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Conception d'un système d'aspiration de poussière au poste de ponçage de carreaux de la MIPROMALO

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par Saturnin TACHOULA TSOGNO
Ecole nationale supérieure polytechnique de Yaoundé - Ingénieur génie industriel 2005
  

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TABLE DES MATIERES

DEDICACES I

REMERCIEMENTS II

NOMENCLATURE V

LISTE DES TABLEAUX ET FIGURES VI

RESUMÉ VII

ABSTRACT VII

INTRODUCTION GENERALE ET PROBLEMATIQUE 1

CHAPITRE I LA MIPROMALO ET LA PRODUCTION DES CARREAUX 2

I-1. PRESENTATION DE L'ENTREPRISE 3

I-2. PRODUCTION DES CARREAUX 3

I-2-1. Le procédé de fabrication 4

I-2-2. Le ponçage 4

I-3. LES POUSSIERES 5

I-3-1. Définition 5

I-3-2. Origine 5

I-3-3. Caractères physiques et chimiques des poussières 5

I-3-4. Les risques de poussières 6

I-3-5. Normes et poussières 6

CHAPITRE II ANALYSE ET ELABORATION DU CAHIER DES CHARGES FONCTIONNELLES 8

II-1. ANALYSE FONCTIONNELLE DU BESOIN 9

II-2. ANALYSE FONCTIONNELLE TECHNIQUE 10

II-2-1. Principe 10

II-2-2. FAST de créativité du système 11

II-3. CAHIER DES CHARGES FONCTIONNELLES 12

CHAPITRE III GENERALITE SUR LES CONVOYEURS PNEUMATIQUES 13

III-1. DEFINITION 14

III-2. PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT 14

III-3. TYPES DE CONVOYEURS PNEUMATIQUES 14

III-4. CHOIX JUSTIFIE DU TYPE DE CONVOYAGE 14

III-5. LES VENTILATEURS 17

III-5-1. Définition 17

III-5-2. Principe de fonctionnement 17

III-5-3. Types de ventilateurs 19

III-5-4. Choix justifié du type de ventilateur 19

III-5-5. Description d'une machine centrifuge 20

CHAPITRE IV CONCEPTION ET DIMENSIONNEMENT DU SYSTEME D'ASPIRATION 24

IV-1. DESCRIPTION 25

IV-1-1. Schéma pneumatique du système 25

IV-1-2. Vue en perspective du système 26

IV-1-3. Fonctionnement du système 27

IV-2. DIMENSIONNEMENT 29

IV-2-1. Dimensionnement du réseau aéraulique 29

IV-2-1-1. Hypothèses 29

IV-2-1-1-1. Vitesse d'écoulement 29

IV-2-1-1-2. Débit d'air à prévoir 29

IV-2-1-2. Le capotage 30

IV-2-1-3. Calcul du réseau 32

IV-2-1-3-1. Choix de la méthode 33

IV-2-1-3-2. Diamètre des conduites 33

IV-2-1-4. Calcul des pertes de charges 34

IV-2-1-4-1. Pertes de charges linéaires 34

IV-2-1-4-2. Pertes de charges singulières 36

IV-2-1-4-3. Pertes de charges à la traversée du filtre 36

IV-2-1-4-4. Pertes du au capotage (entrée du réseau de gaine) 36

IV-2-2. Calculs du ventilateur 37

IV-2-2-1. Hauteur manométrique du ventilateur 37

IV-2-2-2. Choix du ventilateur 37

IV-2-2-3. Puissance électrique absorbée par le ventilateur : 38

V-2-2-4. Choix du moteur 39

IV-2-3. Dimensionnement de la transmission de puissance 39

IV-2-3-1. Choix du Types de transmission de puissance 39

IV-2-3-2. Dimensionnement des poulies et courroies 40

VI-2-4. Dimensionnement de la cabine 43

VI-2-5. Dimensionnement du separateur 48

VI-3. SCHEMA ELECTRIQUE DU SYSTEME ET EVALUATION DU COUT DE REALISATION 50

VI-3-1. Schéma de puissance 51

VI-3-2. Schéma de commande 52

VI-3-3. Description du fonctionnement 53

VI-3-4. Coût de réalisation du système 53

IV-4. PROCEDÉ D'OBTENTION DES COMPOSANTS DU SYSTEME 54

CONCLUSION GENERALE 56

REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES 57

ANNEXES 58

ANNEXE 1. DESSINS DE DEFINITIONS 59

1-1. Cabine de ponçage 59

1-2. Filtre à poussière 60

ANNEXE 2. CHOIX DE LA VITESSE D'ASPIRATION 61

ANNEXE 3. COURBE DE FONCTIONNEMENT DU VENTILLATEUR 62

ANNEXE 4. DIAGRAMME DE MODDY MOURINE (COEFFICIENT DE PERTE DE CHARGE LINÉAIRE) 63

ANNEXE 5. COEFFICIENT DE PERTES DE CHARGES SINGULIERES 64

ANNEXE 6. PERTES DE CHARGES DU AU CAPOTAGE 65

ANNEXE 7. ABAQUES POUR CYCLONES 66

NOMENCLATURE

Symbole

Définition

Unité

dP 

Diamètre primitif petite poulie

DP

Diamètre primitif grande poulie

m

L

Longueur

m

LP

Longueur primitive de la courroie

m

Nd

Vitesse de rotation petite poulie  

tr/min 

ND

Vitesse de rotation grande poulie  

tr/min 

H

Hauteur monomérique

Pa

Ht

Hauteur manométrique totale

Pa

Q

Débit volumique 

m3 /h

Re

Nombre de Reynolds 

-

Section de la conduite

m2  

Vitesse de l'écoulement 

m/s 

 

Variation de pression totale 

Pa 

 

Variation de pression statique 

Pa 

 

Variation de pression dynamique

Pa 

 

Perte de charge d'un linéaire

Pa 

 

Perte de charge d'un singulière 

Pa 

 

Rendement

-

 

Viscosité cinématique 

m2 /s 

 

Masse volumique 

kg/m3  

M

Masse

Kg

J

Moment d'inertie

Kg.m2

P

Pression

Bar

PD

Pression dynamique

Bar

Pt

Pression totale

Bar

PS

Pression statique

Bar

 

Hauteur des aspérités de surface

Mm

 

Coefficient de frottement

-

 

Coefficient de perte de charge singulière

-

I

Intensité de courant

A

cos

Facteur de puissance

-

LISTE DES TABLEAUX ET FIGURES

TABLEAUX

Tableau

Titre

page

1

Comparaison des types de convoyage

16

2

Comparaison des types de ventilateurs

20

3

Nomenclature

35

4

Choix de la méthode de dimensionnement

38

5

Pertes de charges linéaires

39

6

Pertes de charges singulières

40

7

Récapitulatif des pertes de charges dans le réseau

41

8

Caractéristiques du ventilateur

42

9

Caractéristiques du moteur

43

10

Choix de la transmission de puissance

45

11

Choix du séparateur

51

11

Caractéristiques du matériau

55

12

Coût d'acquisition

58

FIGURES

Figure

Titre

page

1

Présentation d'un carreau produit par la MIPROMALO

4

2

Process de fabrication des carreaux

4

3

Analyse externe du besoin

10

4

Principe du FAST

11

5

FAST multi niveau du système

12

6

Types de systèmes de convoyage

15

7

Dépression à travers un réseau aéraulique

18

8

Hauteur manométrique totale d'un ventilateur

19

9

Mouvement d'air durant la compression

20

10

Vue éclaté d'un ventilateur centrifuge

21

11

Schéma d'un ventilateur centrifuge

22

12

Turbines de ventilateur centrifuge et leurs rendements

22

13

Schéma pneumatique du système d'aspiration

25

14

Forme des lignes d'égales vitesses à l'entrée des conduites d'aspiration

33

15

Effets de la collerette sur les lignes d'égales vitesses

34

16

Forme du capot choisi

34

17

Vue en perspective du réseau aéraulique

37

18

Transmission poulie courroie

44

19

Section de la courroie trapézoïdale

45

20

Cas de charge

48

21

Déplacement imposé

48

22

Répartition des contraintes de Von Mises

50

23

Déformé de la structure

51

24

Contrôle de conception

50

25

Fonctionnement du cyclone

52

26

Schéma électrique de puissance du système

55

27

Schéma électrique de commande du système

56

RESUMÉ

Le présent travail consiste à concevoir pour les besoins de l'unité des carreaux de la Mission de Promotion des Matériaux Locaux (MIPROMALO), un poste de ponçage muni d'un système d'aspiration, de traitement et de collecte des poussières issues du ponçage des carreaux. Pour mener à bien notre étude, nous avons dans un premier temps redéfini les besoins et étudié les solutions envisageables afin de justifier le choix de la solution retenue. Ensuite, nous avons ressorti les dessins d'ensemble et de définitions du système conçu et enfin, nous avons dimensionné les différents éléments du système afin d'obtenir les caractéristiques optimales et d'ajuster les dessins de définition. Par ailleurs, nous avons ressorti les schémas électriques illustratifs de puissance et de commande du système. Cette étude nous a permise finalement d'évaluer le coût de réalisation du dit système à 1 216 150 F CFA. Montant largement minimisé et à la portée de la MIPROMALO qui encourage d'ailleurs le chargé de la recherche de MIPROMALO à passer au plus vite à la phase de réalisation.

