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MODULE DES SCIENCES APPLIQUÉES

RÉCUPÉRATION DU SURPLUS DE CHALEUR DU PROCÉDÉ DE

FORMALDÉHYDE

PROJET D’ÉTUDES EN INGÉNIERIE DANS LE CADRE DU PROGRAMME DE

BACCALAURÉAT EN GÉNIE MÉCANIQUE

Présenté par : Kévin Deschatelets

Nicolas La Roche-Carrier

Superviseur : François Godard, Ph.D.,ing.

Représentant industriel : Louis Mercier Roy, ing., Uniboard Canada, division Unires

29 avril 2011

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REMERCIEMENTS

Nous tenons à adresser nos plus sincères remerciements à notre représentant industriel, Louis

M. Mercier-Roy, ing. Son accueil, son ouverture d’esprit, sa patiente et sa collaboration dont il

a fait preuve ont été très appréciés.

Nos remerciements vont également au professeur François Godard, Ph.D., ing., pour tous les

efforts nécessaires à l’avancement du projet. Ses connaissances dans le domaine de

thermodynamique et de transfert de chaleur ont été un atout important dans la réalisation du

projet.

Nous remercions Jean-Paul Langlois, ing. pour nous avoir recommandés à M. Laszczewski,

ing.. M. Laszczewski, ing., par sa générosité à partager son temps et son, nous a permis

d’avancer grandement le projet.

Nous remercions aussi les intervenants qui ont bien voulu prendre de leur temps au

développement du projet :

Mme Nicole Robert, ift.a., M.Sc., UQAT;

M. Pierre Rheault, représentant, Technosub;

M. Dean Zubka, représentant, Wolseley;

M. Michel Micheau, représentant, Entreprise PolR inc., division Nadeau.

Les derniers remerciements vont à tous les professeurs et chargés de cours qui nous ont

encadrés et ont rendus possible notre réussite durant notre cheminement universitaire.

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RÉSUMÉ

L’usine Unires est une filiale d’Uniboard® qui produit de la colle à base de résine et de

formaldéhyde. Ce produit aide à lier les panneaux de particule fabriqués dans l’usine Forpan.

Le procédé chimique produit un excédent de chaleur qui est refroidie par l’utilisation d’une tour

d’eau. Ce surplus de chaleur a un potentiel énergétique qui pourrait être récupéré pour chauffer

l’usine voisine. C’est dans cette optique qu’il nous été confié le mandat de valider la

récupération de l’énergie générée par le procédé exothermique.

Une des tâches principales fut de sélectionner un système d’échange de chaleur efficace, en

plus de la sélection des composantes mécaniques. À partir de différentes conceptions

d’échangeur de chaleur, nous avons convergé vers une solution qui possède une récupération

d’énergie maximale et qui est rentable à court terme (15 mois).

Après consensus avec le représentant industriel, nous avons sélectionné un échangeur à plaques

avec un réseau de serpentin de chauffage alimenté par un mélange eau-éthylène glycol. Cette

solution favorise la récupération de chaleur et, en plus, est économique.

Le système de récupération de chaleur de l’usine Unires sera composé d’un échangeur à

plaques. Le transfert thermique se produit entre le circuit de l’eau chaude du procédé et le

circuit du mélange eau-éthylène glycol. Le mélange eau-éthylène glycol réchauffé passe à

travers des serpentins de chauffage, situé à l’entrée des unités de ventilation. L’air entrant sera

réchauffé et amené dans les conduits d’aération.

Pour la réalisation du projet, il est recommandé de choisir adéquatement le matériel nécessaire

selon les besoins de l’entreprise afin de diminuer les coûts. D’ailleurs, il est suggéré de

contacter Gaz Métro pour une avoir une entente sur un possible financement. Pour l’installation

des serpentins de chauffage, l’entreprise devra s’assurer que ces derniers possèdent les

dimensions adéquates pour être installés à l’entrée des unités de ventilation existantes.

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ABSTRACT

Unires is a subsidiary of Uniboard®, which produces adhesive resin and formaldehyde. This

product helps to bind the particle board manufactured in the Forpan factory. This chemical

process produces an excess of heat that is cooled using a water tower. This excess of heat has a

potential of energy that could be recovered in order to heat the nearby factory. It is therefore for

this purpose that we were mandated to validate the energy recovery generated by the

exothermic process.

One of the main tasks was to select an efficient heat exchange system, in addition to the

selection of mechanical components. While using different designs of heat exchangers, we have

converged to a solution which has a maximal energy recovery, and which is profitable in the

short term (15 months).

After consensus with the industrial representative, we selected a plate heat exchanger with a

heating coil system powered by water-ethylene glycol. This solution promotes heat recovery,

and is economical as well.

The heat recovery system of the Unires factory will consist of a plate heat exchanger. The heat

transfer occurs between the hot water system from the process, and the system of the water-

ethylene glycol mixture. The heated water-ethylene glycol mixture goes through the heating

coils, which are located at the entrance of the ventilation units. The incoming air is warmed and

fed into the vents.

To carry out this project, it is recommended to choose the adequate and necessary equipment

requested by the business needs in order to reduce costs. It is also suggested to contact Gaz

Métro to get an agreement on a possible funding. For setting the heating coils, the company

must ensure that the heating coils have the proper dimensions so they can be installed at the

entrance of the existing ventilation units.

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TABLE DES MATIÈRES

INTRODUCTION .................................................................................................................... 1

1.1 Présentation de l’entreprise ................................................................................................. 2

1.1 Description et caractéristiques du procédé ......................................................................... 3

1.2 Normes applicables ............................................................................................................. 5

1.3 Inventaire de données opérationnelles recueillies .............................................................. 6

Températures de la tour de refroidissement: ............................................................... 6 1.3.1

Spécification de la pompe présente dans la tour de refroidissement ........................... 6 1.3.2

Consommation de gaz naturel : ................................................................................... 7 1.3.3

Plans de l’usine Uniboard® division Unires ............................................................... 7 1.3.4

Plans de l’usine Uniboard® division Forpan ............................................................... 7 1.3.5

Système de tuyauterie .................................................................................................. 8 1.3.6

Type de vanne .............................................................................................................. 8 1.3.7

1.4 Objectifs, contraintes et restrictions ................................................................................. 10

Objectifs ..................................................................................................................... 10 1.4.1

Contraintes ................................................................................................................. 10 1.4.2

Restrictions ................................................................................................................ 10 1.4.3

1.5 Formulation du mandat ..................................................................................................... 11

Chapitre 2: Cadre théorique et élaboration des hypothèses ........................................................ 12

2.1 Transmission de chaleur ................................................................................................... 12

Conduction ................................................................................................................. 12 2.1.1

Convection ................................................................................................................. 13 2.1.2

Radiation .................................................................................................................... 14 2.1.3

2.2 Échangeur de chaleur ........................................................................................................ 15

2.2.1 Échangeur tubulaire horizontal .................................................................................. 15

2.2.2 Échangeur tubulaire coaxial (vertical) ....................................................................... 16

2.2.3 Échangeur à plaques .................................................................................................. 16

2.3 Refroidisseur ..................................................................................................................... 17

2.4 Énergie générée par le surplus de chaleur du procédé de formaldéhyde .......................... 18

2.5 Énergie nécessaire pour le chauffage au gaz naturel ........................................................ 20

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Chapitre 3: Mise en œuvre du mandat ........................................................................................ 21

3.1 La recherche de solutions ................................................................................................. 21

3.1.1 Solution No.1: Système composé d’un refroidisseur de grande dimension .............. 21

3.1.2 Solution No.2: Combinaison de ventilo-convecteurs et d’un refroidisseur de

dimension moyenne ............................................................................................................ 22

3.1.3 Solution No.3: Combinaison d’un échangeur à plaques et d’un refroidisseur de

dimension moyenne ............................................................................................................ 24

3.1.4 Solution No.4: Combinaison d’un échangeur à plaques (type Mueller Accu-Therm)

et d’un système de serpentins ............................................................................................. 27

3.2 L’étude de praticabilité ..................................................................................................... 29

3.3 Le choix de la solution recommandée .............................................................................. 33

3.4 La conception de la solution recommandée ...................................................................... 34

3.4.1 Calculs de perte de charge dans le réseau de tuyauterie ............................................ 35

3.4.2 Puissance nécessaire de la pompe .............................................................................. 38

3.4.3 Perte de chaleur dans le circuit de l’éthylène glycol ................................................. 39

3.4.4 Capacité du réservoir d’expansion ............................................................................. 43

3.4.5 Volume d’éthylène glycol nécessaire ........................................................................ 44

3.4.6 Description du système de récupération de chaleur .................................................. 45

3.4.7 Liste des composantes nécessaires à l’installation du système ................................. 46

3.4.8 Plan des boucles de contrôle PI&D du système de récupération de chaleur ............. 47

Chapitre 4: Étude des coûts ........................................................................................................ 48

4.1 Coût du système de récupération de chaleur .................................................................... 48

4.2 Analyse économique .................................................................................................... 49

Chapitre 5: Santé et sécurité ....................................................................................................... 51

5.1 Toxicologie de l’éthylène glycol (C2H6O2) ...................................................................... 51

5.1.1 Toxicité sur l’homme ................................................................................................. 51

5.1.2 Manipulation .............................................................................................................. 51

5.2 Gel de l’eau dans l’échangeur de chaleur ......................................................................... 52

5.3 Arrêt de la pompe du circuit du mélange eau-éthylène glycol ......................................... 53

Chapitre 6: Développement durable ........................................................................................... 54

CONCLUSION....................................................................................................................... 56

RECOMMANDATIONS ....................................................................................................... 57

BIBLIOGRAPHIE ................................................................................................................. 58

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ANNEXES ............................................................................................................................. 62

ANNEXE A – SPÉCIFICATIONS DE LA POMPE À LA TOUR D’EAU .......................... 63

ANNEXE B – CONSOMMATION ANNUELLE DE GAZ NATUREL ........................... 64

ANNEXE C – PLANS DE L’USINE UNIRES .................................................................... 65

ANNEXE D – PLANS DE L’USINE FORPAN .................................................................... 66

ANNEXE E – FICHE TECHNIQUE DE L’ISOLANT POLR 1000 °F ET DU

RECOUVREMENT D’ALUMINIUM .................................................................................. 67

ANNEXE F – PROPRIÉTÉS DES TUYAUX ..................................................................... 69

ANNEXE G – ÉCHANGEUR DE CHALEUR PROPOSÉ PAR ENVIROAIR ................ 71

ANNEXE H – PROPRIÉTÉS ET PRIX DE L’ETHYLENE GLYCOL............................. 73

ANNEXE I – FICHE TECHNIQUE DES VANNES .......................................................... 76

ANNEXE J – FICHES TECHNIQUES DU RÉSERVOIR D’EXPANSION, DU

SÉPARATEUR D’AIR ET DU PURGEUR D’AIR ............................................................ 79

ANNEXE K – FICHE TECHNIQUE DU SYSTÈME D’APPOINT AU GLYCOL ......... 83

ANNEXE L – FICHE TECHNIQUE DE LA POMPE DU CICUIT AU GLYCOL .......... 84

ANNEXE M – CALCULS MATLAB ................................................................................... 87

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LISTE DES TABLEAUX

Tableau 2.1: Températures de l’eau de la tour de refroidissement ............................................... 6

Tableau 2.2: Caractéristiques de la pompe centrifuge à la tour de refroidissement ..................... 6

Tableau 2.3: Consommation annuelle de gaz naturel pour le chauffage de l'usine Forpan .......... 7

Tableau 2.1: Avantages et inconvénients des échangeurs tubulaires horizontaux ..................... 15

Tableau 2.2: Avantages et inconvénients des échangeurs tubulaires verticaux ......................... 16

Tableau 2.3: Avantages et inconvénients des échangeurs à plaques .......................................... 16

Tableau 3.1: Ventilo-convecteurs de haute capacité alimentée avec de l'eau froide (45 °F) [18]

.................................................................................................................................................... 23

Tableau 3.2: Définition des attributs et pondérations des critères d’évaluation ......................... 31

Tableau 3.3: Matrice de décision ................................................................................................ 32

Tableau 3.4: Liste des composantes ........................................................................................... 46

Tableau 4.1: Coûts des équipements et de l'installation du système de récupération de chaleur 48

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LISTES DES SYMBOLES ET DES ABRÉVIATIONS

Symbole

A aire [m2]

C pouvoir calorifique [J/m3]

Cp chaleur spécifique [J/(Kg∙K)]

E énergie thermique [J]

Fij facteur de forme [adimensionnel]

f facteur de friction [adimensionnel]

h coefficient de convection thermique [W/m2K]

H épaisseur de l’isolant

K conductivité thermique [W/m∙K]

L longueur caractéristique [m]

m débit massique [Kg/s]

