Université du Québec à Chicoutimi · 2011. 5. 24. · Ce rapport décrit les différentes étapes de conception pour le système de refroidissement de la ... 2009-2010. Ensuite,

Université du Québec à Chicoutimi

MODULE D’INGÉNIERIE Génie Mécanique

6GIN555 PROJET DE SYNTHÈSE EN INGÉNIERIE

Rapport final

# Projet : 2011-221

Système de refroidissement de la formule SAE

Préparé par

NÉRON NADIA RIVERIN ÉMILIE

Pour

NÉRON NADIA RIVERIN ÉMILIE FORMULE SAE

11 mai 2011

CONSEILLER : KOCAEFE YASAR COORDONNATEUR : Jacques Paradis, ing

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II | P a g e

Approbation du rapport d’étape pour diffusion

Nom du conseiller Date Signature

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III | P a g e

�� Le projet n’aurait pas pu être réalisable sans l’aide de notre conseiller monsieur Yasar Kocaefe, sans ses connaissances certains problèmes n’auraient pas pu être réglés. De plus, pour les calculs en mécanique des fluides, l’aide technique de madame Marie-Isabelle Farinas a été très appréciée. Finalement, sans l’expertise des techniciens des l’UQAC, certains essais n’auraient pas pu être réalisés.

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IV | P a g e

�� Un système de refroidissement permet à tout véhicule motorisé d’abaisser la température du fluide moteur. Ainsi, on peut éviter les problèmes de bris prématurés et permettre au véhicule de rouler de grandes distances sans arrêter le moteur. Ce rapport décrit les différentes étapes de conception pour le système de refroidissement de la formule SAE. En effet, chaque année, les étudiants en ingénierie de l’UQAC appliquent leurs connaissances en mécanique, électrique et informatique pour la compétition se tenant à Détroit. L’an passé, le moteur du véhicule a surchauffé et l’équipe a dû abandonner la course. La cause principale de la surchauffe du moteur est évidemment la mauvaise performance du radiateur conçu en 2009-2010. Pour ce projet, un critère doit être respecté. Étant donné les règlements imposés par la compétition, le système de refroidissement doit être conçu en fonction d’un liquide de refroidissement obligatoire, soit l’eau. De plus, pour être en mesure de satisfaire les besoins du client, ces objectifs doivent être atteints:

• Maintenir une température optimale de fonctionnement du moteur sous des conditions météorologiques variables;

• Maximiser la fiabilité du système;

• Dimensionner le système pour permettre de l’intégrer sans encombrer le véhicule;

• Réparation facile;

• Alléger et augmenter les performances générales du système.

La méthodologie utilisée commence par l’analyse expérimentale du système de refroidissement 2009-2010. Ensuite, l’élaboration d’un modèle mathématique permet de faire la validation des données et de faire varier certains paramètres du radiateur. Troisièmement, on fait l’essai en laboratoire du nouveau radiateur, 2010-2011, pour comparer avec l’ancien et faire la validation des résultats obtenus avec le modèle. Finalement, le modèle mathématique permet de trouver les paramètres à changer pour concevoir un meilleur système de refroidissement. Pour terminer, la solution choisie satisfait tous les points énoncés ci-haut. En effet, on remarque que les essais en laboratoires et la validation par modèle mathématique donnent des résultats concluants. Les données recueillies permettent de dimensionner et de sélectionner les composantes nécessaires à la fabrication du futur radiateur. Bref, l’équipe de la FSAE de l’Université du Québec à Chicoutimi pourra bénéficier d’un nouveau système de refroidissement pour leur véhicule de course 2011-2012.

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V | P a g e

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Remerciements ...............................................................................................................................III�

Résumé .......................................................................................................................................... IV�

Table des matières ...........................................................................................................................V�

Table des illustrations...................................................................................................................VII�

Nomenclature ................................................................................................................................ IX�

1� Introduction ............................................................................................................................. 1�

2� Présentation du projet .............................................................................................................. 1�

2.1� Description de l’entreprise .............................................................................................. 1�

2.2� Description de l’équipe de travail.................................................................................... 1�

2.3� Contexte........................................................................................................................... 2�

2.4� Problématique.................................................................................................................. 2�

2.5� Objectifs du projet ........................................................................................................... 2�

3� Éléments de conception........................................................................................................... 3�

3.1� Contraintes de conception ............................................................................................... 3�

3.2� Hypothèse des problèmes du système existant................................................................ 4�

3.3� Conditions maximales d’utilisations ............................................................................... 5�

3.4� Capacité de refroidissement nécessaire aux conditions maximales ................................ 6�

4� Essais en laboratoires .............................................................................................................. 7�

4.1� Expérimentation – Débit de la pompe à eau.................................................................... 7�

4.2� Radiateur 2009-2010 ....................................................................................................... 8�

4.2.1� Débit d’air................................................................................................................ 8�

4.2.2� Températures d’entrées et de sorties ..................................................................... 12�

4.3� Radiateur 2010-2011 ..................................................................................................... 13�

4.3.1� Débit d’air.............................................................................................................. 13�

4.3.2� Températures d’entrées et de sorties ..................................................................... 16�

5� Modèle mathématique ........................................................................................................... 16�

5.1� Description de la méthode de calcul utilisée ................................................................. 16�

5.2� Hypothèses de calcul ..................................................................................................... 16�

5.3� Températures d’entrées ................................................................................................. 17�

5.4� Nombres adimensionnels............................................................................................... 17�

5.5� Calculs du côté de l’air .................................................................................................. 18�

5.6� Calcul du côté de l’eau .................................................................................................. 20�

5.7� Coefficient de transfert de chaleur global et efficacité.................................................. 20�

5.8� Validation du modèle .................................................................................................... 22�

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VI | P a g e

6� Solutions proposées ............................................................................................................... 23�

6.1� Selection des composantes ............................................................................................ 23�

6.1.1� Choix du type d’échangeur.................................................................................... 23�

6.1.2� Choix du matériel .................................................................................................. 24�

6.1.3� Choix du type d’ailettes......................................................................................... 25�

6.1.4� Choix du ventilateur .............................................................................................. 28�

7� Solution proposées................................................................................................................. 30�

7.1.1� Solution finale ....................................................................................................... 31�

7.2� Réservoir d’expansion ................................................................................................... 33�

7.2.1� Hypothèses de calcul ............................................................................................. 35�

7.2.2� Calculs ................................................................................................................... 36�

8� Bilan des activités.................................................................................................................. 39�

8.1� Arrimage formation pratique/universitaire.................................................................... 39�

8.2� Travail d’équipe............................................................................................................. 40�

8.3� Respect de l’échéancier ................................................................................................. 40�

8.4� Analyse et discussion .................................................................................................... 41�

9� Conclusion et recommandations............................................................................................ 42�

10� Références ......................................................................................................................... 43�

11� Annexe XX Puissance du moteur (Yamaha Genesis 80FI)............................................... 44�

12� Annexe XX Résultats expérimentales-Données du ventilateur......................................... 45�

13� Annexe XX Coefficient de résistances dans les tuyaux .................................................... 49�

14� Annexe XX Propriétés physiques de l’air et de l’eau........................................................ 50�

15� Annexe XX Caractéristiques du radiateur 2009-2010....................................................... 51�

16� Annexe XXX..................................................................................................................... 52�

Dimensions utilisées dans les calculs .................................................................................... 52�

Calculs des aires et surfaces utilisées .................................................................................... 52�

Nombres adimensionnels....................................................................................................... 53�

Calculs du côté de l’air .......................................................................................................... 55�

Calcul du côté de l’eau (pour un Reynolds turbulent)........................................................... 56�

Coefficient de transfert de chaleur global et efficacité.......................................................... 56�

17� Annexe XX............................................................................... Erreur ! Signet non défini.�18� Annexe XX Échéancier final............................................................................................. 58�

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VII | P a g e

�� Figure 1 - Empattement des roues arrières ...................................................................................... 3�

Figure 2- Encombrement, vue de côté............................................................................................. 4�

Figure 3 - Courbes de puissance du moteur .................................................................................... 6�

Figure 4 - Balance d'énergie pour un véhicule motorisé à sa puissance maximale......................... 6�

Figure 5 Montage expérimental....................................................................................................... 8�

Figure 6 Grosseur des tuyaux.......................................................................................................... 1�

Figure 7 Positionnement du tube de Pitot........................................................................................ 1�

Figure 8 Profil de vitesse pour le tuyau de 4" ............................................................................... 10�

Figure 9 Profil de vitesse pour le tuyau de 6" ............................................................................... 10�

Figure 10 Montage pour avec les thermocouples............................................................................ 1�

Figure 11- Vitesse dans les tuyaux versus la vitesse du ventilateur .............................................. 14�

Figure 12 Thermostat .................................................................................................................... 17�

Figure 13 Descriptif des différentes dimensions présentes sur les ailettes.................................... 19�

Figure 14 – Efficacité en fonction du facteur NTU....................................................................... 22�

Figure 15- Échangeur à deux passages.......................................................................................... 23�

Figure 16 Géométrie des ailettes ................................................................................................... 26�

Figure 17 Ailettes avec partie plane .............................................................................................. 27�

Figure 18 Radiateur final...................................................................... Erreur ! Signet non défini.�

Figure 19 Réservoir d'expansion ................................................................................................... 34�

Figure 20 Pourcentage du volume du système en fonction de la température .............................. 36�

Figure 21 Volume spécifique en fonction de la température......................................................... 37�

Figure 22 Réservoir d'expansion ................................................................................................... 38�

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�� Tableau 1 - Comparaison des anciens systèmes de refroidissement ............................................... 4�

Tableau 2 - Débits en fonction du RPM.......................................................................................... 7�

Tableau 3 Facteurs influençant la vitesse de l'aire près du ventilateur.......................................... 11�

Tableau 4 Résultats des tests pour les températures d'entrées et sorties........................................ 13�

Tableau 5 –Donnée pour le conduit derrière le raidateur .............................................................. 13�

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VIII | P a g e

Tableau 6 –Données pour le conduit devant le radiateur .............................................................. 14�

Tableau 7 - Valeurs calculées........................................................................................................ 15�

Tableau 8- Données expérimentales obtenues lors d’essais sur le radiateur 2010-2011............... 16�

Tableau 9 - Nombre de Reynolds.................................................................................................. 18�

Tableau 10 Comparaison des méthodes de calcul ......................................................................... 22�

Tableau 11- Données obtenues à l'aide du modèle pour différent types d'échangeur ................... 23�

Tableau 12- Conductivité thermique des matériaux envisagés ..................................................... 24�

Tableau 13- Critères de sélection .................................................................................................. 25�

Tableau 14- Matrice de décision pour la sélection du matériel ..................................................... 25�

Tableau 15- Comparaison entre différent type de ventilateur ....................................................... 29�

Tableau 16 Solutions obtenus température d’entrée de l’air à 35°C ............................................. 30�

Tableau 17 Solutions obtenus température d’entrée de l’air à 35°C ............................................. 31�

Tableau 18 Solutions température d'entrée de l'air à 40°C............................................................ 31�

Tableau 19 Caractéristiques du radiateur 2011-2012 .................................................................... 32�

Tableau 20- Comparaison entre les radiateurs de 2009 à 2012..................................................... 33�

Tableau 21 Propriétés de l'eau à 95°C........................................................................................... 53�

Tableau 22 Propriétés de l'air à 40°C ............................................................................................ 54�

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IX | P a g e

�� Abréviations des unités °C Température en Celsius cm Centimètres h Heures J Joules K Température en Kelvin kg Kilogrammes L Litres L/min Débit m Mètres m² Aire m³/h Débit m³/s Débit min Minutes mm Millimètre N Newton Pa Pression en pascals pi Pieds po Pouces s Secondes W Watts Lettres Grecques � Émissivité � Rugosité (m) �p Différence de pression �Tlm Différence de température logarithmique �T Différence de température � Densité (kg/m³) µ Viscosité dynamique (Ns/m²) �o Efficacité de la surface �f Efficacité des ailettes � Viscosité cinématique (m²/s) Nomenclature A Surface totale de transfert de chaleur c Capacité de transfert de chaleur (W/K) Cp Chaleur spécifique (J/kgK) Cr Ratio de capacité de transfert de chaleur d Diamètre Dh Diamètre hydraulique f Facteur de friction fD Distance entre les ailettes fH Largeur des ailettes Fl Longueur totale des ailettes fT Épaisseur des ailettes fW Longueur des ailettes

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X | P a g e

h Coefficient de transfert de chaleur par convection (W/m²K) k Conductivité thermique (W/mK) Lc Longueur effective d’ailettes Lh Hauteur des volets de déviation Ll Largueur des volets de déviation Nf Ailettes par mètres NTU NTU ntubes Nombre de tubes Nu Nombre de Nusselt Pr Nombre de Prandtl Q Transfert de chaleur total Re Nombre de Reynolds rH Épaisseur du radiateur rL Largeur du radiateur rW Hauteur du radiateur T Température tH Épaisseur des tubes tW Largueur des tubes U Coefficient de transfert de chaleur global (W/m²K) v Vitesse (m/s) Indices a Air e Eau f Ailettes fr Frontale min Minimal max Maximal in Entrée out Sortie

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1 | P a g e

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Le système de refroidissement est nécessaire au bon fonctionnement de n’importe quel véhicule à

moteur à combustion interne. En effet, ceux-ci produisant une grande quantité de chaleur

inutilisée, il est nécessaire de l’évacuer. Le radiateur est le dispositif qui permet l’échange de

chaleur entre le liquide refroidissant et l’air ambiant, il permet de maintenir le moteur à des

températures oscillant entre 80°C et 95°C. La fiabilité d’un véhicule dans une course d’endurance

dépend beaucoup de son système de refroidissement. C’est pourquoi l’importance de concevoir

un radiateur de haute performance peut éviter plusieurs problèmes techniques.

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2.1 ��

La formule SAE est une association étudiante permettant aux étudiants d’appliquer leurs

connaissances en mécanique, en électrique et en informatique. Elle est constituée entièrement

d’étudiants universitaires bénévoles et base son financement sur un réseau de

commanditaires. Le but principal de cette association est de concevoir, de fabriquer et de

compétitionner avec une voiture de course. Chaque année, depuis 1998, l’Université du

Québec à Chicoutimi participe à la compétition se tenant à Détroit, dans l’état du Michigan.

Ainsi, plus d’une centaine d’universités dans le monde vont s’affronter en exposant leur

prototype.

2.2 �� !��

L’équipe de travail se compose de monsieur Yasar Kocaefe, ingénieur junior en transfert de

chaleur et de madame Dyugu Kocaefe ingénieur chimique tous deux désignés comme

conseiller, de Éric Lemay à titre de technicien en laboratoire ainsi que Émilie Riverin et

Nadia Néron à titre d’auteures de ce projet.

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2 | P a g e

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2.3 "� ��

La SAE organise annuellement des compétitions de conception de véhicules de course.

L’équipe de la formule SAE de l’UQAC participe à chaque année à celle ayant lieu à Détroit

au Michigan. Ces compétitions comportent des épreuves dynamiques et statiques. Ainsi, le

design, le coût de fabrication et la consommation de carburant seront évalués, mais aussi la

maniabilité et la fiabilité du véhicule dans les épreuves dynamiques, dont la course

d’endurance qui consiste en une course de 24 tours.

2.4 �� !��

Lors de la compétition de 2010, l’équipe s’est vue obligée d’abandonner l’endurance à un

tour de la fin en raison d’un problème de surchauffe du moteur. L’équipe s’est donc donnée

pour mandat pour l’année 2011 d’augmenter la fiabilité générale du véhicule. La partie

refroidissement du moteur étant un élément essentiel, les promotrices du projet souhaitent que

l’ensemble du système soit revu et si possible d’en diminuer le poids global.

2.5 #��$��

Les objectifs du projet sont donc de :

• Concevoir un radiateur permettant maintenir une température optimale de

fonctionnement du moteur sous des conditions météorologiques variables;

• Maximiser la fiabilité du système;

• S’assurer que le système s’intègre bien aux autres composantes du véhicule sans

nuire à celle-ci et qu’il respecte les contraintes d’espace permises par la carrosserie et

le châssis;

• S’assurer que le système peut être réparé sans trop de difficultés;

• L’objectif final du projet est d’alléger et d’augmenter les performances générales du

système en respectant les critères de conception.

• Tout en respectant les objectifs ci-dessus, les différents règlements régissant la

compétition devront être respectés.

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3 | P a g e

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3.1 "� ��

L’espace disponible dans la voiture est l’une des plus importantes contraintes de design pour

le radiateur. En effet, un radiateur de dimensions idéales, s’il est impossible à placer dans le

châssis du véhicule ne peut être une solution envisageable.

De plus, le «sidepod» de la carrosserie ne peut être plus large que l’empattement des roues. De

plus, le pilote doit pouvoir sortir du véhicule en moins de 5 secondes. La carrosserie ne doit

pas empêcher la réussite de ce test. Comme indiqué à la figure suivante, la largeur maximale

pouvant être utilisé est de 10.45 pouces.

