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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

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


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



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



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



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



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



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



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



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



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



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



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



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



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



= 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



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



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



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



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



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



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



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



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



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



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



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



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



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



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



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



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



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



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



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



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



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



(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



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



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



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



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



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



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



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



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



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



(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



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



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



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



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



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



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



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



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



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



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



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



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



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



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



BIBLIOGRAPHIE

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< http://www.cmac-thyssen.com/>, consulté le 5 novembre 2009

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personnalisé., brochure publicitaire mai 2007

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Produit.asp?no_produit=13896#Hygiene, Consulté le 2010-01-15, Dernière mise à jour :

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4. Environnement Canada, Archives nationales d’information et de données

climatologiques, www.climate.wheatheroffice.gc.ca, Consulté le 9 février 2010,

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pragmatique,Montréal (Qc), Les Éditions de la chenalière inc, 2008.

6. SOLIDWORKS : Dassault systèmes (2009). Windows Vista, [logiciel], États-Unis

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8. 2007 ASHRAE Handbook HVAC Applications (2007), [CD-ROM], Atlanta: the

American society of heating, Refrigerating and Air-Conditioning engineers

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11. BERNIER, Michel; (2000) Design et efficacité énergétique en mécanique du bâtiment,

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PEI



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



ANNEXES

PEI



A. Facture de gaz pour chauffage

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B. Fiche technique du compresseur

PEI



C. Fiche technique du générateur de ventilation tempérée à chauffage direct

PEI



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D. Fiche technique du ventilateur de plafond

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E. Fiche technique du bras capteur à la source

PEI



F. Fiche technique des chaufferettes

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G. Tableau de conversion des diamètres en dimension rectangulaire des conduites

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H. Tableau de dimensionnement des coude dans les conduites

PEI



I. Tableau de dimensionnement des transitions dans les conduites

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J. Tableau et abaque pour choix des persiennes

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K. Tableau de sélection des grilles de retour

PEI



L. Abaque des pertes de charge dans les conduites

PEI



M. Vitesses et caractéristiques recommandées des gaines de ventilation

PEI



N. Propriété de l’éthylène glycol

PEI



PEI



O. Soumission

PEI



PEI



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



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



%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



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



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



Q. Abaque et caractéristique de système d’échappement local

PEI



PEI



R. RSST (Sections relatives au projet)

PEI



PEI



S. Plans

PEI



PEI



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



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]


= 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



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



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]


PEI



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




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



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]


= Vitesse d’aspiration recommandée [pi/min]

PEI



À partir de l’abaque A31 du manuel « Desing et efficacité en mécanique du bâtiment » :

→

→

→

PEI



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



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




conditioning » :

→

→

→

PEI



Dimensionnement de la troisième partie de la gaine de sortie :





conditioning » :

→

→

→

PEI



Dimensionnement de la quatrième partie de la gaine de sortie :





conditioning » :

→

→

→

PEI



Dimensionnement de la cinquième partie de la gaine de sortie :





conditioning » :

→

→

→

PEI



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 :


conditioning » :

→

→

→

PEI



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





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





table 9.4, 4-2 du manuel « Principles of heating ventilating and air conditioning »

PEI



Pertes de charge dans les transitions rectangulaires :

7.1 Sortie rectangulaire 4 : ∆Ps4=Pv* C0,4 → ∆Ps4= 0,0485 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



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



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



Dimensionnement de la 1re section de la gaine


conditioning » :

→

→

→

PEI



Dimensionnement de la 2e section de la gaine


conditioning » :

→

→

→

PEI





conditioning » :

→

→

→

PEI



Calcul des pertes de charge :

Pertes de charge dans les conduites:






figure 9.2 du manuel « Principles of heating ventilating and air conditioning »

Coefficient de pertes de charge dans les transitions rectangulaires :




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



Pertes de charge dans les transitions rectangulaires :

5. Sortie rectangulaire 3 : ∆Ps3=Pv* C0,3 → ∆Ps3= 0,0152 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



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