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PROMOTION 2009-2010

ECOLE SUPERIEURE POLYTECHNIQUE

DEPARTEMENT GENIE ELECTRIQUE

DEPARTEMENT GENIE MECANIQUE PRODUCTIQUE FILIERE GENIE INDUSTRIEL

Présenté Par: RAKOTOVAO Tojo Fanambinantsoa

Directeur de mémoire :

Monsieur

RANOARIVONY Andrianjoelimahefa Honoré-Maître De Conférences Date de soutenance : 26 Mars 2011 DIMENSIONNEMENT ET BILAN

PROMOTION 2009-2010

ECOLE SUPERIEURE POLYTECHNIQUE

DEPARTEMENT GENIE ELECTRIQUE

DEPARTEMENT DU GENIE MECANIQUE PRODUCTIQUE FILIERE GENIE INDUSTRIEL professionnelle Présenté Par: RAKOTOVAO Tojo Fanambinantsoa Directeur de mémoire :

Monsieur

RANOARIVONY Andrianjoelimahefa Honoré-Maître De

Président du jury

: Monsieur RAKOTOMANANA Charles Rodin -Maître De

Membres du jury :

Monsieur RAKOTONIRIANA René -Maître De Conférences Monsieur RANARIJAONA Jean Désiré -Maître De Conférences

Monsieur ANDRIAMANALINA William

DIMENSIONNEMENT ET BILAN

REMERCIEMENTS

- Je tiens à adresser mes vifs à toutes les personnes qui ont apporté leurs précieuses

Professeur Philipe ANDRIANARY

Monsieur RANOARIVONY Andrianjoelimahefa Honoré-Maître De Conférences Monsieur RAKOTOMANANA Charles Rodin -Maître De Conférences, tement Génie Mécanique Productique, et Président du Jury du présent Mémoire ; Monsieur RAKOTONIRIANA René -Maître De Conférences Monsieur RANARIJAONA Jean Désiré -Maître De Conférences

Enseignant Chercheur à l ;

Monsieur ANDRIAMANALINA William

- Je remercie ma famille et mes amis pour leurs soutiens moraux et matériels, ainsi que tous ceux qui nou Dimensionnement et bilan thermiqǯ Filière Génie Industriel Page 1 Introduction de nature, on ne peut que penser à la faune et à la flore.

Madagascar est très riche dans ce qui est de la végétation. Les plantes à vertu

médicinales y abondent mais encore faut-il le rappeler les plantes doivent être exploitées. encore micro-onde pour extraire la résine des lequel se trouvent le dimensionnement e jeu

Cette chaudière répond aux exigences en termes de production mais aussi et surtout en

matière de normes environnementaux. La chaudière présente un énorme avantage avec

La chaudière est conçue dans un défi ssources naturelles. Le présent ouvrage comporte trois des impacts. Dimensionnement et bilan thermiqǯ Filière Génie Industriel Page 2

PARTIE I : METHODOLOGIE

Dimensionnement et bilan thermiqǯ Filière Génie Industriel Page 3

Chapitre I : GENERALITE

1.1 Contexte économique Situation géographique

ans de méthodes

artisanales. Ce problème se répercute sur la quantité du produit fini autant que sur sa qualité.

Mais le plus grand des problèmes auquel les pays en voies de développement font face, dans le secteur productif, est sans doute la mauvaise gestion des ressources. Par exemple, avec des

recherches et le présent ouvrage apporte sa contribution dans cette lutte continue. Opportunité

Les déchets ainsi que les produits de récupérations présentent des avantages inestimables

copeaux de bois qui sortent des boiseries, souvent en grande quantité et ayant de très bonnes qualités en tant que combustible solide sont avantageux du fait de leurs bas prix et des

Une autre source fiabl ; cela favorise

et valorise ce produit qui peut être qualifié de déchet industriel et peut être bien plus. 1.2 ǯ rès

permanence sans pour autant diminuer en quantité, le soleil, par exemple, la mer, la forêt, le it renouvelable ou non renouvelable. Dimensionnement et bilan thermiqǯ Filière Génie Industriel Page 4 ǯ

telles que le charbon de terre et les carburants dérivés du pétrole; en prenant comme exemple

le fuel et le abordable. Par contre cette source est épuisable dans le temps et est très polluante. ǯ quelques-unes

depuis jadis. Les plus classiques des inventions sont les moulins à vent et à eau. Ces

t côté coût est accentué -à-dire la réduction des pertes. Les pertes, pouvant être ainsi que les coûts rattachés à la maintenance des installatio plus longues. Dimensionnement et bilan thermiqǯ Filière Génie Industriel Page 5

2. Chapitre II: LA CHAUDIERE TUBULAIRE

ce de chauffe, pour rendre la vaporisation plus rapide. 2.1 Historique

États-

appareils dits fourneaux à chaudières. 2.2 ǯEmploi Marc Séguin : - cylindres et ceux-ci dans le foyer même ; on le peut encore en faisant passer la flamme du

Figure 1: Chaudière tubulaire

Dimensionnement et bilan thermiqǯ Filière Génie Industriel Page 6 2.3 La technologie des briques réfractaires Généralité

Une brique réfractaire est principalement conçue pour résister à la haute température mais

également pour une fa briques

intérieur a ctaire qui va constituer la seconde couche du mur du four. La Technologie de fabrication nent en général 30 à eindre 80% et plus ; le taux

228mm×115mm×64mm.