ABSTRACT

This work consists in designing a pumicing workstation equipped with a dust sucking and processing system for the tile production unit of MIPROMALO. Initially, after having redefined the needs and studied the possible solutions, we have justified the one retained for our system. Then, we brought out the full drawings as well as definitions drawings of the designed system and finally, we sized the various elements of the system in order to obtain the optimal characteristics and to adjust the design drawings. In addition, we made the illustrative electric diagrams of the system. This study helped us finally to evaluate the realization cost of the system as 1 216 150 F CFA, this sum been within the reach of MIPROMALO which besides, encourages the research department of MIPROMALO to realize the system as fast as possible.

.

INTRODUCTION GENERALE ET PROBLEMATIQUE

La Mission de Promotion des Matériaux Locaux (MIPROMALO) est un organisme parapublic spécialisé dans la recherche et la valorisation des matériaux de construction locaux. Elle a pour objectif premier de réduire le coût de l'habitat au Cameroun. C'est dans cette optique qu'elle produit des briques de terre stabilisées, des carreaux et tuiles à des coûts très accessibles. Or, lors des multiples phases de ponçage qui sanctionnent la production des carreaux à micro béton, l'atelier de production des carreaux et même celle de cuisson et de séchage des briques avoisinant, se trouvent quasiment obligé d'interrompre les travaux vu la quantité importante de poussières issues de l'opération de ponçage.

En considérant les dommages causés en perte de production, vu le fait que les poussières sont causes de maladies professionnelles telles que le cancer de l'ethmoïde et sachant que les règlementations internationales limitent le taux d'empoussièrement des postes de travail à d'air pour les poussières alvéolaires, la MIPROMALO a donc décidé de se doter d'un poste de ponçage muni d'un système d'aspiration, de traitement et de collecte des poussières issues de l'opération de ponçage.

Le dit système devra être d'utilisation facile, de longévité élevé et de coût de réalisation et de maintenance faible. Pour ce faire, nous allons tour à tour :

· faire une analyse fonctionnelle externe et interne du besoin question de repréciser le cahier des charges.

· présenter les différentes techniques d'aspiration et de dépoussiérage afin d'en justifier celle retenue pour notre système.

· présenter le système conçu à travers les différents dessins d'ensemble et de définitions.

· dimensionner tous les éléments du système pour un fonctionnement optimal.

· proposer les modèles de fabrication et d'obtention des différents éléments.

· ressortir les schémas électriques du système et évaluer le coût d'acquisition de ce dernier.

CHAPITRE I LA MIPROMALO ET LA PRODUCTION DES CARREAUX

Contenu du chapitre

I-1. PRESENTATION DE L'ENTREPRISE

I-2. PRODUCTION DES CARREAUX

I-2-1. Le procédé de fabrication

I-2-2. Le ponçage

I-3. LES POUSSIERES

I-3-1. Définition

I-3-2. Origine

I-3-3. Caractères physiques et chimiques des poussières

I-3-4. Les risques de poussières

I-3-5. Normes et poussières

L'étude de tout système de dépoussiérage commence par la connaissance du matériel à capter. Dans ce chapitre, après avoir présenté brièvement la MIPROMALO, nous nous attarderons sur le procédé de fabrication des carreaux et à la fin du chapitre, nous donnerons les caractéristiques principales des poussières à capter.

I-1. PRESENTATION DE L'ENTREPRISE

La mission de promotion des matériaux locaux (MIPROMALO) a été crée en 1990 par décret No 90/ 1253 et a démarré ses activités trois ans plus tard. Elle a pour principale mission de valoriser l'emploi des matériaux localement fabriqué en vue de réduire les coûts de l'habitat au cameroun.

Depuis 2000 et conformément à la loi No 99/016 du 22 décembre 1999 portant statut général des établissements publics et des entreprises du secteur public et parapublic, la MIPROMALO a un statut d'établissement public doté de l'autonomie financière et de la personnalité juridique.

La MIPROMALO est placé sous la tutelle technique du ministère de la recherche scientifique et technique.

Les principaux produits proposés par la MIPROMALO sont :

- Les blocs de terre comprimée.

- Les tuiles en micro-béton.

- Les carreaux.

- Les briques réfractaires et les briques stabilisées au ciment.

- Les pavés.

- Les produits de la poterie.

Il parait nécessaire de s'attarder sur l'unité de production des carreaux étant donne que notre travail y est consacré.

I-2. PRODUCTION DES CARREAUX

La MIPROMAALO fabrique des carreaux en micro béton standard double (figure 1) couche. La `'couche de marche'' est faite de roche et de ciment blanc (CPA 35). La `'couche de pose'' est faite de mortier classique c'est à dire sable Sanaga, plus du ciment gris (CPJ35) La roche utilisée est soit le marbre soit le granite, soit le gneiss. La figure 1 nous donne la présentation du carreau produit par la MIPROMALO.

Caractéristiques des carreaux obtenus [1]

- dimensions : longueur 30 cm, largeur : 30 cm

- épaisseur : 10 mm

- densité : 2

- résistance mécanique : 600 N

- porosité : 10,5%

- Durée de vie 100 ans

00000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000

I-2-1. Le procédé de fabrication

Le procédé simplifié de production des carreaux est décrit par la figure 2 ci-dessous et fait bien ressortir les deux phases de ponçage qui interviennent dans la fabrication des carreaux.

00000000000000000000000000000000000000

I-2-2. Le ponçage

Le ponçage est un procédé de rectification qui permet d'obtenir des états de surface très précis question de tendre vers l'objectif de planéité de 50 ìm [1] fixé pour les carreaux de la MIPROMALO. Il est fait à l'aide d'un outil meule de type classique (BOSCH) tournant à 33 m/s. La meule est munie d'un disque de marque NORTON DOMOLO de caractéristiques produisant des copeaux de taille moyenne 0,07 mm [1]. Le ponçage intervient plusieurs fois dans le processus de fabrication des carreaux comme l'indique la figure 2 ci-dessus. Il est une source incroyable de production de poussière qui à la fois met en péril la santé des employés et l'environnement. Il est donc nécessaire de purifier l'environnement de travail en captant cette poussière et en la traitant au fur et à mesure de sa production.

I-3. LES POUSSIERES

L'étude d'une installation de dépoussiérage, nécessite une connaissance préalable de la nature et des caractéristiques des poussières à capter et à séparer, notamment pour les plus fines qui sont les plus nocives.

I-3-1. Définition

La poussière est une substance en poudre très fine, avec des particules comprises entre 0 ,01 et 100 voire même 250 , qui est susceptible de se trouver en suspension dans l'air sous certaines circonstances et pendant un temps plus ou moins long. [6]

I-3-2. Origine

Les poussières peuvent être de source diverses tels que : Naturelle (minérale ou végétale), mécanique, chimique, thermique ... celle qui nous intéresse ici est de source mécanique et est particulièrement issue du processus de ponçage des carreaux. La première particularité des poussières d'origine mécanique est qu'elles sont généralement de dimension supérieure à 5 et que la proportion de celles qui sont de dimensions inférieure au micron est extrêmement faible. [6]

I-3-3. Caractères physiques et chimiques des poussières

Plusieurs paramètres sont à prendre en compte : taille, concentration, toxicité, abrasivité, densité.

Les particules à capter sont de forme ronde, de taille moyenne 5 ìm, de densité apparente 0,3 (masse de poussière dans un mètre cube d'air) et de concentration 30 g/m3. Par ailleurs, elles sont de nature minérale, sèche et non toxique.

I-3-4. Les risques de poussières

La nécessité d'extraction des dites poussières vient du fait qu'elles font plus de mal que nous ne pouvons l'imaginer. En plus du fait qu'elles causent salissures et détérioration du matériel lors de leur déposition, les poussières contiennent des agents nocifs qui affectent l'organisme par contact cutané ou par inhalation.

Le contact cutané

Les affections se caractérisent par la survenue d'allergies de contact, notamment sur le cou, le visage, les mains, les avant-bras et parfois les yeux (conjonctivite). Elles se manifestent par des vésicules suintantes accompagnées de démangeaisons et souvent de fissures.

L'inhalation

L'inhalation de poussières se traduit par une irritation des voies respiratoires. Elle se manifeste par des éternuements répétés, des rhinites aiguës (rhumes), des saignements de nez, de l'asthme. Les plus fines (dimensions comprises entre 0,3 et 5 ) sont encore plus dangereuses car elles peuvent par inhalation, à travers les poumons et la circulation sanguine, atteindre les autres organes. Cette inhalation, peut aussi provoquer le cancer de l'ethmoïde, os constituant la partie supérieure des fosses nasales. Les premiers signes surviennent parfois des années après la fin de l'exposition. Il s'agit d'écoulements purulents et sanglants par le nez accompagnés de douleurs de la face. C'est une maladie très grave dont le traitement est difficile.

En définitive, les particules de tailles inférieure à sont inhalées mais on considère qu'elles sont rejetées lors de l'expiration tandis que les particules de tailles comprises entre sont les plus dangereuses et ceci même lorsque la matière qui les composent n'est pas toxique. Les particules de tailles supérieure à sont généralement arrêtées au niveau des voies respiratoires et par suite expulsées par les voies naturelles. Elles ne sont pas dangereuses mais peuvent devenir gênantes.