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La hauteur quant à elle peut être de 13.9 pouces, si le radiateur est installé du même côté

que l’admission d’air du moteur. La figure suivante représente bien cette contrainte.

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4 | P a g e

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3.2 �&��'�� &��

Il est bien difficile d’évaluer précisément la capacité d’un système de refroidissement avant

d’avoir recueillies des données sur piste. En effet, tous les paramètres des conditions réelles

d’utilisation ne peuvent être ni mesurés, ni pris en compte dans les calculs. C’est pourquoi,

afin d’éviter de faire les mêmes erreurs que par le passé une analyse des anciens systèmes à

été effectuée.

Le tableau suivant effectue une comparaison des anciens systèmes dans le premier cas, la

capacité étais suffisante tandis que pour le deuxième des problèmes de surchauffe sont apparus

durant la compétition.�

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5 | P a g e

La diminution drastique de la surface de refroidissement est l’un des problèmes majeur du

système 2009-2010. Aussi, un accès d’air plus restreint au niveau du conduit dû au grillage

plus fin. De plus, le fait que le ventilateur soit positionné au bout d’un déflecteur et non

directement sur le radiateur diminue son efficacité. �

3.3 "� ��

Lors des essais préliminaires qui ont généralement lieu au mois de mai, à l’UQAC, la

température extérieure est généralement fraîche ce qui ne permet pas de vraiment tester le

système de refroidissement. En effet, la température à Detroit, au Michigan est plus élevé

qu’au Saguenay à cette période (12°C) ce qui fait que les conditions météorologiques ne sont

pas les mêmes lors des essais qu’en course. Évidemment, le véhicule est utilisé durant l’été ou

la température peut monter jusqu’à 30°C, mais jamais dans des conditions d’utilisation aussi

exigeantes que lors de la compétition.

En effet, chaque prototype une fois qu’il a passé toutes les épreuves pratiques, peut participer

aux épreuves dynamiques qui sont au nombre de quatre; L’«autocross», le «skid-pad»,

l’accélération et la plus difficile, l’endurance. Lors de la course d’endurance chaque véhicule

doit accomplir 24 tours complets (environ 22km) avec un changement de pilote au 12e tour.

Aucune modification ou réparation au véhicule ne peux être effectué durant la course.

Selon la règlementation fournie dans les règlements de l’épreuve, les vitesses moyennes de

course se situent entre 48 km/h et 57 km/h, avec une vitesse maximale de 105 km/h.

La température maximale moyenne est de 21.22°C à cette période de l’année, si l’on combine

une température exceptionnellement élevée de 35°C par exemple à l’augmentation de la

température dû à la piste de course, il est envisageable de supposer une température maximale

de 50°C sur la piste au moment de la compétition

Si l’on combine cette température avec des vitesses de courses faibles et du temps passé à

l’arrêt (le changement de pilote, les dépassements par les autres voitures). Il est facile de

conclure que ce sont là les conditions maximales d’utilisations.�

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6 | P a g e

3.4 �"��$��

La capacité de refroidissement nécessaire dépend beaucoup des conditions maximales. En

effet, une règle générale dit qu’entre 17 à 26% de l’énergie produite par le moteur va dans le

système de refroidissement, à partir de ces données il est possible d’évaluer la capacité de

refroidissement maximale. La puissance maximale du moteur à été déterminée à l’aide du

graphique suivant dont les données sont présentées à l’annexe 1.�

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7 | P a g e

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4.1 )�� *�� +��

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Pour être en mesure de déterminer par calcul les coefficients de transfert de chaleur du

radiateur, connaître le débit de la pompe à eau étais une étape essentielle. Afin de déterminer

celle-ci avec précision un débitmètre (Sitrans F M MAG 5000 de Siemens) à été installé à la

sortie de la pompe.

Étant donné que la voiture possède une transmission de type CVT, l’hypothèse à été émise que

en course, le RPM le plus courant serait celui le plus élevé soit 11 000 tours par minute. En

effet, pour ce type de transmission lorsque qu’il y a accélération, le moteur monte en tours et

ne redescend que lorsque la vitesse correspondante à la pression est atteinte. À la compétition,

le véhicule sur piste passe la plupart de son temps à accélérer brutalement puis à freiner et à

accélérer à nouveau. Sur l’ensemble d’une course le RPM le plus courant devient donc le

RPM maximal.

Le tableau ci-dessous démontre les résultats obtenus lors de quatre essais à 11 000 tours/min.

Étant donné de légères variations, nous utiliserons la moyenne de ces essais pour nos calculs

soit : 86 l/min.�

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8 | P a g e

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4.2 ��,-��

4.2.1 ��

Pour être en mesure de faire une évaluation poussée des caractéristiques du radiateur

conçu pour la compétition 2010, des tests expérimentaux ont été réalisés. Dans le but

d’avoir des données proches de celles obtenu en temps réel, soit lors de la course, un

montage spécifique à été réalisé. Dans la figure 4 ci-dessous, on peut voir l’installation

dans laquelle ont été faits les tests.

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4.2.1.1 ��

Voyons ici les résultats obtenus lors des différents essais effectués sur le ventilateur

rattaché au radiateur. Pour savoir les spécifications de celui-ci, il faut d’abord connaitre le

débit d’air qu’il peut aspirer lorsque le véhicule est immobile. Ce ventilateur est utilisé

dans le but de forcé ou d’augmenter le débit d’air passant à travers le système de

refroidissement.

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9 | P a g e

Pour commencer on utilise deux tuyaux de diamètre

différent, un de 4 pouces de diamètre et l’autre de 6 pouces.

Comme on peut voir à la figure 5, les conduits sont

positionné bout à bout et scellé pour éviter les fuites d’air. Il

est évident que le montage ne doit pas laisser passer ou

expulser d’air par aucune ouverture, ceci causerais des

erreurs lors de la prise de mesure. À la figure 6 on voit le

positionnement du tube de Pitot, il est inséré dans les

orifices placé horizontalement et verticalement. Lorsque le

tube est en place on met le ventilateur en marche. Cet

appareil de mesure donne la valeur de pression dynamique,

soit la différence entre la pression statique et totale.

Les graphiques 7 et 8 ci-dessous, montrent les profils de vitesse mesurée à l’intérieur des

tubes. Chacune des lectures ont été prises à une distance de 0.5 cm les unes des autres.

Les vitesses on été calculé à partir de la formule de Pitot (voir équation ci-dessous)

décrivant la relation entre la vitesse et la pression dynamique. En effet, comme le montre

les tableaux de résultats à l’annexe 2, on remarque la variation de vitesse, de débit ainsi

que de pression à l’intérieur des conduits.

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Tube Pitot (test horizontal)

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10 | P a g e

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4.2.1.2 ��

À la suite des tests effectués en laboratoire, on a pu connaître les différents paramètres du

ventilateur. En effet, si l’on observe les résultats obtenus pour le débit d’air, voir l’annexe

2, que ce soit dans le tuyau de 4 ou bien celui de 6 pouces, on remarque un débit plus fort

au centre de chacune des conduits. Étant donnée la relation directe entre la vitesse de l’air

et le débit, il est évident que le profil du débit par rapport à ça position dans le conduit est

semblable à celui montré aux figures 5 et 6.

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11 | P a g e

Dans le tableau 2, les caractéristiques relatives à l’écoulement d’air dans les conduits y

sont regroupées. Ces données permettent de connaître la vitesse de l’air à l’entré du

système de refroidissement. Comme les tuyaux sont installés en séries, il est évident que

le débit d’air dans le système sera semblable. Donc, en utilisant les équations ci-dessous,

on peut calculer la valeur recherchée.

La vitesse de l’air diminue de façon exponentielle selon le diamètre des tubes. Ce

phénomène est provoqué par le changement de section des conduits. Si l’on compare au

cas réel, soit le conduit permettant de diriger l’air sur la voiture de la SAE, on peut en

déduire que plus le passage est petit, plus l’air passe à grande vitesse dans le radiateur.

Comme le Re varie en fonction de la vitesse, du diamètre du tube et de la viscosité

cinématique, il est possible le calculer. De plus, on peut conclure que l’écoulement d’air

est turbulent et ce, parce que le nombre de Reynolds (Re) est plus grand que 104.

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12 | P a g e

4.2.2 ��

Pour être en mesure d’évaluer les performances du

radiateur, on doit tout d’abord connaître la

différence de température de l’eau entre la sortie et

l’entré. Pour ce faire, un montage comme celui

montré à la figure 9 est réalisé. On peut voir

l’emplacement des 2 thermocouples installé de

chaque côté du radiateur. De plus, on doit mesurer

la température de l’air à la sortie du ventilateur et ce

pour évaluer l’échange de chaleur entre le radiateur

et l’air ambiant. Cet outil de mesure permet de

calculer la température de façon précise.

