’on est toujours dans le cas d’un gaz parfait.

Pour vérifier cette hypothèse, on a besoin de la pression réduite et la température réduite à

l’état 2, pour aller chercher le facteur de compressibilité z (z = ) :

Préd2 = et Tréd2 =

On obtient la pression critique et la température critique de l’air dans la table A-1 [1] :

= 3,77*103 KPa et = 132,5 K



15


Donc Préd2 = = 0,24 et Tréd2 = = 4,18

On arrive à une valeur de z, sur le diagramme de compressibilité, qui est de z = 0.99 (Fig

2.51 [1] ).

On peut considérer qu’il s’agit toujours d’un gaz parfait puisque la valeur de z est très près

de l’unité.

Il faut aussi vérifier l’hypothèse de gaz parfait, pour la sortie du refroidisseur :

Préd3 = et Tréd3 = avec = 3,77*103 KPa et = 132,5 K

Donc Préd3 = = 0,24 et Tréd3 = = 2,22

On trouve un facteur de compressibilité de z = 0,98, alors on a toujours un gaz parfait à la

sortie du refroidisseur où on a T3 = 294K (210C) alors H3 = 294,17KJ/Kg par interpolation.

On applique la première loi de thermodynamique sur le refroidisseur en régime permanent :

Ein - Eout = Q – W = (H2 – H1) + ( ) + g(z2 – z1) = 0 (3)

On a W= 0, ∆Ec = 0, ∆Ep= 0

∆Ec = ( ) : Variation de l’énergie cinétique.

∆Ep = g(z2 – z1) : Variation de l’énergie potentielle.

En régime permanent (∆E = 0), et puisqu’on est dans un système ouvert, on utilise les

différences d’enthalpies au lieu de l’énergie interne, alors on aura QR = ∆H.



16


Ce qui donne : QR = H2 – H3 = 559,75KJ/Kg – 294,17KJ/Kg

QR = 265,58 KJ/Kg

Pour avoir la chaleur en terme de puissance, il faut calculer donc le débit massique maximal.

En posant l’équation du bilan d’énergie sur le compresseur en régime permanent :

c = (H2 – H1) = 120 KW Donc on a: = = 0,459 Kg/s

Ainsi R = QR = 0,459(Kg/s)* 265,58(KJ/Kg)

Alors R = 121,9 KW

On prend maintenant un rendement du compresseur ηc = 0,9 :

ηc = = 0,9 H2r = + H1

H2s= 559,75KJ/Kg et H1 = 298,182KJ/Kg H2r = 588,81 KJ/Kg

Ce qui donne T2 = 582,64K

Préd2 = = 0,24 et Tréd2 = = 4,4

Du diagramme de compressibilité, on obtient z 1 Gaz parfait.

Première loi de thermodynamique sur le refroidisseur :

QR = H2 – H3 = 588,81KJ/Kg – 294,17KJ/Kg

QR = 294,64 KJ/Kg

(Interpolation)



17


Débit massique maximal :

c = (H2 – H1) = 120 KW = = 0,413 Kg/s

Ainsi R = QR = 0,413(Kg/s)* 294,64(KJ/Kg)

R = 121,7 KW

En effectuant ce calcul pour différentes valeurs du rendement ( ηc = 0,92, 0,88 ), on trouve

que la chaleur dégagée par un compresseur reste assez constante, pour notre étude on

prendra :

R = 122 KW.

En fait ceci est prévisible, car avec un gaz parfait l’enthalpie ne dépend que de la température,

on peut faire un bilan entrée-sortie en rassemblant le compresseur et le refroidisseur dans un

même volume de contrôle, comme l’illustre la figure 2.7.



18


Figure 2. 7 : Schéma du compresseur avec nouveau volume de contrôle

Les entrées et sorties étant toujours les mêmes en température, R sera constamment

identique.

Le seul impact de la non-idéalité du compresseur est la réduction du débit massique.

En effet, on a : = 0,459 Kg/s avec ηc = 1 Une réduction de 10%

= 0,413 Kg/s avec ηc = 0,9

La diminution de la masse volumique d’air lorsque la température dans la salle des

compresseurs est très élevée explique le «manque d’air» dans le réseau de l’usine en été.

Pour l’éclairage on a, 4 spots de 400W chacun et 6 fluorescents d’une puissance totale de

400W, ce qui nous donne une charge d’éclairage totale de 2KW.

Pour les compresseurs on prend R = 122 KW (pour un compresseur à pleine charge).



19


2.4 Sécurité :

En ce qui concerne la sécurité dans la salle des compresseurs, tous les équipements

s’y trouvant ont les protections nécessaires. En plus d’une alarme placée dans la salle en cas

d’urgence, ainsi qu’un dispositif d’extinction comme on voit sur la figure suivante :

Figure 2. 8 : Dispositif de sécurité dans la salle des compresseurs

Ce chapitre avait comme objectifs, définir les paramètres à considérer dans nos calculs, qui

vont suivre, comme le principe de fonctionnement du compresseur, la chaleur dégagée par ce

dernier, sécurité …..



20


CHAPITRE 3: ANALYSE DES SOLUTIONS



21


Dans ce chapitre, on va décrire les solutions , faire une comparaison et finir par choisir la

solution qui satisfait le mieux à nos critères définis dans la matrice de décision.

