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Université du Québec à Chicoutimi
MODULE D’INGÉNIERIE PROGRAMME : Génie mécanique
6GIN333 Projet de conception en ingénierie
Rapport final
# Projet : 2010-165
Conception d’un circuit d’eau
Préparé par
Alexandre Dufour
Pour
CASCADES GROUPE CARTON PLAT
17 Août 2010
CONSEILLER : Yasar Kocaefe, ing jr. Duygu Kocaefe, ing COORDONNATEUR : Jacques Paradis, ing
Confidentiel
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Approbation du rapport final pour diffusion Nom du conseiller Yasar Kocaefe
Duygu Kocaefe Date Signature
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Résumé
L’entreprise Cascades Groupe Carton Plat de Jonquière investit présentement plusieurs centaines
de milliers de dollars pour l’ajout d’équipements servant à améliorer ses performances au niveau de sa
production. Dans le cadre de mon stage à cette usine, j’ai eu comme mandat de faire la conception d’un
circuit d’eau alimentant la machine à carton. L’objectif du projet était de faire le dimensionnement des
nouvelles conduites, le choix d’une pompe servant à acheminer l’eau vers la machine ainsi que de faire le
choix d’un moteur suffisamment puissant pour entraîner cette pompe. Il y a eu également certains calculs
de transfert de chaleur afin de voir s’il était nécessaire de mettre un isolant sur les conduites pour éviter
que la température de l’eau diminue lorsqu’elle circule d’un point à un autre. Des recommandations ont
été faites à cet effet.
Le dimensionnement des conduites avait pour but d’obtenir le minimum de pertes de charges
dans celles-ci tout en ayant les diamètres les plus petits possibles. L’espace dans l’usine était restreint,
alors il a fallu faire certains compris pour le choix des conduites. Par la suite, il était possible de faire le
positionnement des conduites tout en respectant les spécifications du projet établies au tout début. La
longueur totale des conduites est de 67 mètres et son diamètre est de 0.1524 mètre.
Pour faire le choix de la pompe, il a fallu trouver les données suivantes : les pertes de charges
totales dans le circuit, la hauteur de pompage ainsi que la pression désirée à la sortie. Il était ensuite
possible de faire les calculs pour faire la sélection d’un moteur à l’aide des données du graphique de la
pompe ainsi qu’avec le débit d’eau dans le circuit. La pompe sélectionnée est une Allis-Chalmers et le
moteur est un JRP développant 75 hp.
Les calculs de transfert de chaleur ont permis de voir que dans les conditions actuelles, la
température de l’eau n’est pas influencée. Donc, il n’est pas nécessaire de mettre un isolant sur les
conduites parce que l’échange de chaleur entre l’eau dans la conduite et l’air ambiant est négligeable.
Cependant, les conditions doivent demeurer stables pour que le résultat précédent s’applique.
L’échéancier de ma partie sur le projet a été respecté et le tout s’est déroulé tel que prévu. La fin
du projet est prévue pour le mois de septembre.
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Table des matières Résumé .................................................................................................................................................... 3 I Introduction .......................................................................................................................................... 5 II Présentation du projet ......................................................................................................................... 5 II.1 Description de l’entreprise .................................................................................................... 5 II.2 Description de l’équipe de travail ........................................................................................ 6 II.3 Problématique et état de l’art reliés au projet ....................................................................... 6 II.4 Objectifs généraux et spécifiques du projet .......................................................................... 7 III Aspects techniques et éléments de conception relatifs au projet ....................................................... 8 Éléments de conception ............................................................................................................... 10 IV Bilan des activités ............................................................................................................................ 12 IV.1 Arrimage formation pratique/universitaire ......................................................................... 12 IV.2 Travail d’équipe ................................................................................................................. 12 IV.3 Respect de l’échéancier ...................................................................................................... 13 IV.4 Analyse et discussion ......................................................................................................... 14 VII Conclusion et recommandations ..................................................................................................... 14 Remerciements ....................................................................................................................................... 16 Bibliographie .......................................................................................................................................... 16 Annexe A : Figure 1 et informations ...................................................................................................... 17 Annexe B : Figure 2 et informations ...................................................................................................... 18 Annexe C : Figure 3-4 ............................................................................................................................ 19 Annexe D : Formules utiles .................................................................................................................... 20 Annexe E : Réalisation des calculs ........................................................................................................ 23 Annexe F : Tableaux 1-2-3 ..................................................................................................................... 27 Annexe G : Tableau 4 et figures 5-6-7-8 ................................................................................................ 28
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Liste des tableaux
Tableau 1 : Pertes de charges selon le diamètre des conduites .............................................................. 27 Tableau 2 : Pertes de charges dans le système (partie 1) ....................................................................... 27 Tableau 3 : Pertes de charges dans le système (partie 2) ....................................................................... 27 Tableau 4 : Hauteur de pompage pour différentes sections du système ................................................. 28
Liste des figures
Figure 1 : Système actuel dans l’usine ................................................................................................... 17 Figure 2 : Futur système dans l’usine ..................................................................................................... 18 Figure 3 : Système économiseur d’énergie ............................................................................................ 19
Figure 4 : Température de l’eau en fonction du débit (sortie économiseur) .......................................... 19 Figure 5 : Caractéristiques de la pompe actuelle (6 x 4 x 14) ................................................................ 28 Figure 6 : Caractéristiques de la future pompe (8 x 4 x 17) ................................................................... 29 Figure 7 : Spécifications de l’échangeur de chaleur (partie 1) ............................................................... 29 Figure 8 : Spécifications de l’échangeur de chaleur (partie 2) ............................................................... 30
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I Introduction
Dans le cadre de mes études en baccalauréat en génie mécanique, j’ai fais un projet de
conception durant la session d’été 2010 pour l’entreprise Cascades Groupe Carton Plat de
Jonquière. Le projet consistait à faire la conception d’un circuit d’eau pour l’ajout d’un nouvel
équipement dans l’usine. Cet équipement est un économiseur d’énergie (échangeur de chaleur).