N vitesse de rotation [rpm]

Nu nombre de Nusselt [adimensionnel]

p pression [Pa]

P puissance [W] ou [tonne]

Pr nombre de Prandtl

q taux de transfert de chaleur [W]

q" flux de chaleur [W/m2]

Q débit volumique [m3/s]

R résistance thermique [m2K/W]

Re nombre de Reynolds [adimensionnel]

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® marque déposée

t temps [s]

T température [K] ou [°C]

Lettre grecque

α coefficient d’expansion thermique [μm /m∙K]

∆h perte de charge [m]

ε émissivité [adimensionnel]

ε rugosité [mm]

µ viscosité dynamique [Ns/m2]

ρ masse volumique [Kg/m3]

σ constante de Stefan-Boltzmann [5.67 ∙10-8

W/m2∙K

4]

ν volume spécifique [m3/Kg]

Abréviation

ASHRAE American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers

BTU Unité thermique anglaise (British Thermal Unit)

CAD Dollar canadien (code ISO 4217)

CFM Pied cube par minute (Cubic feed per minute)

INRS Institut National de Recherche et de Sécurité

LMTD Log Mean Temperature Difference

PI&D Schéma tuyauterie et instrumentation (Piping and instrumentation diagram)

VAN Valeur actuelle nette

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FACTEUR DE CONVERSION

Dimension Système métrique Système impérial

Densité 1 Kg/m3 64,428 lbm/pi

3

Chaleur spécifique 4.1868 KJ/Kg 1 BTU/lbm∙°F

Conductivité thermique 1 W/(m∙°C) 0.57782 BTU/(h∙pi∙°F)

Débit 1 m3/s 15 850 gpm [US]

Énergie 1 KJ 0.94782 BTU

Flux de chaleur 1 W/m2 0.3171 BTU/(h∙pi

2)

Longueur

1 m 3.2808 pi

2.54 cm 1 po

Puissance

745.7 W 1 HP

1 KW 3412.14 BTU/h

1 tonne de réfrigération 12 000 BTU/h

Pression

1 Pa 0.020886 lbf/pi2

10.31 m d’eau 14,514 lb/po2

Transfert de chaleur 1 W/(m2∙°C) 0.17612 BTU/(h∙pi

2∙°F)

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LISTE DES FIGURES

Figure 1.1:Usine Uniboard® à Val-d’Or ...................................................................................... 2

Figure 1.2: Plan des boucles de contrôle PI&D du procédé de formaldéhyde ............................. 4

Figure 1.3: Assemblage d'un tuyau Victaulic® [17] .................................................................... 8

Figure 1.4: Vanne papillon [17].................................................................................................... 8

Figure 1.5: Vanne à boisseau [17] ................................................................................................ 9

Figure 1.6: Clapet anti-retour [17] ................................................................................................ 9

Figure 1.7:Vanne trois fonctions de type boisseau/anti-retour/isolement [17] ............................. 9

Figure 1.8: Vanne trois fonctions de type papillon/anti-retour/isolement [17] ............................ 9

Figure 1.9: Tour d'eau actuellement installée ............................................................................. 11

Figure 2.1: Transfert de chaleur par conduction [1] ................................................................... 12

Figure 2.2: Transfert de chaleur par convection [1] ................................................................... 13

Figure 2.3: Transfert de chaleur par radiation [1] ....................................................................... 14

Figure 2.4: Refroidisseur à l'air [13] ........................................................................................... 17

Figure 3.1: Vue intérieure d'un ventilo-convecteur de type industriel [18] ................................ 22

Figure 3.2: Conception de l'échangeur à plaques ....................................................................... 24

Figure 3.3: Hiérarchie des critères de sélection .......................................................................... 30

Figure 6.1: Émission de CO2 de divers combustibles [12] ......................................................... 54

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INTRODUCTION

À une époque où l’énergie devient de plus en plus dispendieuse et rare, tous les moyens sont

bons pour l’économiser. Le chauffage dans le secteur industriel, qu’il soit au gaz naturel ou à

l’électricité, peut représenter une grande dépense économique. Cette problématique apporte des

exigences dans la gestion de l’énergie et de son efficacité. De plus en plus, les procédés

industriels seront appelés à être optimisés ou réorganisés afin de profiter des récupérations

énergétiques possibles et rentables.

Dans les industries qui utilisent des procédés exothermiques, une partie de l’énergie thermique

générée doit être évacuée par un système de refroidissement. C’est le cas pour l’usine Unires,

une division d’Uniboard®. Cette usine met en production la colle permettant de lier les

panneaux de particules dans l’usine voisine (Uniboard® division Forpan). Un des procédés

nécessaires, le cycle de génération du formaldéhyde, génère un surplus de chaleur. Afin de

contrôler la température du procédé, un circuit de refroidissement à l’eau est utilisé. L’eau doit

être conduite à une tour de refroidissement afin de diminuer sa température et être recirculée

vers le procédé. Or, au lieu de dissiper la chaleur dans l’atmosphère, Unires veut la récupérer et

chauffer l’usine voisine. L’entreprise désire récupérer la chaleur générée par le procédé de

formaldéhyde afin de réduire la consommation de gaz naturel.

Le but principal du projet est la récupération de chaleur du procédé formaldéhyde. L’entreprise

veut une étude élaborée sur la quantité de surplus chaleur généré et, si le projet a un retour sur

l’investissement acceptable, il faudra déterminer une méthode pour transférer la chaleur dans la

bâtisse voisine. Le présent rapport présente l’entreprise et la problématique, le processus de

recherche de solutions envisageables, le développement de la solution retenue, l’étude de

rentabilité, les aspects santé et sécurité, et les recommandations à apporter.

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Chapitre 1: Études des besoins et mandat

1.1 Présentation de l’entreprise

Uniboard®, une filiale de Pfleiderer AG, est un des chefs de file mondiaux en matière de

fabrication de bois d’ingénierie, de produits finis traités et de plancher laminés. La mission

d’Uniboard® se veut comme suit :

« Devenir chef de file dans nos marchés tout en offrant un service

exceptionnel et des produits innovateurs et d’avant-garde. »

La compagnie se spécialise dans la fabrication de

panneaux de particules, de MDF (panneau de fibre

densité moyenne), de mélamine, d’intérieur de porte et

de HDF (panneau de fibre haute densité). Les produits

de cette compagnie sont utilisés principalement dans

les mobiliers et toutes sortes d’aménagements

intérieurs résidentiels ou commerciaux. Les usines sont

réparties en Amérique du Nord et plus précisément au Québec. Les usines sont situées à

Moncure (Caroline du Nord), Sayabec (est du Québec), Val-d'Or (nord-ouest du Québec) et

Mont-Laurier (sud du Québec). L’usine de Val-d’Or, d’une capacité de 400 000 m3, produit des

panneaux de particules bruts et des panneaux de particules laminés. La division Unires est une

usine fabriquant de la résine avec un mélange de formaldéhyde utilisé pour la production de

contreplaqué, de panneaux agglomérés de fibres ou de particules. Elle possède une capacité de

56 000 tonnes métriques de formaldéhyde à 52 % et 70 000 tonnes métriques de résine UF.

Cette résine sert à coller les fibres de matières ligneuses de premier choix afin de fabriquer les

panneaux de particules.

Figure 1.1:Usine Uniboard® à Val-d’Or

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1.1 Description et caractéristiques du procédé

L’usine Unires produit la colle permanente utilisée dans la fabrication de bois contreplaqué. Le

mélange chimique de formaldéhyde et de résine forme la base de la colle permanente présente

dans le processus d’assemblage. La solution de formaldéhyde (méthanal) s’obtient par la

gazéification de l’eau, de l’air et du méthanol. Ces trois éléments chimiques sont mélangés et

préchauffés sous forme vapeur à partir d’un évaporateur. Grâce à un réacteur, maintenu à une

température fixée à 640 °C, la réaction de formation de formaldéhyde peut se faire. Deux

réactions produisent alors simultanément du méthanal :

(1.1)

(1.2)

En régime permanent, la réaction de formation du formaldéhyde est refroidie avec de l’eau à

120 °C. Par la suite, le concentré de formaldéhyde à 52 % s’obtient dans la tour d’absorption.

La tour comporte quatre étages maintenus à différentes températures (70 °C, 45 °C, 25 °C et

10 °C). À chaque niveau, une partie des vapeurs se liquéfient et le reste passe au niveau suivant.

Pour le dernier niveau, l’eau de refroidissement ne réussit pas à abaisser la température à 10 °C,

donc un refroidisseur est inclus au système. Le faible surplus de vapeur est retourné au cycle de

l’évaporateur.

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Figure 1.2: Plan des boucles de contrôle PI&D du procédé de formaldéhyde

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1.2 Normes applicables

Une des références pour les normes et les suggestions applicables dans le milieu énergétique

provient de l’organisation American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning

Engineers, Inc. (ASHRAE). Cette organisation à but non lucratif propose des références sur

différents domaines de l’énergie : échangeur de chaleur, système de ventilation, air conditionné,

système de réfrigération, etc. L’organisme recherche et publie des résultats techniques pour

établir des standards industriels, sensibilisé les entreprises et protéger le public.

Un outil indispensable pour concevoir et aménager des installations de plomberie est le Code

national de la plomberie (CNP). Le CNP divulgue les données techniques portant sur la

conception et l’installation d’un système de plomberie. Il est aussi utilisé pour des travaux de

rénovations, de transformations et de réparations de plomberies déjà présentes. Le code

explique les fonctions à atteindre pour respecter les objectifs lors des installations de plomberie.

Dans la même portée que la référence précédente, le Code national du bâtiment (CNB) définit

les fonctions du bâtiment pour atteindre les objectifs. Le code amène des dispositions

techniques pour la conception et la construction de bâtiments. Il est également applicable à la

transformation ou à la démolition de bâtiments.

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1.3 Inventaire de données opérationnelles recueillies

Températures de la tour de refroidissement: 1.3.1

Les valeurs de températures de l’eau qui circule dans la tour d’eau sont fournies dans le tableau

suivant :

Tableau 2.1: Températures de l’eau de la tour de refroidissement

Température d’entrée (°C) 31

Température de sortie (°C) 16.5

Variation de température (°C) 14.5

Spécification de la pompe présente dans la tour de refroidissement 1.3.2

L’eau de refroidissement, provenant du procédé de formaldéhyde, circule dans la tour de

refroidissement à partir d’une pompe centrifuge. Les principales caractéristiques techniques

sont présentées dans le tableau qui suit et pour consulter les données complètes, se référer à

l’annexe A:

Tableau 2.2: Caractéristiques de la pompe centrifuge à la tour de refroidissement

No. modèle 3196 XLT-X

Vitesse de rotation (rpm) 16.5

Hauteur manométrique (pi) 100

Puissance (HP) 50

Débit volumique (m3/h) 350

⁄

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Consommation de gaz naturel : 1.3.3

Le système de chaufferie de l’entrepôt voisin (usine Forpan) est alimenté par un raccordement

au gaz naturel. La consommation annuelle de gaz naturel nécessaire au chauffage est détaillée à

l’annexe B. Ce sont les consommations des années 2002-2003 et 2003-2004 qui furent

sélectionnées pour l’obtention du volume total utilisé en gaz naturel. En observant ces valeurs,

l’usine consomme du gaz naturel 8 mois par année, donc soit environ 250 jours. Le prochain

tableau indique les consommations de gaz naturel selon les années mentionnées :

Tableau 2.3: Consommation annuelle de gaz naturel pour le chauffage de l'usine Forpan

Année Consommation de

gaz naturel (m3)

2002-2003 873 074

2003-2004 811 017

Plans de l’usine Uniboard® division Unires 1.3.4

Les différents plans fournis par l’entreprise de la division Unires sont disponibles à l’annexe C.

Les dimensions générales de l’usine peuvent être mesurées à partir du logiciel AutoCAD.

Plans de l’usine Uniboard® division Forpan 1.3.5

Les différents plans fournis par l’entreprise de la division Forpan sont disponibles à l’annexe D.

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Système de tuyauterie 1.3.6

Le réseau actuel de la tuyauterie est composé de tuyaux de type

Victaulic®. Le principal avantage de ce type de boyau provient de sa

facilité d’installation. L’assemblage du raccordement des tuyaux est

composé d’une rainure, d’un joint d’étanchéité, d’un corps métallique,

de vis et d’écrous. En utilisant le système Victaulic®, l’entreprise

bénéficiera des avantages suivants :

1) Amélioration de la sécurité;

2) Réduction des coûts reliée à la sécurité;

3) Réduction du temps d’installation;

4) Réduction du coût d’installation.