3.1 Analyse des solutions :

3.1.1 Ventilation :

a) Généralités sur les ventilateurs :

La ventilation est un moyen pour renvoyer l’air vicié (chaud) à l’extérieur de la

chambre des compresseurs, et remplacer cet air à travers les volets de la prise d’air, par de

l’air frais.

Un ventilateur est une turbomachine réceptrice (appareil ou il y a lieu un échange d’énergie

entre un rotor tournant autour d’un axe à vitesse constante et un fluide en écoulement

permanent),

Le ventilateur fournit l’énergie nécessaire pour entretenir l’écoulement de l’air.

À une vitesse donnée du ventilateur, on peut caractériser ce dernier par quatre courbes, en

fonction du débit volumique (m3/ s), ces courbes représentent les variations de :

- La pression totale du ventilateur Pt.

- La puissance à l’arbre ou puissance consommé par l’arbre pour l’entraînement du

ventilateur.

- Le rendement du ventilateur défini comme le rapport de la puissance utile Pu sur

la puissance absorbée Pa : ηv = =

- Le bruit ou la puissance acoustique exprimée en dB (décibel).



22


La figure suivante nous montre un exemple de courbes débit-pression et débit-pression pour

un ventilateur centrifuge à pression atmosphérique :

Figure 3. 1 : courbes débit-pression et débit-puissance d’un ventilateur centrifuge

À partir de la courbe débit-pression et en la combinant avec la courbe débit-perte de charge

dans le circuit, on obtient le point de fonctionnement d’un ventilateur, comme l’indique la

figure 3.2, qui est l’intersection de ces deux dernières, le débit est trouvé au point où la

pression fournie est égale à la perte de charge.



23


Figure 3. 2 : Point de fonctionnement d’un ventilateur

Il existe deux grandes catégories de ventilateurs :

Le ventilateur centrifuge(ou radial) comporte une roue à aubes qui tourne dans un carter

ayant la forme d’une volute. Le carter possède une entrée suivant l’axe de la roue et une

sortie perpendiculaire à l’entrée comme la montre la figure :

Figure 3. 3 : Ventilateur centrifuge

Prise d’air

Sortie

d’air

Roue à

aubes

Carter

Moteur du

ventilateur



24


L’air est donc aspiré axialement, change sa direction de 90° sous l’effet de la force

centrifuge, et se trouve refoulé radialement.

Il est possible d’avoir quatre types de roues dans un ventilateur centrifuge : avec pales

recourbées vers l’avant, avec pales recourbées vers l’arrière, avec pales radiales, et avec

pales aérodynamique recourbées vers l’arrière. À noter que le ventilateur avec pales

recourbées vers l’arrière est le plus efficace (rendement élevé avec bon niveau sonore).

Les ventilateurs hélicoïdaux appelés aussi axiaux, dont l’écoulement, comme

l’indique le nom, est axial (selon l’axe de rotation de la roue). Ils peuvent développés des

débits importants, mais sont limités à des pressions faibles (inférieur à 1,25KPa).

En général, les ventilateurs axiaux sont plus bruyants, moins encombrants et moins chers à

cause de leurs rendements faibles si on les compare aux ventilateurs centrifuges.

Figure 3. 4 : Ventilateur axial

b) Lois sur les ventilateurs :

Pour un même diamètre d’hélice et même densité :

- Le débit varie en fonction de la vitesse de rotation : =

- La pression change comme le carré de la vitesse de rotation : = ( )2

- La puissance varie comme le cube de la vitesse de rotation : = ( )3



25


Pour une même vitesse de rotation :

- Le débit varie en fonction du cube du diamètre de l’hélice : = ( )3

- La pression change comme le carré du diamètre de l’hélice : = ( )2

- La puissance varie en fonction du diamètre de l’hélice exposant 5 : = ( )5

Où:

q : débit volumique.

p : pression engendrée par le ventilateur.

Pv : puissance absorbée.

N : vitesse de rotation.

D : diamètre de l’hélice.

3.1.2 Pompe à chaleur :

La pompe à chaleur est un appareil, qui utilise un fluide frigorigène, pour véhiculer la

chaleur d’un milieu à un autre. Une application concrète de cette pompe serait dans un

réfrigérateur, il y’a une petite pompe qui retire les calories dégagées par les aliments, pour

les rejeter à l’extérieur ce qui explique l’arrière chaud d’un réfrigérateur.



26


Le principe de fonctionnement d’une pompe à chaleur est basé sur quatre éléments :

Figure 3. 5 : Cycle de fonctionnement d’une pompe à chaleur

[7]

- L’évaporateur : le cycle commence par le transfert des calories de la source froide

vers le fluide frigorigène, ce dernier se transforme de la phase liquide, sous l’effet

d’une détente, pour s’évaporer même à basse température. Le changement de

phase requière un apport de chaleur Q1.

- Le compresseur : sert à circuler le fluide frigorigène et à élever sa température. En

fait, il récupère la vapeur obtenue à la sortie de l’évaporateur, pour augmenter la

pression, et en conséquent sa température.

- Le condensateur : condensation de la vapeur réchauffée, par contact avec un

élément plus froid (la chaleur est rejetée dans la pièce), pour céder les calories et

le fluide frigorigène se retrouve en phase liquide.

- Le détendeur : après le transfert de chaleur au condensateur, le fluide frigorigène

reste toujours sous pression, le rôle du détendeur est donc abaisser la pression

pour recommencer le cycle. La chute de pression entraine une diminution de la

température du fluide.