La conception de ce circuit d’eau implique plusieurs calculs dans le but de faire le choix d’une
pompe, d’un moteur ainsi que pour dimensionner et positionner les conduites dans l’usine. Il y
avait également quelques calculs de transfert de chaleur pour voir si on obtenait bien l’eau à la
température désirée à la fin du circuit. L’entreprise a mis en priorité ce projet afin que les
installations soient faites et conformes avant la réception du nouvel équipement prévue à la fin de
l’été. Ma partie sur le projet a débuté le 14 mai et s’est terminé le 12 août.
La présentation du projet de conception sera divisée en quatre parties. Dans la première
partie, il y aura une description de l’entreprise et de l’équipe de travail qui m’a accompagné
pendant la durée de ce projet. Dans la seconde partie, la problématique et l’état de l’art reliés au
projet ainsi que les objectifs généraux et spécifiques à respecter seront également présentés.
Ensuite, les aspects techniques et les éléments de conception relatifs au projet seront expliqués et
bien détaillés. Afin, il y aura le bilan des activités ainsi qu’une conclusion. Dans la conclusion,
certaines recommandations seront faites suite aux résultats obtenus lors de la réalisation des
calculs pour le choix des équipements mentionnés ci haut.
II Présentation du projet
II.1 Description de l’entreprise
L’entreprise Cascades Groupe Carton Plat de Jonquière se spécialise présentement dans
la fabrication de cartons plats couchés trois plis à base de pâte kraft vierge ou de fibres recyclées.
Les cartons de cette usine sont des produits spécialisés et résistant à la graisse, avec ou sans
fluorocarbones et ils sont très bien collés pour résister à la réfrigération. Les cartons sont destinés
à la confection de boîtes pliantes et d’emballages microcannelures. L’entreprise de Jonquière est
active depuis 1984 et compte actuellement 136 employés.
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II.2 Description de l’équipe de travail Dans le but de réaliser avec succès ce projet, une grande équipe de travail était présente
pour répondre à mes questions et m’aider à mieux comprendre la problématique du système
actuel dans l’usine. Michel Caron qui est chargé de projets à l’usine Cascades de Jonquière a été
celui qui m’a dirigé pendant la durée de ce projet. Stéphane Cloutier, conseiller technique m’a
aidé à réaliser certains calculs pour choisir les composantes manquantes. Les superviseurs
mécanique et électrique Mike O’brien et Éric Brunelle m’ont aidé à trouver des informations sur
certains équipements spécifiques. Les mécaniciens, les électriciens ainsi que les opérateurs de
l’usine ont également contribué à la recherche d’informations manquantes pour la réalisation des
calculs.
II.3 Problématique et état de l’art reliés au projet L’entreprise Cascades de Jonquière investit présentement pour l’ajout de divers
équipements permettant de réduire les coûts de production à long terme. Avec ses équipements
actuels qui sont légèrement désuets, l’entreprise croit qu’elle consomme trop d’énergie. Dans le
but d’économiser beaucoup d’argent à long terme dans ce domaine, elle optera pour l’ajout
d’équipements plus performants disponibles sur le marché.
Dans le cadre d’un projet de 800 000$ discuté il y a quelques mois avec le département
d’ingénierie, l’entreprise s’est donnée comme mandat de réduire ses coûts de production avec
l’ajout du système économiseur d’énergie (échangeur de chaleur). Cet équipement diminuera la
consommation de vapeur en récupérant l’évacuation de chaleur à l’échappement de la machine à
carton et cela permettra de chauffer l’eau et l’air pour différentes utilités dans l’usine. L’eau
chauffée sera utilisée dans le procédé de lavage des toiles de formation de la pâte. De plus,
l’économiseur d’énergie chauffera l’air frais de l’extérieur et ensuite l’introduira dans le bâtiment
dans le but de chauffer celui-ci. Actuellement, l’eau est chauffée par un échangeur de chaleur
ainsi qu’un système d’injection directe de vapeur. Cependant, l’échangeur de chaleur est
présentement défectueux ce qui fait que l’injection de vapeur fonctionne à pleine capacité pour
obtenir l’eau à une température élevée et cela coûte très cher à l’entreprise. Actuellement la
vapeur provient à 60% de la bouilloire aux rebuts et la bouilloire au gaz naturel comble le manque
de vapeur à environ 40%. En diminuant la consommation de vapeur pour chauffer l’eau et l’air,
les économies seront directement liées à l’utilisation réduite de la bouilloire au gaz naturel et cela
représentera beaucoup.
