MEC3340 Réingénierie des systèmes mécaniques

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1 MEC3340 Réingénierie des systèmes mécaniques
Optimisation de la conception d’un séparateur d’air - 19 mars 2006

2 Sommaire Introduction : rappel des objectifs Cahier des charges
Gestion du projet Solution de Ionisation Réingénierie Fabrication Vortex : solution retenue Coûts Explication des coûts Présentation des devis Conclusion - AJOUTER DESSIN DE DEF DU VORTEX - parler des objectifs du projet

3 Cahier des charges Rappel des principaux critères:
Intro Gestion du projet Organisation Planning Risques Étude d’ingénierie Cahier des charges Ionisation Vortex Coûts Rappel des principaux critères: Poids limité à 140g, Vie supérieure à h, Efficacité supérieure à 85%, Débit d’entrée de 475g/min, Débit de sortie 141g/min, 2000 pièces produites la première année puis 1000 pendant 20 ans -

4 Organisation Organisation Intro Gestion du projet Planning Risques
Étude d’ingénierie Cahier des charges Ionisation Vortex Coûts Conclusion -

5 Gestion du projet Planning Intro Gestion du projet Organisation
Risques Étude d’ingénierie Cahier des charges Ionisation Vortex Coûts Conclusion - NOUVEAU PLANNING

6 Gestion de projet Déroulement du projet Planning Brainstorming Design
Intro Gestion du projet Organisation Planning Risques Étude d’ingénierie Cahier des charges Ionisation Vortex Coûts Conclusion Déroulement du projet Brainstorming Design Choix des matériaux - Optimisation Fabrication Simulations Prototype

7 Gestion du risque 2 types de risques :
Intro Gestion du projet Organisation Planning Risques Étude d’ingénierie Cahier des charges Ionisation Vortex Coûts Conclusion 2 types de risques : Développement en parallèle de deux solutions Coût : 1800$ soit 5% des coûts d’ingénierie Justifié car risque de dépassement de l’échéance quasi nul ! 1/ Lié au déroulement du projet Stratégie de gestion du projet - 2/ Lié au design du séparateur Stratégie de conception

8 Rappel 1ere présentation
Intro Gestion du projet Organisation Planning Risques Étude d’ingénierie Cahier des charges Ionisation Vortex Coûts -

9 Ionisation La Ionisation des particules est une solution très innovante que nous avons décidé de développer tant pour son caractère novateur que pour les avantages qu’elle a sur les autres types de séparateurs air/poussières. Le principe est utilisé dans de nombreuses applications, notamment dans le domaine médical et dans des laboratoires de recherche en technologie de pointe.

10 Rappel du principe Ionisation Intro Gestion du projet Organisation
Planning Risques Étude d’ingénierie Cahier des charges Ionisation Vortex Coûts Conclusion -

11 Ionisation et déviation
Intro Gestion du projet Organisation Planning Risques Étude d’ingénierie Cahier des charges Ionisation Vortex Coûts Conclusion Création du plasma : 80 kV Source à proximité : 25 V Amplificateur 880g… Déviation Trajectoire parabolique -

12 Design préliminaire Ionisation Ionisation Déviation Intro
Gestion du projet Organisation Planning Risques Étude d’ingénierie Cahier des charges Ionisation Vortex Coûts Conclusion Ionisation - AJOUTER DESSIN DE DEFINITION DE L’ASSEMBLAGE, SANS LES COTATIONS Déviation

13 Avantages Rendement exceptionnel de 98%
Intro Gestion du projet Organisation Planning Risques Étude d’ingénierie Cahier des charges Ionisation Vortex Coûts Conclusion Rendement exceptionnel de 98% Utilisation à des températures très élevées : 400°C Faible chute de pression Efficacité optimale pour particules d’environ 10μm - calcul du rendement : relation de Deutsch-Andersen-Flokt  - rendement dépend de l’efficacité de charge des poussières. Il faut bien choisir les paramètres comme les dimensions et la tension. Aucun entretien nécessaire : garanti « à vie » Possibilité de surveiller les défaillances

14 Limites Manque de temps et de moyens pour peaufiner la solution
Intro Gestion du projet Organisation Planning Risques Étude d’ingénierie Cahier des charges Ionisation Vortex Coûts Conclusion Manque de temps et de moyens pour peaufiner la solution Tests nécessaires Validité du mécanisme Résistance au décharges rencontrées en vol Fiabilité de l’électronique Critère de poids non respecté pour le moment Fabrication à priori plus complexe - tests nécessaires car théorie Ok, pratique Ok pour grands volumes, mais à notre échelle…