27


Il existe différents types de pompes à chaleur, mais dans notre application, on prendra

une pompe à chaleur AIR (source froide)/AIR (source chaude). En effet, une pompe à

chaleur peut être utilisée en été, pour rejeter la chaleur d’une pièce vers l’extérieur. Il faut

néanmoins que cette pompe soit réversible, pour pouvoir inverser le fonctionnement en hiver,

qui est destiné à chauffer la pièce (à l’aide d’une vanne on inverse le circuit).

Donc avec cette pompe à chaleur AIR/AIR, on peut traiter l’air de la salle des

compresseurs pour rafraîchir en été, ce traitement peut se faire sur le niveau de la filtration,

ventilation, déshumidification.

3.1.3 Climatisation :

La climatisation est une installation qui permet d’abaisser la

température et de contrôler l’humidité et la qualité de l’air dans plusieurs types de

bâtiments (résidentiel, commercial, industriel…)

Les différents types de climatiseurs sont basés sur le même principe de

fonctionnement, qui est celui des circuits frigorifiques.

La figure suivante montre le cycle général des circuits frigorifique.



28


Figure 3. 6 : Cycle d’un circuit frigorifique

[8]

À noter que l’énergie cédée par le condenseur est égale à la somme de l’énergie

absorbée par l’évaporateur et l’énergie électrique fourni au compresseur.

On remarque que le même cycle est utilisé dans une pompe à chaleur.

Dans notre étude on va prendre deux appareils de climatisation, le chiller (refroidisseur) et le

système roof top.



29


3.2 Étude de praticabilité :

3.2.1 Ventilation :

Figure 3. 7 : Représentation de la pièce avec ventilation

En régime permanent et avec la première loi de thermodynamique :

(HEXT – HINT) + R + éclairage = 0 (Éq.1)

On a R = 3*(122)KW et éclairage = 2KW (on considère l’état extrême avec trois

compresseurs à pleine charge).



30


On va utiliser la carte psychométrique pour avoir l’enthalpie à l’extérieur et l’humidité

absolue (w), sinon pour avoir plus de précision on peut se servir des équations suivantes :

w = et h = ha + (w*hg )

Avec :

Pg : pression de la vapeur d’eau ≈ Psat@Text

φ : humidité relative (%)

w : humidité absolue (g H2O/ Kg d’air sec).

P : pression atmosphérique (KPa).

ha : enthalpie de l’air sec (KJ/Kg d’air sec)

À partir de la carte psychométrique (Figure A-33 [1]), en prenant

Text = 22°C et Φ = 70 % (d’après les statistiques des normales climatiques pour la ville

d’Amos au mois de juillet [9]).

On trouve Hext = 52 KJ/Kg et wext = 11,5 ( ghum/ Kg d’air sec).

Pour Hint , on a Tint = 25°C et wext = wint

Hint = 56 KJ/Kg

= = = 92 Kg/s (KW=KJ/s) (Éq.1)

On remarque que cette valeur est très élevée comme débit nécessaire pour maintenir la

température intérieure à 25°C, sachant que le ventilateur actuel ne fourni que 18,7 Kg/s.

On va se baser sur cette valeur, pour effectuer une étude de sensibilité avec différentes

températures extérieures :



31


= 92 Kg/s , Text = 24°C , φ = 70 %

Carte psychométrique Hext = 58 KJ/Kg et wext = 13,25( ghum/ Kg d’air sec) = wint

Hint = Hext + ( R + éclairage) / = 58 (KJ/Kg) +

Hint = 62 KJ/Kg et avec wint = 13,25( ghum/ Kg d’air sec)

Tint = 27,5°C

= 92 Kg/s , Text = 26°C , φ = 70 %

Carte psychométrique Hext = 64 KJ/Kg et wext = 15 ( ghum/ Kg d’air sec) = wint


Hint = 68 KJ/Kg et avec wint = 15( ghum/ Kg d’air sec)

Tint = 29°C

Ce résultat montre que la ventilation seule, même avec un grand débit, ne permet pas

de rencontrer le mandat du client si Text 26°C (φ = 70 %).

= 92 Kg/s , Text = 28°C , φ = 70 %



32


Carte psychométrique Hext = 71 KJ/Kg et wext = 16,75 ( ghum/ Kg d’air sec) = wint


Hint = 75 KJ/Kg et avec wint = 16,75 ( ghum/ Kg d’air sec)

Tint = 32°C

= 92 Kg/s , Text = 30°C , φ = 70 %




Tint = 34,5 0C

= 92 Kg/s , Text = 35°C , φ = 70 %




Tint = 39 °C.



33


Cette étude, nous montre que la ventilation n’est pas une bonne solution pour notre

problématique, même avec un grand débit (environ 160 000 cfm), qui signifie deux ou trois

ventilateurs en parallèle. En plus de l’espace insuffisant pour installer ces ventilateurs.

Donc, la ventilation n’est pas une solution qui respecte les contraintes imposées.

3.2.2 Pompe à chaleur :

L’avantage de la pompe à chaleur, c’est de transférer la chaleur

dissipée dans la pièce.

Cette pompe sert à chauffer ou à climatiser, seulement on n’a pas

besoin de chauffage, de plus, si la température extérieure augmente, l’efficacité de la

pompe diminue.

Alors la pompe à chaleur reste une solution à éviter, surtout qu’il

faudrait prendre une grande capacité, ce qui implique un prix élevé et un

encombrement de la salle des compresseurs.