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II.4 Objectifs généraux et spécifiques du projet L’objectif du projet global à l’usine est d’installer un système économiseur d’énergie
ainsi que de réparer l’échangeur de chaleur dans le but de fermer la valve d’injection directe de
vapeur. Le coût total pour ce projet est évalué à environ 800 000$. L’objectif de ma partie sur le
projet consiste à faire la conception du circuit d’eau servant à alimenter l’économiseur d’énergie,
ce qui inclut les calculs de pertes de charges dans les conduites pour le choix d’une nouvelle
pompe et d’un nouveau moteur si nécessaire. De plus, il faut dimensionner les conduites afin
qu’elles aient le minimum de pertes de charges possibles toutes en ayant un diamètre le plus petit
possible. Il faut également choisir des valves et des coudes 90° pour installer à certains endroits
spécifiques sur le circuit d’eau. Dans le but de garder l’eau à une température élevée après le
chauffage de celle-ci, les calculs de transfert de chaleur sont faits pour recommander ou non de
mettre un isolant thermique sur les conduites. Il est à prendre note que la pompe et le moteur
seront changés seulement si les calculs le recommande. Il n’y a pas un budget fixe à respecter
pour ma partie sur le projet mais l’entreprise demande de réutiliser le plus possible de pièces
venant de l’usine voisine fermée depuis quelques années (Fjordcell).
Les conduites allant de l’échangeur de chaleur jusqu’à la machine seront réutilisées. La
nouvelle partie du circuit d’eau sera donc entre le réservoir de départ jusqu’à l’échangeur, passant
par l’économiseur d’énergie.
Les objectifs projetés lors de l’élaboration du plan de travail sont bel et bien les mêmes
que les objectifs finaux. Aucune déviation n’a été apportée en cours de route pour mener à la
réalisation du projet.
III Aspects techniques et éléments de conception relatifs au projet Dans cette section, les aspects techniques ainsi que les éléments de conception relatifs au
projet seront présentés. Plusieurs étapes et calculs ont été effectués dans le but de sélectionner les
composantes manquantes.
Tout d’abord, il a été important de s’assurer de bien comprendre la problématique de
l’entreprise. Il y a eu plusieurs visites à différents endroits dans l’usine afin de bien voir
l’ampleur du problème actuel ainsi que les changements futurs à apporter. Des plans et des
croquis ont également été utilisés dans le même but. (Voir annexes A, B et C)
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Après avoir bien compris le problème et les correctifs à apporter, il a fallu trouver les
formules utiles pour faire la sélection des composantes manquantes. (Voir annexe D). Les calculs
effectués pour le projet sont présentés à l’annexe E.
Certaines données étaient manquantes pour la réalisation des calculs. La majorité de ces
données ont été trouvés en collaborant avec les opérateurs de la machine à carton. Les
températures manquantes ont été trouvées à l’aide d’un thermomètre et d’un pistolet à jet laser.
(Voir annexe A, B et C)
Les calculs du projet de conception ont commencé à partir de ce moment. La première
étape était de choisir la tuyauterie. Le choix de la tuyauterie était fonction de 3 critères soient :
les pertes de charges ainsi que la longueur et le diamètre de celle-ci. Il a fallu faire un compromis
et choisir une tuyauterie avec un diamètre le plus petit possible tout en ayant le moins des pertes
de charges possibles. Pour déterminer la longueur totale de la tuyauterie, il a fallu faire son
positionnement exact dans l’usine. De cette façon, les pertes de charges ont été calculées en
sachant la longueur de la tuyauterie et le nombre de coudes 90° requis. Dans le but de diminuer
les coûts de ce projet, l’entreprise voulait utiliser le plus possible de pièces usagées venant de
chez Fjordcell, une usine voisine fermée depuis quelques années. Donc, la tuyauterie a été prise
en totalité chez Fjordcell. (Voir annexe F)
Ensuite, les calculs pour le choix de la pompe ont pu commencer. En sachant les pertes
de charges totales dans la tuyauterie, la différence de hauteur entre l’entrée et la sortie du circuit
ainsi que les pressions d’entrée et de sortie, il a été possible de faire les calculs pour la sélection
de la pompe. En comparant les résultats des calculs avec les performances de la pompe actuelle,
on s’aperçoit qu’elle ne sera pas assez puissance pour fournir la machine. Il a donc été nécessaire
de sélectionner une autre pompe. Par la suite, le calcul du NPSH a été fait pour cette nouvelle
pompe. Ce calcul a permit de s’assurer qu’il n’y aurait aucune cavitation de la pompe dans les
futures conditions. Pour les mêmes raisons que la tuyauterie, la pompe a été trouvée chez
Fjordcell. (Voir annexe G)
Pour la sélection du moteur, la formule du BHP a été utilisée. La formule du BHP est
fonction du débit de liquide dans la conduite et de la hauteur de pompage. Le moteur actuel ne
sera pas assez puissance pour fournir la future pompe. Alors, un autre moteur a été sélectionné
afin de s’assurer que le système fonctionne bien. De plus, un facteur de sécurité de 1.15 a été
calculé pour palier à d’éventuelles modifications du circuit d’eau. Ce facteur a été proposé par le
département de l’ingénierie. Le moteur provient également de chez Fjordcell.