15 Solution que nous avons retenue : VORTEX
Les difficultés que nous avons rencontrées dans le développement de la solution de Ionisation ainsi que le manque de moyens pour réaliser des tests sur prototypes nous ont conduit à choisir la solution de Vortex. Comme nous venons de vous expliquer, la solution de Ionisation est une solution très innovante qui mérite d’être développée. Les performances qu’elle peut atteindre sont exceptionnelles en théorie, mais nous n’avons malheureusement eu ni les moyens ni le temps de les vérifier concrètement. Même si le principe est prouvé à des échelles plus grandes, nous ne pouvons pas nous permettre de vous présenter un produit si peu fiable à cette heure. Pour cette raison, nous n’avons pas encore réalisé l’industrialisation de cette solution. Weight&Prizeney a décidé de tout faire pour trouver un financement à ces nouvelles recherches dans le but de vous proposer, dans un an maximum, cette solution « magique ».

16 Principe de fonctionnement
Intro Gestion du projet Organisation Planning Risques Étude d’ingénierie Cahier des charges Ionisation Vortex Coûts Conclusion Force centrifuge Rayon du tourbillon 90% - Notons d’abord que le diamètre du tourbillon (avant la section conique) est la dimension la plus importante pour l’efficacité. En effet, plus le diamètre du cylindre est petit, plus l’efficacité est grande réduisant du même coup la capacité et augmentant aussi la sensibilité du séparateur face au colmatage (voir gestion du risque). De plus, la longueur du séparateur a un impact déterminant non pas seulement sur l’efficacité mais aussi sur la résistance visqueuse du flux. En général, on maximise la longueur pour favoriser l’efficacité.

17 Design Design Simulations sous FLUENT Séparateur Vortex de LAPPLE
Intro Gestion du projet Organisation Planning Risques Étude d’ingénierie Cahier des charges Ionisation Vortex Coûts Conclusion Design Simulations sous FLUENT Séparateur Vortex de LAPPLE Modèle RSM « Reynold Stress Model  » -

18 Design Trajectoire de 1500 particules, Ø 0.2µm à 0.1mm Vortex Intro
Gestion du projet Organisation Planning Risques Étude d’ingénierie Cahier des charges Ionisation Vortex Coûts Conclusion Trajectoire de 1500 particules, Ø 0.2µm à 0.1mm - À la suite de ces figures, nous pouvons voir qu’il y a une concentration évidente des particules les plus grosses (en rouge) juste haut-dessus du cône, en anneau collés à la paroi. De plus, une trajectoire nette des particules les plus petites (en bleu) se forme dans la section conique. On conclue alors que pour une taille donnée, une particule aura un trajet bien spécifique. Voici la trajectoire de particules de tailles données :

19 Design Design Trajectoire pour 1 particule, Ø 0.2µm à 0.1mm Vortex
Intro Gestion du projet Organisation Planning Risques Étude d’ingénierie Cahier des charges Ionisation Vortex Coûts Conclusion Design Trajectoire pour 1 particule, Ø 0.2µm à 0.1mm - Nous concluons que les particules les plus petites (2x10-7m) sont évacuées vers le haut (sortie d’air propre) tandis que les plus grosses particules (entre 2x10-6m et 7x10-6m) seront rejetées vers le bas. Cependant, il existe une taille critique (1x10-4m) au-delà de laquelle les particules ont tendance à tourner dans le séparateur sans se diriger vers les sorties. Ces plus grosses particules, indésirables, contribuent à affaiblir l’efficacité du séparateur.

20 Meilleure résistance sans affecter la ductilité
Choix du matériau Intro Gestion du projet Organisation Planning Risques Étude d’ingénierie Cahier des charges Ionisation Vortex Coûts Conclusion Acier inoxydable 4404-AISI 316L Résistance oxydation et corrosion Augmente la résistance Fe Cr Ni Mo Mn 65% 17% 12% 2% 1% - Résistance aux températures de fonctionnement - Résistant aux milieux agressifs Résistance à l’usure et usinabilité Meilleure résistance sans affecter la ductilité

21 Choix du matériau Densité 8 000 kg/m3 Prix 6.5 $/kg Élasticité Re
Intro Gestion du projet Organisation Planning Risques Étude d’ingénierie Cahier des charges Ionisation Vortex Coûts Conclusion Acier inoxydable 4404-AISI 316L Densité 8 000 kg/m3 Prix 6.5 $/kg Élasticité Re 200 MPa Rm 600 MPa Température max de service 800°C Température min de service -273°C - Résistance aux températures de fonctionnement - Résistant aux milieux agressifs

22 Débits et ΔP Pression dynamique Vitesse du fluide Vortex
Intro Gestion du projet Organisation Planning Risques Étude d’ingénierie Cahier des charges Ionisation Vortex Coûts Conclusion Pression dynamique Vitesse du fluide - Modèle de Lapple ne donnait pas un bon ΔP Nous travaillons encore sur ce critère Adaptation des diamètres de sortie pour respecter les débits imposés