Pour les manipulations, on doit s’assurer que chaque tuyau permettant le passage de l’eau

soit bien étanche. Il est évident que le débit d’eau provenant du système d’aqueduc de

l’université n’est pas constant et qu’il n’est pas très élevé, il en est de même pour la

température de l’eau. En faisant couler l’eau dans le système à plusieurs reprises, il est

possible de faire des lectures de température d’entré et de sortie. Pour ce faire, les

thermocouples sont branchés à un ordinateur. Tout au long de l’expérimentation, le

système informatique recueille les données de températures voulus.

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4.2.2.1 ��

En regardant le tableau 4, on remarque que l’échange de chaleur entre l’air et l’eau n’est

pas très élevé. Il est évident que le débit d’eau fourni est très faible si l’on compare au

débit réel de la pompe du moteur. L’utilisation d’une pompe pour augmenter le débit

ainsi qu’un élément chauffant pour l’eau aurait été idéal. Par contre, on peut faire une

approximation assez précise des résultats pouvant être obtenu en temps réel. On remarque

que le �T pour la température de l’air n’est pas négligeable, entre 14 et 16 °C. On peut

donc affirmer que le transfert de chaleur entre l’eau et l’air fonctionne, mais que

l’efficacité du système de refroidissement n’est pas impressionnant.

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13 | P a g e

Somme toute, il est évident que des changements touchant certain paramètres devront être effectués. Ces résultats seront utilisés ultérieurement pour valider le modèle mathématique de l’échangeur de chaleur.

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4.3 ��-��

Le nouveau radiateur de la formule SAE à été dessiné et fabriqué par la compagnie

Saguenéenne SKL Aluminium Technologie. Pour être en mesure de comparer l’efficacité du

nouveau système de refroidissement versus celui fabriqué en 2010, il faut effectuer de

nouvelles expérimentations. Comme on peut voir à la figure XXX, le montage est différent de

celui montré à la figure 4. En effet, les changements apportés permettent d’avoir une approche

différente, soit l’ajout d’une pompe et d’un chauffe-eau pour augmenter le débit et maintenir la

température élevée.

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4.3.1 ��

Dans le tableau XXX on peut voir les résultats obtenu lors des essais laboratoires.

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14 | P a g e

Calcul de pression près du ventilateur

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15 | P a g e

Sachant les spécifications du ventilateur, on remarque que plus la pression traversant le

ventilateur est petite, plus ça vitesse est grande. Donc, selon le graphique ici-haut, on peut

affirmer que le ventilateur fonctionne à 70% de ça capacité maximale. Cette observation

permet de calculer la vitesse de l’air sortant du ventilateur ainsi.

On peut voir que la vitesse près du ventilateur est de 8.58 m/s. Avec cette valeur on peut

connaître la vélocité moyenne de l’air pénétrant dans le radiateur. Pour ce faire, on doit

utiliser les valeurs de pression trouvées lors des essaie en laboratoire. Dans le tableau

suivant sont identifiées les valeurs obtenues.

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!��'!�(� ��.�� .�'� ��.��

Donc la vitesse traversant le radiateur est en moyenne égale à 5,15m/s.

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��

16 | P a g e

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4.3.2 �� Dans le tableau suivant son énumérés les différents résultats obtenue lors de l’essai. C’est

données permettent de valider le modèle mathématique et de confirmer les hypothèses du

départ.

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5.1 �� '��

La méthode de calcul la plus appropriée pour l’élaboration d’un modèle fiable avec les

données que nous possédons est la méthode «E-NTU», en effet, les calculs seront effectués

avec les données suivantes :

• Température ambiante (°C);

• Distribution du débit d’air à travers le radiateur (m/s);

• Température d’entrée de l’eau (°C);

• Débit de l’eau (kg/s);

• Dimensions du radiateur (mm).�

�

5.2 �&��'��

Les hypothèses suivantes ont été utilisées dans le but de simplifier l’ensemble des calculs. En

effet, on considère que le transfert de chaleur s’effectue en régime permanent et que le débit

��

��

17 | P a g e

d’eau et la température de l’eau à l’entrée sont constants. Ensuite, on considère qu’il n’y a pas

de changement de phase des fluides durant leur passage dans le radiateur. Finalement on

considère que toutes les dimensions sont uniformes et la conductivité thermique est constante.

5.3 ��

La température d’entrée de l’eau peut être déterminée à l’aide de la figure suivante, qui

représente le comportement du thermostat. En effet, le thermostat ouvre à partir de 80 ~ 84 °C

(176 ~ 183 °F) représentée sur l’image par le point A, avant ces températures il est

complètement fermé. Ensuite, au point B, il est complètement ouvert la température est de

95°C. �

��/� ��

Il est conclut de ce comportement que la température d’entrée pour laquelle le radiateur

devrait avoir une efficacité suffisante est 95°C. C’est donc à cette température d’entrée que

seront effectués les calculs. La température d’entrée de l’air à été évaluée expérimentalement

mais est une donnée qui varie en fonction des conditions d’utilisation ainsi pour l’élaboration

des calculs préliminaire celle-ci à été évaluée à 22.1 °C.

5.4 ��

Les principaux paramètres adimensionnels permettant de décrire un transfert de chaleur par

convection forcée sont définis ci-dessous.

Nombre de Reynolds (Re):

Le nombre de Reynolds caractérise le régime de l’écoulement, c’est-à-dire s’il est laminaire

ou turbulent. Le tableau ci-dessous donne les valeurs du nombre de Reynolds selon le régime

du fluide. Ces valeurs seront utilisées pour la sélection des formules du modèle mathématique.

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��

18 | P a g e

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2�� <�� 2��

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�� 1��

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Nombre de Nusselt (Nu) :

Le nombre de Nusselt est une mesure de l’intensité de l’échange thermique. Il correspond au

rapport du transfert de chaleur par convection sur la conductivité thermique.

�

��

Nombre de Prandtl (Pr):

Le nombre de Prandtl décris la rapidité des phénomènes thermiques dans un fluide. Un

nombre élevé signifie que le profil de température sera développé plus lentement que le profil

de vitesse. Par contre une Prandtl faible indique que la conduction thermique sera tellement

rapide que la vitesse influencera peu la température.

�

��

Pour les gaz, le nombre de Prandtl varie entre 0.2 et 1 tandis que pour l’eau entre 1 et 10. Si

l’on regarde les tableaux des propriétés physiques de l’eau et de l’air aux températures utilisés

dans nos expérimentations, l’ont peut constater que les nombres de Prandtl de l’eau (1.96 à

95°C) et de l’air (0.712 à 30°C) sont très près de 1. Donc, les profils des vitesses et des

températures adimensionnelles seront semblables.

�

5.5 "��0��

L’efficacité des ailettes est définie par le rapport entre le transfert de chaleur total actuel, sur le

transfert de chaleur maximal théorique, en négligeant la perte des bouts.

�

��

��

19 | P a g e

Pour des ailettes de section uniforme, où m est un paramètre d’efficacité et Lc la longueur

effective, correspondant à la moitié de la largeur des ailettes (fH) lorsque l’ailette situé est

entre deux tubes.

Les radiateurs utilisés pour le domaine automobile sont de types ailettes/tubes. Ce qui fait que

le transfert de chaleur s’effectue à la fois sur les surfaces avec ailettes et celles sans en même

temps. Pour cette raison on utilise pour l’efficacité de la surface totale, qui se calcule comme

suit :

Le nombre de Nusselt du coté de l’air est calculé en fonction du régime d’écoulement de l’air.

La longueur utilisée pour calculer le nombre de Reynolds, qui correspond à la largeur des

volets de déviation (Ll) des ailettes, est montré dans la figure ci-dessous :

��*��

Le coefficient de transfert de chaleur par convection de l’air (ha), est fonction du nombre de

Nusselt, de la conductivité thermique et de la longueur effective (Lc), l’équation permettant de

le calculer est la suivante :

�

�

��

��

20 | P a g e

5.6 "��0��

Le nombre de Reynolds calculé pour les tubes est de 10275.78 avec le débit de la pompe du

moteur qui est de 86 litres par minutes. Le régime est donc turbulent, mais à la limite de la

transition, c’est pourquoi les équations de Gnielinski (1976) ont été utilisées. Celles-ci sont

valides pour un nombre de Reynolds entre 2300 et 104. En effet étant donné que le débit

obtenu de la pompe correspond à un RPM de 11 800, il est évident que le débit peut

difficilement être supérieur à la valeur obtenu mais facilement inférieur. Donc, il est supposé

que le régime du fluide dans les tubes est plus souvent en régime de transition que turbulent

lors de l’utilisation du véhicule.