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Pour ce qui est de mettre un isolant sur la tuyauterie, les calculs démontrent qu’il n’est
pas nécessaire de le faire. Les pertes de chaleur occasionnées par la circulation de l’eau dans la
tuyauterie sont minimes en raison de plusieurs facteurs. Quelques formules ont été utilisées pour
en arriver à ce résultat là. Les sections de conduites étudiées sont du réservoir jusqu’à
l’économiseur ainsi que de l’échangeur de chaleur jusqu’à la machine à carton.
Éléments de conception Voici une description détaillée des éléments de conception relatifs aux aspects techniques du projet.
Tuyauterie
La sélection de la tuyauterie a été faite en fonction de 3 facteurs importants soient : la
longueur, le diamètre ainsi que les pertes de charges de celle-ci. Dans les faits, plus le diamètre
est grand, moins les pertes de charges sont grandes. Cependant, l’espace dans l’usine est restreinte
et le diamètre de la tuyauterie le sera également. De plus, la longueur de tuyauterie requise est
grande et cela augmente les pertes de charges. Finalement, la tuyauterie choisie rencontre les
objectifs souhaités. (Voir annexe F)
Spécifications : - Longueur 64 m - Diamètre 0.1524 m - Matériau : Stainless Steel
Pompe
La sélection de la pompe nécessite quelques calculs tels que la hauteur de pompage ainsi
que le NPSH. La somme des pertes de charges calculées à la section précédente a été utile pour
faire le calcul de la hauteur de pompage. La somme des pertes de charges inclut les pertes des
charges dans les conduites, dans l’économiseur et dans l’échangeur de chaleur. En regardant la
figure 5, on s’aperçoit que la pompe actuelle ne fera pas l’affaire. Il a donc été nécessaire de
sélectionner une autre pompe telle que présentée à la figure 6. Une hauteur de pompage de 66 m a
été utilisée pour sélectionner cette autre pompe. La pompe aura un faible rendement mais elle
acceptera certaines variations dans le système. (Voir Annexe G)
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Il est à noter que la formule pour déterminer la hauteur de pompage a été simplifiée étant
donné que l’on considère que la vitesse et la densité de l’eau sont égales à l’entrée et à la sortie du
circuit d’eau. (Voir Annexe G)
Spécifications : - Marque : Allis-Chalmers - Modèle : 8 x 4 x 17 - Type : PWO - Rpm : 1750
Moteur Le calcul du BHP a permis de choisir un moteur pouvant convenir à la pompe. Tel que
mentionné dans un des paragraphes précédents, un facteur de sécurité de 1.15 a été utilisé dans le
but que le moteur puisse subvenir à une demande supplémentaire s’il y a d’éventuelles
modifications du procédé. L’ancien moteur ne serait pas assez puissance pour convenir à la
pompe puisqu’il y a seulement 60 hp. Le nouveau moteur aura une puissance de 75 hp.
Spécifications : - Manufacturier : JRP - hp : 75 - Rpm : 1775
Isolation
Aucun isolant ne sera installé sur les conduites actuelles et futures. Les calculs
démontrent que la température à la sortie de l’échangeur de chaleur est pratiquement la même que
celle à l’entrée de la machine. Ils démontrent également la même chose entre le réservoir et
l’économiseur d’énergie.
Coûts
Les coûts pour ma partie sur le projet ont été lors de la désinstallation de la pompe, du
moteur ainsi que de la tuyauterie dans l’usine de Fjordcell. De plus, il y aura également des coûts
reliés à l’installation de ces équipements dans l’usine concernée par le projet. Aucun coût
supplémentaire n’est prévu pour ma partie sur le projet.
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IV Bilan des activités
IV.1 Arrimage formation pratique/universitaire Dans le cadre de l’avancement de mes études universitaires, j’ai fais un stage et un projet
de conception à l’été 2010. Contrairement aux stages de mécanicien d’entretien que j’ai fais
durant les 3 derniers étés, j’ai pu finalement faire un stage relié à la profession d’ingénieur cet été.