I-3-5. Normes et poussières

Il est important de noter que le respect des normes est une démarche volontaire. Son élaboration consensuelle permet à l'entreprise y adhérant de bénéficier d'une "veille techno normative" lui permettant de rester à jour de toutes évolutions, d'assurer l'interchangeabilité et la maintenance facile de ses équipements. La mission normative pour le matériel de dépoussiérage aborde les sujets suivants.

§ l'émission admissible des poussières à l'intérieur et à l'extérieur des locaux ;

§ la conception des réseaux ;

§ les risques d'incendie et le matériel de prévention ;

§ le niveau sonore ;

§ les appareils de contrôle et de sécurité ;

§ etc.

Nous présentons ci-dessous quelques éléments importants provenant de la réglementation Française [6] à retenir pour la conception de notre système.

1. En cas de panne du système d'épuration ou de filtration, le système doit être arrêté.

2. Dans les locaux à pollution spécifique, les concentrations moyennes en poussières totales et alvéolaires de l'atmosphère inhalée par une personne, évaluées sur une période de huit heures, ne doivent pas dépasser respectivement 10 et 5 milligrammes par mètre cube d'air.

3. le taux maximal d'empoussièrement au poste de travail est de 5 mg/m3 pour les poussières alvéolaires.

4. Les diamètres, les formes des éléments de tuyauterie pour un réseau d'aspiration des polluants atmosphériques sont normalisés. Elles ont été établies dans le but d'avoie des conduites standard ayant un minimum de perte de charge et donnant la possibilité à l'utilisateur d'assurer le renouvellement ou le remplacement indépendamment du fabricant.

5. interdiction de prévoir des filtres (dépoussiéreur) à l'intérieur des locaux pour des débits supérieurs à 6000 m3/h, au delà de ce débit, le filtre à poussière devra être installé à l'extérieur du bâtiment ou dans un local qui lui est propre.

CHAPITRE II ANALYSE ET ELABORATION DU CAHIER DES CHARGES FONCTIONNELLES

Contenu du chapitre

II-1. ANALYSE FONCTIONNELLE DU BESOIN

II-2. ANALYSE FONCTIONNELLE TECHNIQUE

II-2-1. Principe

II-2-2. FAST de créativité du système

II-3. CAHIER DES CHARGES FONCTIONNELLES

Le but de ce chapitre est d'établir le cahier des charges fonctionnelles, c'est-à-dire : définir et préciser les objectifs du projet, les services attendus du système, les conditions d'utilisation, de performances, les critères d'appréciation et enfin la constitution technique globale du système par l'analyse fonctionnelle technique.

II-1. ANALYSE FONCTIONNELLE DU BESOIN

Ici, nous énoncerons les fonctions de service du système ; c'est-à-dire les actions attendues du produit pour répondre aux besoins d'un utilisateur donné. Nous effectuons une observation extérieure du système afin d'y dégager les relations qu'il entretient avec l'environnement.

Nous analyserons les dits besoins en utilisant la méthode apte ou pieuvre matérialisée par la figure 3 sur laquelle

désigne la fonction principale c'est à dire la raison d'être du système

désigne la ième fonction contrainte c'est à dire la contrainte à respecter pour que le système s'adapte aux exigences de l'environnement.

000000000000000000000000000000000000000000000

Formulation littérale de chaque relation 

· Fonction principale

 : extraire la poussière du poste de ponçage

· Fonctions contraintes

 : évacuer la poussière extraite (ne pas la laisser s'épandre sur d'autres postes)

 : exempter l'environnement de poussière

 : être insensible au vent

 : utiliser la source d'énergie électrique

 : être de commande facile pour l'opérateur

 : être agréable à voir

 : résister à la corrosion (rouille)

II-2. ANALYSE FONCTIONNELLE TECHNIQUE

Il s'agit de dire dans cette partie comment sont réalisées les fonctions de services énoncées ci-dessus. Il faut donc observer le système du point de vue interne question de la disséquer, de voir sa composition et mettre en évidence les relations entre les différentes parties du système. Celles-ci constituent les fonctions techniques nécessaires pour assurer les fonctions de service. L'outil que nous utiliserons à cet effet est le FAST (Fonctional Analysis System Technic)

II-2-1. Principe

Le FAST [3] est d'origine américaine et peut se traduire comme : Technique d'Analyse Fonctionnelle Systématique. Il constitue un mode de visualisation permettant de relier et d'ordonner toutes les fonctions techniques. Sa construction répond aux questions de la figure 4.

000000000000000000000000

Figure 4 : Principe du FAST

Selon les cas ; on distingue le FAST de créativité et le FAST de description. Les opérateurs ET et OU permettent d'établir des relations logiques entre les différentes fonctions techniques

ET

II-2-2. FAST de créativité du système

00000000000000000000000000000000000000

II-3. CAHIER DES CHARGES FONCTIONNELLES

C'est l'occasion de donner toutes les spécifications importantes pour la conception du système. Les critères d'appréciation du système seront ; la propreté de l'unité de production, l'esthétique, l'invariabilité de la vitesse d'aspiration, le faible effet sonore, la résistance à la corrosion, l'étanchéité, la résistance et la stabilité mécanique de la structure. La meule utilisée est celle existante de marque BOSH muni d'un disque de diamètre 230 mm La source d'énergie disponible à utiliser est l'électricité (triphasé 220/380V-50 Hz). L'encombrement de la structure sera minimisé vu les dimensions de l'unité des carreaux qui devra la contenir mais aussi, l'air épuré sera rejeté à l'extérieur du bâtiment et à une hauteur d'au moins 3 m question de pas nuire aux voisins

CHAPITRE III GENERALITE SUR LES CONVOYEURS PNEUMATIQUES

Contenu du chapitre

III-1. DEFINITION

III-2. PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT

III-3. CHOIX JUSTIFIE DU TYPE DE CONVOYAGE

III-4. LES VENTILATEURS

III-4-1. Définition

III-4-2. Principe de fonctionnement

III-4-3. Types de ventilateurs

III-4-4. Choix justifié du type de ventilateur

III-4-5. Description d'une machine centrifuge

III-1. DEFINITION

Un convoyeur pneumatique est un système de ventilation qui en plus de déplacer l'air, transporte une quantité significative de particules en suspension. [5] Il est donc utilisé soit pour acheminer un produit d'un point A à un point B, soit pour assurer le dépoussiérage.

III-2. PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT

Le matériel à transporter (ici, la poussière) est introduit dans un tuyau qui transporte de l'air ; le matériel en suspension suit le courant d'air jusqu'au point de décharge ou alors jusqu'au point de traitement lorsqu'il s'agit du dépoussiérage.

III-3. TYPES DE CONVOYEURS PNEUMATIQUES

Les convoyeurs pneumatiques peuvent être classées selon les niveaux de pressions d'utilisation (basse, moyenne, grande pression) ou alors selon les types d'agencement des différents constituants. Nous nous focalisons ici sur cette dernière classification [5] en sachant que nous fonctionnons en basse pression.

La figure 6 montre trois agencements possible à savoir : l'agencement pression, l'agencement dépression et l'agencement mixte. Dans l'agencement pression, le ventilateur est situé à l'entrée du circuit et donc tout le circuit fonctionne sous une pression supérieure à la pression atmosphérique. Dans l'agencement dépression, le ventilateur est situé à la sortie du circuit et fait donc fonctionner ce dernier sous une pression inférieure à la pression atmosphérique. L'agencement mixte comporte un circuit aspirant en dépression et un circuit refoulant en pression ; le ventilateur ici fait partie intégrante du circuit.

III-4. CHOIX JUSTIFIE DU TYPE DE CONVOYAGE

Pour ce faire, nous avons fait, dans le tableau 1 une étude comparative des trois types de convoyages présentés à la figure 6 en faisant ressortir les avantages et les inconvénients de chaque type de convoyage

00000000000000000000000000000000000000000000000

Pour ces trois types d'associations, le ventilateur est l'élément moteur du circuit. C'est lui qui crée la dépression de débit suffisant dans le circuit. le dépoussiéreur est l'élément filtrant, encore appelé séparateur,il pour rôle de séparer la poussière de l'air dans lequel il est en suspension. La vanne rotative a pour rôle de réguler l'entrée et la sortie du matériel du circuit tout en empêchant d'éventuelles fuites d'air. Les conduites sont représentées en trait fort et les interrompus indiquent les possibilités d'extension.

Tableau 1 : Comparaison des types de convoyage

Types

Avantages

Inconvénients

Agencement

pression

- Peut facilement être dirigé vers plusieurs dépoussiéreurs (point de réception)

- Plusieurs convoyeurs peuvent aller au même dépoussiéreur

- Requiert une vanne rotative et une alimentation à chaque point d'alimentation en matériel

Agencement

Dépression

- Peut facilement ramasser plusieurs points en même temps

- Pas besoin de vannes rotatives aux points d'aspiration

- Impossibilité de diriger le matériel vers plusieurs points de réception.

Agencement

mixte

- Peut facilement ramasser plusieurs points en même temps

- Pas besoin de vannes rotatives aux points d'aspiration

- Peut facilement être dirigé vers plusieurs dépoussiéreurs (point de réception)

- Plusieurs convoyeurs peuvent aller au même dépoussiéreur

- Usure et vibrations excessives du ventilateur car le matériel doit y passer

- Consommation d'énergie du ventilateur augmenté jusqu'à 100 % car

o On utilise une roue ouverte moins efficace

o On doit partiellement ré accélérer le matériel qui y passe

Après avoir examiné le tableau 1 et étant donné que notre système présente un seul point d'aspiration et un seul point de (dépôt), nous optons pour un convoyeur agencé en dépression car il limite l'usure du ventilateur et donc le coût de fonctionnement du système. En plus il ne nécessite pas de vannes rotatives aux points d'aspiration. C'est l'agencement le plus adapté pour les systèmes de dépoussiérage.