Type de vanne 1.3.7

Dans un réseau de tuyauterie, les vannes servent à contrôler le débit, la pression ou la direction

du fluide. Les vannes disponibles avec les tuyaux de type Victaulic® sont : vanne papillons,

vanne à boisseau, vannes à boisseau sphérique, clapets anti-retour et les vannes trois fonctions.

i) Vanne papillon

Les vannes papillon sont constituées d’un disque obturateur semi-

rotatif (normal ou excentré) venant empêcher le fluide de passer. Elles

sont réservées aux applications devant présenter une faible perte de

charge dans l’organe de réglage.

Figure 1.3: Assemblage d'un tuyau

Victaulic® [17]

Figure 1.4: Vanne papillon [17]

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ii) Vanne à boisseau

Les vannes à boisseau sont principalement utilisées comme vanne

d’arrêt, car, elles possèdent l’avantage d’être manœuvrées rapidement.

iii) Clapet anti-retour

Un clapet anti-retour permet la circulation d’un fluide, liquide ou

gazeux, seulement dans un sens et la bloque dans l’autre. Il permet de

contrôler le sens de la circulation.

iv) Vanne trois fonctions

Les vannes trois fonctions permettent d’avoir les caractéristiques propres à chaque vanne, mais

dans une seule.

Figure 1.5: Vanne à boisseau [17]

Figure 1.6: Clapet anti-retour [17]

Figure 1.8: Vanne trois fonctions de type

papillon/anti-retour/isolement [17] Figure 1.7:Vanne trois fonctions de type

boisseau/anti-retour/isolement [17]

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1.4 Objectifs, contraintes et restrictions

Objectifs 1.4.1

Livrer l’énergie à l’usine voisine située à 200 m;

Utiliser la variation de température de l’eau de refroidissement du procédé de

fabrication de formaldéhyde ;

Calculer la quantité d’énergie disponible ;

Déterminer le type d’échangeur de chaleur requis ;

Utiliser l’espace disponible pour l’installation du système.

Contraintes 1.4.2

Conserver la tour de refroidissement;

L’eau de retour ne doit pas être supérieure à 16,5 °C.

Restrictions 1.4.3

Le projet doit avoir un retour sur l’investissement de 1 an.

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1.5 Formulation du mandat

La division Unires d’Uniboard® est une usine

fabriquant de la colle à partir d’un mélange de résine et de

formaldéhyde. L’union de la résine et du formaldéhyde est

utilisé pour la fabrication de colle permanente employée

dans les panneaux de particule dans l’usine voisine. Cette

production de formaldéhyde produit de la chaleur et cette

dernière est rejetée dans l’atmosphère grâce à une tour de

refroidissement. L’usine doit assumer un coût élevé pour

chauffer son entrepôt. Le but du projet est de récupérer la chaleur produite par le procédé

formaldéhyde qui, actuellement, est rejetée dans l’atmosphère pour chauffer une partie de

l’usine voisine. La liste suivante indique les différentes étapes du mandat :

Déterminer l’énergie générée par le procédé;

Estimer la quantité de la chaleur requise pour chauffer le bâtiment voisin;

Proposer une méthode pour transférer la chaleur;

Dimensionner et sélectionner les principales composantes du système;

Recommandation.

Figure 1.9: Tour d'eau actuellement installée

PEI



Chapitre 2: Cadre théorique et élaboration des hypothèses

2.1Transmission de chaleur

Le transfert de chaleur est une transmission d’énergie thermique d’une région à une autre, par le

l’influence d’un écart de température. Il y a trois modes de transmission : la conduction, la

convection et la radiation.

Conduction 2.1.1

La conduction thermique est la quantité de chaleur qui est transmise à

travers deux milieux en contacts. Pour qu’il est échange thermique, il doit

avoir une variation de température entre les deux milieux en contact. Dans

les matières solides, la chaleur se distribue par la vibration des atomes.

Dans le cas des liquides et des gaz, l’échange thermique se propage

directement entre les molécules qui s’entrechoquent. Le flux de chaleur

de conduction se définit comme suit :

(2.1)

Tel que T2 > T1

Où

q": flux de chaleur [W/m2]

K : conductivité thermique du matériau [W/m∙K]

L : épaisseur du matériau [m]

T1 : température du matériau 1[K]

T2 : température du matériau 2 [K]

Figure 2.1: Transfert de chaleur

par conduction [1]

PEI



Convection 2.1.2

La convection permet l’échange de chaleur entre une surface solide et le fluide

environnant. Ce phénomène se produit naturellement lorsque la densité de l’air est réduite par

l’augmentation de température à la surface. Cette différence de densité, avec le fluide

environnant, génère un mouvement du fluide et un échange de chaleur. De plus, si un courant

d’air est appliqué au système (pompe, ventilateur, etc.), la convection est dite forcée.

L’équation ci-dessous décrit le flux de chaleur due à la convection :

(2.2)

Tel que T2 > T1

q": flux de chaleur [W/m2]

h : coefficient de convection thermique [W/m2K]



Figure 2.2: Transfert de chaleur par convection [1]

PEI



Radiation 2.1.3

Le phénomène de radiation est l’énergie qui est émise par les

matières qui sont à une température différente de 0 Kelvin. La

radiation s’effectue par les matières solides, liquides et gazeuses.

L’énergie due à la radiation est transportée par des vagues

électromagnétiques ou par des photons. Chaque matière possède

son émissivité ( ), puis cette valeur est basée sur

l’efficacité que la matière émet par rapport au corps noir

(meilleure émissivité possible). L’équation ci-dessous décrit la

perte de chaleur entre deux objets due à la radiation :

(2.3)

Où

: Constante de Stefan-Boltzmann [ ]

: Facteur de forme entre les surfaces 1 et 2

T1 : Température de la surface 1[K]

T2 : Température de la surface 2 [K]

: Émissivité de la surface 1

: Émissivité de la surface 2

A1 : Aire de la surface 1 [m2]

A2 : Aire de la surface 2 [m2]

Figure 2.3: Transfert de

chaleur par radiation [1]

PEI



2.2Échangeur de chaleur

L’échangeur de chaleur est un dispositif qui permet à un fluide chaud de céder sa chaleur à un

fluide froid sans qu’ils se mélangent. Ce procédé s’utilise lorsque le fluide ne peut acquérir ou

libérer de la chaleur rapidement. Habituellement, les deux fluides sont mis en contact thermique

à partir de paroi métallique conductrice. La quantité de chaleur échangée dépend de plusieurs

paramètres techniques :

La surface d’échange disponible entre les deux fluides;

Les températures d’entrées;

Les caractéristiques thermiques des fluides (conductivité thermique et chaleur

spécifique);

Les coefficients de convection de part et d’autre de la paroi.

Les parties suivantes traiteront de quelques types d’échangeurs de chaleurs disponibles dans

l’industrie.

2.2.1 Échangeur tubulaire horizontal

C’est un des échangeurs les plus utilisés dans les procédés industriels. Dans ce type

d’échangeur, l’un des fluides passe à l’intérieur du faisceau de tubes et l’autre fluide circule

autour des tubes (appelé calandre). Le modèle le plus courant est composé d’une série de tubes

disposés de façons horizontales (échangeur multitubulaire) qui passent à travers un réservoir.

Tableau 2.1: Avantages et inconvénients des échangeurs tubulaires horizontaux1

Avantages Inconvénients

Résistant aux fortes pressions

Économique

Peut fonctionner avec un grand

écart de température

Contraintes sur les tubes

Accès difficile pour le nettoyage

des tubes

Sensible aux vibrations

1 Informations prises à partir de la référence [14].

PEI



2.2.2 Échangeur tubulaire coaxial (vertical)

Pour l’échangeur tubulaire vertical, un des fluides circule dans un tube central tandis que l’autre

fluide passe dans l’espace entourant le tube. On distingue deux types de fonctionnement selon

la configuration de l’échangeur : à courant parallèle et à contre-courant. Dans le dernier type

d’échangeur, l’un des fluides circule dans une série de tubes et l’autre fluide circule

perpendiculaire aux tubes.

Tableau 2.2: Avantages et inconvénients des échangeurs tubulaires verticaux2


Résistant aux fortes pressions

Faible encombrement

Contraintes sur les tubes

Accès difficile pour le nettoyage

des tubes

Faible surface d’échange

2.2.3 Échangeur à plaques

Ce type d’échangeur est composé de plaques qui sont superposées l’une par-dessus l’autre, avec

un faible espacement. La distribution des fluides entre les plaques est possible par l’espace

disponible entre les joints. Ainsi, les fluides peuvent échanger leur chaleur respective à travers

les plaques.

Tableau 2.3: Avantages et inconvénients des échangeurs à plaques3


Faible encombrement

Modulable

Bon coefficient de chaleur

Peu de perte thermique vers

l’extérieur

Économique

Faible écart de température

possible

Perte de charge importante

Pression de travail limitée

2 Ibid.

3 Ibid.

PEI



2.3 Refroidisseur4

Un refroidisseur est un dispositif permettant de refroidir un fluide chaud en passant par un cycle

de compression de vapeur. Ce cycle comporte quatre principales composantes : le compresseur,

le condenseur, le détendeur et l’évaporateur. Lorsque le fluide frigorigène passe dans

l’évaporateur, il extrait de la chaleur du milieu à basse température et amène le fluide au point

d’ébullition. Par la suite, le fluide est sous forme vapeur et est comprimé dans le compresseur à

haute température. Ensuite, la chaleur est cédée à un autre milieu (chaud), en passant dans le

condenseur. Le fluide en ressort sous forme de liquide et se détend dans le détendeur pour

retourner dans l’évaporateur. L’efficacité d’un refroidisseur est décrite par son coefficient de

performance et se calcul comme suit :

(2.4)

4 Informations prises à partir de la référence [3].

Figure 2.4: Refroidisseur à l'air [13]

PEI



2.4 Énergie générée par le surplus de chaleur du procédé de formaldéhyde

L’énergie annuelle générée par le surplus de chaleur du procédé se détermine avec l’équation

de la puissance de chauffage :

(2.5)

Où :

: taux de transfert de chaleur [W]

m : débit massique [Kg/s]

pC : chaleur spécifique de l’eau à 20 °C [J/(Kg∙K)]

ΔT : variation de température [K]

Qm (2.6)

Où :

m : débit massique [Kg/s]

Q : débit volumique [m3/s]

ρ : masse volumique de l’eau à 20 °C [Kg/m3]

À cause de la recirculation de la moitié du débit dans le circuit de la tour d’eau, seulement 50%

du débit sera considéré dans l’échange thermique :

(

⁄ ) (

*

PEI



(

*

(2.7)

Où :

E : énergie thermique [J]

: taux de transfert de chaleur [W]

Δt : intervalle de temps [s]

L’énergie générée pour une période de 1 an est déterminé comme suit :

(

* (

* (

* (

* (

*

(

* (

* (

*

Où :

P : puissance thermique [J/s]

PEI



2.5 Énergie nécessaire pour le chauffage au gaz naturel

CQE (2.8)

Où :

E : énergie thermique [J]

Q : débit volumique [m3/s]

C : pouvoir calorifique du gaz naturel [J/m3]

(

) (

*

(

* (

) (

* (

* (

*

Ainsi, l’énergie générée par le procédé est supérieure à l’énergie requise pour chauffer l’usine

Forpan.

PEI



Chapitre 3: Mise en œuvre du mandat

3.1 La recherche de solutions

3.1.1 Solution No.1: Système composé d’un refroidisseur de grande dimension

La première idée ressortie fut l’installation d’un refroidisseur de grande dimension. Ce

refroidisseur prendrait la totalité du débit disponible et abaisserait la température de l’eau à la

valeur voulue. Le système serait assez efficace pour récupérer une partie importante de

l’énergie générée par le procédé exothermique. Le principal inconvénient de ce type de système

est le coût élevé de l’équipement. Selon les calculs préliminaires, il serait nécessaire d’installer

un refroidisseur de 840 tonnes. Or, le prix d’achat, incluant le coût d’installation, pour un

refroidisseur de cette capacité correspond à une somme d’environ 415 000 $5.

5 Consulter la référence [7].

PEI



3.1.2 Solution No.2: Combinaison de ventilo-convecteurs et d’un refroidisseur de dimension

moyenne

Une des solutions envisagées fut l’installation d’une combinaison d’un système d’échangeur de

chaleur composé de ventilo-convecteur («fan coil» en anglais) et d’un refroidisseur («chiller»

en anglais). Le principe du ventilo-convecteur est le même qu’un convecteur classique auquel il

a été ajouté un ventilateur pour forcer le flux d’air. Le ventilo-convecteur étudié est de type

industriel et possède comme source de chaleur un réseau de tuyauterie d’eau. La première phase

de refroidissement serait assurée par les ventilo-convecteurs et l’abaissement final à la

température désirée par un refroidisseur de capacité moyenne. Le but est de circuler l’eau

provenant de l’usine Unires et l’acheminer dans les serpentins de refroidissement compris dans

l’unité du ventilo-convecteur. Grâce à un ventilateur, il est possible d’envoyer la chaleur dans

les conduits de ventilation de l’usine Forpan.