Une partie de mon stage était consacré à l’instauration d’un nouveau logiciel de
maintenance et de faire appliquer ce nouveau système aux employés de l’usine. J’ai donc fais
beaucoup de relevés d’équipements électriques et mécaniques dans l’usine et cela m’a fait revoir
le fonctionnement des certains systèmes déjà vus à l’université. De plus, j’ai constaté qu’il n’est
pas toujours facile d’imposer de nouveaux changements au personnel technique dans une usine et
cela m’a permit de faire de bien voir la réaction des gens et de gérer des situations de
mécontentement. Je crois cependant que l’université devrait donner un cours en gestion de
personnel puisque je remarque que la majorité des ingénieurs de l’usine font ce type de gestion
comme tâche primaire.
Lors de la réalisation de mon projet, j’ai pu appliquer certaines lois de la mécanique des
fluides pour faire la conception d’une nouvelle section de conduite d’eau. J’ai aussi fait des
calculs de transfert de chaleur avec l’assistance de mes conseillers puisque je n’ai pas encore fais
le cours transfert de chaleur.
IV.2 Travail d’équipe Je dois dire que j’ai eu une très belle relation de travail avec mes collègues de l’usine
Cascades de Jonquière dans le cadre de mon stage et de mon projet. Tous et toutes étaient
disponibles pour répondre à mes questions dans le but que mon projet soit une réussite. J’ai
travaillé avec un peu plus de 10 personnes occupantes différentes responsabilités dans le but de
trouver les informations manquantes et pour faire les bons calculs pour la sélection des
composantes. De plus, j’ai bien vu l’importance d’avoir une bonne relation avec les employés
dans une usine. Je pense même que c’est ce qui peut faire qu’un projet fonctionnera bien ou pas.
L’opérateur, l’électricien et le mécanicien connaissent bien les équipements puisqu’ils les
réparent à tous les jours, alors il est important d’avoir leurs avis et d’écouter d’analyser leurs
idées.
À mon arrivé, le projet de l’installation d’un système économiseur d’énergie était déjà
lancé. Cependant, étant donné la surcharge de projet au département d’ingénierie, le projet a été
mis de côté pour une période indéterminée. C’est à mon arrivé que le projet a repris vie et je dois
dire que j’ai eu un rôle important depuis ce moment. Je me suis assuré des choses que nous
avions à faire pour réaliser ce projet et je les aie mises en marche à l’instant. J’ai donc eu la
chance de gérer un projet pendant la période de mon stage.
Pour réaliser ce projet, j’ai du faire de gros efforts et surmonter quelques petits
problèmes. Lors de la réalisation des calculs pour le dimensionnement de la conduite d’eau et le
choix de la pompe et du moteur, j’ai dû retourner dans mes livres pour rafraîchir mes
connaissances et revoir les formules utiles à ce sujet. De plus, j’ai beaucoup cherché dans
l’ancienne usine de Fjordcell pour trouver les équipements que j’avais besoins pour éviter de
dépenser inutilement pour l’achat de nouveaux équipements. J’ai donc fais certains compromis
pour le choix des composantes mentionnées ci haut. Même la tuyauterie a été défaite de chez
Fjordcell et réutilisée pour mon projet. La nouvelle tuyauterie a été difficile à positionner puisque
nous étions restreints à certains endroits et il fallait la placer de façon à pouvoir rendre les
équipements voisins accessibles pour la maintenance.
IV.3 Respect de l’échéancier
DIAGRAMME DE GANTT POUR LA CONCEPTION D'UN CIRCUIT D'EAU
ACTIVITÉS Durée 31-mai 04-juin 11-juin 18-juin 25-juin 12-juil 23-juil 13-août 27-août
(sem.) S03 S04 S05 S06 S07 S10 S11 S14 S16
Dépôt du plan travail 1.0
Prises des données 2.0
Analyse et calculs 6.0
Dépôt rapport d'étape 2.0
Évaluation mi-projet 1.0
Conception du circuit 5.0
Présentation du projet 1.0
Dépôt du rapport final 5.0
13
14
L’échéancier a été légèrement modifié par rapport à celui proposé dans le plan de travail.
La seule modification apportée est l’ajout de 2 semaines supplémentaires dans le champ
d’activité : Analyse et calculs. La raison de ce changement est qu’il y a eu un manque de temps
pour compléter cette activité à la semaine prévue initialement. Aucun autre changement n’a été
apporté à l’échéancier. Tel que prévu, la présentation publique du projet devant jury se fera le 25
août 2010. Le dépôt du rapport final sera le 27 août 2010.
IV.4 Analyse et discussion Mon projet de conception s’est bien déroulé en général. J’ai pris une démarche structurée
et méthodique pour en arriver aux résultats finaux. Au cours de ce projet, je me suis beaucoup
référé au cours de Mécanique des fluides suivit à l’université à la dernière session. Je suis allé
revoir des théories et j’ai pu mettre en pratique les connaissances que j’ai acquises depuis le début
de mon baccalauréat. Les résultats de ma démarche en découlent de cela et je dois dire que j’ai eu
également un très bon support de la part des gens de l’usine puisque ceux-ci avaient à cœur le bon
déroulement de mon projet et l’avancement de mes connaissances dans ce domaine.
