Processus de création de procédés et de produits sous contraintes








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TD GP4 : FELTZINGER Sophie – SAINTE BEUVE Laetitia –HOURRIER Romain – HERVOUET Valentin – ESPINASSE Samuel

2011


TP GP4 : Opérations Unitaires Mécaniques http://www.macrogoutte.com/hardware/dw_18022011_mg_1099.jpg

Processus de création de procédés et de produits sous contraintes


Démarche :

  1. Choix du sujet

Lors du choix du sujet, nous avons été intrigués par le phénomène de Fluidisation. En effet, même si nous avions déjà eu quelques connaissances sur le sujet dans notre cours, c’est le domaine (opération unitaire) le moins connu entre ceux proposés. C’est pour cette raison que nous avons souhaité travailler sur une application concernant cette opération unitaire.

De plus, nous avons choisi le domaine Loisirs/ Décoration/ Amusement afin de pouvoir laisser libre cours à notre imagination.

  1. Créativité

Nous avons tout d’abord commencé par rechercher des informations sur la fluidisation afin de comprendre ce que cette méthode peut apporter et ce qu’elle nous permet de faire. Nous nous sommes rendu compte que la fluidisation est un moyen qui permet de séparer des particules. (Phénomène expliqué ultérieurement)

  • Cheminement des idées :

Nous avons tout d’abord listé toutes les idées qui nous passaient par la tête.






  1. Veille Technologique (originalité/ antériorité et enrichissement des idées)

« L'éléphanteau respire... souffle... et envoie, grâce à sa trompe, des douzaines de papillons dans les airs dans une gerbe de couleurs. Tout le monde joue en même temps. Quand les papillons s'envolent de la trompe d'Elefun, il faut en attraper le plus possible, avec son filet à papillons ! »http://www.jedisjeux.net/img/800/p-685.jpghttp://images.gueydonjouets.com/4/gu90089_4.jpg

« Abracadabra, tout disparaîtra ! Depuis de nombreuses générations, les enfants sont fascinés par le tableau magique. Pourquoi ? Parce que les jolis motifs dessinés avec le crayon ou avec les tampons disparaissent en un tour de main en déplaçant le curseur ou simplement en secouant le cadre. Le jeu peut recommencer encore et encore ! http://www.walzkidzz.fr/typo3conf/ext/dmc_mb3_product/images/304/fr/banner_no.gifFantastique pour des heures d’amusement ! »http://www.touslesprix.com/ph_tar/3/2/8/8/32880139.jpgjoustra - 41409 - loisirs créatifs - ardoises magiques - télécran





cadre sable magiquecadre évolutif à vagues \'\'blue ocean maxi\'\' [nc1251]

« Voici un tableau qui ne vous lassera pas. Chaque rotation du cadre crée un nouveau paysage fascinant. La combinaison des trois éléments air, eau et sable saura vous apaiser et faire voyager votre esprit. »

http://www.aquastyledesign.com/wp-content/gallery/murs-de-bulles-fr/custom-bubble-walls-05-mur-de-bulles-cadre.jpg

« Bulldo’, c’est une cloison vivante pour séparer et animer vos pièces d’habitation, hall d’accueil, salles d’attente, bureaux, magasins, etc.…Ecran acoustique, le mouvement discret des bulles vous apportera relaxation et détente. »

Choix du concept

Notre concept repose sur l’envie de changement et de créer son propre univers dans sa maison ou appartement. Notre idée consiste à créer un cadre de décoration intérieur à poser contre un mur.

  1. Principe physique de notre concept et théorie associée

Eléments de théorie associée à la fluidisation 

La fluidisation consiste à faire passer une phase fluide (très souvent un gaz) à travers un lit de particules, supportées par une grille, pour les mettre en suspension. Le terme fluidisation vient du fait que la suspension gaz/solide est amenée dans un état semblable à celui des fluides. Par exemple, si l’on inclinait le lit fluidisé, la surface de la suspension resterait horizontale et ne suivrait pas le mouvement du récipient. On peut aussi plonger un objet dans le lit fluide sans une résistance particulière de la suspension, comme ce serait le cas pour un fluide. Cet état est dû au fait que les forces de frottement particule/particule sont généralement négligeables (exception faite des poudres cohésives) bien que les particules soient relativement libres de leurs mouvements.