La magnésie (MgO) est utilisée comme matériau réfractaire dans les fours comme la chaux

2 SiO4) sont parfois utilisés comme éléments réfractaires pour des moules dans la fabrication par moulage.

Ce peut aussi être : kaolin (silice-alumine), argiles (silice- alumine-céramiques, à commencer par les simples briques par exemple, la chromite (oxyde chromique-oxyde de fer : FeCr

2O4) 2.4 Les éléments de la chaudière La paroi du four

Dimensionnement et bilan thermiqǯ Filière Génie Industriel Page 7 en réalité la paroi limite le flux sortant du four. Dans sa conception

ce principe. Le four est construit avec différents couches de matériaux dont une en briques

réfractaires aptes à subir la haute température dans le four, une couche de briques de très

haute résistivité thermique capables de diminuer considérablement le flux passant à travers et

une couche de brique ordinaire pour assurer sa dureté. La citerne La citerne est conçue pour avoir une longue durée de vie. Durant une longue période, la on de maintenance. De ce fait il est impératif que

Il est aussi prévu un orifice dans la partie inférieur pour servir de vidange. Les plaques chauffantes

Les plaques chauffantes, autant que la citerne, absorbent nergie thermique. Mais à la nergie emmagasinée dans la plaque chauffante ne peut etre destinée à retencette énergie thermique fournie. Le dimensionnement

est alors axé sur le choix du materiau, sa forme geomètrique et sa dimension. 2.5 Fonctionnement et rôle de la chaudière La citerne

Dans le cas où

cteur de cette La citerne est conçue pour résister à la haute température, la haute pression, en ayant vailler isolé du monde extérieur donc sans activité de maintenance. Des filtrations sont faites en amont ou mps voulu. Dimensionnement et bilan thermiqǯ Filière Génie Industriel Page 8 Le four Le four est le lieu de la combustion du combustible, autrement dit la réaction est contenu dans

le four. Il joue donc aussi un grand rôle dans la transmission de la quantité de chaleur vers la

citerne. Les éléments constituant le four sont :

La paroi ou revêtement

Les plaques chauffantes

La cheminée

partie est stockée au niveau de la plaque chauffante. remplacera celui produit par la source désormais épuisée. La paroi du four

Dimensionnement et bilan thermiqǯ Filière Génie Industriel Page 9 Les types de combustion

Il existe deux sortes de combustion :

La combustion incomplète

Et la combustion complète Théorie de la combustion du bois Le processus de la combustion du bois est une série complexe de réactions chimiques se

Dimensionnement et bilan thermiqǯ Filière Génie Industriel Page 10 Phases de la combustion :

Le procédé de combustion se présente sous trois (3) phases distinctes, la première phase

plus les particules de bois sont petites, plus courte est la durée de cette phase. Au gaz volatiles sont vaporisés. Ces vapeurs contiennent entre 50 et 60% de la valeur calorifique ce stage pour bois sous une température supérieure à 1 100 o

produit en dehors de la masse des particules de bois, il faudrait prévoir une proportion

-dessus du feu 80% (air

2.6.3.1 La combustion incomplète charbon. La première phase de

phase de combustion. Dimensionnement et bilan thermiqǯ Filière Génie Industriel Page 11 Figure 3: Feu de bois 2.6.3.2 ǯparticules solides : x Préchauffer le carburant de façon à favoriser la production des gaz volatiles pour démarrer et supporter la combustion. x de la chambre de combustion. x Prévoir un temps de résidence de la flamme suffisamment long pour compléter la combustion tout en évitant les parois froides. x x

Avoir un échangeur de capacité approprié au brûleur de la chaudière. Le transfert thermique

2.6.4.1 Le flux thermique Le flux thermique (ou flux de chaleur), souvent noté , entre deux milieux de températures

T

i différentes correspond au transfert thermique Q qui s'écoule par unité de temps t entre les

deux milieux :

Ce transfert d'énergie interne est réalisé du corps plus chaud vers le corps le plus froid, ce qui

produit une égalisation des températures des deux corps en contact. Le flux thermique

Dimensionnement et bilan thermiqǯ Filière Génie Industriel Page 12 s'exprime en J/s ou c'est équivalent en W. Le flux thermique est gouverné par les

principes de la thermodynamique et l'équation de la chaleur. Lorsque ce flux thermique traverse une surface S, on obtient une densité de flux de chaleur notée telle que Cette densité de flux de chaleur est par conséquent exprimée en W/m².