Les points forts de ce projet sont que j’ai réussi à trouver quelques équipements
nécessaires pour le projet soient : la tuyauterie, la pompe ainsi que le moteur dans l’ancienne
usine Fjordcell et cela a permit d’économiser beaucoup d’argent à l’entreprise. Cependant, un
point faible de mon projet est la difficulté de faire les calculs de transfert de chaleur afin de
déterminer s’il est nécessaire de mettre un isolant sur les conduites. Pour faire ces calculs, mes
conseillers m’ont grandement aidé. Un autre point faible dans ce projet est lors de la prise des
mesures en usine pour le positionnement de la tuyauterie. Je ne me suis pas vraiment soucié de
l’ergonomie de la tuyauterie et cela aurait causé des problèmes lors de la maintenance de certains
équipements voisins. Le chargé de projet m’a soulevé le point lorsque je suis allé lui dire mes
idées pour le positionnement de la tuyauterie.
VII Conclusion et recommandations
En faisant référence à l’introduction, on s’aperçoit que les objectifs initiaux ont bel et
bien été respectés. Tel que prévu, le dimensionnement des conduites a été fait ainsi que la
sélection de la pompe et du moteur. De plus, certains calculs de transfert de chaleur ont été faits
dans le but de voir s’il était important d’isoler la tuyauterie. Il a fallu faire des calculs pour
prouver le choix de chaque composante sélectionnée et cela selon certaines règles de conception.
De plus, il était important de toujours revenir à la base, c’est-à-dire de s’assurer de respecter les
besoins de l’entreprise établis dès le début.
15
Avec l’ajout de l’économiseur d’énergie (échangeur de chaleur), on devait ajouter deux
sections de conduite soient une entre le réservoir et l’économiseur et l’autre de l’économiseur à
l’échangeur de chaleur. En étudiant plusieurs facteurs, la recommandation pour le choix de la
tuyauterie est la suivante : longueur totalisant 206 m, un diamètre de 0.1524 m et le type de
matériau est le Stainless Steel. Elle est disponible et en bonne condition chez Fjordcell.
Pour ce qui est de la pompe et du moteur, il fallait vérifier si ceux-ci seraient
suffisamment puissants pour fournir la machine à carton. Après certains calculs, on a constaté que
la pompe et le moteur actuels ne feraient pas l’affaire. La pompe recommandée serait une Allis-
Chalmers et son modèle : 8 x 4 x 17. Le moteur recommandé serait un JRP avec une puissance de
75 hp. Les deux équipements précédents se trouvent actuellement en bonne condition chez
Fjordcell.
L’isolant sur les conduites ne sera pas nécessaire puisque la diminution de la température
de l’eau entre l’échangeur de chaleur et l’entrée de la machine est négligeable. Selon les calculs,
il a aura une différent de 0.5°C entre les deux points, suivant certaines conditions. Cependant, si
la température ambiante devient inférieure à 20°C, il se pourrait que les recommandations
changent.
Les calculs ont été faits selon la logique des choses. Par exemple, la pompe a été
sélectionnée après avoir dimensionné et positionné la tuyauterie dans l’usine puisqu’il était
nécessaire de savoir les pertes de charges associées. De plus, certains facteurs de sécurité ont été
considérés afin que les équipements ne soient pas trop limités par d’éventuels changements dans
le système. J’ai donc proposé ces facteurs au département d’ingénierie et ils ont été acceptés.
Actuellement, toute la tuyauterie ainsi que la pompe et le moteur sont prêts à être
installés. De plus, il y a deux parties de l’économiseur d’énergie qui sont arrivées. Il en manque
deux autres et le montage du système pourra commencer par la suite. Ils sont prévus pour le 30
août. La fin du projet sera poursuivie et supervisée par le département d’ingénierie de l’entreprise.
16
Remerciements
J’aimerais profiter de l’occasion afin de remercier mes collègues de travail qui m’ont
grandement aidé à la réalisation de mon projet. Ils étaient tous disponibles et enthousiasmes à
répondre à mes questions. J’aimerais également remercier mes conseillers de m’avoir guidé et
aidé à réaliser les calculs lors de ce projet. Ils m’ont aussi donné de bons conseils lors de la
préparation des rapports. En terminant, je tiens à remercier l’entreprise Cascades Groupe Carton
Plat de Jonquière pour sa confiance en me donnant l’opportunité de réaliser ce projet de
conception. Elle a contribué à l’avancement de mes connaissances et j’en suis très reconnaissant.
Bibliographie
1. Goulds Pumps, Inc. (1995). Goulds Pump Manual GPM6 60 Hz New York : Seneca Falls, 728 p. 2. Dewitt, David P. et Incropera, Frank P. (1996). Fundamentals of Heat and Mass Transfer
(4ième édition) New York : John Wiley and Sons, 885 p. 3. White, Frank M. (2008). Fluid Mechanics (6ième édition) New York : McGraw-Hill, 864 p.