III-5. LES VENTILATEURS

Le ventilateur constitue le moteur du réseau et doit donc être adaptés le plus précisément possible au réseau, de façon à satisfaire le cahier des charges (débit correct) tout en gardant un comportement énergétique optimum.

III-5-1. Définition

Le ventilateur est une turbomachine, comportant une ou plusieurs roues autour d'un axe, entraînée par une puissance mécanique primaire qui lui est transmise. Il entretient l'écoulement d'un fluide gazeux qui reçoit ainsi, en le traversant, une puissance mécanique utilisable (puissance utile) correspondant à un travail réel.

III-5-2. Principe de fonctionnement

Les installations aérauliques sont classées en fonction de leurs pressions totales les classements généralement admis sont :

· Basse pression :

· Moyenne pression :

· Haute pression :

Le ventilateur fournit la différence de pression totale entre ses ouies entrée et sortie de l'air. Comme indiqué à la figure 7, [9] cette pression totale obtenue à la sortie du ventilateur, se dissipe progressivement dans le réseau aéraulique.

La pression produite par le ventilateur, appelé pression TOTALE est la somme de deux pressions distinctes : STATIQUE + DYNAMIQUE

Ou est la pression statique qui correspond aux frottements que l'air doit vaincre pour s'écouler dans le circuit et est la pression dynamique ou encore la surpression nécessaire pour générer la vitesse de l'air dans la conduite. Elle vaut avec V=vitesse de refoulement et =masse volumique du fluide

00000000000000000000000000000000000000

La somme de la pression totale à l'ouïe d'aspiration et de la pression totale au refoulement représente la hauteur manométrique totale du ventilateur (figure 8). Il s'ensuit l'établissement d'un débit de fluide continu.

000000000000000000000000000000000000000

III-5-3. Types de ventilateurs

Deux types de ventilateurs sont principalement utilisés en aéraulique :

· Les ventilateurs axiaux (ou hélicoïde),

· Les ventilateurs centrifuges.

Ces deux types font partie des turbomachines. Leurs noms proviennent du mouvement de l'air durant la compression comme présenté à la figure 9. [8]

000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000

Tableau 2 : Comparaison des types de ventilateurs

TYPES de ventilateur

Ventilateurs axiaux (ou hélicoïde),

ventilateurs centrifuge

PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT

l'air a un mouvement hélicoïdal

la distance entre la veine fluide et l'axe de la roue reste constante

l'air s'éloigne de cet axe au fur et à mesure de la traversée du ventilateur

Il résulte de cet éloignement de l'axe une augmentation de la vitesse de l'air, et donc de la pression dynamique qui va s'ajouter à la pression statique créée par les pales

DIFFERENCE DE PRESSION

Faible différence de pression totale entre l'amont et l'aval

Forte différence de pression totale entre l'amont et l'aval

DEBIT VOLUMIQUE

section d'entrée grande et donc forte capacité de débit volumique

section d'entrée faible et donc faible capacité de débit volumique

III-5-4. Choix justifié du type de ventilateur

Pour un choix méthodique, nous avons fait une étude comparative des deux types de ventilateurs cités ci-dessus.

Vu le tableau comparatif 2 ci-dessus et en tenant compte du débit voulu qui est assez modeste, nous optons pour un ventilateur centrifuge avec turbine à roue fermée incliné.

III-5-5. Description d'une machine centrifuge

Vue éclatée [8]

0000000000000000000000000000000000000000000000

· Le pavillon d'entrée : de sa conception dépend une bonne partie du rendement du ventilateur ;

· La turbine qui sera choisie pour une classe d'application selon un rendement (type de matière à transporter, hauteur manométrique)

· La volute ou enveloppe, de forme spiraloïde c'est d'elle que dépendront souvent les problèmes de bruit ; la volute participe aussi au rendement et à la hauteur manométrique du ventilateur ;

· le socle support comportant les éléments de transmissions de la vitesse de rotation et permettant de poser le ventilateur au sol.

Schéma d'un ventilateur centrifuge

000000000000000000000000000000000

La roue

Elle comporte des canalisations formées par le disque, les flasques de recouvrement et les aubages.

Les différentes turbines sont représentées à la figure 12 avec leurs utilisations.

0000000000000000000000

Le distributeur

Le rôle du distributeur, situé en amont de la roue (non représenté sur la figure 11) est de permettre une orientation correcte des filets fluides à leur entrée dans la roue. Il n'existe en fait que dans les pompes à plusieurs étages de compression. Il permet alors d'effectuer la liaison entre l'étage amont (au niveau de la volute) et l'étage aval (au niveau des ouïes).

Le diffuseur

Avec ou sans aubages, cet organe permet de transformer en partie l'énergie cinétique (pression dynamique) en énergie potentielle (pression statique) et d'orienter correctement le fluide à la sortie de la roue pour son entrée dans la volute ou dans le distributeur de l'étage suivant.

La volute

Son rôle consiste essentiellement à transformer le mouvement de rotation du fluide en mouvement de translation.

Le divergent

Comme le diffuseur, il permet de transformer une fraction de l'énergie cinétique du fluide en énergie potentielle, ceci afin de limiter les pertes de charge dans les canalisations de transport du fluide

CHAPITRE IV CONCEPTION ET DIMENSIONNEMENT DU SYSTEME D'ASPIRATION

Contenu du chapitre

IV-1. DESCRIPTION

IV-1-1. Schéma pneumatique du système

IV-1-2. Vue en perspective du système

IV-1-3. Description du fonctionnement

IV-2. DIMENSIONNEMENT

IV-2-1. Dimensionnement du réseau aéraulique

IV-2-1-1. Hypothèses

IV-2-1-1-1. Vitesse d' écoulement

IV-2-1-1-2. Débit d'air à prévoir

IV-2-1-2. Le capotage

IV-2-1-3. Calcul du réseau

IV-2-1-3-1. Choix de la méthode

IV-2-1-3-2. Sections (diamètre) des conduites

IV-2-1-4. Calcul des pertes de charges

IV-2-1-4-1. Pertes de charges linéaires

IV-2-1-4-2. Pertes de charges singulières

IV-2-1-4-3. Pertes de charges à la traversée du filtre

IV-2-1-4-4. Pertes du au capotage (entrée du réseau de gaine)

IV-2-2. Calculs du ventilateur

IV-2-2-1. Hauteur manométrique du ventilateur

IV-2-2-2. Choix du ventilateur

IV-2-2-3. Puissance électrique absorbée par le ventilateur :

IV-2-3. Dimensionnement de la transmission de puissance

IV-2-3. Dimensionnement de la cabine

IV-2-4. Choix du filtre à poussières

IV-3. SCHEMA ELECTRIQUE DU SYSTEME ET EVALUATION DU COUT DE REALISATION

VI-3-1. Schéma de puissance

VI-3-2. Schéma de commande

VI-3-3. Description du fonctionnement

VI-3-4. Coût de réalisation du système

IV-1. DESCRIPTION

Il est question dans cette section de présenter les différentes illustrations du système conçu à savoir : le schéma pneumatique et le dessin d'ensemble. Nous décrirons à la fin de la section le fonctionnement du système et le rôle de chaque composant sera spécifié.

IV-1-1. Schéma pneumatique du système

00000000000000000000000000000000

Sur le plan pneumatique, le système est constitué d'un ventilateur, d'un filtre à poussière, et d'un réseau de tuyauterie. Les autres accessoires nécessaires au fonctionnement du système ne sont pas visibles sur ce schéma. Mais, ils sont explicités sur le dessin d'ensemble.

IV-1-2. Vue en perspective du système

00000000000000000000000000000000000000

000000000000000000000000000000000

IV-1-3. Fonctionnement du système

Le ventilateur centrifuge (5), mis en mouvement par un moteur électrique (6), à travers un système poulie courroie (7 - 10), crée le flux d'air de vitesse suffisante dans le réseau de gaine mis en place (3) et permet ainsi le transport des poussières produites dans la cabine de ponçage (1). Les dites poussières, à la traversée du dépoussiéreur (4) sont retenues et permets ainsi d'épurer l'air rejeté dans la nature par le circuit refoulant.

ROLE DE CHAQUE ELEMENT

· Cabine de ponçage

La cabine de ponçage est constituée essentiellement d'une table de ponçage adaptée et d'un pupitre de commande simple d'utilisation, elle sert de poste de travail et est conçue de façon à limiter l'effet du vent extérieur qui rendrait le système inefficace en acheminant la poussière hors du circuit réservé

· Capot d'aspiration

Il a pour rôle de confiner la source de poussière de façon à ce que la vitesse de l'air résultant de cette restriction soit suffisante pour entraîner les particules libérées car l'ampleur et le coût d'un système de dépoussiérage sont intimement liés au volume d'air extrait. Par conséquent, le dit capot sera le plus proche possible de la source de poussière et il sera au mieux orienté dans la direction d'écoulement des copeaux.