Où Dh correspond au diamètre hydraulique et Re est calculé en fonction de celui-ci.

�

��

5.7 "��$$�� $��'��1��$$��

L’équation générale du coefficient de transfert de chaleur global tient compte :�

�

• de la convection du côté de l’air;

• de l’encrassement du côté de l’air;

• de la conduction;

��

��

21 | P a g e

• de l’encrassement du côté des tubes;

• de la convection du côté de l’eau.

Étant donné l’utilisation, et le fait qu’il n’y a généralement que très peu d’encrassement, celle-

ci est négligée à la fois pour l’air et l’eau. De plus, l’ajout de la conduction n’a qu’un effet

plus que minime sur le coefficient elle à aussi été négligé dans le calcul. L’équation utilisée est

donc réduite, elle tient compte seulement de la convection:

�

Avec le coefficient de transfert de chaleur global, il est possible de calculer le nombre d’unités

de transfert de chaleur, puis l’efficacité.

��

Où Cr correspond au ratio entre Cmin et Cmax qui est la capacité de transfert de chaleur

(W/K).

Il est évident que le Cmin est toujours du côté de l’air pour un radiateur automobile.

L’efficacité peut aussi être déterminée graphiquement si l’on à préalablement déterminé le

nombre d’unités de transfert de chaleur (NTU).

��

��

22 | P a g e

��,�>�� % �D �

Finalement, le transfert de chaleur total du radiateur peut-être calculé avec cette équation :

�

5.8 2��

La validation du modèle mathématique se fait en appliquant la méthode logarithmique des

différences de températures aux données recueillies expérimentalement. En comparant ces

valeurs et celles obtenus à l’aide du modèle, nous avons pu constater que notre méthode de

calcul était suffisamment précise pour que nous puissions l’utiliser pour la suite du projet.

Pour fin de comparaison, les résultats ont été regroupés dans le tableau suivant :

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23 | P a g e

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6.1 4��

6.1.1 "'��&�� '� 1��

Le choix du type d’échangeur de chaleur à été effectué en fonction des deux modèles

testés en laboratoire. En effet, il à été possible de calculer l’effet de 2 passages sur les

radiateurs, en gardant les dimensions initiales. Le tableau suivant présente les résultats de

ces calculs.

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On peut conclure de ces résultats que pour un échangeur de dimensions égales, 2

passages augmentent le transfert de chaleur d’environ 4%. La question d’augmenter le

nombre de passages de l’eau à plus que deux s’est aussi posé. Par contre plusieurs

données [] indiquent qu’un échangeur avec deux passages nécessitait 16 fois plus de

pression pour avoir le même débit, un radiateur avec trois passages nécessiterais donc 64

fois plus de pression, ce qui réduit de beaucoup les avantages. De plus, avec un radiateur

avec deux passages, la pression est doublée et le volume d’eau dans les tubes est réduit

de 33% du aux pertes de charges. L’augmentation des pertes de charges diminuent de

beaucoup l’effet bénéfique que pourrait avoir deux passages sur le transfert de chaleur.

Pour voir un effet bénéfique il faudrait une pompe fournissant plus de débit. Par contre,

étant donné que la fabrication de ce type de radiateur n’est pas plus compliquée qu’un

normal, et qu’il y a quand même un certain gain un radiateur avec deux passages est

recommandé pour notre application.

��4��H�/��0��1��

��

��

24 | P a g e

6.1.1.1 ��

Plusieurs raisons tendent vers l’utilisation d’un seul radiateur. Deux configuration sont

possibles si on choisi d’avoir un système à deux radiateurs, on peut les mettre soit en

parallèles ou en série. Le principal problème de les mettre en parallèles est que le débit

d’eau est réduit de moitié. Ce qui crée une légère diminution dans le transfert de chaleur

total. De plus, il est nécessaire dans les deux cas d’augmenter considérablement le

nombre de tubes pour relier l’ensemble du système. Si on considère que l’espace est

réduit, dans le compartiment moteur, ce n’est pas une solution idéale. Dans le cas de deux

radiateurs en série, le débit d’eau est aussi diminué et le deuxième radiateur est moins

performant, même si les radiateurs sont plus petits, l’ensemble reste moins performant

qu’un seul radiateur légèrement plus gros.

�

6.1.2 "'��

La question du choix du matériel à utiliser pour la fabrication s’est posé très tôt dans le

processus. En effet, le fournisseur qui fabrique présentement les radiateurs pour la

Formule SAE est spécialisé dans les échangeurs de chaleur en aluminium, utiliser un

autre matériel engendrerais évidemment des coûts plus important. L’objectif du projet

étant d’arriver à un système optimal, l’étude des différentes possibilités ne devait pas être

rejetée pour une question monétaire.

Après recherche, deux options étaient possibles pour le choix du matériel :

• l’aluminium;

• un alliage de cuivre.

��/� �I�� 1��

Conductivité thermique (W/M K) Air (à 20°C) 0.0257

Aluminium Série 3003 193 Aluminium 6061-T6 167

Cuivre 385 UNS C14300 377 UNS C26000 120

Comme on peut l’observer dans le tableau précédent, la conductivité thermique la plus

faible et de loin, est celle de l’air. On peut conclure de ces données, que c’est l’air qui

limite le transfert de chaleur. Dans un tel contexte, à moins d’avoir un débit d’air

��

��

25 | P a g e

suffisant pour que ce soit le matériel qui devient l’élément limitant dans le transfert de

chaleur, le choix du matériel ne dépend pas vraiment de celle-ci.

Dans le tableau XXX on peut voir la matrice de prise de décision quant au choix du

matériau. Les résultats sont évalués selon les critères de sélection ici-bas. On remarque

que l’utilisation du cuivre aurait pu être envisagée pour sa grande conductivité thermique,

par contre plusieurs autres facteurs disent le contraire. En effet, l’aluminium possède une

conductivité thermique moyenne mais comporte plus d’avantage au bout du compte. Il est

donc évident que l’aluminium est le métal qui doit être utilisé pour la fabrication du

nouveau radiateur. Donc, on peut sélectionner le type d’alliage d’aluminium en

comparant les deux résultats. Comme l’aluminium séries 3003 obtient un résultat

maximal, elle est sélectionnée pour fabriquer le système de refroidissement.

��

Critère Pondération (%) Coût 20 Efficacité 40 Poids 25 Durabilité 15

��,��+ ��

Matériaux considérés

Aluminium Série 3003

Aluminium 6061-T6 Cuivre UNS-

C14300 UNS-

C26000 Coût (20%) 20% 20% 4% 4% 4%

Efficacité (40%) 20% 17% 40% 39% 13% Poids (25%) 25% 25% 7.5% 2.5% 5%

Cri

tère

s

Durabilité (15%) 10% 13% 8% 7% 5% Total 75% 74% 59.5% 52.5% 27%

6.1.3 "'��&��

Plusieurs études poussées portant sur les ailettes démontrent clairement que celles

comportant des volets, augmentent l’efficacité de l’échangeur et permettent donc de

diminuer les dimensions pour un même transfert de chaleur. Les volets augmentent le

transfert de chaleur en perturbant la couche limite le long de l’ailette, causant une

résistance thermique du côté de l’air.

Les ailettes peuvent avoir plusieurs géométries différentes, c’est sur ce sujet que nous

allons nous attarder. Les paramètres suivants peuvent être modifiés :

��

��

26 | P a g e

• angle des volets;

• distance entre les ailettes (nombre d’ailettes par pouces);

• distance entre les volets;

• hauteur des volets.

Étant donné qu’il était impossible d’essayer expérimentalement différents types de

configurations pour un même échangeur, faute de moyens, les décisions ont été basées

sur plusieurs études et articles scientifiques portant sur ce sujet. Le type d’ailettes utilisé

pour les expériences en laboratoire est présenté par la figure suivante.

��5�6��

Deux paramètres sont importants quand on parle d’efficacité des ailettes. Premièrement,

plus il y a d’ailettes par pouces plus la surface de transfert de chaleur est importante et

donc meilleur est le transfert. Par contre un nombre trop élevé rend la surface trop

turbulente et fait l’effet inverse. Deuxièmement, la hauteur et l’angle des volets modifient

aussi beaucoup la turbulence, mais ces paramètres sont difficilement quantifiables par

calculs manuels. C’est pourquoi des ailettes standards ont été choisies, tel que fournies

par le fabriquant, soit SKL Aluminium, leur expertise nous a permis de valider ce choix.

De plus étant donné que l’efficacité de notre surface de transfert de chaleur est de 98%, il

est conclu que les ailettes choisies sont efficaces.