3.2.3 Climatisation :

Dans notre étude, on va comparer un peu deux systèmes de

climatisation, qui sont basé sur la notion de circuit frigorifique, et on choisira le

mieux adapté à notre problématique.

Alors pour commencer notre première idée été de construire une petite

cabane, pour protéger le système de climatisation, comme le montre la figure 3.8, qui

va être bâtie à l’extérieur de la salle des compresseurs, après considération de

l’espace insuffisant pour une installation pareille.



34


Figure 3. 8 : Cabane de protection du système de refroidissement

Après consultation de quelques références, nous avons trouvé que la plupart des

systèmes de refroidissement de type « chiller », pour une application comme la notre, venait

en deux blocs, un circuit qui fourni de l’eau froide, et un autre constitué d’un grand

ventilateur pour fournir de l’air frais.

En cherchant des informations sur ce type de refroidisseur, nous avons découvert un

autre système appelé « roof top », qui est un dispositif de climatisation monobloc implanté

en général sur la toiture du local à climatiser, mais qui peut être également installé à côté de

la salle des compresseurs.

L’avantage de ce système c’est qu’il est monobloc (possède tous les équipements

principaux au fonctionnement ne nécessitant qu’un raccordement électrique et aéraulique), il

Volets de

prise d’air

Renvoi de

l’air frais à la

salle des

compresseurs



35


n’a pas besoin de protection puisque il est conçue pour des applications extérieurs, en plus du

prix qui est moins élevé. Tous ces paramètres, ont été pris en considération lors de

l’établissement de la matrice de décision.

3.3 Matrice de décision :

On a élaboré la matrice de décision, avec laquelle on évaluera chacune de nos

solutions. Les critères d’évaluation ont été établies en collaboration avec le professeur

superviseur et Carl Leduc, l’ingénieur responsable du projet à Temlam.

3.3.1 Critères d’évaluation des solutions du projet :

Pour évaluer une solution, nous donnerons pour chaque critère une

note en pourcentage que nous ajusterons au poids du critère (note *

pondération).

Tableau 3. 1 : Critères d’évaluation des solutions du projet

Critère Pondération par rapport à

l’ensemble (%)

Efficacité 40

Prix 30

Encombrement du système 20

Installation et entretien 10

Total 100



36


3.3.2 Évaluation des solutions :

La note (%) donné pour chaque solution, est basée sur l’étude de

praticabilité, le mandat demandé, et la réalité du marché. En plus le tableau suivant montre la

signification d’une note pour un critère donné :

Tableau 3. 2 : Barème de la note pour un critère d’évaluation

Note 0 à 30% 30 à 65% 65 à 100%

Perception de la note décevant moyen satisfaisant

a) Solution avec un ventilateur :

Le tableau suivant critères de la solution avec la ventilation.

Tableau 3. 3 : Critères d’évaluation de la solution avec ventilateur

Critère Pondération

(/100)

Note (%) Note pondérée = Pondération *

Note

(/100)

Efficacité 40 40 16

Prix 30 30 9

Encombrement du système 20 70 14

Installation et entretien 10 80 8

Total 100 47

La note finale de cette solution est de 47/100.



37


b) Solution avec un refroidisseur (CHILLER) :

Tableau 3. 4 : Critères d’évaluation de la solution avec refroidisseur


(/100)

Note (%) Note pondérée = Pondération * Note

(/100)


Prix 30 50 15



Total 100 77




38


c) Solution avec une pompe à chaleur :

Tableau 3. 5 : Critères d’évaluation de la solution avec pompe à chaleur


(/100)


(/100)


Prix 30 40 12



Total 100 43




39


d) Solution avec le roof top:

Tableau 3. 6 : Critères d’évaluation de la solution avec le roof top


(/100)


(/100)


Prix 30 60 18



Total 100 87


On retiendra alors la solution avec système « roof top », comme solution finale de notre

projet.



40


CHAPITRE 4: ÉTUDE DE LA SOLUTION

FINALE



41


4.1 Le système de refroidissement « roof top » :

4.1.1 Description du système :

Le système choisi, est un appareil de climatisation conçue pour une

application extérieure, et donc n’a pas besoin de protection spéciale. Il est basé sur le

principe du circuit frigorifique, la figure suivante montre les différentes composantes d’un

système « roof top » :

Figure 4. 1 : Système monobloc « roof top »

’’Le système « roof top », se compose alors d’un circuit frigorifique, un ventilateur de

soufflage, un coffret électrique complet, régulation par automate programmable, ensemble de

filtres pour l’air neuf et l’air vicié, un volet de mélange air neuf/ air repris permettant un

renouvellement d’air optimale, en plus de la protection de tout le circuit’’ [6].



42


Il suffit donc de poser un châssis en béton pour supporter le poids et vibrations du

système, et raccorder le réseau aéraulique (qui servira à distribuer et reprendre l’air dans la

salle des compresseurs), ainsi que l’alimentation électrique qui est de 230V/60Hz et 3 phases.

Ce système dispose d’une fonction «free-cooling», ce qui veut dire que quand les

conditions de température et humidité de l’air extérieur le permettent, le « roof top » utilisera

cet air pour satisfaire le besoin de refroidissement (mesure continue de la différence

d’enthalpies entre l’air intérieur et extérieur), ce qui conduit à des économies d’énergies.