· Conduites

Les conduites servent essentiellement à canaliser le flux d'air créé par le ventilateur. Elles sont conçues de façon à minimiser les pertes de charges lors de l'écoulement tout en assurant l'étanchéité des liaisons.

· Filtre séparateur

Son rôle est de séparer la poussière de l'air dans lequel elle est en suspension.

· Ventilateur

Le ventilateur crée et entretient l'écoulement du flux d'air qui reçoit ainsi, en le traversant, une puissance mécanique utilisable et suffisante pour déplacer les particules dans les conduites. Il devra minimiser la consommation énergétique du moteur et maintenir un niveau sonore acceptable.

· Moteur

Le moteur assure le mouvement de rotation de la turbine du ventilateur à travers le système poulie courroie. Il transforme alors l'énergie électrique qu'il reçoit en énergie mécanique utile.

· Ensemble poulie courroie

Le système poulie courroie permet de transmettre le mouvement de rotation de l'arbre du moteur à celui du ventilateur tout en respectant les vitesses nécessaires pour le fonctionnement de chaque élément.

IV-2. DIMENSIONNEMENT

En vue d'obtenir les caractéristiques idéales pour chaque élément du système, nous allons les dimensionner au fur et à mesure en gardant toujours è l'esprit l'exigence économique sur le coût de réalisation

IV-2-1. Dimensionnement du réseau aéraulique

Le réseau aéraulique doit permettre d'assurer les différents flux d'air. Une fois les débits connus, il faut alors déterminer les caractéristiques des ses différents éléments (ventilateur, filtre, sections des conduites, bouches de soufflage et d'aspiration ...) et la manière de les connecter (formes et longueurs des gaines et des coudes, dérivations).

IV-2-1-1. Hypothèses

IV-2-1-1-1. Vitesse d'écoulement

Cette vitesse de transport est un facteur essentiel pour les réseaux d'évacuation d'air poussiéreux : elle doit d'une part avoir une valeur suffisante pour éviter une sédimentation des poussières et un bouchage des canalisations. D'autre part, nous évitons d'utiliser des vitesses trop élevées de façon à limiter les pertes d'énergie, le bruit aéraulique et l'abrasion des tuyauteries. Enfin, le choix résulte d'un compromis entre le coût de l'installation et celui de son exploitation :

· Les grandes sections, qui correspondent aux petites vitesses, sont limitées par les contraintes architecturales et la sédimentation. Ceci entraînant un coût d'installation élevé.

· Les petites sections, qui correspondent aux grandes vitesses, sont limitées par le bruit engendré et la corrosion des conduites qui réduit leurs durées de vie Ceci entraîne un Coût d'exploitation élevé.

La figure de l'annexe 2 donne, en fonction du débit volumique, les vitesses recommandées par la norme pour les installations aérauliques, ainsi que les pertes de charge linéaires qu'elles créent suivant le diamètre de la conduite.

La vitesse choisie à cet effet est de 20 m/s

IV-2-1-1-2. Débit d'air à prévoir

Pour déterminer le débit d'air dans les conduites, nous tiendrons compte des deux paramètres suivants :

- La vitesse de rotation de l'outil et sa dimension qui engendrent, comme un ventilateur, un déplacement d'air qu'il sera nécessaire de capter ;

- Le volume de copeaux ou de déchets produit par l'outil meule.

Données

Surface du carreau à poncer : ; a =300 mm (surface carrée de coté a)

Épaisseur moyenne à enlever du carreau :

Masse Volumique du carreau :

Taux de transport admissible :

Nombre de carreaux poncés par heure :

Production Totale de déchets en kg à l'heure :

Débit 

Étant donné que la réglementation interdit d'utiliser des réseaux d'aspiration au delà de 0,2 kg/m3 /h, ou encore 5 m3/h par kg, nous prévoyons avec un coefficient de sécurité de 1,25 un débit de :

AN :

Nous considérons donc un débit de 2700 m3/h

IV-2-1-2. Le capotage

Le capot désigne l'entrée du réseau de gaine et la bouche d'aspiration. Il est déterminé de façon à profiter de la trajectoire naturelle des poussières (et notamment de leurs force ascensionnelle), pour mieux les canaliser et surtout éviter toute conception de capotage, fondée sur un entraînement à contre-courant qui se révèle toujours d'une moindre efficacité pour une dépense énergétique supérieure.

Un bon capot doit répondre aux exigences suivantes.

§ Ne pas gêner le fonctionnement de l'outil meule ;

§ Être dans la trajectoire de projection des copeaux ;

§ Être suffisamment enveloppant, mais non complètement fermé, pour capter le maximum de poussières.

Variation des vitesses d'air au voisinage d'une entrée d'aspiration

La vitesse de l'air varie très rapidement d'un point à un autre tout autour de la bouche du capot. La figure 14 [6] montre d'après les résultats de DALLA-VALLE, la forme des surfaces d'égale vitesse devant une bouche d'aspiration circulaire sans collerette et avec collerette. Les vitesses sont indiquées en pourcentage de la vitesse moyenne dans la section d'entrée (V). Cette figure montre que la vitesse décroît très rapidement avec la distance au dispositif de captage. Par exemple, à une distance égale au diamètre de l'ouverture, la vitesse de l'air n'est plus dans l'axe que d'environ 7% de V sans collerette et d'environ 10% de V avec une collerette.

0000000000000000000000000000000000

La forme des courbes d'égales vitesses dépend d'autres facteurs directement liés à la géométrie du capot, par exemple :

§ la proportion entre le grand et le petit côté, si l'entrée est de section rectangulaire ;

§ la présence d'un flasque ou collerette sur le pourtour de l'entrée qui repousse vers l'extérieur les courbes d'égales vitesses et par conséquent accroît l'efficacité du capot ; (figure 15)

Nous adoptons finalement le capot schématisé à la figure 16 (comportant un convergent et une collerette) qui enveloppe bien le poste de travail. La collerette permettra de repousser les lignes d'égales vitesses vers l'extérieur et permettra ainsi de maintenir la vitesse d'aspiration à une bonne distance de l'entrée des gaines.

000000000000000000000000000000000000

000000000000000000000000000000000000000000

IV-2-1-3. Calcul du réseau

Ici, nous devons déterminer les caractéristiques des conduites à prévoir dans les différentes branches du réseau, trouver les pertes de charges totales dans le réseau et la hauteur manométrique du ventilateur à installer. De nombreuses méthodes existent dont les plus connues sont :

· Le dimensionnement à perte de charge linéaire constante,

· Le dimensionnement à vitesse constante,

· Le dimensionnement à regain de pression statique,

· L'optimisation technico-économique.

IV-2-1-3-1. Choix de la méthode

Une rapide étude comparative (tableau 3) des différentes méthodes évoquées ci-dessus nous permet de choisir rigoureusement celle qui répond le mieux au cahier des charges de notre système.

Tableau 3 : Choix de la méthode de dimensionnement

Méthode

dimensionnement à perte de charge linéaire constante

dimensionnement à vitesse constante

dimensionnement à regain de pression statique

L'optimisation technico-économique

Objectif

déterminer le diamètre des différents tronçons de façon à avoir une perte de charge linéaire constante dans tout le réseau

dimensionner les différentes sections de passage de façon à avoir une vitesse constante dans toute l'installation

L'objectif de cette méthode est d'obtenir une pression statique quasi-constante à chaque noeud du réseau.

minimisation du coût énergétique de fonctionnement de l'installation, d'investissement initial,

Avantage

méthode simple et rapide

appointé pour des réseaux à une branche

méthode simple et rapide

appointé pour des réseaux à une branche

méthode prenant en compte dès le départ l'équilibrage du réseau.

l'utilisation optimale de la pression totale délivrée par le ventilateur.

Optimisation de l'ensemble de l'installation, ventilateur compris, d'un point de vue énergétique mais aussi économique

Inconvénients

ne correspondent à aucun optimum puisque l'équilibrage du réseau est « artificiel » :

ne correspondent à aucun optimum puisque l'équilibrage du réseau est « artificiel » :

calculs itératifs sur chaque branche du réseau pouvant rapidement devenir fastidieux

Calculs fastidieux

Programmation informatique obligatoire

En examinant le tableau 3 et en tenant compte des exigences du cahier des charges qui demande une vitesse d'aspiration de 20 m/s à la bouche d'aspiration et compte tenu du fait que notre réseau présente une seule branche, nous avons opté pour la méthode de dimensionnement à vitesse constante

IV-2-1-3-2. Diamètre des conduites

Ayant choisi la méthode de dimensionnement à vitesse constante, nous calculons le diamètre des conduites de façon à maintenir une vitesse constance dans toute l'installation. , soit :

(1)

AN : D = 0,195 m = 195 mm Nous utiliserons le diamètre normalisé le plus proche D= 200 mm

IV-2-1-4. Calcul des pertes de charges

Très simplement, la différence des pressions statiques entre deux points A et B d'un circuit de fluide est appelée perte de charge entre A et B. Ainsi pour l'étude de la pression nécessaire, sous laquelle devra fonctionner le ventilateur à installer pour fournir le débit d'air requis, il sera nécessaire de décomposer l'installation en tronçons élémentaires pour lesquels la perte de charge est facile à calculer connaissant l'emplacement des différents accessoires (bouches d'air, filtres, coude, etc...) et les flux d'air à mettre en oeuvre. Nous avons à cet effet, dessiné le réseau aéraulique, en utilisant une représentation en perspective dimétriques (figure 17). Ce schéma comporte tous les accidents (coudes, branchements...) auxquels nous avons attribué des repères. Il est indiqué le débit qui traverse les conduites, et, sur chaque partie rectiligne, la longueur séparant deux accidents.