Les ailettes à volets comme utilisé présentement sur les radiateurs testés en laboratoire

sont celles les plus couramment utilisées. Un autre type d’ailettes seulement pourrait être

plus efficace et ce seulement pour certains nombre de Reynolds.

En effet, Lawson et Thole [] ont comparé expérimentalement plusieurs types de

configuration d’ailettes, ils ont en autres vérifié si l’ajout de petit triangles dans un angle

��

��

27 | P a g e

précis par rapport à l’écoulement pouvait améliorer les ailettes à volets déjà existantes.

Pour ce faire ils ont effectués divers tests pour en venir à la conclusion que pour une

géométrie d’ailettes comportant une partie plane de chaque côté des volets comme montré

dans la figure suivante, l’ajout d’ailerons en forme de triangle créait une augmentation de

47% du nombre de Nusselt pour un nombre de Reynolds de 955. Cette augmentation ne

comprend que le transfert de chaleur le long de la surface des tubes.

��7�J��

Par contre, l’étude à aussi démontré que pour une géométrie d’ailette ou la partie plane

est négligeable, l’ajout de ces même ailerons triangulaires ne causait qu’une

augmentation de 3% du nombre de Nusselt pour un même nombre de Reynolds. Les

différents graphiques présents dans l’étude montrent que pour des nombres de Reynolds

inférieurs l’augmentation de l’efficacité diminue grandement. Étant donné que dans notre

cas le nombre de Reynolds du radiateur de notre solution finale est de 560 ce qui est

presque 40% plus petit, l’augmentation du nombre de Nusselt sera moindre et se

retrouvera quelque part entre 47% et 1%, 1% étant pour un nombre de Reynolds de 216.

À la lueur de ces résultats, il serait donc avisé d’utiliser ce type d’ailettes pour une

fabrication future du radiateur de la formule SAE.

Étant donné la faible largeur entre les tubes, la partie plane est presque inexistante, une

vérification rapide a démontré qu’en réduisant le nombre de tubes, pour ainsi augmenter

l’espace entre ceux-ci et avoir une partie plane plus importante, l’effet bénéfique des

ailerons est annulé. Il est donc conclu que les ailettes à volets standard sont plus efficaces

pour notre configuration. Il est impossible de réduire le nombre de tubes sans diminuer le

transfert de chaleur, et donc il est préférable dans le cas présent de garder la configuration

existante.

��

��

28 | P a g e

�

6.1.4 "'��

Pour la sélection du ventilateur, certain paramètre ont été étudiés. Pour être en mesure

d’obtenir les résultats les plus concluants, on doit pouvoir trouver un ventilateur ayant les

qualités suivantes :

• Diamètre entre 7 et 8 pouces;

• Ultra léger;

• Vitesse de sortie d’air plus grande que 4.5 m/s;

• Prix abordable.

Suite à de nombreuses recherches, certain modèles on été choisi. Dans le tableau XX on

peut voir la comparaison entre 3 des ventilateurs sélectionnés. On peut voir que le plus

petit des ventilateurs à été choisi et ce pour deux raisons importantes, la première étant la

disponibilité et la deuxième étant l’efficacité. En effet, pouvoir retrouver l’appareil

facilement sur le marché permet d’éviter les pertes de temps et les problèmes lorsqu’il y a

bris de matériel. De plus, étant donné qu’il y a contrainte au niveau de l’efficacité, il est

évident que le ventilateur choisi doit pouvoir effectuer le travail demandé, ce qui est

respecté dans le cas suivant.

��

��

29 | P a g e

��4��

Modèle Spécifications Comparaison

• Compagnie : SPAL USA • Diamètre : 7.5 pouces; • Épaisseur : 2 pouces; • Poids : 0.9 kilogrammes; • Débit d’aspiration : 0.2 m³/s; • Vitesse de l’air à l’aspiration :

7.2 m/s; • Résistant aux intempéries; • Alimentation : électrique 12.6 V; • Prix : 82.45$.

Plus petit que les 2 autres, vitesse d’aspiration suffisante, très léger, prix moyennement élevé, très facile à trouver sur le marché.

• Compagnie : DERALE Performance • Diamètre : 8 pouces; • Épaisseur : 2.25 pouces; • Débit d’aspiration : 0.225 m³/s; • Vitesse de l’air à l’aspiration : 7.9 m/s; • Comprend thermostats; • Résistant aux intempéries; • Alimentation : électrique 12.6 V. • Prix : 149.25$

Diamètre limite, vitesse d’aspiration plus que

suffisante le poids n’est pas mentionné

mais en ajoutant le thermostat le poids augmente donc plus pesant que les 2 autres, prix très élevé.

• Compagnie : Maradyne • Diamètre : 8 pouces; • Épaisseur : 2.5 pouces; • Débit d’aspiration : 0.2 m³/s; • Vitesse de l’air à l’aspiration : 7.2 m/s; • Poids : 1.5 kilogrammes; • Résistant aux intempéries; • Alimentation : électrique 13.6 V. • Prix : 60$

Diamètre limite, plus épais que les autres, prix très bas, vitesse d’aspiration satisfaisante mais vu la dimension il n’est pas assez efficace.

��

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30 | P a g e

5 4��

Étant donné que seulement quelques paramètres ont une grande influence sur le transfert de

chaleur et que certains étaient fixés, les variables suivantes seulement ont été modifiées :

• vitesse de l’air;

• largeur;

• hauteur;

• épaisseur.

À partir des expérimentations faites en laboratoire, il à été possible de déterminer que le radiateur

11 x 11 pouces utilisé présentement par l’équipe était inutilement trop encombrant. En effet,

celui-ci est trop performant pour la demande, de plus, ses grandes dimensions font qu’il à été très

difficile à positionner dans la carrosserie du véhicule. Un retour de l’équipe qui est revenue de la

compétition, confirme les calculs effectués.

À partir de ces données, les dimensions générales ont été réduites au maximum possible. De plus,

il est possible d’observer qu’une légère augmentation de l’épaisseur procurait des gains

important. En effet, comme le démontre les résultats obtenus dans le tableau suivant, passer de

1.20 pouces d’épaisseur à 1.5 pouces fait passer la chaleur dissipée de 8223.13 watts à 9415.83

watts, ce qui est tout un même un gain de plus de 1000 watts.

��5�&�� )��)��0��4=��

;��' (

K��' (

H��' (

*��

'�3 ��(

<��' 3�(�

E�'F (�

228.6� �'�.�� &�� '�&�� .'�� .��

��&� �'�.� 30.2 '�&�� 4.500 8223.13

Par contre, en augmentant trop l’épaisseur, la différence de pression entre les parois du radiateur,

du côté de l’air est trop importante et la vitesse de celle-ci est réduite à un point tel que le gain est

nul. C’est pourquoi, il à été décidé d’opter pour une légère modification de l’épaisseur, qui

n’affecte que très peu la vitesse de l’air à travers l’échangeur. Évidement, l’augmentation de

l’épaisseur vaut la peine seulement si l’efficacité de la surface des ailettes est maximale. Étant

donné que l’efficacité de la surface calculée est de plus de 98%, pour le type d’ailettes utilisées, il

est facile de conclure qu’il est plus avantageux d’augmenter l’épaisseur.

��

��

31 | P a g e

Le principe est le même pour les ailettes, si celles-ci causent trop de turbulences et de pertes par

friction, l’avantages de celles-ci est amoindri. C’est pourquoi il faut choisir une densité par

pouces d’ailettes qui n’affectera pas le transfert de chaleur.

Le tableau suivant montre les différentes options envisagées pour les dimensions du radiateur :

��7�&�� )��)��0��4=��

;��' (

K��' (

H��' (

*��'�3 ��(

<��' 3�(�

E�'F (�

228.6 254.0 38.1 86 4.0 9033,98 228.6 ��&� 38.1 86 4.5 9261.02 228.6 228.6 38.1 86 5.0 9382,67

Par la suite, il à été décidé de vérifier si les solutions pouvaient êtres valide même pour une

température d’entrée de l’air de 40°C. Après calculs, seule une configuration à été retenue, en

effet pour une température de 40°C à l’entrée le radiateur de 9x10 pouces serait le plus

performant, les deux autres soit celui de 9x9.5 pouces et celui de 9x9 pouces sont insuffisants.

Le tableau suivant présente les résultats obtenus avec le radiateur de 9x10 pouces :

��#�&�� .��.��0�,"=��

;��' (

K��' (

H��' (

*��'�3 ��(

<��' 3�(�

E�'F (�

228.6� �'�.�� &�� '�&�� &�� '��&��

228.6� �'�.�� &�� '�&�� .'�� 9415.83�

Le ventilateur sélectionné devra être en mesure de fournir une vitesse de l’air de 4.5 m/s. Aussi, le

débit d’eau à été légèrement diminué, en effet, un radiateur avec deux passages de l’eau, crée des

pertes de charge et le débit est ainsi diminué pour avoir des résultats les plus près possible de la

réalité, une diminution de 33% à été appliqué sur le débit.