Figure 3.1: Vue intérieure d'un ventilo-convecteur de type industriel [18]

PEI



Deux problèmes majeurs sont générés par ce type d’installation. Premièrement, la surutilisation

des ventilo-convecteurs engendrait un grand débit d’air entrant dans les conduits de ventilation

et provoquerait, en conséquence, une forte turbulence dans le système de distribution. L’autre

inconvénient résulte d’une caractéristique technique propre aux ventilo-convecteurs : le débit

d’eau à l’entrée doit être de faible amplitude. Le tableau suivant décrit les débits maximaux

pouvant circuler dans un ventilo-convecteurs de type industriel.

Tableau 3.1: Ventilo-convecteurs de haute capacité alimentée avec de l'eau froide (45 °F) [18]

PEI



3.1.3 Solution No.3: Combinaison d’un échangeur à plaques et d’un refroidisseur de dimension

moyenne

La conception d’un échangeur à plaques eau-air fait partie d’une des solutions applicables.

L’analyse de la solution tient compte d’un échangeur composé de deux plaques séparées et

l’ajout d’ailette rectangulaire sur les surfaces externes. Le choix du cuivre comme matériel

vient de sa conductivité thermique élevée par rapport aux autres métaux. Pour arriver à un

optimum d’échange thermique, plusieurs tests furent exécutés en variant les paramètres

imposés. Ces paramètres sont les dimensions de l’échangeur (parois et ailettes), la vitesse de

l’air à l’entrée de l’échangeur et les échanges thermiques existant dans le système.

Figure 3.2: Conception de l'échangeur à plaques

PEI



À partir du logiciel MATLAB, les paramètres suivants furent variés pour obtenir l’optimum

d’échange de chaleur dans la conception de l’échangeur à plaques :

Longueur de l’échangeur (1 à 50 m);

Largeur de l’échangeur (1 à 3 m);

Hauteur de l’échangeur (1 à 3 m);

Nombre d’ailettes (10 à 100);

Hauteur du conduit (0,1524 m à 1,524 m [6 po à 60 po]).

Avec une longueur de 50 m, plusieurs essais furent simulés à partir du nombre d’échangeurs

présent dans le système (1, 3 et 5). De cette façon, il est possible de déterminer la configuration

qui maximise la récupération de chaleur. En résumé, voici les résultats obtenus6:

6 Se référer à l’annexe M pour consulter en détail les calculs complets.

PEI



Les ratios de la quantité de chaleur échangée par rapport à la quantité de gaz consommé sont

intéressants lorsque trois et cinq échangeurs identiques sont installés en parallèle. Mais, ces

types d’installation restent improbables dû à coût élevé du cuivre et à des dimensions trop

élevées.

PEI



3.1.4 Solution No.4: Combinaison d’un échangeur à plaques (type Mueller Accu-Therm7) et

d’un système de serpentins8

La conception d’un réseau comprenant un échangeur à plaque eau-éthylène glycol et des

serpentins de chauffage permettrait un meilleur échange de chaleur due aux propriétés

intéressantes de l’éthylène glycol. Le prochain calcul démontre la quantité de chaleur que

l’éthylène glycol cède à l’air en passant dans les serpentins de chauffage. Par la suite, lorsque

l’éthylène glycol passe au travers l’échangeur à plaque, la même quantité de chaleur est

transmise à l’eau. De cette façon, la température de l’eau à la sortie de l’échangeur peut être

calculée. De plus, avec la quantité de chaleur disponible, il est possible de comparer avec la

quantité de chaleur produite par la combustion du gaz naturel.

(

* (

*

(

*

7 Consulter la fiche technique de l’annexe G.

8 Se référer à l’annexe M pour consulter les fiches techniques du système d’échange de chaleur.

PEI



(

( * (

*

,

La puissance thermique générée par les 2 serpentins est :

PEI



3.2 L’étude de praticabilité

L’étude de praticabilité apporte un éclaircissement sur la validité des idées retenues. En

choisissant des critères de sélections combinées avec des valeurs numériques, il sera possible de

classifier les solutions. Par la suite, nous pourrons élaborer un tableau synthèse représentant le

degré de correspondance des solutions versus les critères. Le tout se fait selon une démarche

méthodologique de conception permettant d’évaluer objectivement si une idée est réalisable ou

non.

À partir de ses critères, la matrice de décision sera construite avec les caractéristiques

suivantes :

La somme de la pondération est de 100 %;

La valeur pointage se définit comme suit :

0→0%

1→33,3%

2→66,7%

3→100%

Les critères de pondération sont en pourcentage (%) et les plus élevés

représentent les priorités de l’entreprise.

PEI



Figure 3.3: Hiérarchie des critères de sélection

Échangeur de chaleur

Coût

Rentabilité Coûts des

équipements Coûts d'entretien

Sécurité

Conditions de fonctionnement

Caractéristiques physiques et

opérationnels

Efficacité Encombrement Facilité

d'opération Facilité

d'entretien

PEI



Tableau 3.2: Définition des attributs et pondérations des critères d’évaluation

Critère Objectif 0 1 2 3

Rentabilité Le projet doit être rentable

dans un délai acceptable

N’est pas

rentable

Rentable en plus

de 1 an Rentable en 1 an

Rentable en

moins de 1

an

Coût des

équipements

Un coût d’achat minimal des

équipements doit être visé

Plus de

500 000 $

Entre 300 000 $

et 500 000 $

Entre 100 000 $

et 300 000 $

Moins de

100 000 $

Coût de

l’entretien

Le coût et la fréquence des

entretiens préventifs doivent

être faibles

Plus de

7 000 $

Entre 5000 $ et

7000 $

Entre 3000 $

5000 $

Moins de

3000 $

Sécurité

Le système doit respecter

l’ensemble des règles de

sécurité selon les conditions

de fonctionnement

Risqué Moyennent

risquée Risque faible

Aucun

risque

Efficacité Le système récupère le

maximum de chaleur

Récupération

faible

Récupération

moyenne

Récupération

moyennement

élevée

Récupération

élevée

Encombrement Le système doit être le

moins encombrant possible

Très

encombrant encombrant

Moyennement

encombrant

Peu

encombrant

Facilité

d’entretien

Le système doit être simple

d’entretien

Demande

beaucoup

d’entretien

Demande plus

d’entretien que la

normale

Demande un

entretien

régulier

Ne demande

presque pas

d’entretien

Facilité

d’opération

Le système doit être simple

à opérer

Demande

beaucoup de

connaissance

afin d’opérer

Demande

moyennement de

connaissance

afin d’opérer

Demande peu de

connaissance

afin d’opérer

Ne demande

pas de

connaissance

afin d’opérer

PEI



Tableau 3.3: Matrice de décision

Critère Pondération (%)

Solution

1 2 3

Chauffage avec un

refroidisseur de

grande dimension

Combinaison d’un

échangeur à plaques et de

serpentins

Combinaison d’un

échangeur à plaques et

d’un refroidisseur de

dimension moyenne

Rentabilité 20 6,7 13,3 0

Coût des équipements 20 6,7 13,3 0

Coût de l’entretien 10 0 10 10

Sécurité 10 6,7 6,7 6,7

Efficacité 15 15 15 10

Encombrement 15 0 10 5

Facilité d’entretien 5 5 5 5

Facilité d’opération 5 3,3 3,3 3,4

Total (%) 100 43,4 76,6 40,1

PEI



3.3 Le choix de la solution recommandée

Selon les résultats obtenus à partir de la matrice de décision, la solution dominante est celle de

l’installation de l’échangeur à plaques (type Mueller Accu-Therm) et l’ajout de serpentin de

chauffage. Cette solution finale sera élaborée dans ce chapitre. Comme l’échangeur nécessite

deux types de liquide distincts pour l’échange thermique (mélange eau-éthylène glycol et eau),

il faudra prévoir deux circuits indépendants. L’échangeur thermique est installé dans l’usine

Unires, le circuit d’eau devra directement partir du circuit de refroidissement du procédé

formaldéhyde et être conduit à l’échangeur à plaques. Pour ce qui attrait du parcours du

mélange eau-éthylène glycol, il devra être acheminé à l’usine Forpan pour circuler à travers les

serpentins de chauffage. L’élaboration de la solution se définit selon les calculs et les

schémas suivants:

Calcul des pertes de charge dans le réseau de canalisation d’eau;

Calcul des pertes de charge dans le réseau de canalisation du glycol;

Calcul de pertes de chaleur dans le réseau de canalisation du glycol;

Calcul pour le choix de la pompe;

Design du schéma tuyauterie et instrumentation du système de récupération de

chaleur;

Analyse économique (chapitre 4).

PEI



3.4 La conception de la solution recommandée

La conception du système de récupération de chaleur se base sur plusieurs faits constatés et

hypothèses raisonnables. À partir de cette liste, il sera plus facile d’obtenir un design de la

solution finale. Voici le recensement complet:

L’échangeur à plaques sera situé dans l’usine Unires;

La boucle de glycol se rendra aux unités de ventilation existantes en passant par

l’extérieur;

Les serpentins de chauffage alimentés par le mélange eau - éthylène glycol seront situés

avant le chauffage au gaz naturel (à l’entrée des unités de ventilation);

Puisque les données techniques des unités de ventilations ne sont plus disponibles, il

faudra considérer que seulement de l’air neuf entre dans les conduits d’aération9.

9 La validation de cette hypothèse a été aussi constatée sur place.

PEI



3.4.1 Calculs de perte de charge dans le réseau de tuyauterie10

Circuit de l’éthylène glycol

(

) (3.1)

Où

: perte de charge singulière [m]

V : vitesse du liquide [ ⁄ ]

g : accélération gravitationnelle * ⁄ +

: facteur de friction

L : longueur du tuyau [m]

D : diamètre du tuyau [m]

K : coefficient de résistance ponctuelle

Le facteur de friction ( ) se trouve à l’aide de l’abaque de Moody. Dans ce digramme, il est

nécessaire d’avoir le nombre de Reynolds (Re) et le rapport de la rugosité du matériel sur le

diamètre du tuyau ⁄ :

(3.2)

Où

: masse volumique du glycol à 22 °C [ ]

: viscosité dynamique du glycol à 22 °C [ ⁄ ]

Dans la boucle de glycol, il y a deux débits (le débit se divise en deux pour chaque serpentin

dans les unités de ventilation).

10

Se référer à l’annexe M pour consulter en détail les calculs complets.

PEI



Où

Q1 : relié au débit total

Q2 : relié au débit partiel

La rugosité ( ) varie en fonction du type de matériel et sa condition. Le choix du type de

matériel s’est arrêté sur de l’acier neuf de type commercial ( = 0,046 mm) et de l’acier rouillé

( = 2 mm), qui représente le pire cas.

À partir de l’abaque de Moody :

Les coefficients de résistance dépendent du diamètre du tuyau et de la fonction de la

composante (vanne, coude et té). Ces valeurs se trouvent dans les tableaux conçus à cet effet11

.

Il faut inclure les pertes de charge dans chaque composante du circuit. Ces pertes de pression

sont spécifiées par les fiches techniques des composantes (échangeurs et serpentins).

11

Consulter la référence [2] p.385.

PEI



Les pertes de charge associées au réseau de tuyauterie de 4 po (0,1016 m) nécessaire sont :

Circuit de l’eau

Pour la partie du réseau d’eau, les réponses sont les suivantes :

Le réseau d’eau comporte seulement un débit.

PEI



3.4.2 Puissance nécessaire de la pompe12

Circuit de l’éthylène glycol

À partir des pertes de charge, il est possible de calculer, pour un tuyau d’un même diamètre et

d’un même débit, la puissance de la pompe avec cette équation :

⁄ (3.3)

Où

P : puissance de la pompe [hp]

: rendement de la pompe [adimensionnel]

Les puissances associées aux pertes de charge calculées sont :

Circuit de l’eau

Pour la partie du réseau d’eau, les réponses sont les suivantes :

12


PEI



3.4.3 Perte de chaleur dans le circuit de l’éthylène glycol13

Où

: résistance thermique [

⁄ ]

La résistance thermique se calcule avec les équations suivantes :

13

Ibid.

PEI



Les résistances thermiques équivalentes se calculent comme suit :

En parallèle

En série

Où

n = 1, 2, 3…

Les valeurs des résistances thermiques de l’air (convection externe) et de la radiation sont en

parallèles et les autres en série.

