Élaboration d'un procédé de formage dédié à la fabrication de recupérateurs de chaleur des eaux usées

Barrière-Morin, Benoit (2015). Élaboration d'un procédé de formage dédié à la fabrication de recupérateurs de chaleur des eaux usées. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

L’objectif de ce projet de recherche est d’élaborer un procédé permettant de produire des récupérateurs de chaleur. Le procédé doit être en mesure d’enrouler, de façon hélicoïdale à spires jointives, un tube serpentin de cuivre sur un tuyau central. En utilisant les diamètres du tube serpentin et du tuyau central requis, les tests d’enroulement préliminaires ont montré que l’enroulement d’un tube rond ne donne pas un résultat qui respecte les critères au niveau de l’efficacité énergétique et au niveau des pertes de charge. Une étape de préformage du tube serpentin doit donc être effectuée avant l’enroulement. Un modèle d’éléments finis a été développé sur ANSYS, avec le solveur dynamique explicite LS-DYNA, pour modéliser le procédé. Pour modéliser les propriétés mécaniques du cuivre utilisé pour le tube serpentin, une équation de type loi de puissance a été utilisée. Celle-ci a été déterminée à l’aide des données recueillies lors des essais de traction effectués. Le modèle d’éléments finis a été utilisé pour tester plusieurs types de géométries préformées du tube serpentin. Des tests d’enroulement expérimentaux ont été réalisés sur un banc de test conçu à cet effet, pour confirmer que les résultats obtenus par éléments finis étaient cohérents avec la réalité. Ces tests ont révélé que le modèle d’éléments finis permettait de prédire les dimensions extérieures de la section du tube serpentin enroulé avec une erreur en dessous de 6%.

Les simulations ont permis de définir un modèle de géométrie préformée qui permet d’obtenir une section du tube serpentin enroulée qui atteint les critères de performance requis. Un récupérateur de chaleur a ensuite été produit en préformant le tube serpentin à l’aide d’une bague de formage conçue selon cette géométrie. La performance de celui-ci a ensuite été testée et les résultats étaient très prometteurs.

Titre traduit

Elaboration of a forming process to manufacture drain water heat recovery system

Résumé traduit

The objective of this research project is to develop a process capable of manufacturing a drain water heat recovery system. The process must be able to coil a copper tube over a central pipe. The coiled tube must be helical and all coils must be in contact with each other. Preliminary tests revealed that, with the required coiled tube and central pipe diameters, performance results given by a coiled tube with an initial circular cross section does not meet the requirements regarding the heat recovery efficiency and the pressure loss. Regarding those results, the tube section must be shaped before coiling. A finite element model was developed using ANSYS/LS-DYNA in order to simulate the coiling process. The material properties of the copper used for the coiled tube were determined by uniaxial tension tests and a power law equation was used to reproduce the stress-strain curve in the finite element model. Using the finite element model, a preformed geometry was found to be able to achieve an acceptable coiled cross section in terms of efficiency. An experimental coiling test was made to compare its results with the simulation results. Experiments revealed that the finite element model was able to predict the outside dimensions of the coiled tube with an error of less than 6%.

The simulations made it possible to define a geometry model suitable to be used to preform the tube prior to coiling it. With this preformed geometry, the result of coiling the tube satisfies the performance requirements. A complete drain water heat recovery unit was manufactured using a forming die designed with this geometry model. The performance of this unit was tested and the results were very good.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Mémoire présenté à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention de la maîtrise avec mémoire en génie mécanique". Bibliographie : pages 77-78.
Mots-clés libres:	analyse numérique, méthode des éléments finis, dynamique explicite, grande déformation, formage, cuivre, pièce tubulaire, tube, enroulement, enroulement hélicoïdal
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Champliaud, Henri
Codirecteur:	Codirecteur Feng, Zhengkun
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie mécanique
Date de dépôt:	05 juin 2018 13:59
Dernière modification:	31 oct. 2018 14:29
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1467

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