  • Quelques propriétés avantageuses :

— Les particules solides sont parfaitement mélangées au sein de la suspension. Le lit fluidisé est donc parfaitement homogène en température.

— le lit fluidisé peut fonctionner en mode opératoire discontinu (batch) ou continu (semi-batch ou ouvert). En effet, vu la facilité de prélèvement et d’ajout de particules solides dans le lit fluidisé pendant sa marche, les particules solides peuvent être au besoin renouvelées continuellement

— la vidange et le nettoyage des lits fluidisés se font très facilement, comme pour un réservoir d’eau.

  • Quelques inconvénients majeurs :

— l’attrition des particules par un frottement permanent entre elles, qui cause une diminution progressive de la taille des particules d’une part, et la formation de fines particules susceptibles de s’envoler facilement d’autre part ;

— aux régimes opératoires les plus intéressants, un phénomène de ségrégation se produit dans les lits fluidisés et des bulles apparaissent au sein de la suspension gaz/solide. Si le mouvement ascendant de ces bulles contribue largement à l’agitation et à l’homogénéisation de la suspension, par contre, il véhicule rapidement le gaz du bas vers le haut du lit fluidisé et diminue le temps de contact gaz/solide. Ainsi, le transfert de matière entre les bulles et la suspension devient souvent une étape limite dans les procédés de transformation industriels où le lit fluidisé est employé en tant que « réacteur chimique ».

  • Les régimes de fluidisation :

L’état de la suspension dépend de la vitesse de fluidisation, celle-ci correspondant à la vitesse de fluide en fût vide.

— aux très faibles vitesses de gaz, les particules sont immobiles ; aucune fluidisation ne se produit

— à une vitesse Umf (vitesse minimale de fluidisation), les particules bougent légèrement et se mettent en suspension ; la suspension reste homogène et aucune bulle n’apparaît

— à une vitesse légèrement supérieure à Umf des bulles apparaissent ; on l’appelle la vitesse de bullage U°. Sauf pour les particules de grosse taille, cette vitesse est très proche de Umf et peut être confondue avec celle-ci.

— en augmentant la vitesse de fluidisation et sur une plage opératoire relativement large, le lit reste fluidisé. Dans ce régime, les bulles ont une forme régulière, souvent sphérique mais avec une calotte inférieure remplie de particules solides (la traînée). Ce régime de fonctionnement est appelé la fluidisation bouillonnante et correspond à celui qui est le plus souvent utilisé.

— au fur et à mesure que la vitesse de fluidisation augmente, la taille et le nombre des bulles croissent progressivement et l’agitation de la suspension devient de plus en plus violente. À des vitesses importantes, la forme des bulles devient irrégulière. On appelle ce régime la fluidisation turbulente.

— quand on dépasse la vitesse terminale de chute libre des particules (Ut), celles-ci quittent le lit fluidisé avec le courant gazeux. On appelle ce régime le lit transporté.

Remarque : Le solide mis en suspension possède des propriétés d’écoulement similaire à celles d’une phase liquide. Ainsi, le profil de pression suivant la hauteur de la suspension dans un lit fluidisé est en général parfaitement linéaire (cf courbe ci-contre). Cette propriété permet de définir le niveau de la surface du lit (pour un système fermé), par extrapolation de la droite du profil de pression. On constate d’ailleurs que ce gradient de pression reste constant dans la plage des vitesses comprises entre Umf et Ut. Ceci est dû au fait que la pression nécessaire pour maintenir le lit fluidisé en suspension correspond au poids de la suspension par unité de surface du lit.