Le coefficient global de transfert de chaleur se calcule :

(3.4)

La valeur du coefficient de convection thermique se calcul avec l’équation suivante :

(3.5)

Où

Nu : nombre de Nusselt [adimensionnel]

D : diamètre du tuyau [m]

Le nombre de Nusselt pour la convection interne de l’eau est

(3.6)

Où

Pr : nombre de Prandtl

n : 0.3

PEI



Le nombre de Nusselt pour la convection naturelle de l’air est :

(3.7)

: constante fonction du nombre de Reynolds

: constante fonction du nombre de Reynolds

La température finale se calcule avec cette équation :

( (

)) (3.8)

Où

: température finale de l’eau [°C]

m : débit massique de l’eau [ ⁄ ]

pC : chaleur spécifique de l’eau [J/(Kg∙K)]

Voici les résultats pour un tuyau de 4 po (0,1016 m) avec une isolation (k = 0,033W/m∙K)14

de

3 po (0,0762 m) :

Pour le glycol

Pour l’air

14

Se référer à l’annexe E pour consulter la fiche technique de l’isolant.

PEI



Résistances thermiques

⁄

⁄

⁄

⁄

⁄

⁄

⁄

⁄

PEI



3.4.4 Capacité du réservoir d’expansion

L’équation pour le volume total d’un réservoir d’expansion prépressurisé est :

([(

⁄ ) ] )

(3.9)

Où

: volume total du réservoir d’expansion [ ]

: volume total de liquide dans le système [ ]

: volume spécifique à basse température *

+

: volume spécifique à haute température *

+

: coefficient d’expansion thermique *

+

: différence entre la haute et la basse température [ ]

: pression dans le réservoir à la fin du remplissage [ ]

: pression d’opération [ ]

([(

, ] ( *

+) ,

[ ]

PEI



3.4.5 Volume d’éthylène glycol nécessaire

Le circuit du mélange d’eau-éthylène glycol est conçu avec des tuyaux de diamètre de 4 po

(0,1016 m) et à une longueur estimée à 450 m. Le volume d’éthylène glycol (50 %) se définit

comme suit15

:

((

* )

15

Se référer à l’annexe H pour consulter la fiche technique de l’éthylène glycol.

PEI



3.4.6 Description du système de récupération de chaleur16

La solution consiste à installer un échangeur à plaque (mélange d’eau-éthylène glycol et eau)

situé dans l’usine Unires et de deux serpentins de chauffage placés dans chaque unité de

ventilation existante sur le toit de l’usine Forpan. La tuyauterie utilisée dans cette solution est

de type « black pipe schedule 10 de type Victaulic®». La boucle d’eau provient du circuit de

refroidissement des composantes de l’usine Unires. Cette eau entre dans l’échangeur et sort

pour retourner dans la tour d’eau. De cette façon, lorsque le glycol n’est pas assez refroidi, la

tour d’eau effectue le travail nécessaire afin d’amener l’eau à la bonne température (16.5°C). Le

circuit actuel de l’usine Unires est encore valide, car, seulement une partie du débit passe dans

l’échangeur. Donc, il faudra, en conséquence, installer une vanne papillon à l’entrée de

l’échangeur. La dimension de la tuyauterie pour le réseau d’eau est de 6 po (0,1524 m).

Pour la boucle de glycol, la dimension de la tuyauterie est de 4 po (0,1016 m) et le débit se

divise en deux pour aller dans chaque serpentin de chauffage. Le mélange d’eau-éthylène

glycol passe dans une vanne trois voies modulantes selon la température désirée (à chaque

serpentin). La valve permet de diminuer le débit circulant dans les serpentins pour ainsi

diminuer l’échange thermique avec l’air neuf, lorsque nécessaire. À la sortie de la pompe, il y a

un circuit avec une vanne modulante retournant directement à l’échangeur. La vanne régule

selon la température de l’eau à la sortie de l’échangeur. Ce circuit permet, lorsque la

température de l’eau à la sortie devient inférieure à 16,5 °C, de faire circuler de nouveau le

mélange d’eau-éthylène glycol dans l’échangeur. De cette façon, le mélange reste à la bonne

température.

16

Consulter la section 3.4.8 pour le PI&D du système de récupération de chaleur.

PEI



La boucle du mélange d’eau-éthylène glycol comprend aussi un réservoir d’expansion pour

contrer la dilation thermique du fluide, un système d’appoint au glycol avec une pompe pour

contrer les pertes du réseau et une vanne de sureté pour éviter la haute pression dans le réseau.

Pour enlever l’air, il faut installer un éliminateur d’air sur le réseau de tuyauterie de 4 po et des

purgeurs d’air situés dans tous les points hauts du système (dans les serpentins de chauffage). Il

est important d’installer les serpentins de chauffage derrière les volets motorisés et les filtres de

chaque unité de ventilation. Cela permet de protéger les serpentins de chauffage des particules

provenant de l’air vicié des ventilateurs d’extractions installés sur le toit de l’usine Forpan.

3.4.7 Liste des composantes nécessaires à l’installation du système

Tableau 3.4: Liste des composantes

Matériel Quantité Description

Vanne de sureté 1 Watts series 30L-Z1, 50-75 PSI

Vanne modulante 2 voies 1 Spartan modèle VE243-360-K-6060

Vanne modulante 3 voies 2 Spartan modèle V341-180

Vanne papillon 1 Vanne papillon 6 po type Victaulic®

Séparateur d’air 1 Armtrol modèle AMT #4-AS

Purgeur d’air automatique 2 Watts series FV- 4M1, 50-75 PSI, 4 po

Pompe 1 Grundfos modèle CR45-3-2. 20 hp

Système d’appoint au glycol 1 HGSPEC modèle GMPE-100, 100 gallons, 1/3 hp

Réservoir d’expansion 1 Armtrol modèle AX-40V vertical

Échangeur à plaque 1 Mueller accu-therm, type 40MH

Serpentin de chauffage 2 Luvata modèle 5WS1108B

Tuyau 4 po - 450 m type Victaulic®

Tuyau 6 po - 40 m type Victaulic®

Isolation - 360 m Polr 1000°F 4 po x 3 po

Revêtement d’aluminium - 360 m ITW Pabco/childers Aluminium

PEI



3.4.8 Plan des boucles de contrôle PI&D du système de récupération de chaleur

Usine Forpan

Air extérieur -40°C 13200

L/S

Filtre

Serpentins d’éthylène

glycol (50%)

Ventilateur (13200 L/s)

Chauffage au gaz naturel

Serpentins de chauffage d’éthylène

glycol (50%)

Vanne 3 voies

modulante

Vanne 3 voies

modulante

Éliminateur d’air

Vanne

Pompe

Réservoir d’expansion

Vanne de sureté

Système d’appoint d’étylène glycol

(50%) avec pompe

Échangeur à plaques (eau-glycol)

Tour d’eau actuelle

Vers le réseau à refroidir (usine Unires)

Eau chaude de l’usine Unires

Éthylène glycol (50%) à 29.44°C




Eau chaude de l’usine Unires

Eau à 31.11°C

Eau à 16.11°C

Débit d’eau: 42.64 m^3/hDébit d’étylène glycol (50%): 52.66 m3/h

Étylène glycol (50%) à 14.89°C

Étylène glycol (50%) à 26.44°C

Unité de ventilation

Serpentins de chauffage d’éthylène

glycol (50%)

Vanne papillon

PEI



Chapitre 4: Étude des coûts

4.1 Coût du système de récupération de chaleur

Les coûts de l’échangeur à plaques et des serpentins de chauffage fournis dans le tableau

suivant proviennent du fournisseur Enviroair. Pour les prix des tuyaux et de l’isolant, nous

avons contacté respectivement le groupe Wolseley et le fournisseur Nadeau. Les informations

concernant les coûts d’installation et de main-d'œuvre sont puisées dans le RS Means

Mechanical Cost Data 201017

. Pour le prix de l’installation du système de tuyauterie, nous

avons attribué le même montant que celui du matériel. Ce chiffre est basé sur expérience

d’ingénieurs en génie-conseil. Nous attribuons un budget pour les imprévues de 20 %.

Tableau 4.1: Coûts des équipements et de l'installation du système de récupération de chaleur

Matériel18 Coût

(CAD)

Coût d’installation

(CAD)

Total

(CAD)

Échangeur à plaques et serpentins de chauffage 58 500 58 500 117 000

Tuyaux 4 po (5,20$ /pi) 7 677 7 677 15 354

Tuyaux 6 po (10 $/pi) 1 312 1 312 2 624

Isolant (9,61$/pi) et recouvrement d’aluminium

(3,84$/pi) 15 884 15 884 31 768

Vanne papillon 6 po 185 185 370

Vanne 2 voies modulante 6 po 4 763 4 763 9 526

Vanne 3 voies modulante 4 po 5 587 5 587 11 174

Réservoir d’expansion 2 150 100 2 250

Système d’appoint au glycol 3 000 100 3 100

Séparateur d’air 1 020 100 1 120

Pompe 8 800 900 9 700

Glycol 3 174 - 3 174

207 159

17

Consulter la référence [7]. 18

Consulter le tableau 3.4 pour les détails techniques du matériel.

PEI



4.2 Analyse économique19

L’entreprise souhaite un retour sur l’investissement dans un délai de 1 an. Pour déterminer si le

projet sera rentable, la méthode de la valeur actuelle nette (VAN) sera utilisée. La VAN est un

flux monétaire actualisé qui représente l’enrichissement d’un investissement par rapport au

minimum exigé par les capitaux. Si le résultat de la VAN est supérieur à zéro, alors le projet est

acceptable. Comme nous considérons la récupération de chaleur à un ratio de 100%, le flux

monétaire pour l’année correspond aux coûts annuels de gaz naturel. L’investissement initial se

réfère au résultat monétaire du sous chapitre précédent (4.1). Le taux d’actualisation de l’argent

est fixé à 5% par la compagnie.

∑

(4.1)

Où

FMt : flux monétaire pour l’année t [$]

TRAM: taux d’actualisation pertinent [adimensionnel]

n : durée du projet [année]

I: investissement initial [$]

Retour sur l’investissement sur 1 an :

19

Consulter la référence [8].

PEI



Retour sur l’investissement sur 2 ans :

En considérant que le système de récupération de chaleur est en fonction 8 mois par année,

l’usine Unires sauve 25 000 $ par mois de chauffage au gaz naturel. Pour ce calcul, il faut étaler

cette valeur sur une année complète, donc l’usine Unires économise 16 667 $ par mois. De cette

façon, il possible de calculer le nombre de mois total qu’il est nécessaire pour atteindre le seuil

de rentabilité. Nous estimons que la récupération de chaleur permet d’éliminer complètement le

chauffage au gaz naturel et que l’économie d’argent est égale chaque mois.

PEI



Chapitre 5: Santé et sécurité

5.1 Toxicologie de l’éthylène glycol (C2H6O2)

Lors de l’installation et de la mise en service du système de chauffage à l’éthylène glycol,

certaines précautions devront être prises pour éviter tout accident ou détérioration du réseau. En

premier, il est indispensable de connaître l’essentiel des risques reliés à la manipulation de

l’éthylène glycol et ses effets toxicologiques. Dans la liste suivante, seulement quelques

précautions sont ciblées parmi la liste exhaustive présente dans le document de l’Institut

National de Recherche et de Sécurité (INRS)20

. Voici les précautions à considérer :

5.1.1 Toxicité sur l’homme

Aiguë

L’indigestion d’éthylène glycol est suivie, après quelques heures, de troubles digestifs

(nausée, vomissement, douleurs abdominales) et d’une dépression du système nerveux

central.

Chronique

Des signes de dépression du système nerveux central, plusieurs cas de nystagmus21

ont été signalés chez les ouvriers exposés aux vapeurs de l’éthylène glycol.

5.1.2 Manipulation

Utiliser l’éthylène glycol dans un circuit fermé chaque fois que cela est possible.

Prévoir une aspiration des vapeurs à leur source d’émission, particulièrement lorsque

le produit est utilisé à chaud.

20

Consulter la référence [23]. 21

Mouvement d'oscillation involontaire et saccadé du globe oculaire.

PEI



Éviter le contact du produit avec la peau et les projections oculaires. Mettre à la

disposition du personnel des vêtements de protection et des gants appropriés.

Ne pas boire et manger. Garder une hygiène corporelle et vestimentaire très stricte.

Ne jamais procéder à des travaux sur et dans des cuves contenant ou ayant contenu de

l’éthylène glycol sans prendre les précautions d’usage.

En cas de fuite ou de déversement accidentel, récupérer le produit, conserver les

déchets contenant l’éthylène glycol dans des récipients clos et étanches.

5.2 Gel de l’eau dans l’échangeur de chaleur

Un des risques potentiels qui peut survenir est le gel dans l’échangeur de chaleur. Comme le

point de congélation de l’éthylène glycol à 50% (volumique) est de -37°C22

, il est possible que

l’éthylène glycol gèle l’eau lors du contact thermique dans l’échangeur de chaleur, si l’air est

très froid au point d’aspiration. Pour remédier à ce problème, il a fallu concevoir un circuit, à

l’aide de vannes modulantes, qui recircule une partie du mélange eau-éthylène glycol dans

l’échangeur afin de le réchauffer (voir le PI&D de la section 3.4.8).