0000000000000000000000000000000000000

IV-2-1-4-1. Pertes de charges linéaires

Données

;

  = 0,03 mm pour les conduites PVC rigide utilisées

= 0,00014 : rugosité relative

  = 0,021 du diagramme de Moody Mourine en annexe

  = 1,2 Kg/m3

  = 20 m/s

= 220 mm

 = longueur de chaque tronçon considéré

Longueur d'un coude

La perte de charge linéaire est donnée par la formule :

(2)

Avec :

 

:

Nombre de Reynolds (vaut)

 

:

Viscosité cinématique de l'air

 

:

Hauteur des aspérités de surface en mm

 

:

Coefficient de frottement ; fonction de et de

 

:

Masse volumique du fluide (air)

 

:

Vitesse de l'air dans la conduite

 

:

Diamètre intérieur de la conduite (circulaire)

 

:

Longueur totale du tronçon considéré en incluant les longueurs engendrées par les coudes.

En utilisant les données ci-dessus et la formule (2), nous avons pour chaque tronçon, regroupé les résultats dans le tableau 4 suivant :

Tableau 4 : Pertes de charges linéaires

Tronçon

Longueur en m

Perte de charge en Pascal

A - E

5,642

129,25

F - G

0,6

13,75

H - J

4,314

98,83

IV-2-1-4-2. Pertes de charges singulières

Données

  = 1,2 Kg/m3

  = 20 m/s

1 pour tous les coudes. Soit un coefficient de pertes de charges singulières 1(*) 

La perte de charge singulière pour chaque accident est donnée par la formule :

(3)

Avec :

 

:

coefficient de perte de charge singulière de l'accident considéré

 

:

Masse volumique du fluide (air)

 

:

Vitesse de l'air dans la conduite

En utilisant les données ci-dessus et la formule (3), nous avons pour chaque tronçon, regroupé les résultats dans le tableau 5 suivant :

Tableau 5 : Pertes de charges singulières

Tronçon

Nombre de coudes

Coef

Perte de charge en Pascal

A - E

3

0,30

216

F - G

0

-

0

H - J

1

0,30

72

Sortie J

-

1

240

IV-2-1-4-3. Pertes de charges à la traversée du filtre

Les documents constructeurs des filtres nous donnent les valeurs moyennes des pertes de charges à travers un filtre propre et encrassé. Nous nous plaçons dans le pire en supposant le filtre encrassé. On a alors : [9]

IV-2-1-4-4. Pertes du au capotage (entrée du réseau de gaine)

En examinant l'abaque présentée en annexe 6 ; nous trouvons pour le capot de forme conique avec collerette proposé à la figure 16 un coefficient de perte de charge singulière de et donc une perte de charge :

Tableau récapitulatif

Tableau 6 : Récapitulatif des pertes de charges dans le réseau

Branche

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Entrée

-

-

-

-

-

-

0.20

-

48

48

A - E

220

5,642

0,03

20

275000

0,021

0,30

129,25

216

345,25

Filtre

-

-

-

-

-

-

-

-

300

300

F - G

220

0,6

0,03

20

275000

0,021

-

13,75

0

13,75

H - J

220

4,314

0,03

20

275000

0,021

0,30

98,83

72

170,83

Sortie

-

-

-

-

-

-

1

-

240

240

 

IV-2-2. Calculs du ventilateur

Il s'agit dans cette partie de trouver le ventilateur qu'il faut pour vaincre les charges calculées ci-dessus et créer le débit nécessaire. Nous allons donc déterminer ses caractéristiques à l'aide des courbes de fonctionnement fournies par les constructeurs de ventilateurs.

IV-2-2-1. Hauteur manométrique du ventilateur

Le ventilateur à installer doit donc pouvoir débiter Q = 2700 m3/h et une hauteur manométrique de car le circuit est formé d'une seule branche.

IV-2-2-2. Choix du ventilateur

Tout le réseau étant défini, nous pouvons maintenant déterminer la courbe caractéristique du réseau (appelée aussi ouverture) avec : débit volumique dans la branche racine (ou débit principal): en supposant que la perte de charge induite par le réseau peut se mettre sous la forme: Cette caractéristique a une allure parabolique, avec toutefois une partie linéaire pour les petits débits, correspondant au régime laminaire. Cette zone n'étant jamais atteinte en fonctionnement, nous pouvons l'ignorer car c'est le point de fonctionnement qui nous intéresse. [4]

Connaissant le point de fonctionnement souhaité, . Nous trouvons le coefficient K :

Pour trouver le point de fonctionnement de l'installation, nous reportons cette courbe de charge sur les caractéristiques [11] des ventilateurs fournies par le constructeur (EUROPLAST). Le point de fonctionnement est défini par l'intersection des deux courbes 2(*)

Point de fonctionnement :

Avec ce point de fonctionnement, le ventilateur choisi est bien adapté au circuit et vaincra les pertes de charges dans ce dernier ; en effet :

La hauteur manométrique de fonctionnement (1500 Pa) est largement supérieure à la perte de charge totale à travers le réseau qui est de 1118 Pa et le débit de fonctionnement du ventilateur (3000 m3/h) est supérieur au débit souhaité (2700 m3/h)

Caractéristiques du ventilateur : VCPL 315 de EUROPLAST [11]

Tableau 7 : Caractéristiques du ventilateur

caractéristique

Valeur

unité

Débit

3000

m3/h

Hauteur manométrique

1500

Pa

Vitesse de rotation

1850

tr/min

rendement

53

%

IV-2-2-3. Puissance électrique absorbée par le ventilateur :

Connaissant le point de fonctionnement, nous pouvons calculer la puissance absorbée par le ventilateur :

(4)

Avec = 0,53 = rendement global du ventilateur

AN.

V-2-2-4. Choix du moteur

Vu la puissance calculée ci-dessus ; et en consultant les catalogues du fabricant [7] de moteur allemand Germanischer Lloyd Det Nrske Veritas, nous prenons le moteur asynchrone de type K21R 100 L2 de caractéristiques standard suivantes :

Tableau 8 : Caractéristiques du Moteur

caractéristique

Valeur

unité

P

3

KW

N

2865

tr/min

Puissance

100%

 

83,4

%

75%

 

84,2

%

100%

Cos

0,84

-

I

6,15

A

J

0,00275

Kg.m2

M

25

Kg

Avec :

: Puissance du moteur

: Vitesse de rotation du moteur

: Moment d'inertie

: Rendement

: Facteur de puissance

: Intensité du courant nominal

: Masse du moteur

IV-2-3. Dimensionnement de la transmission de puissance

En considérant les caractéristiques du moteur obtenu ci-dessus (2865 tr/min), et étant donné que le ventilateur doit tourner à 1850 tr/min, mous devons donc trouver un accouplement permettant d'assurer les vitesses voulues.

IV-2-3-1. Choix du Types de transmission de puissance

Tableau 9 : Choix de la transmission de puissance

 

Autres types de transmissions

Transmission poulies courroies

Caractéris-tiques

Par engrenage

Par roue et chaîne

Courroies crantées (synchrones)

Courroies trapézoïdales (en v)

Courroies plates

Couples admissibles

Très élevés

élevés

Assez élevés

Moyens

Faibles

Puissances admissibles

Très élevés

élevés

Assez élevés

élevés

Faibles

Rapport limite de transmission

 
 
 
 
 

Position des arbres

Tous cas possibles3(*)

Parallèles

Parallèles

Parallèles

Parallèles et autres

Vitesses limites ()

à

13 à 20

60

40

80 à 100

Rendements ()

98

 
 

70 à 96

98

Durée de vie

Élevé

Assez élevé

limitée

limitée

Limitée

Lubrification

Nécessaire

Nécessaire

inutile

inutile

Inutile

Inconvénients

- Entraxe précis

- Lubrification

- encombrement

- Bruyantes

- lubrification

- Synchronisme non parfait

- rendement

- Faibles couples

Avantages

- Synchronisme

- Précision

- Grands couples

- Grandes puissances

- Assez bon synchronisme

- Supportent des tensions élevées

- Entretien réduit

- Vitesses angulaires constantes

- Économiques

- Encombrements réduits

- Permet un groupement en parallèle

- Grandes vitesses

- Rendements élevés

- Silencieuses

A la lecture du tableau 9, nous prendrons une transmission poulie courroies trapézoïdales qui a l'avantage d'être économique et qui permet des transmissions de puissances élevés.

IV-2-3-2. Dimensionnement des poulies et courroies

Il s'agit ici de trouver les caractéristiques (dimensions, matière, ...) des différents éléments entrant dans la transmission du mouvement de rotation de l'arbre du moteur à celui du ventilateur.

Données :

P = 3 kW

= 2865 tr/min

= 1850 tr/min

Puissance de service Ps

Il est donné par la formule : ou KS est le facteur de service dépendant du taux d'utilisation journalier et du type de fonctionnement du système. Ainsi, pour un système fonctionnant en moyenne 07 heures par jour et sans à coups, nous trouvons [3] : KS= 1,2 et par suite,

Choix des sections (types de courroies)

Les sections normalisées des courroies trapézoïdales sont classées en séries et consignés dans un graphique [3]. Ces sections sont fonctions de la puissance de service et de la vitesse de rotation de la petite poulie

Ainsi, nous prenons en fin de compte une courroie de type A de la série classique dont la section est représentée à la figure 19.