Après la consultation de l’entreprise TRANE, j’ai pu avoir la documentation technique pour

ce type de refroidisseur, la figure suivante montre le système avec sa protection.

Figure 4. 2 : « roof top » fabriqué par l’entreprise TRANE

Voici un dessin qui montre les dimensions qu’on aura pour notre système :

Figure 4. 3 : Vue de haut et de côté du « roof top »



43


Figure 4. 4 : Dimensions du « roof top »



44


À noter que pour une décharge horizontale, il faudrait choisir entre les modèles, SA,

SX, SL ou SS.

Le modèle choisi sera SA, puisque les SL et SS ont des fonctions de chauffage, et que

la série SX est pareille que SA avec plus d’espace disponible.

Notre système nécessitera une alimentation de 230V/60 Hz/3 phases.

Pour la régulation de température, il y’aura un capteur de température qui va mesurer et

transmettre la température de la salle, au régulateur pour comparer la mesure à la consigne

présélectionné et ensuite en fonction d’autres données (enthalpies intérieur et extérieur,

température extérieure), va agir sur le système afin de ramener la température intérieure à la

température désirée.

C’est une régulation en rétroaction, comme le montre le schéma suivant :

Figure 4. 5 : Boucle de régulation de la température (rétroaction)

Sur la figure on a :

C : Consigne (température désirée).

M : Température mesurée de la salle des compresseurs.

Y : Signal de commande.



45


Ce système est sécuritaire car il sera installé à l’extérieur de la salle des compresseurs,

en plus d’être muni de toutes les protections nécessaires (protection électrique, boîtier qui

protège le circuit intérieur du roof top, base en béton pour supporter le poids et les vibrations

des moteurs.)

4.1.2 Choix de la capacité du "roof top" :

Expérimentalement, en été, avec une température extérieure de 25°C, à 100% de la

charge des compresseurs, on trouve Tbas = 350C, calculons alors Tmax dans la salle.

À 100% de la charge, on a R + éclairage = 3*(122) (KW) + 2(KW) = 368(KW)

Text = 25°C et Φ = 70 % On trouve Hext = 61 (KJ/Kg) et wext = 14 (ghum/ Kg d’air sec).

Pour le ventilateur déjà existant on a son débit qui est de 33820 (cfm) = 15.96 (m3/s)

(1cfm = 4,7194*10 -4

m3/s) avec ρair = 1,174 (Kg/m

3) (à T=25

°C)

= 15,96(m3/s)* 1,174 (Kg/m

3) = 18,74 (Kg/s)

Le bilan d’énergie nous donne : (HEXT – HINT) + R + éclairage = 0

HINT = HEXT +( R + éclairage)/ = 61(KJ/Kg) + 368(KW)/ 18,74 (Kg/s)

On obtient: HINT = 80,6(KJ/Kg) et wint = wext = 14 (ghum/ Kg d’air sec)

À partir de la carte psychométrique on tire que : Tint = 44°C = TmaxHaut



46


La chaleur est repoussée vers le haut de la pièce (l’air plus chaud a tendance à remonter

grâce à sa densité faible par rapport à l’air en bas qui vient de l’extérieur)

Figure 4. 6 : Écart de température dans la salle

On constate alors un écart ∆T = TMAX – Tbas = 44°C – 35

°C

∆T = 9°C

Ce qui nous intéresse le plus c’est la température en bas de la salle, car c’est l’endroit où il

y’a les compresseurs et les interventions de personnes en général.

On a l’équation du bilan d’énergie la salle des compresseurs avec un refroidisseur de type

roof top :

(Éq .2) vent(HEXT – HHaut) + R + éclairage - RT + RT(HEXT – Hbas) = 0

Avec HHaut = Cp*THaut + wHg (Cp = 1,005 (KJ/Kg.0C) et Hbas= Cp*(THaut - ∆T) + wHg

Où :

vent : Débit du ventilateur actuel (33820 cfm = 15.96 m3/s).

HEXT : Enthalpie extérieur (KJ/Kg).

TM

AX

Tbas

10m



47


HHaut : Enthalpie en haut de la salle des compresseurs (KJ/Kg).

Hbas : : Enthalpie en bas de la salle des compresseurs (KJ/Kg).

R : Chaleur dégagée par les compresseurs (KW).

éclairage : Chaleur dissipée par l’éclairage (KW).

RT : Capacité de refroidissement du roof top (KW).

RT : Débit du ventilateur du roof top (à partir de la fiche technique du roof top).

Cp : Capacité calorifique de l’air à pression constante (KJ/Kg.°C)

Hg : Enthalpie de la vapeur d’air à une température de saturation (KJ/Kg).

vent(HEXT – (Cp*THaut + wHg)) + R + éclairage - RT + RT(HEXT – Cp*(THaut - ∆T) + wHg) = 0

(Éq .2)

À pleine charge ∆T = 9○C, on commence avec RT = 105,5KW (30 tons) avec un ventilateur du

roof top de 13500 (cfm) = 6,37 (m3/s).

Notre étude va se baser sur l’algorithme suivant :

Écart connu approximativement à pleine charge.

Supposer une température initiale ToHaut.

Lire Hg@T○Haut.

Calculer T1Haut.

| T1Haut - ToHaut | tolérance (avec tolérance = 3°C)

Si notre solution converge alors on a :

Tbas THaut - ∆T

Sinon on suppose une autre température initiale ToHaut, et on reprend la démarche jusqu'à

convergence.