22

Consulter la référence [20].

PEI



5.3 Arrêt de la pompe du circuit du mélange eau-éthylène glycol

Un autre cas problématique qui pourrait survenir et nuire à l’intégrité du système serait l’arrêt

de la pompe qui refoule le mélange d’éthylène-glycol. Pour ce cas, l’isolant a été conçu en

conséquence. Les calculs suivants donnent le temps nécessaire pour que la paroi interne du

tuyau atteigne 0°C23

:

( (

( )*

+ (5.1)

Où

t : temps en seconde [s]

H : 0,0762 m

ρ : 1060.6 [ ]

D : 0,1016 m

Cp : 3236.1 [ ]⁄

: 0 °C

: -40 °C

: 29,44 °C

: 0,033 W/m∙K

⁄

Cet intervalle de temps est généralement suffisant pour redémarrer ce système avant que la

température dans le tuyau d’eau-éthylène glycol ne s’abaisse sous 0 ºC.

23


PEI



Chapitre 6: Développement durable

Le développement durable est devenu une nécessité dans la majorité des projets puisqu’il

répond à des objectifs environnementaux. La combustion du gaz naturel produit une certaine

quantité de CO2 et sa réduction abaisserait la production de gaz à effets de serre. La combustion

du gaz naturel est régie par la formule qui suit :

(6.1)

En considérant que la récupération de chaleur permet d’éliminer complètement le chauffage au

gaz naturel, l’usine réduit de 3,31∙1010

KJ par année sa consommation d’énergie gazière. Le

graphique ci-dessous représente l’émission de CO2 par différents combustibles:

Figure 6.1: Émission de CO2 de divers combustibles [12]

PEI



Donc, l’économie en gaz naturel équivaut à retirer 258 voitures de la circulation par année.

PEI



CONCLUSION

Uniboard division Unires voulait faire une étude de récupération de chaleur afin de réduire les

coûts de chauffage au gaz naturel de l’usine voisine. Unires possède un circuit ouvert composé

d’une tour d’eau pour refroidir leur équipement. La chaleur du procédé est dissipée dans

l’atmosphère. Avec le système de refroidissement du procédé de formaldéhyde, il est possible,

selon les calculs, de chauffer l’usine voisine. La quantité de chaleur récupérée est supérieure à

celle produite par la combustion du gaz naturel pour une période d’une année. Dans le cadre de

ce projet, l’équipe devait trouver une idée et faire la conception d’un système permettant la

récupération de cette chaleur. La solution retenue est donc, un échangeur à plaque eau-éthylène

glycol avec deux serpentins de chauffage situé à l’entrée des unités de ventilation. Le circuit du

mélange eau-éthylène glycol pénètre dans les serpentins et réchauffe l’air neuf qui entre dans

les unités de ventilation. Avec cette solution, le retour sur l’investissement de l’entreprise se fait

en 15 mois, ce qui est légèrement supérieur aux 12 mois visés par l’entreprise.

PEI



RECOMMANDATIONS

1. Si l’entreprise veut diminuer le coût de l’isolant, elle peut choisir un isolant d’une

épaisseur de 2 po (6,13 $/pi). Cependant, ce choix réduira le temps requis pour que la

paroi interne du tuyau du mélange eau-éthylène glycol atteigne 0°C s’il a arrêt de la

pompe.

2. Il est recommandé de s’assurer que les unités de ventilation possèdent l’espacement

requis afin de mettre les serpentins de réchauffement à l’entrée de l’air frais. De plus, il

faut s’assurer que le ventilateur de chaque unité soit assez puissant pour contrer la perte

de pression statique due aux serpentins de chauffage.

3. Il serait pertinent pour l’entreprise de prendre contact avec Gaz Métro. Le fournisseur

de gaz naturel offre des contributions financières pour des programmes d’efficacité

énergétique. Nous fournirons au représentant industriel le document nécessaire à remplir.

PEI



BIBLIOGRAPHIE Livres :

[1] INCROPERA, Frank P. et al., Fundamentals of Heat and Mass Transfer, 6th

edition,

Wiley Edition, 2007.

[2] M. WHITE, Frank, Fluid Mechanics, 6th

edition, McGraw-Hill – International

Edition, 2008.

[3] ÇENGEL, Yunus A., BOLES, Michael A., LACROIX, Marcel, Thermodynamique,

une approche pragmatique, Chenelière McGraw-Hill, 2008.

[4] BERNIER, Michel, Design et efficacité énergétique en mécanique du bâtiment,

Département de génie mécanique, Presses internationales Polytechnique, 2001.

[5] Industrial Ventilation, A Manual of Recommended Pratice, 27th

edition, ACGIH,

Signature Publication, 2010

[6] TIMMERHAUS, Klaus D, PETERS, Max S., Plant design and economics for chemical

engineers, 4th

edition, McGraw-Hill, 1991.

[7] RS Means Mechanical Cost Data 2010, 33th

edition, RS Means Company, 2010.

[8] RUEL, Yves, Notes de cours – GEN0012:Analyse économique en ingénierie, UQAT,

2010.

PEI



Sites Web :

[9] Uniboard®, < http://www.uniboard.com/ >,

Consulté le 2011-01-26

[10] American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers,

<http://www.ashrae.org/ >, Consulté le 2011-01-26

[11] Gaz Métro – Conditions de service et tarif au 1er décembre 2010,

<http://www.gazmetro.com/data/media/ConditionsserviceTarif_Fr.pdf>,


[12] Gaz Métro – Tout sur le gaz naturel,

< http://www.toutsurlegaznaturel.com/abc.html>, Consulté le 2011-03-31

[13] TurbosQuid

<http://www.turbosquid.com/3d-models/rooftop-hvac-cooler-3d-model/438732>,


[14] Échangeur de chaleur,

<http://fr.wikipedia.org/wiki/%C3%89changeur_de_chaleur>,

Consulté le 2011-01-27, Dernière mise à jour : 2010-11-15

[15] Méthanal, <http://fr.wikipedia.org/wiki/M%C3%A9thanal>,

Consulté le 2011-01-26, Dernière mise à jour : 2010-12-24

[16] Le point des connaissances sur le formaldéhyde, édition 2008,

<http://www.inrs.fr/inrs-pub/inrs01.nsf/IntranetObject-

accesParReference/ED%205032/$FILE/ed5032.pdf >,


http://www.uniboard.com/

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http://fr.wikipedia.org/wiki/%C3%89changeur_de_chaleur

http://fr.wikipedia.org/wiki/M%C3%A9thanal

http://www.inrs.fr/publications/ED5032.html

http://www.inrs.fr/inrs-pub/inrs01.nsf/IntranetObject-accesParReference/ED%205032/$FILE/ed5032.pdf

http://www.inrs.fr/inrs-pub/inrs01.nsf/IntranetObject-accesParReference/ED%205032/$FILE/ed5032.pdf

PEI



[17] Victaulic®, <http://www.victaulic.com>,


[18] McGuay®, <http://www.mcquay.com/mcquay/Home/homepage>,


[19] Accu-Therm plate heat exchangers,

<http://www.muel.com/productDivisions/Heat_Transfer_Products/AccuThermHeatExc

hangers.cfm>, Consulté le 2011-03-23

[20] The Engineering ToolBox – Ethylene glycol,

<http://www.engineeringtoolbox.com/ethylene-glycol-d_146.html>,


[21] Hydronic Expansion Tank Sizing

<http://www.amtrol.com/support/extrol_com_sizing.html>


[22] Robert Brown Associates inc.

<http://rbapump.thomasnet.com/viewitems/glycol-makeup-systems/john-wood-glycol-

makeup-systems>


[23] Éthylène glycol – Fiche toxicologique

<www.inrs.fr/inrs-pub/inrs01.nsf/intranetobject.../ft225.pdf>


http://www.victaulic.com/

http://www.mcquay.com/mcquay/Home/homepage

http://www.muel.com/productDivisions/Heat_Transfer_Products/AccuThermHeatExchangers.cfm

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http://rbapump.thomasnet.com/viewitems/glycol-makeup-systems/john-wood-glycol-makeup-systems

http://rbapump.thomasnet.com/viewitems/glycol-makeup-systems/john-wood-glycol-makeup-systems

http://www.inrs.fr/inrs-pub/inrs01.nsf/intranetobject.../ft225.pdf

PEI



[24] Vanne 2 voies modulante

< http://customer.honeywell.com/honeywell/ProductInfo.aspx/VFF2FW1Y2A>


[25] Vanne 3 voies modulante

<http://customer.honeywell.com/honeywell/ProductInfo.aspx/VFF3JV1Y2A#ProductSp

ecification>


http://customer.honeywell.com/honeywell/ProductInfo.aspx/VFF2FW1Y2A

http://customer.honeywell.com/honeywell/ProductInfo.aspx/VFF3JV1Y2A#ProductSpecification

http://customer.honeywell.com/honeywell/ProductInfo.aspx/VFF3JV1Y2A#ProductSpecification

PEI



ANNEXES

PEI



ANNEXE A – SPÉCIFICATIONS DE LA POMPE À LA TOUR D’EAU

PEI



ANNEXE B – CONSOMMATION ANNUELLE DE GAZ NATUREL

(ANNÉE 2002 à 2004)

Début Fin nb jour volume (m3) volume/jour énergie/h kWh

2002-09-01 2002-10-01 30 0 0 0 0

2002-10-01 2002-11-01 31 35743 1153 1635238 454

2002-11-01 2002-12-01 30 83540 2785 3949344 1097

2002-12-01 2003-01-01 31 143569 4631 6568265 1825

2003-01-01 2003-02-01 31 164711 5313 7535509 2093

2003-02-01 2003-03-01 28 165520 5911 8383863 2329

2003-03-01 2003-04-01 31 165814 5349 7585971 2107

2003-04-01 2003-05-01 30 88722 2957 4194322 1165

2003-05-01 2003-06-01 31 19914 642 911063 253

2003-06-01 2003-07-01 30 5541 185 261950 73

2003-07-01 2003-08-01 31 0 0 0 0

2003-08-01 2003-09-01 31 0 0 0 0

2003-09-01 2003-10-01 30 0 0 0 0

2003-10-01 2003-11-01 31 7781 251 355980 99

2003-11-01 2003-12-01 30 73871 2462 3492243 970

2003-12-01 2004-01-01 31 114823 3704 5253139 1459

2004-01-01 2004-02-01 31 197163 6360 9020185 2506

2004-02-01 2004-03-01 29 172436 5946 8432991 2342

2004-03-01 2004-04-01 31 128398 4142 5874194 1632

2004-04-01 2004-05-01 30 93532 3118 4421714 1228

2004-05-01 2004-06-01 31 23013 742 1052842 292

2004-06-01 2004-07-01 30 0 0 0 0

2004-07-01 2004-08-01 31 0 0 0 0

2004-08-01 2004-09-01 31 0 0 0 0

2004-09-01 2004-10-01 30 0 0 0 0

PEI



ANNEXE C – PLANS DE L’USINE UNIRES

PEI



ANNEXE D – PLANS DE L’USINE FORPAN

PEI



ANNEXE E – FICHE TECHNIQUE DE L’ISOLANT POLR 1000 °F ET DU

RECOUVREMENT D’ALUMINIUM

PEI



PEI



ANNEXE F – PROPRIÉTÉS DES TUYAUX

PEI



PEI



ANNEXE G – ÉCHANGEUR DE CHALEUR PROPOSÉ PAR ENVIROAIR

PEI



PEI



ANNEXE H – PROPRIÉTÉS ET PRIX DE L’ETHYLENE GLYCOL

Les propriétés du glycol à 50 % volumique se calculent avec sa fraction massique et la fraction

massique de l’eau. Pour trouver la fraction massique du glycol et de l’eau, il faut utiliser la

masse volumique de chaque composante :

Pour calculer la masse volumique, la formule est la suivante :

Les valeurs des propriétés du glycol 100% et de l’eau sont prisent à une température moyenne

de 22°C. Les calculs des autres propriétés se font de la même façon :

[

]

[

]

[

]

[

]