Source : SHAKOURZADEH, Khalil (docteur d’Etat ès sciences physiques, enseignant-chercheur au département de génie des procédés industriels à L’Université de Technologie de Compiègne). Techniques de fluidisation. In : Techniques de l’ingénieur 12 – 1996. Génie des procédés. Opérations unitaires. Vol. JB4 (après réactualisation n°J139, juin 2010), Génie de la réaction chimique.

Notre concept : principe physique et description

La combinaison de nos travaux de créativité, de veille technologique dans le domaine Loisirs/ Décoration/ Amusement et notre étude générale de la théorie de la fluidisation nous ont conduits à imaginer un tableau décoratif.

Il s’agit d’une enceinte close et transparente (en verre par exemple), de forme parallélépipédique.

  • Remarque conception/dimensionnement : Ses dimensions seraient similaires à celles d’un tableau artistique mural de cadre 60x40cm. La fonction décorative de notre concept s’inspire en effet de celle d’un tableau (peinture) à accrocher à un mur. Quant à son épaisseur, elle est de l’ordre de quelques centimètres (<10cm).

A l’intérieur se trouvent plusieurs couches de particules solides. Dans le cas illustré en III., on distingue 3 couches de particules différentes. Ce sont des billes sphériques en plastique (de façon à ce qu’elles soient les plus légères possible), de quelques millimètres de diamètre. Les 3 couches correspondent à 3 types de billes, respectivement de couleurs différentes et de masses différentes.

  • Remarque conception/dimensionnement : 2 possibilités s’offrent à nous pour créer ce différentiel de masse : soit utiliser 3 types de particules de même volume mais faites de matériaux polymères de masses volumiques différentes, soit 3 types de particules de même masse volumique (même matériau) mais de volumes différents.

Le système, dont la partie supérieure principale est l’enceinte transparente décrite ci-dessus, dispose d’un socle opaque contenant une grille par laquelle est envoyé de l’air permettant de fluidiser le lit de particules.

  • Remarque conception/dimensionnement : Le dimensionnement du système doit permettre un régime opératoire de type « fluidisation bouillonnante ». Ainsi, pendant la marche, les 3 couches de particules se superposent : la phase solide la plus lourde étant au fond, et la plus légère en surface. A noter que la vitesse de l’air doit être telle que toutes les billes soient fluidisées au même régime, c’est-à-dire telle qu’on observe 3 lits bouillonnants. Pour que le système utilise le moins d’énergie possible, la vitesse de fluidisation de l’air sera la plus faible possible : il faut donc choisir une vitesse légèrement supérieure à l’Umf des particules les plus lourdes, tout en choisissant la masse des particules de façon à ce que cette vitesse soit inférieure à l’Ut des particules les plus légères (pour que celles-ci ne forment pas un lit transporté). Bien entendu, au sommet de l’enceinte, une sortie d’air est à aménager pour évacuer la pression au sein du dispositif.

Nous avons choisi de diviser la grille en 3 parties (bacs), tel que représenté sur le second schéma en partie III. Un compresseur pompe de l’air atmosphérique et l’envoie sous pression vers 3 électrovannes alimentant respectivement les 3 bacs par de l’air sous 3 pressions différentes. Ce différentiel de pression entre les 3 bacs formant la grille crée alors des différences de hauteur entre plusieurs parties du lit fluidisé à l’intérieur de l’enceinte. Nous proposons d’ailleurs de créer, via une subdivision supplémentaire de l’ensemble {grille}, un différentiel de vitesses de fluidisation selon deux dimensions horizontales, afin de donner au lit fluidisé une surface en relief, dans les 3 dimensions. De plus, un système électronique permet de moduler l’ouverture des électrovannes (pourquoi pas de manière aléatoire) afin que les surfaces de séparation entre les couches de particules, ainsi que la surface supérieure de l’ensemble du lit, soient mouvantes en permanence au cours du temps.