7.1.1 4�� $� ��

La solution finale proposée est un radiateur de 9 (228.6mm) de large par 10 (254.0mm)

pouces de haut et de 1.50 pouces d’épaisseur. Il à aussi été décidé que celui-ci

comporterais deux section. L’eau effectuant un double passage dans l’échangeur. Le

radiateur final pourra donc pour les conditions maximales dissiper 9415.83 watts, ce qui

est légèrement supérieur à la quantité maximale d’énergie à évacuer. L’échangeur choisi,

montré sur la figure suivante, est donc plus petit que celui utilisé présentement, mais

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32 | P a g e

réponds aux objectifs énoncés en début de projet. La disposition du bouchon pressurisé

n’est pas montrée sur l’image, car étant donné que celui doit être au point le plus haut du

système et du côté ou la pression est la plus faible, c’est-à-dire après le radiateur, à

l’entrée de la pompe. L’endroit choisi pour le placer est sur le dessus du réservoir

d’expansion prévu au système. Les choix du type de radiateur, du matériel, du processus

de fabrication, ainsi que du type d’ailettes à été détaillé dans les sections précédentes. La

fabrication du radiateur aux dimensions sélectionné ci-dessous, se fera en fonction de ce

qui à été déterminé dans les sections précédentes. Le tableau suivant présente un résumé

de ces sélections.

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Caractéristique Valeur Largeur (mm) 228.6 Hauteur (mm) 254.0 Épaisseur (mm) 38.1 Méthode de fabrication Brasage Type d’échangeur Échangeur à écoulement vertical Nombre d’écoulements 2 Matériel Aluminium série 3003s Types d’ailettes Ailettes à volets Nombre d’ailettes / mètre 459 Diamètre du ventilateur (mm) 203.3 CFM 570

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33 | P a g e

Le tableau suivant, présente un comparatif entre les radiateurs des années passés et celui

sélectionné. Il est à noter que depuis 2008, c’est le même moteur qui est utilisé, il est

donc facile de comparer les différentes configurations du système de refroidissement avec

la solution choisi pour celui de 2012.

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Caractéristique 2009-2010 2010-2011 2011-2012 Largeur (mm) 190.5 279.4 228.6 Hauteur (mm) 279.4 279.4 254.0 Épaisseur (mm) 30.2 30.2 38.1 Méthode de fabrication Brasage Type d’échangeur Échangeur à écoulement vertical Nombre d’écoulements 1 1 2 Matériel Aluminium série 3003s Types d’ailettes Ailettes à volets CFM 436 480 570 Qmax (W) 8142.04 18695,39 16277.03 Efficacité (%) 56 47.9 58 Q (W) 4554.98W 8961.37 9415.83 Surface (mm2) 53225.70 78064.36 58064.00

Avec ce tableau on peut conclure que pour de petites modifications dans les dimensions

et le nombre de passages de l’eau dans le radiateur, les gains sont impressionnants. De

plus, le radiateur 2012 est plus performant que le 2011, selon les dires des étudiants

présents à la compétition, le 2011 est plus que performant. Ce qui pourrait nous amener à

modifier la solution finale, s’il s’avérait que les tests avec le moteur tentent à prouver

leurs propos. En attendant il est préférable de se garder une marge de sécurité confortable.

Mais si des données expérimentales étaient recueillis et confirmait leurs propos, la

modification la plus effective serait de diminuer l’épaisseur pour la ramener à 30.2mm et

ainsi gagner de l’espace sans nuire aux performances. En conclusion, des tests avec le

véhicule seront nécessaires pour valider le choix de la solution et peut-être même

diminuer les dimensions si nécessaire.

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7.2 ��

Le réservoir d’expansion est un élément essentiel du système de refroidissement. Dans le cas

d’un radiateur à écoulement vertical il est nécessaire. En effet, celui-ci est directement

connecté sur le tuyau d’évacuation et permet de prendre le surplus d’eau lors de

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34 | P a g e

l’expansion. Lorsque la chaleur du moteur augmente, le liquide de refroidissement prend de

l’expansion, le surplus va alors dans le réservoir d’expansion au lieu de se perdre

complètement. Puis lorsque le moteur se refroidit, il se crée un vacuum et l’eau quitte le

réservoir pour retourner dans le radiateur, comme indiqué dans l’image suivante. Un des

avantages est qu’aucunes bulles d’air ne peuvent se former dans le système ce qui augmente la

performance du transfert de chaleur.

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Un autre des avantages et la réduction des réservoirs du radiateur même, en effet dans le but

de rendre le radiateur facilement positionnable, un réservoir d’expansion est une bonne

solution. Il peut ainsi être positionné en dehors de la carrosserie. Dans le cas d’un radiateur à

écoulement perpendiculaire, le réservoir n’est pas nécessaire. Par contre pour un système à

écoulement vertical il est obligatoire d’en ajouter un car le bouchon pressurisé doit être

positionné au point le plus haut du système, mais aussi du côté ou la pression est la plus faible.

Par le fait même il ne peut être mis directement sur le radiateur. En effet, la pression est la plus

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35 | P a g e

faible dans le réservoir du bas. Il est donc nécessaire d’ajouter un réservoir pour placer le

bouchon.

C’est dans l’optique d’améliorer le transfert de chaleur au maximum et d’augmenter la

pression générale du système qu’il a été décidé d’en ajouter un. De plus, Les calculs suivent

permettent d’obtenir des dimensions finales pour le réservoir.

Il existe deux types de réservoirs d’expansion, ceux pressurisés et ceux avec évent. Le

principe du second type est simple, le bouchon pressurisé est placé directement sur l’entrée de

remplissage du radiateur, ensuite un tube est part du réservoir du radiateur et se rend jusqu’au

bas du réservoir d’expansion. Le dessus du contenant est à l’atmosphère. L’autre système plus

fréquemment utilisé est configuré de cette manière, le bouchon pressurisé est installé sur le

dessus du réservoir d’expansion et est connecté à au réservoir correspondant à l’entrée d’eau.

C’est ce second type qui sera utilisé, en effet il évite d’être obligé de récupérer tout fluide qui

pourrait sortir du réservoir et de l’amener vers les canettes de rétention de liquide, comme

spécifié dans les règlements.

7.2.1 �&��'��

• Pression maximale du système : 122.7kPa

• Température maximale : 95°C

• Température minimale : 80°C

• Réservoir fermé

• Le volume d’eau dans le système est 3.70l

Le graphique suivant présente une approximation permettant de déterminer de manière

rapide le pourcentage du volume du système que doit avoir un réservoir d’expansion, en

fonction de la température. Dans notre cas la température maximale est de 200°F (95°C),

le réservoir doit donc avoir un volume correspondant à 14% du volume total du système.

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36 | P a g e

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Le volume requis étant le suivant :

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37 | P a g e

Où les volumes spécifiques de l’eau aux températures minimale et maximale ont été

déterminés dans le graphique présenté à la page suivante. La légère différence entre les

résultats obtenus lors des calculs et ceux obtenus graphiquement, proviennent en autres

de l’imprécision de la méthode graphique, le volume du réservoir sera donc de 0.59 litres.

Afin de limiter l’espace pris par celui-ci, et étant donné que l’encombrement du véhicule

n’étant jamais pareil, une forme cylindrique à été choisie. L’image suivante présente le

réservoir, donc les dimensions sont : 5cm de rayon et 20 cm de haut pour un volume total

de 628.32 cm³.

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38 | P a g e

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39 | P a g e

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8.1 8�� 1��$�� !��9� �� Pour la réalisation de ce projet il est évident que les connaissances acquises tout au long du

baccalauréat en génie mécanique on été très utile. En effet, des notions tels que le transfert de

chaleur, la mécanique des fluides, la conception assistées par ordinateur ainsi que la pertinence

des projets antérieur ont permis d’effectuer le travail plus aisément.

Le cours en transfert de chaleur est à la base de toute la réalisation de ce projet. Étant donné

que le but principal de ce cours est d’initier les étudiants aux phénomènes d’échange de

chaleur selon différentes applications, les connaissances acquises ont été très utiles. De plus, le

manuel de référence utilisé dans le cadre de ce cours est celui qui à été le plus utiles dans ce

projet.

Pour ce qui est de la mécanique des fluides, les connaissances sur l’écoulement dans les

tuyaux ont permises d’évaluer certain paramètre importants pour le bon déroulement du projet.