48


L’écart de température entre le haut et le bas du bâtiment est supposé directement

proportionnel au taux d’utilisation des compresseurs. On aura ainsi, pour 60% de la charge des

compresseurs, un écart de : ∆T = 0.6*9°C = 5.4

°C.

Text = 22°C et φ = 70 % Hext = 52 KJ/Kg et wext = 11,25*10

-3(Kghum/ Kg d’air sec)

Si on suppose ToHaut = 35°C (Table A-4 [1])

Hg@35°C = 2565,3 (KJ/Kg)

ρair = 1,174 (Kg/m3) à T=25

°C et ρair = 1,129 (Kg/m

3) à T = 35

°C

L’application numérique de l’équation 2 nous donne :

15,96*1,129(Kg/s) 52(KJ/Kg) – (1,005THaut + 11,25*10-3

*2565,3)(KJ/Kg) + (368 – 105,5)

(KW)

+ 6,37*1,174(Kg/s) 52(KJ/Kg) – (1,005(THaut - ∆T) + 11,25*10-3

*2565,3)(KJ/Kg) = 0

(937– 520 – 18,11THaut + 262,5 +388,9+67,7-7,52THaut – 215,9) (KW) = 0

THaut = 35,9°C on a THaut - ToHaut = 0,9

°C solution converge

On a alors Tbas = THaut - ∆T = 35,9°C – 9

°C = 26,9

°C qui est acceptable.



Si on suppose ToHaut = 37°C Hg@37°C = 2569,8 (KJ/Kg)



49


ρair = 1,174 (Kg/m3) à T=25


3) à T = 37

°C


15,96*1,119(Kg/s) 58(KJ/Kg) – (1,005THaut + 13,25*10-3

*2569,8)(KJ/Kg) + (368 – 105,5)

(KW)

+ 6,37*1,174(Kg/s) 58(KJ/Kg) – (1,005(THaut - ∆T) + 13,25*10-3

*2569,8)(KJ/Kg) = 0

(1035,9 – 608,1 – 17.95THaut + 262,5 +433,8+67,7 – 7,52THaut – 254,7) (KW) = 0



On a alors Tbas = 36,8°C – 9

°C = 27,8

°C qui est admissible.

Text = 26°C et φ = 70 % Hext = 64 KJ/Kg et wext = 15*10

-3(Kghum/ Kg d’air

sec)


ρair = 1,174 (Kg/m3) à T=25


3) à T = 37

°C

L’application numérique nous donne : THaut = 37,8°C (converge)

Tbas = THaut - ∆T = 37,8°C – 9

°C = 28,8

°C alors dans ce point on ne respecte plus le

mandat du client.

Dans cette étude on a considéré 100% des trois compresseurs, qui est le cas extrême, si on

considère que la charge est 60% de la puissance des 3 compresseurs

R = 0,6*3*122 = 219,6(KW), l’écart de température entre le haut et le bas du bâtiment sera

en conséquent : ∆T = 0,6*9°C = 5,4

°C



50


Text = 22°C et Φ = 70 % Hext = 52 KJ/Kg et wext = 11,25*10



ρair = 1,174 (Kg/m3) à T=25


3) à T = 30

°C, ∆T = 5.4

°C


(955,2– 528,3 – 18,46THaut + 116,1 +389+40.6 - 7.52THaut – 215.1) (KW) = 0



On a alors Tbas = THaut - ∆T = 29,2°C – 5.4

°C = 23,8

°C (acceptable)



Si on suppose ToHaut = 32,50C [email protected]°C = 2560,8 (KJ/Kg)

ρair = 1,174 (Kg/m3) à T=25

0C et ρair = 1,14 (Kg/m

3) à T = 32,5

°C, ∆T = 5,4

°C

L’application numérique de l’équation 2 donne :

(1055– 617,2 – 18,28THaut + 116,1 +433,8+40,6 – 7,52THaut – 253,8) (KW) = 0

THaut = 30°C on a THaut - ToHaut = 2,5


On a alors Tbas = THaut - ∆T = 30°C – 5,4

°C = 24,6

°C (acceptable)

Text = 26°C et φ = 70 % Hext = 64 KJ/Kg et wext = 15*10




51


Si on suppose ToHaut = 32,50C (Table A-4 [1]) [email protected]°C = 2560,8 (KJ/Kg)

ρair = 1,174 (Kg/m3) à T=25


3) à T = 32,5

°C, ∆T = 5.4

°C


(1164,2– 698,7 – 18,28THaut + 116,1 +478,7+40,6 – 7,52THaut – 287,3) (KW) = 0

THaut = 31,60C on a THaut - ToHaut = 0,9


On a alors Tbas = THaut - ∆T = 31,6°C – 5,4

°C = 26,2

°C (acceptable)

Text = 28°C et Φ = 70 % Hext = 71 KJ/Kg et wext = 16,75*10


Si on suppose ToHaut = 32,50C (Table A-4 [1]) [email protected]°C = 2560,8 (KJ/Kg)

ρair = 1,174 (Kg/m3) à T=25


3) à T = 32,5

°C, ∆T = 5,4

°C


(1291,5 –780,2 – 18,28THaut + 116,1 +531,1+40,6 – 7,52THaut –320,8) (KW) = 0

THaut = 34,1°C on a THaut - ToHaut =1,6


On a alors Tbas = THaut - ∆T = 34,1°C – 5,4

°C = 28,7

°C (limite)