0000000000000000000

Matériaux de la courroie : caoutchouc (usuel) de caractéristiques suivantes :

 
 

1200

100

Caractéristique de courroies usuelles en caoutchouc.

Avec :

 : Résistance à la rupture

 : Masse volumique

E : Module d'élasticité

Diamètres primitifs des poulies

Le rapport de transmission vaut

Nous choisissons donc un diamètre normalisé [3] pour la grande poulie et par suite nous trouvons celui de la petite poulie

DP = 180 mm et dP = 118 mm

Vitesse linéaire des courroies

La vitesse linéaire de la courroie est bien inférieure à la vitesse limite qui vaut

Choix de l'entraxe a

On a : donc [3] soit encore :

Calcul de la longueur primitive de la courroie

(5)

La valeur trouvée ci-dessus n'étant pas normalisée [3], nous prendrons celle qui l'est et qui est la plus proche :

L'écart relatif entre est bien inférieur à l'écart maximal admis. En effet :

Puissance de base de la courroie

La puissance de base est fonction de la vitesse de la courroie VC et du type de courroie (A), à la lecture des tables [3] y afférentes nous trouvons :

Angle d'enroulement des poulies

Pour la petite poulie, on a :

Pour la grande poulie, on a :

Donc les conditions de fonctionnement sont respectées

Puissance admissible

Avec :

: Puissance de base

: Coefficient de correction lié à la longueur de la courroie car plus une courroie est longue, plus la durée de vie est élevé. Sont donné par les abaques [3] et sont fonctions tous les deux du type de courroie et respectivement fonction du diamètre de la poulie et de la longueur de la courroie.

VI-2-4. Dimensionnement de la cabine

OBJECTIF

L'étude de la cabine permet de répondre à des questions comme :

· La cabine va-t-elle casser ?

· Va-t-elle beaucoup se déformer ?

· Puis-je utiliser moins de matière sans pour autant diminuer les performances désirées ?

On peut donc à travers cette étude réduire les coûts et le temps de conception en testant la cabine sur ordinateur plutôt que lors de tests réels qui sont toujours longs et chers.

MODELISATION

Nous utilisons dans cette section le logiciel de CAO SolidWorks. Et les calculs sont effectués à l'aide du module CosmosWorks entièrement intégré dans SolidWorks. Nous avons identifié un seul cas de charge constitué par le poids propre de la structure plus l'effort exercé par l'opérateur à travers la meule au cours du ponçage. La figure 20 nous montre la modélisation des ces efforts.

Au cours de la modélisation, nous avons immobilisé les quatre supports en les assimilant à des liaisons d'encastrement comme indiqué à la figure 21. Ceci impose lors du calcul, des déplacements nuls à toutes les surfaces ainsi désignées.

000000000000000000000000000000000000000000

Le matériau utilisé pour le calcul est l'acier allié dont les caractéristiques principales sont consignées dans le tableau 10

Tableau 10 : caractéristiques du matériau

Nom de propriété

Symbole

Valeur

Module d'élasticité

E

2,0681e+011 N/m2

Coefficient de Poisson

 

0,28

Limite d'élasticité

 

6,2042e+008 N/m2

Masse volumique

 

7800.1 kg/m3

HYPOTHESES

Hypothèse de Linéarité

La relation entre le chargement et la réponse induite est linéaire. Cette hypothèse est vérifiée si : 1) La contrainte la plus élevée se situe dans la portion linéaire de la courbe contrainte déformation, caractérisée par un segment rectiligne partant de l'origine. 2) Le déplacement maximum calculé est considérablement plus petit que la dimension caractéristique de la pièce.

Hypothèse d'élasticité

La pièce doit retrouver sa forme d'origine si les chargements sont supprimés (pas de déformation permanente).

Hypothèse de staticité

Les chargements sont appliqués lentement et graduellement jusqu'à leur intensité maximale. Les chargements appliqués brutalement sont source de déplacements, déformations et contraintes additionnelles.

CALCUL

L'analyse statique, calcule les déplacements, les déformations, et les contraintes dans la cabine, sous l'action de chargements et de blocages imposés ci-dessus. COSMOSXpress utilise l'analyse statique linéaire, basée sur la méthode des éléments finis (Finite Element Method = FEM en anglais) pour calculer les contraintes. L'analyse statique linéaire fait suppose les hypothèses ci-dessus réunies pour calculer les contraintes dans la pièce.

Nombre d'éléments :

34763

Nombre de noeuds :

69463

RESULTATS

La répartition des contraintes de Von Mises dans la structure est donnée par la figure 22. La contrainte maximale vaut 1,6204 e+003 N/m2 et est bien inférieur à la contrainte admissible dans le matériau qui est de 6,2042e+008 N/m2.

00000000000000000000000000000000000

La déformé de la structure est donné par la figure 23. La déformation maximale est de 2 mm ce qui est bien acceptable. Précisons que pour être visible à la représentation de la figure 23, les déformations sont amplifiées par un facteur d'échelle de 4.106.

La figure 24 nous permet de faire une comparaison rapide entre la contrainte en tout point de la structure et la contrainte admissible de Von Mises. Les zones critiques sont représentées en rouge sur la figure 24 et les zones non critiques en bleu.

Nous nous réjouissons de voir que toute la structure est bleue sur la figure 24.

000000000000000000000000

00000000000000000000000000000

VI-2-5. Dimensionnement du separateur

Nous trouverons dans cette partie le type de séparateur approprié pour le système et ensuite nous déterminerons ses caractéristiques notamment ses dimensions et la perte de charge qu'il induit dans le circuit.

CHOIX DU SEPARATEUR APPROPRIE

Un dépoussiéreur est un appareil qui permet la séparation des particules polluantes solides ou gazeuses du courant gazeux dans lequel elles sont en suspension. Dans tous les cas, il faudra choisir l'appareil en considérant le problème des déchets, de leur stockage intermédiaire et de leur évacuation. Dans le choix du dépoussiéreur, on devra toujours examiner la possibilité du recyclage de l'air. Les appareils de dépollution des gaz sont habituellement classés en trois grandes familles principales qui sont explicités dans le tableau 11 suivant :

Tableau 11 : choix du séparateur

Types de dépoussiéreurs

Fonctionnement

Avantages

Inconvénients

les séparateurs mécaniques, notamment cyclones

Les séparateurs de cette famille mettent en jeu une force mécanique pour assurer la séparation des polluants : pesanteur, inertie ou force centrifuge

· Entretien facile

· Faible coût de mise en oeuvre

· Inutilisable pour les particules très fines

les séparateurs à couche filtrante (filtre à manches, à lit de gravier)

Ces séparateurs utilisent les poches filtrantes faites en polystyrènes, en coton, en laine ou en fibre métallique

· Adapté aux particules très fines

· Entretien non évident

· Coût de mise en oeuvre élevé

les séparateurs par voie humide (dépoussiéreurs humides et laveurs de gaz)

Ici, on utilise un courant d'eau généralement sous forme vapeur pour piéger les particules en suspension dans le gaz, ceci permet aussi d'abaisser la température de l'air

· Adapté aux particules très fines

· Adapté pour les systèmes de recyclage d'air

· Entretien difficile

· Coût de mise en oeuvre élevé

A la lecture du tableau 11 et étant donné que nous ne recyclons pas l'air à la sortie du séparateur, nous optons pour un cyclone à entrée tangentielle haute efficacité (type HC) qui a l'avantage d'être économique et d'entretien facile.

FONCTIONNEMENT

00000000000000000000

Le mélange air déchets arrivant par la bouche d'entrée est mis en rotation immédiatement, du fait de la courbure de la paroi. Le tourbillon créé transmet aux particules solides une énergie cinétique qui tend à plaquer les déchets les plus grossiers contre la paroi du cylindre C2 (figure 25) quant aux filets d'air ils se dirigent vers le tourbillon ascensionnel qui s'est formé à l'intérieur de C1, à cause de la différence de pression existant entre celle du cyclone et celle de l'atmosphère. Le prolongement conique à la partie basse du cyclone a pour effet de repousser progressivement vers le tourbillon ascendant les filets d'air descendant et de les intégrer à celui-ci, en même temps qu'il canalise les déchets vers l'orifice d'évacuation inférieure. Une particule débouche en A dans le cyclone et, par l'action de la force centrifuge, tend à se rapprocher de la périphérie ; elle prend contact avec la paroi en B et se trouve, à partir de ce moment, dans le filet d'air tournant contre la paroi et contenant en suspension une forte concentration de particules.

DIMENTIONNEMENT

Il faut maintenant déterminer les caractéristiques du cyclone pour répondre aux exigences du circuit.