PEI



PEI



ANNEXE I – FICHE TECHNIQUE DES VANNES

PEI



PEI



ANNEXE J – FICHES TECHNIQUES DU RÉSERVOIR D’EXPANSION, DU

SÉPARATEUR D’AIR ET DU PURGEUR D’AIR

PEI



PEI



ANNEXE K – FICHE TECHNIQUE DU SYSTÈME D’APPOINT AU GLYCOL

PEI



ANNEXE L – FICHE TECHNIQUE DE LA POMPE DU CICUIT AU GLYCOL

PEI



PEI



ANNEXE M – CALCULS MATLAB

PROPRIÉTÉS DE L’ÉTHYLÈNE GLYCOL

% Ce programme sert a déterminer les propriétés de l'éthylène glycol à 50% % à une température moyenne de 22°C (295K). Température chaud: 29°C et % froide: 15°C

clear all clc format compact

%========================================================================== % Propriété du glycol 100% à 295 K

p_glycol = 1116.6; % Masse volumique [kg/m^3] Cp_glycol = 2391.5; % Chaleur massique [J/kg*K] u_glycol = 2.02 *10^(-2); % Viscosité dynamique [N s/m^2] k_glycol = 250 *10^(-3); % Conductivité thermique [W/mK] Pr_glycol = 193.5; % Nombre de Prandtl

v_glycol_15 = 8.89 *10^(-3); % Volume spécifique à 15°C [m^3/kg] v_glycol_29 = 8.90*10^(-3); % Volume spécifique à 30°C [m^3/kg]

%========================================================================== % Propriété de l'eau 100% à 295K

p_eau = 998; % Masse volumique [kg/m^3] Cp_eau = 4181; % Chaleur massique [J/kg*K] u_eau = 959 *10^(-6); % Viscosité dynamique [N s/m^2] k_eau = 606 *10^(-3); % Conductivité thermique [W/mK] Pr_eau = 6.62; % Nombre de Prandtl

v_eau_15 = 1.001*10^(-3); % Volume spécifique à 15°C [m^2/s] v_eau_29 = 1.003*10^(-3); % Volume spécifique à 15°C [m^2/s]

%========================================================================== % Déterminer les fractions molaire de chaque composante

X_glycol = p_glycol /( p_glycol + p_eau) % Fraction molaire du glycol X_eau = 1 - X_glycol % Fraction molaire de l'eau

PEI



%========================================================================== % Propriété de l'éthylène glycol à 50%

p = X_glycol * p_glycol + X_eau * p_eau % Masse volumique [kg/m^3] Cp = X_glycol * Cp_glycol + X_eau * Cp_eau % Chaleur massique [J/kg*K] u = X_glycol * u_glycol + X_eau * u_eau % Viscosité dynamique [N s/m^2] k = X_glycol * k_glycol + X_eau * k_eau % Conductivité thermique [W/mK] Pr = X_glycol * Pr_glycol + X_eau * Pr_eau % Nombre de Prandtl

v_15 = X_glycol * v_glycol_15 + X_eau * v_eau_15 v_29 = X_glycol * v_glycol_29 + X_eau * v_eau_29

PEI



CONCEPTION DE L’ÉCHANGEUR À PLAQUES clc clear all format short

%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% % Valeurs de départ %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%

% Propriétés des fluides % Température de l'eau à l'entrée de l'échangeur à 35°C Tmi = 308; % (K)

% Température de l'eau à la sortie de l'échangeur à 25°C Tmo = 298; % (K)

% Débit volumique de l'eau à l'entrée de l'échangeur à 35°C Dv = (35)/3600; % (m^3/s)

% Masse volumique de l'eau à l'entrée de l'échangeur à 35°C p = 998; % (Kg/m^3)

% Débit massique de l'eau à l'entrée de l'échangeur à 35°C mv = Dv*p; % (Kg/s)

% Chaleur massique de l'eau à l'entrée de l'échangeur à 35°C Cp = 4178; % (J/(Kg*K))

% Viscosité de l'eau à l'entrée de l'échangeur à 35°C u = 724.6*(10^-6); % (N*s/m^2)

% Conductivité thermique de l'eau à l'entrée de l'échangeur à 35°C Keau = 625*(10^-3); % (W/(m*k))

% Nombre de Prandtl de l'eau à l'entrée de l'échangeur à 35°C Preau = 4.85;

% Échange de chaleur nécessaire pour abaisser à la température voulue q1 = mv*Cp*(Tmi-Tmo); % (W)

% Température de l'air à 18°C Ta = 291; % (K)

% Longueur de l'échangeur (m) L = [1:10:50];

% Largeur de l'échangeur (m) W = [1:1:3];

PEI



% Hauteur de l'échangeur (m) H = [1:1:3];

% Hauteur de la paroi interne de l'échangeur(m) te = [0.1524:0.1524:1.524];

% Épaisseur de la paroi (m) tb = 0.0127; %(1/2 po)

% Nombre d'ailette N = [10:10:100];

% Initialisation des matrices q = []; groupe = [];

%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% % Calcul de transfert de chaleur %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% for i = 1:length(L)

for j = 1:length(W)

for k = 1:length(H)

for l = 1:length(te)

for m = 1:length(N)

% Longueur de l'ailette (m) Lf = (H(k) - (2*tb)-(te(l)))/2;

% Épaisseur de l'ailette (m) tf = 0.00635; % (1/4 po)

% Distance entre les ailettes (m) a = (2*W(j)-N(m)*tf)/N(m);

% Périmètre de la section interne de l'échangeur (m) Pi = 2*(te(l)+W(j));

% Périmètre de l'ailette (m) Pa = 2*(L(i)+tf);

% Température de contact de l'ailette Ts = (Tmi + Tmo)/2;

% Température du film Tf = (Ta + Ts)/2;

PEI



% Conductivité thermique de l'air à Tf (297 K) Kair = 26.06*(10^-3); %(W/(m*k))

% Viscosité dynamique de l'air à Tf (297 K)(m^2/s) v = 15.62*(10^-6);

% Nombre de Prandtl de l'air à à Tf (297 K) Prair = 0.708;

% Vitesse de l'air (m/s) Ua = 26;

% Calcul du nombre de Reynolds Rex1 = (Ua*L(i))/v;

% Calcul du nombre de Nusselt NuD1 = 0.0296*(Rex1^(4/5))*(Prair^(1/3));

% Calcul du coefficient de convection de l'air à Tf (297

K)(W/(m^2*K)) hair = (NuD1*Kair)/L(i);

% Conductivité thermique du cuivre à 27°C (300 K)(W/(m*k)) Kcu = 401;

%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% % Résistance due à la convection (eau) %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%

% Aire longitudinale de la section interne (m^2) Ain = Pi*L(i);

% Aire e la section interne (m^2) Ac = W(j)*te(l);

% Diamètre hydraulique (m) Dh = (4* Ac)/Pi;

% Vitesse de l'eau à l'entrée de l'échangeur (m/s) Um = mv/(p*Ac);

% Nombre de Reynold ReD2 = (p*Um*Dh)/u;

if ReD2 > 1*10^5

NuD2 = 0.023*(ReD2^(0.8))*(Preau^(0.4));

else

PEI



NuD2 = 4.36;

end

% Coefficient de convection de l'eau heau = (NuD2*Keau)/Dh;

% Résistance thermique de l'eau (K/W) Rconv1 = 1/(heau*Ain);

%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% % Résistance due à la conduction (paroi de l'échangeur) %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%

% Aire de l'échangeur (m^2) A = W(j)*L(i);

% Résistance thermique de la paroi (K/W) Rcond1 = tb/(2*Kcu*A);

%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% % Résistance due à la convection (ailettes) %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%

% Aire longitudinale de l'ailette (m^2) Ac = Lf*W(j);

% Facteur m Fm = sqrt((hair*Pa)/(Kcu*Ac));

% Résistance thermique dans les ailettes(K/W) Rconv2 = 1/((sqrt(hair*Pa*Kcu*Ac)*tanh(Fm*Lf)));

% Efficacité de l'ailette e = (sqrt(hair*Pa*Kcu*Ac)*tanh(Fm*Lf))/(hair*Ac);

PEI



%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% % Résistance due à la convection (entre les ailettes) %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%

% Aire entre les ailettes (m^2) Ab = ((2*W(j))-(N(m)*tf))*L(i);

% Résistance thermique autour des ailettes (K/W) Rconv3 = 1/(hair*Ab);

%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% % Résistance due à la radiation %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%5%%

% Constante de Stefan-Boltzmann (W/((m^2)*(K^4))) sigma = 5.67*(10^-8);

% Température du mur à 15°C (K) Tmur = 288;

% Émissivité du cuivre Epsilon1 = 0.07;

% Émissivité du mur Epsilon2 = 1;

% Aire de contact (m^2) A1 = 2*Lf*L(i); A2 = W(j)*L(i);

% Facteur de forme F12 F12 = 1; Rrad = ((1-Epsilon1)/(Epsilon1*A1))+(1/(A1*F12))+((1-

Epsilon2)/(Epsilon2*A2));

%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% % Somme des résistances thermiques %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%

Rtot = Rconv1 + Rcond1+ (1./((1./Rconv2)+(1./Rconv3)+(1./Rrad)));

UA = 1./Rtot;

PEI



%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% % Taux de transfert de chaleur %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%

q2 = UA*(Tmi-Ta); % (W)

Tsortie = (-(q2/(mv*Cp)) + Tmi)-273; % (°C)

q = [q q2];

valeurs = [i j k l m]'; groupe = [groupe valeurs];

end

end

end

end

end

qEchangeur = 5*max(q) % W/s

T2=(((-max(q))/(mv*Cp))+Tmi)-273

qGaz = 1545*1000; % W/s

Ratio = (qEchangeur/qGaz)*100

PEI



TEMPS NÉCESSAIRE POUR QUE LA SURFACE INTERNE DU TUYAU DU MÉLANGE D’EAU-

ÉTHYLÈNE GLYCOL ATTEINGNE 0°C

% Ce programme sert à déterminer le temps que la température de la paroi

interne atteint 0°C


% Température de la surface externe du tuyau en degré Celcius

%(estimé à la temperature ext) Ts = -40;

% Température du glycol à 'intérieur du tuyau en degré Celcius

Ti = 29.44; H = 0.0762; % Épaisseur de l'isolant en mètre (3pouce) D = 0.1016; % Diamètre interne du tuyau en mètre (4pouce) p = 1.0606e+003; % (Kg/m^3) propriété a 295 K Cp = 3.2361e+003; % (J/(Kg*K)) propriété a 295 K Tt = 0; % Température finale désiré k_isolant = 0.033; % PolR 1000 °F

t = -(H*p*D*Cp*(log((Tt- Ts)/(Ti-Ts)))/(4*k_isolant)) % en seconde

tempszerodegre = t/3600 % temps en heure

PEI



TEMPS NÉCESSAIRE POUR QUE LA SURFACE INTERNE DU TUYAU DU MÉLANGE D’EAU -

ÉTHYLÈNE GLYCOL ATTEINGNE -37°C

% Ce programme sert à déterminer le temps que la température de la paroi

interne atteint -37°C


Ts = -40; % Température de la surface externe du tuyau en degré

celcius (estimé à la temperature ext) Ti = 29.44; % Température du glycol à 'intérieur du tuyau en degre

celcius H = 0.0762; % Épaisseur de l'isolant en mètre (3pouce) D = 0.1016; % Diamètre interne du tuyau en mètre (6pouce) p = 1.0606e+003; % Propriété à 295 K(Kg/m^3) Cp = 3.2361e+003; % Propriété à 295 K(J/(Kg*K)) Tt = -37; % Température finale désiré (température de gel du

glycol) k_isolant = 0.033; % W/mK Valeur pour POLR 1000°F pour 24 °C

t = -(H*p*D*Cp*(log((Tt- Ts)/(Ti-Ts)))/(4*k_isolant)) % En seconde

tempszerodegre = t/3600 % Temps en heure

tempszerodegre = 175.68

PEI



PERTE DE CHALEUR DANS LES TUYAUX ISOLÉS DU GLYCOL

% Ce programme sert à déterminer la perte de chaleur dans les tuyaux isolé % lorsque que le glycol fait la boucle


%==================================================== % Propriété du fluide %====================================================

% Température extérieur (air ambiant) Tinf = -40 + 273; % en Kelvin

% Température de l'eau à l'entré du tuyaux Ti = 29.44 + 273; % en Kelvin

% Débit volumique Dv = 52.6/3600; % (m^3/s)

% Masse volumique du glycol à l'entrée du tuyau à 22°C p = 1.0606e+003; % (Kg/m^3) % Débit massique du glycol à l'entrée du tuyau à 22°C m = Dv*p; % (Kg/s)k % Chaleur massique ddu glycol à l'entrée du tuyau à 22°C Cp = 3.2361e+003; % (J/(Kg*K)) % Viscosité dynamique du glycol à l'entrée du tuyau à 22°C u = 0.0111; % (N*s/m^2) % Conductivité thermique du glycol à l'entrée du tuyau à 22°C Kglycol = 0.4180; % (W/(m*k)) % Nombre de Prandtl dy glycol à l'entrée du tuyau à 22°C Prglycol = 105.3007; % rayon interne du tuyau r1 = 0.0508; % en mètre (diamètre = 4 po) % Aire de la partie interne en mètre carré Ai = (pi * r1^2);