52


Le tableau suivant récapitule l’étude de sensibilité précédente :

Tableau 4. 1 : Résultats avec roof top de 105,5KW (30tons)

À pleine charge des compresseurs

TEXT(0C) THaut(

0C) Tbas(

0C)

22 35,9 26,9

24 36,8 27,8

26 37,8 28,8

À 60% de la charge des compresseurs

TEXT(0C) THaut(

0C) Tbas(

0C)

22 29,2 23,8

24 30 24,6

26 31,6 26,2

28 34,1 28,7

Puisque le roof top de 30(tons) ne satisfait pas assez les besoins de refroidissement, on refait

l’étude précédente pour une capacité de 50(tons) = 175,85(KW), avec un ventilateur du roof

top de 22500 (cfm) =10,62 (m3/s).

Le tableau de la page suivante résume les résultats obtenus :



53


Tableau 4. 2 : Résultats avec le roof top de 175,85KW (50 tons)

À pleine charge des compresseurs

TEXT(0C) THaut(

0C) Tbas(

0C)

22 33 24

24 33,9 24,9

26 35,4 26,4

28 37,8 28,8

À 60% de la charge des compresseurs

TEXT(0C) THaut(

0C) Tbas(

0C)

22 26,8 21,4

24 27,6 22,2

26 28,8 23,4

28 31,6 26,2

30 33,2 27,8

35 38,6 33,2



54


Voici un graphe qui montre la température obtenue avec les solutions :

Figure 4. 7 : Résumé des résultats obtenus avec différentes solutions avec une humidité relative de 70%

de l’air extérieur

Le roof top de 50 tons répond assez bien aux exigences du client, les dimensions importantes

du système sont :

L = 9,04 m, H = 1,75m, W = 2,3m, Masse = 3289 Kg.

Text (°C)

(°C)



55


4.2 Étude économique :

En consultant la compagnie TRADE, j’ai pu avoir le prix d’achat pour le système

roof top.

Pour le prix d’installation (châssis en béton 6-8 pouces, installation électrique, conduites

d’air, volets dans le mur...). On l’estime à 15 000$.

Pour calculer la consommation, il faudra estimer l’énergie consommé par le roof top , car

cette information n’est pas fournie dans la fiche technique de ce dernier :

Figure 4. 8 : Schéma simplifié des puissances pour un réfrigérateur et transferts de chaleur

Source chaude extérieure

T=35°C = 308K

Roof

top

Source froide intérieur

T=22°C = 295K

RT

+ RT



56


En général, le coefficient de performance d’un réfrigérateur par :

COPR = RT/ ( 1 en général)

Pour un réfrigérateur de Carnot on a : COPR = = = 22,7

Pour le roof top on prendra : COPRT = 0,3* COPRCarnot

COPRT = 0,3 *22,7 = 6,8 = = 25,9 (KW)

On a alors une puissance consommée de 25,9 (KW) à pleine charge, nous utiliserons un

facteur de charge de 60% (quand les conditions le permettent, le roof top est en arrêt ou bien

fait juste de la ventilation).

On considère l’efficacité du roof top : ηRT = 0,9, le nombre d’heures d’opération par année

sera :

8(h/jour)*5(jours/semaines)*4,3(semaine/mois)*5(mois/an) = 860 (heures/an)

Energie consommée = (Puissance*facteur de charge*heures d’opération)/ ηRT

Energie consommée = (25,9(KW)* 0,6*860(heures/an))/0,9 = 13364 (KWh/ an)

Le tarif industriel de l’électricité selon le journal des affaires est de : 0.07 ($/KWh)

(approximatif)

Consommation annuelle = 13364 (KWh/an)* 0.07 ($/KWh) = 935 $/ an



57


Si on prend en compte l’économie qu’on fera sur le débit d’air fourni par le compresseur,

On remarque une augmentation du débit d’air, en prenant de l’air extérieur à 22°C plutôt

qu’à 35°C (densité plus élevé à 22

°C) :

Augmentation (%) = ( 22°C - 35°C)/ 22°C *100%

= (0,46 (Kg/s) – 0,444(Kg/s)) / 0,46(Kg/s)

Augmentation (%) = 3,5%, l’énergie économisée sera ce facteur de réduction multiplier par

l’énergie consommée par les compresseurs :

Heures d’opération = 8(h/j)*5(j/sem.)*4,3(sem./mois)*5(mois/an) = 860(heures/an)

Énergie économisée = (122KW*3*0,6*860(heures/an)/0,9) * 0,035 = 7344 (KWh/an)

Économie réalisée = 7344(KWh/an)* 0.07 ($/KWh) = 514 ($ / an)

Consommation nette par an = 935$ –514 $ = 421 $

Le tableau suivant donne le prix d’achat, installation et consommation :

Prix d’achat 50 000$

Prix d’installation 15 000$

Total 65 000$

Tableau 4. 3 : Coûts fixes pour notre solution finale

D’après les prix du marché, on ne peut pas satisfaire l’exigence du client concernant le

critère économique associé à ce projet, alors on a pris la solution qui répond le plus aux

autres critères (efficacité, encombrement, fiabilité, installation…).