Le résultat décoratif obtenu se veut une superposition de couches de billes de couleurs harmonieuse en mouvement ondulatoire permanent. On observe à la fois des discontinuités et mélanges de couleurs passagers ainsi que des réarrangements selon le poids (et donc la couleur) des billes. Le lit bouillonnant est parcouru de bulles d’air qui remontent à la surface. L’ensemble est tel un paysage en relief, esthétique, distrayant et apaisant.

  1. Contexte d’utilisation et limites

http://www.lilifolies-airsoft.com/files/26487/img/11/billes-jaunes-6mm.jpg

Notre tableau est un outil décoratif de l’intérieur d’une pièce. Il permet de décorer son intérieur et de créer une ambiance particulière.

Pour son utilisation, il est nécessaire d’avoir une alimentation électrique pour alimenter le compresseur. L’ensemble {compresseur+conduits d’air+électrovannes} serait inséré dans un meuble de type « commode » fermé, sur lequel serait disposée l’enceinte en verre. Ainsi, les alimentations (fils) sont cachées (un orifice est alors à insérer dans le meuble) par souci d’esthétique.

Les billes insérées dans le tableau sont de la taille de billes pour pistolet à billes (Cf. Photo). Les clients pourront choisir les couleurs de leurs billes afin que le cadre s’intègre le mieux possible à leur intérieur. De plus, le cadre peut également être musical. On peut alors imaginer que le mouvement des billes varie non plus aléatoirement mais en fonction de la musique.

Les limites de notre concept sont les suivantes :

  • la vitesse de fluidisation qu’il faut pour élever les différentes billes de masses différentes

  • la dissimulation du système d’alimentation en air par souci esthétique : notre choix impose la mise en place d’un meuble support. L’enceinte se rapproche alors plus du concept d’aquarium que de celui d’un tableau mural.

  • le bruit émis par le fonctionnement du compresseur peut constituer une nuisance sonore. Plusieurs solutions pour atténuer ce problème apparaissent néanmoins : le choix d’un compresseur le plus silencieux possible, son insertion dans un meuble suffisamment insonorisé, la couverture du bruit par la musique émise par le dispositif (qui rythme le mouvement des différentes parties du lit fluidisé). Attention toutefois à ce que cette musique ne soit pas trop dégradée justement par le bruit du compresseur.



  1. Schéma du concept

c:\users\feltzinger\pictures\2011-03-15 potier\potier 002.jpg



  1. Illustration de l’application

Bibliographie
  • Sites internet :


http://www.dimipro.fr/cadre-evolutif-a-vagues-blue-ocean-maxi-p-48389.html?ref=28&utm_source=gmc&utm_medium=cpc&utm_term=loisirs-maison_decoration-tableau&utm_content=48389&utm_campaign=gmc

http://www.amazon.fr/Mattel-Ardoise-Magique-Grande-Bretagne/dp/B000E69YJI/ref=pd_sim_t_1

http://mycrazystuff.com/cadeau-zen/809-cadre-sable-magique.html

http://www.google.fr/images?um=1&hl=fr&rlz=1C1SKPC_enFR361FR362&tbs=isch:1&sa=1&q=jouet+elefun&aq=f&aqi=g10&aql=&oq=

http://www.natureetdecouvertes.com

http://espacedeau.ca/francais/bulles-effets-lumineux.php
  • Article scientifique :


SHAKOURZADEH, Khalil (docteur d’Etat ès sciences physiques, enseignant-chercheur au département de génie des procédés industriels à L’Université de Technologie de Compiègne). Techniques de fluidisation. In : Techniques de l’ingénieur 12 – 1996. Génie des procédés. Opérations unitaires. Vol. JB4 (après réactualisation n°J139, juin 2010), Génie de la réaction chimique.

Annexes

  • Extrait d’un article de Techniques de l’Ingénieur :

http://opum-groupek.wikispaces.com/file/view/TI-j3390.pdf

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