PARAMETRES CONNUS

Débit d'air : 2700 m3/h

Densité du solide : 2500 kg /m3

Diamètre moyen des particules 5 micron

Vitesse d'entrée du cyclone : 20 m/s

PARAMETRES A DETERMINER

Dimensions du cyclone

La Courbe des cyclones haute efficacité (HC) fournie en annexe 7 nous permet de déterminer les dimensions principales du cyclone connaissant la vitesse à l'entrée et le débit d'air nécessaire nous obtenons le résultat suivant :

Diamètre extérieur : 150 mm

Perte de charge dans le cyclone

La deuxième courbe en annexe 7 nous donne la perte de charge moyenne à la traversé d'un cyclone de dimensions connue pour un débit donné. Avec le diamètre de 150 mm trouvé précédemment et un débit de 2700 m3/s

Perte de charge à la traversé : 300 Pa

VI-3. SCHEMA ELECTRIQUE DU SYSTEME ET EVALUATION DU COUT DE REALISATION

Cette section nous permettra de décrire tous les éléments de protection à prévoir dans le circuit électrique d'alimentation et de commande du moteur. Nous évaluerons à la fin de la section le coût de réalisation du système question de savoir si la réalisation de ce dernier est économiquement rentable pour l'entreprise.

VI-3-1. Schéma de puissance

000000000000000000000000000

M : moteur asynchrone triphasé

 

F2 : relais magnétothermique

 

F1 : sectionneur à fusible

 

VI-3-2. Schéma de commande

00000000000000000000000000000000000000000000000

H1 : voyant sous tension

S3 : bouton poussoir marche

H2 : voyant surcharge

S1 : bouton poussoir arrêt

H3 : Voyant marche

F2 : contact auxiliaire du relais

VI-3-3. Description du fonctionnement

Le système comporte au niveau du pupitre de commande, deux boutons poussoirs à retour automatique matérialisé dans le circuit de commande par :

S2 pour le bouton poussoir marche

S1 pour le bouton poussoir arrêt systématique du moteur

Le pupitre, situé au niveau de la cabine de ponçage, comprend trois voyants lumineux indiquant l'état du système à l'opérateur.

H1 : Allumé, indique que l'installation est sous tension.

H2 : Allumé, indique une surcharge du moteur

H3 : Allumé, indique le fonctionnement normal du système.

Au départ du cycle, nous supposons le moteur en arrêt.

§ Si on actionne le bouton Poussoir S2, le contacteur KM1 est excité, le contact auxiliaire KM11 se ferme et maintient la bobine de KM1 excité après le relâchement de S2. au même instant, les contacts principaux de KM1 se ferment et le moteur M se met en marche entraînant du même coup le ventilateur et par suite le système d'aspiration. Le voyant lumineux H3 s'allume indiquant l'état de fonctionnement du système.

§ Une action sur le Bouton Poussoir S1 provoque le déxcitation immédiate de KM1 et l'arrêt du moteur. Le voyant H3 s'éteint

§ Le voyant S1 reste allumé tant que le système est sous tension (alimenté par le secteur) il ne s'interrompt que lorsque le courant du secteur n'est plus disponible.

§ En cas de surcharge, le voyant H2 s'allume et permets donc à l'opérateur d'arrêter le système question d'aller décolmater le filtre étant donné que ce dernier sera la principale cause de surcharge du moteur.

VI-3-4. Coût de réalisation du système

Dans cette partie, nous donnons un devis estimatif des différents équipements à mettre en oeuvre pour obtenir le système d'aspiration étudié ci-dessus. Les différents prix évoqués sont ceux du marché courant et peuvent éventuellement suivre les fluctuations de ce dernier.

Tableau 14 : coût d'acquisition

Désignation

Nombre

Prix unitaire (Fcfa)

Prix Total (Fcfa)

Ventilateur

01

 

125 000

Cabine

01

 

45 000

Conduites

 
 

78 000

Moteur

01

300 000

300 000

Courroies

01

4 000

4 000

Filtre

01

70 000

70 000

Prise

02

1 000

2 000

Accessoires

 
 

95 000

Lampes

03

500

1500

Poulies

02

10 000

20 000

Câble

30 m

250

15 000

Paliers

04

15 000

60 000

Boutons poussoirs

03

2 500

75 000

contacteur

01

8 000

30 000

Relais thermique

01

8 000

7000

Sectionneur à fusible

01

8 000

8 000

Total brut (Fcfa)

935 500

Main d'oeuvre

(20 %)

187 100

Marge de sécurité

(10 %)

93 550

Total (Fcfa)

1 216 150

Le coût brut de réalisation du projet (1 216 150 F CFA) est bien à la portée de la MIPROMALO (direction de la recherche et du développement des équipements) et même, le dit coût peut être encore minimisé dans la mesure ou l'on envisagerai une récupération du ventilateur disponible à la MIPROMALO

IV-4. PROCEDÉ D'OBTENTION DES COMPOSANTS DU SYSTEME

Le système devant être fabriqué en un exemplaire, il est indélicat de penser aux techniques de production comme le moulage qui coûterai très cher. Cela dit, pour obtenir les différents composants, nous proposons ;

o Pour la cabine.

La cabine est un assemblage soudé des différentes poutres et tôles de caractéristiques indiqués au chapitre IV.

o Pour le ventilateur

Nous avons utilisé pour le dimensionnement du réseau aéraulique la courbe de fonctionnement d'un ventilateur particulier ; donc il sera plus commode d'e se procurer le dit ventilateur. Mais à défaut, on pourra bien prendre un ventilateur de caractéristiques équivalentes sur le marché. Dans une certaine mesure, on peut envisager la récupération n du ventilateur disponible à la MIPROMALO.

o Pour le cyclone

Il devra être assemblé par soudage.

o Pour le moteur

Il sera acheté dans le marché courant et on devra tout simplement s'assurer de la correspondance des caractéristiques.

o Pour les conduites

Il s'agit du PVC rigide standard de diamètre normalisé connu (Chapitre IV)

o Pour la poulie, les courroies et les accessoires électriques.

Ils sont trouvés sur le marché avec des caractéristiques calculées au chapitre IV.

CONCLUSION GENERALE

Notre travail a consisté à concevoir un système de dépoussiérage du poste de ponçage de carreau de la MIPROMALO. Nous avons fait une étude fonctionnelle technique et économique du système. Après avoir circonscrit le système et étudié les différentes solutions possibles, nous avons ressorti les dessins d'ensemble et de définitions du système d'aspiration. Un dimensionnement adéquat de chaque élément du système nous a permis de trouver les caractéristiques appropriées pour chacun d'eux. Par ailleurs, nous avons réalisé un schéma électrique illustratif de puissance et de commande du système question de présenter les différents éléments de protection à prévoir. Enfin, une évaluation du coût de réalisation du système nous a permit de trouver que à 1 216 150 F CFA, la MIPROMALO peut réaliser ce système qui lui apporterai un gain substantiel par suppression des temps morts qui sanctionnent les créneaux de ponçage.

Bien que nous soyons arrivé au terme de notre étude, il n'en demeure pas moins que nous avons rencontré beaucoup de difficultés et par conséquent, nos proposons à la MIPROMALO d'offrir d'avantages de moyens logistique aux stagiaires pour mener à bien leurs travaux. Enfin, une pareille étude ne s'aurai suffire pour la réalisation du système mais elle est tout de même une phase indispensable et incontournable à cette fin. Il faudra donc, avant la phase de mise en oeuvre du projet, dimensionner les différents éléments de protection suggérés dans le circuit électrique.

.

REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES

[ 1 ] TCHANDE TIAKO Yves Stéphane. (2004)

Conception d'une ponceuse a eau pour le ponçage des carreaux. Mémoire de fin d'études d'ingénieurs, ENSP, Yaoundé Cameroun.

[ 2 ] Marcel SEDILLE. (1973)

Ventilateurs et compresseurs centrifuges et axiaux aérodynamique générale calcul et dimensionnement, Tome 1, édition EYROLLES, France.

[ 3 ] Jean Louis FANCHON. (1978)

Guide des sciences et technologies industrielles - Dessin industriel et graphes. Matériaux. Éléments de construction. Économie et organisation d'entreprise. Automatisme, édition AFNOR, France.

[ 4 ] Michel A. Morel. (1993)

Exercices de mécanique des fluides - turbomachines, construction graphique, phénomènes transitoires, Tome 2, édition EYROLLES, France.

[ 5 ] Gaétan BEAULIEU (1998)

Guide de conception et calcul des convoyeurs pneumatiques à basse et moyenne pression, édition Beaulier INC, Canada.

[ 6 ] http://neveu.pierre.free.fr/index.htm

[ 7 ] http://depollunet.free.fr/AspSom.html

[ 8 ] http://www.aeib-ventilators.com/helicoides.html

[ 9 ] http://www.thermexcel.com/french/index.htm

[ 10 ] http://www.airliquide.com/fr_index.asp

[ 11 ] http://www.europlast-paris.com/

ANNEXES

Contenu

ANNEXE 1. DESSINS DE DEFINITIONS

1-1. cabine de ponçage

1-2. filtre à poussière

ANNEXE 2. CHOIX DE LA VITESSE DE L'AIR

ANNEXE 3. COURBE DE FONCTIONNEMENT DU VENTILATEUR

ANNEXE 4. CHOIX DE LA VITESSE D'ECOULEMENT

ANNEXE 5. DIAGRAMME DE MODDY MOURINE (COEFFICIENT DE PERTE DE CHARGE LINEAIRE)

ANNEXE 6. COEFFICIENT DE PERTES DE CHARGES SINGULIERES

ANNEXE 7. PERTES DE CHARGES DU AU CAPOTAGE

* 1 Voir le tableau en Annexe

* 2 Voir ANNEXE 3

* 3 Arbres parallèles, orthogonaux, et même de position quelconque






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