ANNEXES Annexe A
Figure 1 : Système actuel dans l’usine
Données et informations sur le circuit actuel Réservoir : P1 = 101.3 KPa T1 = 21 °C Circuit : Q = 1700 l/min Échangeur de chaleur (alimenté par l’eau chaude de la sécherie) : Tentrée = 95 °C Tsortie = 90 °C * L’échangeur de chaleur est défectueux Quand l’échangeur fonctionne bien : T(eau) = 32 °C * Il y a un système d’injection directe de vapeur pour chauffer l’eau Sortie (vers la machine) : P2 = 517 KPa
T2 = 50°C
17
Annexe B
Figure 2 : Futur système dans l’usine
Données et informations pour le circuit futur Réservoir : P1 = 101.3 KPa T1 = 21 °C Circuit : Q = 1700 l/min
* Ajout d’un économiseur d’énergie : Tsortie = 41°C
Échangeur de chaleur (alimenté par l’eau chaude de la sécherie) : Tentrée = 95 °C Tsortie = 70 °C * Réparer l’échangeur de chaleur * Enlever le système d’injection directe de vapeur Sortie (vers la machine) : P2 = 517 KPa
T2 = 50 °C
18
Annexe C
Figure 3 : Système économiseur d’énergie
Température de l'eau en fonction du débit
30
35
40
45
50
55
60
0 500 1000 1500 2000
Débit d'eau (L/min)
Tem
péra
ture
(°C
)
Figure 4 : Température de l’eau en fonction du débit (sortie économiseur)
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Annexe D Formules utiles
Débit : Q1 = a * v
Q1 : débit du liquide [m³/s] a : aire de la conduite [m²] v : vitesse du liquide [m/s]
Pression : Pa = � * g * �h Pa : pression du liquide [Pa] � : densité du liquide [kg/m³] g : accélération gravitationnelle [9.81 m/s²] �h : différence de hauteur [m] Énergie mécanique:
P : pression du liquide [Pa] � : densité du liquide [kg/m³] α: facteur de correction du liquide V : vitesse du liquide [m/s] Z : hauteur du liquide [m] hpump : hauteur de charge de la pompe [m] hfrict. : somme des pertes de charges [m]
1 : entrée 2 : sortie
Puissance du moteur :
BHP : puissance du moteur [hp]
Q2 : débit [gal/min] hf : pertes de charges [pied] Sp. Gr. : gravité spécifique Eff. : efficacité de la pompe [%]
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Annexe D (suite)
Vérification pour la cavitation : NPSH : hauteur de charge nette absolue [m] PB : hauteur de pression à la surface du liquide [m] LH : hauteur entre le liquide et la pompe [m]
VP : hauteur de pression de vapeur de l’eau à une température spécifique [m] hf : pertes de charge dans la conduite d’aspiration [m]
Formules pour les calculs de transfert de chaleur dans les conduites :
1)
T∞ : température ambiante [K] Tm10 : température à la sortie de la conduite [K] Tm1i : température à l’entrée de la conduite [K] m : débit massique [kg /sec] Cp : chaleur spécifique du liquide [J/kg x K] UAs : conductance totale [W/ K]
2)
Rth : Résistance thermique totale [K / W]
3)
ro : rayon extérieur de la conduite [m] ri : rayon intérieur de la conduite [m] L : longueur de la tuyauterie [m] kt : conductivité thermique du matériau [W/m x K] ho : coefficient de transfert de chaleur total – conv. + ray. [W/m² x K] hi : coefficient de transfert de chaleur total convectif [W/m² x K]
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Annexe D (suite)
4) = Nu
Di : diamètre de la conduite [m] Keau : condition thermique de l’eau [W/m x K] Red : nombre de Reynolds Pr : nombre de Prandtl [Cp*μ / k] Nu : nombre de Nusselt
5)
F : facteur de friction
6)
ρeau : densité de l’eau [kg/m3] v : vitesse du liquide [m/s] μeau : viscosité de l’eau [N x s /m2]
7)
hcon : coefficient de transfert de chaleur convectif [W/m² x K] hrayo : coefficient de transfert de chaleur radiatif [W/m² x K]
8)
σ : constante de Stefan-Boltzmann [W/m² x K^4] ε : émissivité de la surface du tuyau (0.7) Ts : la température moyenne de la surface du tuyau [K]
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Annexe E Réalisation des calculs
1) Exemple de calcul de la vitesse de l’eau dans une conduite de 0.1524 m : Q1 = 0.0283 m³/s a = 0.0182 m²
2) Calcul de la pression au fond du réservoir :
� = 998 Kg/m³ g = 9.81 m/s² �h = 0.2 m
3) Exemple de calcul pour déterminer le hpump entre le réservoir et la machine (incluant l’économiseur) :
P2 = 517 000 Pa �2 = 996 kg/m³ g = 9.81 m/s² z2 = 110.94 m P1 = 101 300 Pa �1 = 996 kg/m³ g = 9.81 m/s² z1 = 105.46 m hfrict. = 15 m *La tuyauterie aura sensiblement le même diamètre partout dans le système alors la vitesse sera considérée comme étant pareille au point 1 et 2.