23 Épaisseur Facteur de sécurité : 5 Pression maximale 17.5 Bars Vortex
Intro Gestion du projet Organisation Planning Risques Étude d’ingénierie Cahier des charges Ionisation Vortex Coûts Conclusion Facteur de sécurité : 5 Pression maximale 17.5 Bars Épaisseur minimale théorique : t = 0.6 mm -

24 Résistance à la pression
Intro Gestion du projet Organisation Planning Risques Étude d’ingénierie Cahier des charges Ionisation Vortex Coûts Conclusion σmax = MPa -

25 Résistance à la pression
Intro Gestion du projet Organisation Planning Risques Étude d’ingénierie Cahier des charges Ionisation Vortex Coûts Conclusion -

26 Analyse modale Mode1 : 12 286 Hz Mode2 : 12 558 Hz Mode3 : 15763 Hz
Intro Gestion du projet Organisation Planning Risques Étude d’ingénierie Cahier des charges Ionisation Vortex Coûts Conclusion Mode1 : Hz Mode2 : Hz - Mode3 : Hz Mode4 : 16308

27 Vidéo Vortex Intro Gestion du projet Organisation Planning Risques
Étude d’ingénierie Cahier des charges Ionisation Vortex Coûts Conclusion - le profil du tourbillon n’est pas symétrique axialement, surtout dans la section conique. De plus, selon la coupe (B-B), l’axe du tourbillon ne correspond pas à celle du cylindre. Cette excentricité est la cause notamment, de vibrations.

28 Gestion du risque Colmatage
Intro Gestion du projet Organisation Planning Risques Étude d’ingénierie Cahier des charges Ionisation Vortex Coûts Conclusion Colmatage résultat de réactions chimiques entre la poussière et la paroi du cylindre. Diamètres de sortie les plus grands possibles Abrasion - Colmatage : obstruction progressive des trous d’évacuation. Forte sollicitation des zones d’entrée d’air et de sortie des poussières Épaississement des zones à risque

29 Modélisation 3D Vortex Intro Gestion du projet Organisation Planning
Risques Étude d’ingénierie Cahier des charges Ionisation Vortex Coûts Conclusion - A COMPLETER

30 Dessin de définition d’assemblage
Intro Gestion du projet Organisation Planning Risques Étude d’ingénierie Cahier des charges Ionisation Vortex Coûts Conclusion - A COMPLETER

31 Usinage Vortex Intro Gestion du projet Organisation Planning Risques
Étude d’ingénierie Cahier des charges Ionisation Vortex Coûts Conclusion -A COMPLETER

32 Usinage Vortex Intro Gestion du projet Organisation Planning Risques
Étude d’ingénierie Cahier des charges Ionisation Vortex Coûts Conclusion -A COMPLETER

33 Acier inoxydable - AISI 321 -
Assemblage Intro Gestion du projet Organisation Planning Risques Étude d’ingénierie Cahier des charges Ionisation Vortex Coûts Conclusion SOUDAGE Arc électrique Assemblage Corps principal /sortie/entrée Contrôle (ultrason) RACCORD - A REVOIR Acier inoxydable - AISI 321 - Fe / Cr18 / Ni 9 / Ti 4.15 $

34 Coûts et devis Coûts Fabrication usinage : 67 000$ soudage : 12 500 $
Intro Gestion du projet Organisation Planning Risques Étude d’ingénierie Cahier des charges Ionisation Vortex Coûts Conclusion INCLURE AUSSI GRAPHIQUES DES COUTS DE FABRICATION ET DES MATERIAUX Fabrication usinage : $ soudage : $ outils : $

35 Coûts et devis 260 254 $ Nous avons estimé le coût TOTAL du projet à
Intro Gestion du projet Organisation Planning Risques Étude d’ingénierie Cahier des charges Ionisation Vortex Coûts Conclusion Nous avons estimé le coût TOTAL du projet à $ 2 vagues de fabrication 2 devis - AJOUTER DEVIS 2eme ANNEE -> EXPLIQUER A L’ORAL LA REPARTITION DES DIFFERENTS COUTS - MONTANT TOTAL POUR 1ere ANNEE PUIS /AN POUR LES 20 ANS SUIVANTS - COUT MOYEN DE LA PIECE - DISTRIBUER UN EXEMPLAIRE DES DEVIS

36 Conclusion Intro Gestion du projet Organisation Planning Risques Étude d’ingénierie Cahier des charges Ionisation Vortex Coûts Conclusion Séparateur qui respecte les contraintes du cahier des charges Faire des tests de résistance aux champs électriques et magnétiques rencontrés en vol Bonne expérience proche du milieu professionnel Difficultés rencontrées -

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