Tous les corps (solide, liquide ou gazeux) en contact subissent ce phénomène d'échange

thermique. L'utilisation de matériaux isolants ou d'un matériau conducteur permet d'intervenir

sur l'intensité du flux transmis. Le transfert thermique peut être effectué par conduction

thermique, rayonnement et convection. Ces modes d'échange sont bien souvent " cumulés ». 2.6.4.2 Les modes de transferts thermiques 2.6.4.2.1 Le transfert par conduction Le transfert par conduction est le mode de propagation de la chaleur dans un solide sans

déplacement de matière. Le flux de chaleur transmis est fonction de la conductivité thermique

matériau dans la direction du flux. La conductivité thermique ca

la conductivité thermique est élevée, le matériau est un bon conducteur de chaleur. Lorsque la

conductivité thermique est petite, le matériau est un isolant thermique. La théorie de la

conduction thermique suit la Loi de FOURIER.

Avec :

ection est caractérisé par le mode

Dimensionnement et bilan thermiqǯ Filière Génie Industriel Page 13 e contact entre le fluide et le matériau. Ce mécanisme de

transfert étant régi par la loi de NEWTON.

Il existe deux sortes de convection :

¾ La convection naturelle

¾ Et la convection forcée 2.6.4.2.3 Le transfert de chaleur par rayonnement Le transfert est fonction des caractéristiques physiques du matériau notamment son facteur

e puisque ௧௘ Avec :

Le transfert de chaleur par rayonnement dépend surtout de la propriété physique du matériau,

le rayon lumineux est en parti réffléchi(ߩ),une partie est absorbée(ן transmis(߬

Dimensionnement et bilan thermiqǯ Filière Génie Industriel Page 14 2.7 ǯ Définition

de mélange du combustible avec le comburant. Le combustible peut être solide, liquide ou gazeux -à-dire gazeux et liquide rarement. pièces principales assemblées, devenant solidaire et immobiles mélange combustible.

Figure 4: Ejecteur Venturi

Dimensionnement et bilan thermiqǯ Filière Génie Industriel Page 15 Principe de fonctionnement

Figure 5: Principe d'aspiration de l'éjecteur

L'effet venturi crée une dépression au niveau du port d'aspiration de l'éjecteur. Cet effet

l'injecteur. La majorité des modèles d'éjecteurs commence à aspirer dès que la pression de

sortie est inférieure d'environ 20% à 25% à la pression d'entrée. L'air sous pression qui entre dans l'éjecteur s'écoule dans une conduite dont la section est

progressivement étranglée. Il en résulte une augmentation de la vitesse d'écoulement et donc

une diminution de la pression statique. Cette diminution de pression permet d'aspirer un jecteur, à travers le port d'aspiration. Au niveau du port d'aspiration, l'écoulement est turbulent, ce qui permet un mélange immédiat des deux fluides. En aval du

port d'aspiration, la section augmente, ce qui fait que la vitesse diminue et la pression

augmente à nouveau x

Obtenir une grande vitesse

x

Obtenir un nuage de carburant

x C x

Avoir un écoulement laminaire

x

On confond vitesse effective et vitesse apparente

Dimensionnement et bilan thermiqǯ Filière Génie Industriel Page 16 Figure 6: Flux d'écoulement d'un Ejecteur 2.7.3.1 Conservation de masse ܳ ௘൅ ܳ௖ൌ ܳ௦ 2.7.3.2 Débit volumique ߜ

Avec ߜ௜ǣܾ݀

Avec Dimensionnement et bilan thermiqǯ Filière Génie Industriel Page 17 ݄ toutes les sections. Pour tout écoulement de gaz avec pression normale de 1bar, par exemple, elles peuvent être négligées et on obtient une équation de la forme : pression totale p c. est plus grande que la moitié de la vitesse du son sur les gaz.

Dimensionnement et bilan thermiqǯ Filière Génie Industriel Page 18 3. Chapitre III : BILAN THERMIQUES

Figure 7: Dessin Chaudière

Dimensionnement et bilan thermiqǯ Filière Génie Industriel Page 19

3.1 Les grandeurs mis en jeu dans le processus de transfert thermique

Les éléments mis en jeu sont

La plaque chauffante :

W a,k : accumulation thermique au niveau de la plaque chauffante Q

W,TP : débit thermique vers plaque chauffante

W A,KS Q A,KS M ak

Paroi :

Q W,SO : débit thermique sortant de la paroi Schéma de transfert en régime transitoire

Accumulation

d'Ġnergie thermique Wa,k

ǀers l'edžtĠrieur YW,SO Accumulation de

masse Mak et d'Ġnergie thermique WA,KS Plaque chauffante

Paroi Espace de travail

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