Lors du calcul de la vitesse de l’air dans les conduits, il a fallut utiliser plusieurs méthodes

connues grâces aux leçons reçu dans ce cours.

En plus, le cours de conception assistée par ordinateur à permis de modéliser le système de

refroidissement à l’aide du logiciel SolidWork. Les bases de CAO ont données à l’équipe les

outils nécessaire pour éviter de chercher les fonctions du programmes ainsi qu’effectuer la

modélisation en 30 minutes.

Finalement, la réalisation de nombreux projet durant ces quatre années ont données la chance

aux étudiants d’apprendre la base de l’organisation, du travail d’équipe et de la

communication. Sans toutes cet apprentissage, le projet n’aurais pas été viable et n’aurais

probablement jamais commencé.

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40 | P a g e

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8.2 �� !�� L’équipe de travail, pour la conception du système de refroidissement, est composée de deux

étudiantes en génie mécanique. Il est évident que tout au long de ce projet, les deux étudiantes

ont du faire preuve de patiente, d’initiative et de leadership. De plus, il est important de

mentionner que les techniciens de l’UQAC ont dû travailler de pair avec les étudiantes pour

que le projet soit réalisable. Finalement, la planification de rencontres et le fait d’être assidu à

la tâche a permis de faciliter les relations avec le conseiller. Aucun conflit majeur n’a eu lieux

durant ce projet.

8.3 �� '�� Voir l’annexe XX pour une vue d’ensemble de l’échéancier.

Quelques petites modifications ont été effectuées dans l’échéancier. En effet, la partie

concernant la modélisation d’un nouveau radiateur sur le logiciel SolidWork n’a pas été

effectuée. La simulation à été remplacée par l’analyse paramétrique à l’aide d’un modèle

mathématique. On estime que les résultats obtenus, en utilisant ce système, sont de loin plus

précis et plus rapide à obtenir.

De plus, la partie concernant les essais sur le moteur a été annulée. L’annulation de cette étape

est hors du contrôle de l’équipe. Certain problèmes d’organisation du côté de l’équipe de la

formule SAE ont créé un manque de temps et donc le moteur n’a pas été prêt à temps pour

effectuer les tests sur le radiateur.

En dernier, le nouveau radiateur devait être fabriqué et testé. Comme cette tâche est

directement relié avec les essais moteur, il est évident que le système de refroidissement à été

conçu mais pas fabriqué. Cette étape aura lieu cet automne.

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41 | P a g e

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8.4 8 ��&�� Lors d’un projet, il est évident que certain imprévus sont inévitable. Malgré quelques petites

embuches, le projet c’est très bien déroulé. En effet, on a réussit à concevoir un système de

refroidissement selon les différentes contraintes établies. La partie primordiale du projet à été

la spécification des contraintes de conceptions, ce qui à permis de mettre les limites et de

simplifier la conception.

De plus, une étape spécifiques à créé un retard au niveau de l’échéancier. L’élaboration du

modèle mathématique à l’aide du logiciel Excel à créé plusieurs problèmes techniques. Vu la

disponibilité du programme, l’équipe c’est vu imposé ce logiciel. Mais après plusieurs jours et

plusieurs heures de travail, on en conclu que l’utilisation d’un programme plus simple mais

tout aussi puissant, comme Mathlab, aurait dû être priorisé.

Finalement, pour la partie concernant les essais laboratoire, il est évident que les montages ne

ressemblent en rien à l’utilisation réelle d’un radiateur. Par contre, l’analyse des données

permet de faire la validation du modèle mathématique et ainsi de confirmé son utilisation pour

la conception. Bref, malgré les inconvénients causés par les membres de la formule SAE en se

qui à trait à l’essai moteur, l’équipe du projet à su faire preuve d’ingéniosité en se tournant

vers d’autres solutions.

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42 | P a g e

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L’objectif de ce projet était de concevoir un système de refroidissement et ce, dans le but de

permettre au moteur de la formule SAE de fonctionner sans aucun problème de surchauffe. On

peut maintenant affirmer que les objectifs du projet ont été atteints et que le système ainsi conçu

pourra être fabriqué pour la compétition 2012. De plus, le modèle mathématique créé pourra être

utilisé dans le futur pour concevoir d’autre radiateur personnalisé et ce, au type de moteur utilisé

pour la formule.

Pour ce qui est de la continuité du projet, il est évident que certaine chose serait à ajouter. En

effet, comme mentionné dans l’analyse, les tests avec le moteur pourraient permettre d’augmenter

la justesse des résultats. De plus, en faisant la caractérisation du moteur on pourrait déterminer les

paramètres exacts de la pompe à eau et ainsi connaître le débit d’eau entrant dans le radiateur.

Également, avoir eu plus de temps, il aurait été possible de fabriquer le nouveau système et puis

faire les essais sur le banc de test pour analyser ses performances. Faute de temps et de moyen,

certain aspect on dû être laisser de côté.

Finalement, lors de projet semblable on apprend beaucoup sur le côté gestion et communication

du domaine de l’ingénierie. En effet, la gestion du temps est primordiale, mais aussi l’analyse de

chacune des tâches est une étape à ne pas oublier. De plus, lorsque l’on débute un projet il est

obligatoire d’établir certaine règle de base, le respect entre partenaire ainsi que l’égalité de la part

de travail. Bref, l’apprentissage à lieu avant le projet mais aussi pendant.�

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43 | P a g e

� �$�� 1. Çengel, Yunus A. 2007. Heat and Mass Transfer : A practical approach. 3e édition 901 p.

2. 2011 Formula SAE® Rules. SAE international. 130 p.

3. P.Fraas, Arthur. 1989. Heat Excanger Design : 2e édition. New York : John Wiley & Sons

545 p.

4. Worcester Polytechnic Institute Formula SAE Team, 2009 Design Report 296p.

5. Yamaha Motor CO., LTD. , Yamaha PZ50 Service Manual (2007-2008), 423 p

6. http://www.sciencedirect.com/science?_ob=ArticleURL&_udi=B6V3H-4K606RJ-

5&_user=1069206&_coverDate=10%2F31%2F2006&_rdoc=1&_fmt=high&_orig=gateway&_origin=gateway&_sort=d&_docanchor=&view=c&_searchStrId=1754236120&_rerunOrigin=google&_acct=C000051266&_version=1&_urlVersion=0&_userid=1069206&md5=fd1408885693f240e8a14cb7f575d548&searchtype=a#tbl1

7. http://www.matweb.com/search/DataSheet.aspx?MatGUID=5b30b87291e84c5e843a9b0025b7dfc6&ckck=1

8. http://www.stewartcomponents.com/Tech_Tips.htm 9. http://www.cascadeenergy.com/docs/Air%20Flow%20and%20Fan%20Speed.pdf

10.

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44 | P a g e

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51 | P a g e

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52 | P a g e

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Calculs des aires et surfaces utilisées Surface frontale de l’échangeur (Afr,r)

Longueur totale des ailettes (Fl)

Surface totale de transfert de chaleur des ailettes (Af)

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53 | P a g e

Nombre d’ailettes par mètres (Nf)

Surface totale de transfert de chaleur du côté de l’air (Aa)

Diamètre hydraulique des tubes (Dheau)

Surface totale de transfert de chaleur du côté de l’eau (Ae)

Nombres adimensionnels Les tableaux suivant présentent les différentes propriétés de l’eau et de l’air utilisés dans les calculs qui suivent.

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�Les calculs effectuées pour déterminer le débit d’eau et la vitesse sont présentés à l’annexe X. �

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55 | P a g e

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Calculs du côté de l’air Efficacité d’une ailette : �

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Paramètre d’efficacité des ailettes :

Longueur effective :

Efficacité de la surface totale des ailettes :

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56 | P a g e

Coefficient de transfert de chaleur par convection de l’air :

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Calcul du côté de l’eau (pour un Reynolds turbulent)

Coefficient de transfert de chaleur par convection de l’eau :

Coefficient de transfert de chaleur global et efficacité

Coefficient de transfert de chaleur global :

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57 | P a g e

Nombre d’unités de transfert de chaleur : �

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Efficacité de l’échangeur :

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Capacité de transfert de chaleur de l’air (Cmin) : �

Capacité de transfert de chaleur de l’eau (Cmax) :

Finalement, le transfert de chaleur pour un radiateur avec un seul passage de l’eau peut-être calculé avec cette équation :

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58 | P a g e

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À ajouter car problème avec la version ms project

Documents

Université du Québec à Chicoutimi · 2011. 5. 24. · Ce rapport décrit les différentes étapes de conception pour le système de refroidissement de la ... 2009-2010. Ensuite,