Néanmoins pour avoir une idée sur le prix et le retour d’investissement pour un roof top de

30 (tons), le prix sera le suivant :



58


Prix d’achat 30 000$

Prix d’installation 10 000$

Total 40 000$

Tableau 4. 4 : Coûts fixes pour le roof top de 30 tons

= = 15,5 (KW) avec un facteur de charge de 0,95 (puisqu’il sera plus

sollicité que celui de 50 tons)

Energie consommée = (15,5(KW)* 0,95*860(heures/an))/0,9 = 14070 (KWh/ an)

Consommation annuelle = 14070 (KWh/an)* 0.07 ($/KWh) = 985($/ an)

Avec l’économie sur le débit d’air comprimé de 514 ($ / an), on aura :

Consommation nette par an = 985($) – 514($) = 2365 ($).

Cette étude donne des résultats, qui ne respectent pas le budget proposé au départ par le

client, ni le retour d’investissement en un an, mais on devait proposer une solution qui

répond à notre problématique (efficacité, encombrement….)

4.3 Recommandations :

En ce qui concerne les fuites d’air comprimé, nous recommandons une vérification

régulière des points d’utilisation de l’air comprimé (vérifier les joints, les coudes, extensions,

équipement connecté aux lignes d’air comprimé), il faut aussi remplacer ces derniers en cas

de défaut constaté. Pour les conduites d’air comprimé, le réseau est assez complexe et

l’installation est récente alors on suppose que l’état de l’installation est bon.



59


Pour la régulation de température dans la salle des compresseurs, le représentant de

l’entreprise TRADE, M. Messier Steve a recommandé l’entreprise Manseau & Perron inc.,

située à Rouyn-Noranda, pour l’installation du système roof top (installation électrique,

plateforme en béton, conduites aérauliques, volets….)

On recommande aussi la pose de conduites en forme de hotte, placé au-dessus des

compresseurs, et destiné à les collecter l’air chaud dans le but de l’évacuer à l’aide du

ventilateur existant. Comme le montre la figure suivante :

Figure 4. 9 : Vue intérieure de la salle des compresseurs



60


4.4 Simulation de la solution finale :

Voici un dessin approximatif de notre installation, réalisé avec le logiciel studio 3D max, qui

montre plusieurs vues de notre solution avec les recommandations suggérées :

Figure 4. 10 : Vue extérieure du système roof top installé



61


Figure 4. 11 : Vues d’ensemble et du haut de la solution finale



62


CONCLUSION

Ce projet fut réalisé dans le cadre du cours projet intermédiaire à l’UQAT, pour l’entreprise

Temlam, Amos.

Il consiste à réguler la température d’une salle de compresseurs, ainsi qu’évaluer et limiter

les pertes d’air comprimé.

Tout d’abord, il fut très important de comprendre la problématique et fixer les objectifs

spécifiques à atteindre, chose réalisée brièvement dans le premier chapitre. Une étude

préliminaire a été développée afin de bien cerner le système à concevoir. Cette étude est

présentée au chapitre 2.

Le chapitre 3 fait une étude de différentes solutions possibles afin de choisir la plus

appropriée au mandat du client. Dans le chapitre 4, on détaille la solution retenue (choix des

équipements de la solution, coûts d’acquisition, d’installation et de consommation du

système choisi, recommandations et synoptique de la solution finale)

On a choisi comme solution finale, un système de refroidissement de type roof top, d’une

capacité de 50 tons, qui permettra de réguler la température de notre salle, jusqu’à une limite

de température extérieure de 28°C pour 100% de la charge des compresseurs et 30°C pour 60%

de la charge.

Pour conclure, ce projet fut très enrichissant. Il m’a permis d’étudier et de comprendre les

systèmes de refroidissements, faire de la recherche, contacter différentes entreprises pour la

sélection du système et savoir plus sur la technologie disponible sur le marché.



63


BIBLIOGRAPHIE

[1] ÇENGEL, YUNUS.A, BOLES, A.MICHAEL, THERMODYNAMICS AN ENGINEERING APPROACH,

MC GRAW-HILL ,2001.

[2] ÇENGEL, YUNUS.A, TRANSFER HEAT A PRACTICAL APPROACH, MC GRAW-HILL ,1998.

[3] BERNIER, MICHEL, DESIGN ET EFFICACITE ENERGETIQUE EN MECANIQUE DU BATIMENT,

PRESSES INTERNATIONALES POLYTECHNIQUE,2001.

[4] G.ANDRÉIEFF DE NOTEBEK, MANUEL DE CONDITIONNEMENT DE L’AIR, PYC

EDITION,1974.

[5] OSBORNE W.C., TURNER C.G., GUIDE PRATIQUE DE VENTILATION,DUNOD,1973.

Tirés d’un site internet :

[6] http://www.abcclim.net/articles.php?pg=134&lng=fr

[7] http://www.pompechaleur.be/fr/pages/pompes-a-chaleur-explications.aspx

[8]

http://pagesperso-orange.fr/bernard.pironin/aquatech/Equipements/

Images/principe_fri.gif

[9] http://www.meteomedia.com/statistics/C02035/caqc0008

http://www.abcclim.net/articles.php?pg=134&lng=fr

http://pagesperso-orange.fr/bernard.pironin/aquatech/Equipements/%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20Images/

http://pagesperso-orange.fr/bernard.pironin/aquatech/Equipements/%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20Images/



i


ANNEXES

dÉpartement des sciences appliquÉesbibliotheque.uqat.ca/documents/rapportsa/08.pdf · 2010. 9....

Documents