PEI



% Vitesse du glycol dans le tuyau en m/s Um = Dv/Ai % Nombre de reynolds

ReD = (p*Um*(2*r1))/u % Longueur du tuyau L = 360; % en mètre % Ajout de l'épaisseur du tuyau (4 mm) % http://fr.machineryzone.com/usage/materiel-divers-autre/1291770/tuyau % x-victaulic-6-pouces.html r2 = r1 + 0.0046;

% épaisseur d'isolant W = 0.0762; % en mètre (3 po) % Ajout de l'épaisseur de l'isolant (3 po)

r3 = r2 + W;

% Ajout de l'épaisseur d'aluminium r4 = r3 + 4*(10^-4); % 0.4mm d'épaisseur % coefficient de conduction de la paroi du tuyau ktuyau = 72.7; % W/mK Valeur pour Iron Armeo R_tuyau = (log(r2/r1))/(2*pi*ktuyau*L)

% Coefficient de conduction de l'isolant kisolant = 0.033; % W/mK Valeur pour POLR 1000°F pour 24 °C

R_isolant = (log(r3/r2))/(2*pi*kisolant*L) % m^2 K / W

% Coefficient de conduction du recouvrement de l'aluminium kalum = 177; % W/mK (Alloy 2024 T6 R_alum = (log(r4/r3))/(2*pi*kalum*L) % m^2 K / W

http://fr.machineryzone.com/usage/materiel-divers-autre/1291770/tuyau

PEI



%======================================================================= % Trouver le coefficient de convection interne de l'eau dans le tuyau %======================================================================= % Trouver le nombre de Nusselt

% dans notre cas, le nombre de Reynolds est supérieur à 2300 donc le nombre % de Nusselt est : n = 0.3; % refroidissement NuD = 0.0223 * ReD^(4/5)*Prglycol^(n) % Trouver le coefficient de convection interne de l'eau

hglycol = (NuD*Kglycol)/(2*r1); % en w/(m^2 K) R_glycol = 1/(hglycol * pi *(2*r1) *L) % m^2 K / W %========================================================== % Trouver le coefficient de convection externe de l'air %========================================================== % Vitesse de l'air Uinf = 10; % en m/s % Viscosité cinématique de l'air à -40 °C

vair = 10.131*(10^-6); % m^2/s % Coefficient de conduction de l'air à -40 °C (233K) kair = 20.872; % W/m K Prair = 0.726; % Trouver le nombre de reynolds de l'air externe Red_air = (Uinf * (2* r4))/vair % Déterminer les constantes pour trouver le nomnbre de Nusselt

Cair = 0.027; % Voir tableau 7.2 p426 avec un Pr > 0.7 (Fundamentals

of Heat and Masse Transfer) mair = 0.805; % Voir tableau 7.2 p426 avec un Pr > 0.7 (Fundamentals

of Heat and Masse Transfer) % Trouver le nombre de Nusselt

PEI



Nud_air = Cair * Red_air^(mair) * Prair^(1/3) % Trouver le coefficient de convection de l'air hair = (kair * Nud_air)/(r4 *2); R_air = 1/(2*pi*r4*L*hair) %================================================= % Trouver la perte de chaleur due à la radiation %=================================================

E_al = 0.04; % pour Aluminium Higthly polished à 300K, film Table A11

p 954 (Fundamentals of Heat and Masse Transfer)

E_ciel = 1; % Emissivité du ciel T_ciel = 0; % Température du ciel en K sigma = 5.670 *(10^-8); % constant de Stefan-Boltzmann W/(m^2K^4) F12 = 1; % Facteur de forme F12 % aire du tuyau A1 = 2*r4*pi*L; % Trouver le coefficient de radiation R_rad = (((1-E_al)/(E_al*A1))+(1/(A1*F12))+((1-E_ciel)/(E_ciel))) % A2 à été négliger car il est très grand et le numerateur =0 % Trouver UA en W/K Rtotal = R_glycol + R_tuyau + R_isolant + R_alum + (((1/R_air) +

(1/R_rad))^-1)

UA = 1/Rtotal % ======================================================================== % PERTE DE CHALEUR TOTAL DANS LES TUYAUX % ========================================================================

q_total = UA*(Ti - Tinf) % Perte de chaleur en Watt % Quantité de chaleur restante à la fin du tuyau

T2 = Ti - (q_total/(m*Cp)) - 273 % en degre celcius

PEI



PERTES DE CHARGES DANS LES TUYAUX DU RÉSEAU D’EAU

% Ce programme sert a déterminer la perte de charge dans les tuyaux de 6" et % de 4" pour l'échange de chaleur entre Unires et Forpan


%========================================================================== % Perte de charge pour les tuyau de 6" pour l'eau chaude %==========================================================================

L = 40; % Ne sachant pas exactement l'endroit de l'échangeur, % prenons 40 m

z2 = 0; % Hauteur finale des tuyaux en mètre z1 = 0; % Hauteur initiale des tuyaux la pompe en mètre D = 0.1524; % Diamètre du tuyau en mètre (6") A = (pi *D^2)/4; % Aire interne m^2 du tuyau Q = 42.64; % Débit volumique en m^3/h g = 9.81; % Accélération gravitationnelle (m/(s^2)) p = 998; % Masse volumique de l'eau à 35°C (Kg/m^3) u = 724.6*(10^-6); % Viscosité dynamique de l'eau a 35°C (N*s/m^2) np = 0.85; % Rendement de la pompe (pour la puissance à déterminer)

V = (Q/3600)/A; % Vitesse du fluide en m/s

ReD = (p*V*D)/u; % Nombre de Reynolds

eps1 = 0.046; % Roughness en mm p 365 Livre Fluid Mechanics Frank M

White % Commercial New

eps2 = 2; % Roughness en mm p 365 Livre Fluid Mechanics Frank M

White % rusted m1 = (eps1/1000)/D; m2 = (eps2/1000)/D; % epsilon/D en vu du diagramme de moody

f1 = 0.019; % Valeur tirer du diagramme de moody f2 = 0.039; % Valeur tirer du diagramme de moody

% PERTE DANS LES COMPOSANTES pour 6"

K1 = 5.9; % Facteur pour une globe valve K2 = 0.28; % Facteur pour un coude 90° regulier K3 = 0.175; % Facteur pour un coude 45° long K4 = 0.61; % Facteur pour un Tee branch long

% Nombre de composantes 6 "

PEI



nb_GV = 1; % globe valve nb_C90 = 4; % coude 90 estimé nb_C45 = 2; % coude 45 estimé nb_TE = 2 ; % Tee branch

K1t = nb_GV * K1; K2t = nb_C90 * K2; K3t = nb_C45 * K3; K4t = nb_TE * K4;

Ktot = K1t + K2t +K3t + K4t; % La somme des facteurs K

% Perte de charge dans l'échangeur eau-glycol 15.3 PSI % 1bar = 10.31m d'eau et 1 bar = 14.50377 PSI

perte_echangeur = 0.3654*10.31;% perte de charge dans l'échangeur

% Perte de charge total

Hp1 = z2-z1 + ((V^2)/(2*g))* (((f1*L)/D) + (Ktot))+ perte_echangeur % en

metre pour commercial new

Hp2 = z2 -z1 + ((V^2)/(2*g))* (((f2*L)/D) + (Ktot)) + perte_echangeur % en

metre pour rusted

% Puissance de la pompe tuyau de 6"

P1 = (p*g*(Q/3600)*Hp1* 1.2* np)/745.7 % Puissance necessaire de la pompe en

hp commercial new P2 = (p*g*(Q/3600)*Hp2* 1.2* np)/745.7 % Puissance necessaire de la pompe en

hp Rusted % Facteur de sécurité de 1.2

PEI



PERTES DE CHARGES DANS LES TUYAUX DU MÉLANGE EAU – ÉTHYLÈNE GLYCOL

% Ce programme a pour but de calculer les pertes de charge pour la boucle % de glycol partant de l'usine Unires et se rendant au 2 unités de % ventilation sur le toit de l'usine Forpan dans un tuyau de 4" clear all clc format

L = 280; % Longueur en mètre du réseau de tuyauterie schedule 40 black pipe L2 = 170; % Mesurée sur les plans (L2 ne possède pas le même débit) z2 = 0; % Hauteur finale des tuyaux en mètre z1 = 0; % Hauteur initiale des tuyaux la pompe (m) D = 0.1016; % Diamètre du tuyau en mètre (4") A = (pi *D^2)/4; % Aire interne m^2 du tuyau Q = 52.66; % Débit volumique en m^3/h Q2 = 26.33; % Débit volumique en m^3/h à chaque serpentin g = 9.81; % Accélération gravitationnelle (m/(s^2)) p = 1.0606e+003; % Masse volumique du glycol 50% à 22°C(Kg/m^3) u = 0.0111; % Viscosité dynamique du glycol à 22°C(N*s/m ^2) np = 0.85 *.8; % Rendement de la pompe et moteur de la pompe (pour la

puissance à déterminer)

V = (Q/3600)/A; % Vitesse du fluide en m/s V2 = (Q2/3600)/A; % Vitesse du fluide en m/s relié au deuxième débit ReD = (p*V*D)/u; % Nombre de Reynolds ReD2 = (p*V2*D)/u; % Nombre de Reynolds relié au deuxième débit eps1 = 0.046; % Roughness en mm p 365 livre Fluid Mechanics Frank M

White % Commercial New m1 = (eps1/1000)/D; f1 = 0.027 ; % Valeur tirer du diagramme de Moody f2 = 0.032 ;

% Perte dans les composantes de 4" perte_coil = 2* 7.96; % en mètre h2o (2 unité)

PEI



% Perte de charge dans l'échangeur eau-glycol 10.1 PSI % 1bar = 10.31m et 1 bar = 14.50377 PSI

perte_echangeur = 0.6964*10;

K1 = 6; % Facteur pour une valve 3way compenser (facteur d'une

globe valve) K2 = 0.30; % Facteur pour un coude 90° régulier K3 = 0.19; % Facteur pour un coude 45° long K4 = 0.64; % Facteur pour un Tee branch long

% Nombre de composantes 4 " pour le débit 1 nb_C90 = 2; % coude 90 nb_C45 = 4; % coude 45 nb_TE = 2 ; % Tee branch K2t = nb_C90 * K2; K3t = nb_C45 * K3; K4t = nb_TE * K4;

Ktot = K2t +K3t + K4t; % La somme des facteurs K

% Nombre de composantes 4" pour le débit 2 nb_GV2 = 2; % valve nb_C902 = 6; % coude 90 nb_TE2 = 2 ; % Tee branch

K1t2 = nb_GV2 * K1; K2t2 = nb_C902 * K2; K4t2 = nb_TE2 * K4;

Ktot2 = K1t2 + K2t2 + K4t2; % La somme des facteurs K

% Perte de charge total % En metre pour commercial new 1er debit Hp1 = (z2-z1 + ((V^2)/(2*g))* (((f1*L)/D) + (Ktot)) + perte_echangeur) *1.2 % En metre pour commercial new 2eme debit Hp2 = (((V2^2)/(2*g))* (((f2*L2)/D) + (Ktot2)) + perte_coil) *1.2 % Facteur de sécurite de

1.2

% Puissance de la pompe tuyau de 4"

% Puissance nécessaire de la pompe en hp commercial new P1 = (p*g*(Q/3600)*Hp1)/(745.7 *np)

PEI



% Puissance nécessaire de la pompe en hp Rusted P2 = (p*g*(Q2/3600)*Hp2)/(745.7 *np) P_commercial = P1+P2

%========================================================================== % Calcul pour un tuyau de type rusted %==========================================================================

% Roughness en mm p 365 Livre Fluid Mechanics Frank M White eps_rusted = 2; m_rusted = (eps_rusted/1000)/D; % epsilon/D en vu du diagramme de moody

f_rusted1 = 0.051; f_rusted2 = 0.051;

% Perte de charge total % En metre pour rusted new 1er debit Hp_rusted1 = (z2-z1 + ((V^2)/(2*g))* (((f_rusted1*L)/D) + (Ktot)) +

perte_echangeur) *1.2 % En metre pour rusted new 2eme debit Hp_rusted2 = ((((V2^2)/(2*g))* (((f_rusted2*L2)/D) + (Ktot2))) +

perte_coil)*1.2

%Facteur de sécurité de 1.2 % Puissance de la pompe tuyau de 4"

% Puissance necessaire de la pompe en hp rusted P_rusted1 = (p*g*(Q/3600)*Hp_rusted1)/(745.7* np) % Puissance necessaire de la pompe en hp Rusted P_rusted2 = (p*g*(Q2/3600)*Hp_rusted2)/(745.7 *np) P_rusted = P_rusted1 + P_rusted2

P_moy = (P_commercial + P_rusted)/2

module des sciences appliquÉes - …bibliotheque.uqat.ca/documents/rapportsa/86.pdf · une des...

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