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Annexe E (suite)
4) Calcul du NPSH pour la pompe : NPSH = 3 m PB = 10.329 m
LH = 0 m VP = 0.238 m hf = 0 m
Ok!
5) Calcul du BHP pour le choix du moteur :
Q2 = 450 gal/min hf = 220 pieds Sp. Gr. = 1 Eff. = 0.47 F.S. = 1.15
BHP (avec F.S.) = 1.15 * 53.2 = 61hp
*Un moteur de 75 hp sera utilisé puisqu’il n’y a pas de moteur 65hp et 70hp de disponible chez Fjordcell
6) Exemple de calcul pour déterminer s’il y a des pertes de chaleur dans les conduites entre la machine à carton et l’échangeur de chaleur.
6.1) Déterminer le nombre de Reynolds.
ρeau = 988 kg/m3 v = 2.47 m/s μeau = 0.000548 N x s /m2
Red = 537 057 Reynolds
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Annexe E (suite) 6.2) Déterminer le facteur de friction. Red = 537 057 Reynolds
6.3) Déterminer la valeur du hi.
Di = 0.1206 m Keau = 0.645 W/m x K Red = 537 057 Pr : 3.42 Cp x μ / k F = 0.0129
hi = 9272.6 W/m² x K
6.4) Déterminer le hrayo.
� = (5.67 x 10^-8) W/m² x K^4 � = 0.7 Ts = 325.5 K T∞ = 293 K
hrayo = 4.7 W/m² x K 6.5) Déterminer le ho.
hcon = 3.5 hrayo = 4.7 W/m² x K
ho = 8.2 W/m² x K
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Annexe E (suite) 6.6) Déterminer le Rth.
ro = 0.0635 m ri = 0.060 m L = 61.79 m kt = 17 W/m x K ho = 8.2 W/m² x K hi = 9272.6 W/m² x K
6.7) Déterminer le Uas. Rth = 0.0049
6.8) Déterminer la température de l’eau à l’entrée de la machine.
T∞ = 293 K Tm10 = 323 K Uas = 204 m = 28.33 kg/sec Cp = 4182 J/kg x K
*La température finale (vers la machine) doit être de 50 °C. Le résultat précédent indique que la température à la sortie de l’échangeur de chaleur doit être d’au moins 50.05 °C pour respecter le 50°C souhaité. Les pertes de chaleur dans la tuyauterie sont donc mineures.
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Annexe F Tableau 1 : Pertes de charges selon le diamètre des conduites
Tableau 2 : Pertes de charges dans le système (partie 1)
Section du circuit Dia. [m] hf / 30,48m [m] Nb. coude 90° hf / coude 90° [m] Nb. valve hf / valve [m] Réservoir vers échangeur 0,1524 0,417 14 0,034 3 0,0110
Échangeur vers machine (1) 0,1524 0,417 5 0,034 1 0,0110 Échangeur vers machine (2) 0,2032 0,106 6 0,010 0 0,0025 Échangeur vers machine (3) 0,1016 3,200 13 0,186 3 0,0930
tuyauterie économiseur * 0,1524 0,417 26 0,034 4 0,0110 * Équipement ajouté
Tableau 3 : Pertes de charges dans le système (partie 2)
Section du circuit Dia. [m] Long. [m] hf (tuyauterie) [m] hf (coudes + valves) [m] hf totales [m] Réservoir vers échangeur 0,1524 79,24 1,080 0,510 1,590
Échangeur vers machine (1) 0,1524 7,01 0,094 0,182 0,276 Échangeur vers machine (2) 0,2032 27,12 0,094 0,065 0,159 Échangeur vers machine (3) 0,1016 27,73 2,910 2,700 5,610
tuyauterie économiseur * 0,1524 64,77 0,880 0,930 1,810 Tour (économiseur) * 4,570
Échangeur 0,914 Total: 14,929 * Équipement ajouté
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Annexe G Tableau 4 : Hauteur de pompage pour différentes sections du système
Sections Hauteur de pompage [m]Entre le réservoir et l'économiseur 66 ( 220' )
Entre le réservoir et la machine (actuel) 63 ( 210' )
Entre le réservoir et la machine (futur) 56,5 ( 186' )
Figure 5 : Caractéristiques de la pompe actuelle (6 x 4 x 14)
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Annexe G (suite)
Figure 6 : Caractéristiques de la future pompe (8 x 4 x 17)
Figure 7 : Spécifications de l’échangeur de chaleur (partie 1)
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Annexe G (suite)
Figure 8 : Spécifications de l’échangeur de chaleur (partie 2)
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