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119 Pages·2010·7.73 MB·French

MODULE DES SCIENCES APPLIQUÉES

Étude de conception de séchoir à bois spécialisé

PROJET APPLIQUÉ DE FIN D’ÉTUDES EN INGÉNIERIE DANS LE CADRE DU
PROGRAMME DE BACCALAURÉAT EN GÉNIE ÉLECTROMÉCANIQUE

Présenté par : Patrick Beaulé
Pierre Antoine St Amour

Superviseur : François Godard, ing., Ph.D., Professeur, UQAT

Représentant industriel : Robert St Amour, ing. f., Foresterie Kekeko Inc.

Vendredi, le 30 avril 2010
Remerciements

Les auteurs de ce rapport tiennent à remercier leur superviseur à l’Université du Québec en
Abitibi-Témiscamingue, soit le professeur Francois Godard, pour son soutien et ses conseils au
cours de la réalisation de ce projet.

Les remerciements vont également au représentant industriel, M. Robert St Amour, fondateur et
président de Foresterie Kekeko, pour le temps qu’il a consacré ainsi que pour ses judicieux
conseils.

À l’issue de ce cours-projet, on adresse aussi des remerciements aux personnes ressources et
aux fournisseurs, pour leurs conseils :
M. Alain Chabot ing. f., représentant Forintek Corp. à Rouyn-Noranda;
M. Guy Lessard, propriétaire de Scierie Bionor à Rouyn-Noranda;
M. Guy Laplante, propriétaire de Scierie Laplante à Taschereau;
M. Jean-Bernard P.Charron ing. Ingénieur chez Dessau à Québec
M. Marc Savard, chercheur séchage du bois-division de l’Est, Forintek Corp. à Québec;
Mme Roxane Corbeil ing., Ingénieure à la Société Immobilière du Québec à Rouyn-Noranda;
M. Serge Beaulé ing., Ingénieur chez Groupe Stavibel à Rouyn-Noranda;
M. Yves Ruel ing., Service financier Chouinard & Associés CGA à Rouyn-Noranda

Pour terminer, on remercie également le professeur Ahmed Koubaa, Ph.D., ing. f., professeur-
chercheur et titulaire de la Chaire de recherche du Canada sur les caractérisations, la
valorisation et la transformation du bois à l’Université du Québec en Abitibi-Témiscamingue
pour son aide.

Page II
Résumé
Foresterie Kekeko Inc., située à Rouyn-Noranda au Canada, est une compagnie d’experts-
conseils en approvisionnement de la fibre de bois. Elle est spécialisée dans la mise en valeur
des essences de bois nordiques telles que le mélèze, le peuplier, le bouleau blanc et plusieurs
autres essences sous-utilisées. Dans le désir d’intégrer verticalement l’entreprise, son
propriétaire désire offrir à ses clients la possibilité d’ajouter de la valeur à leur bois de sciage.
Le présent ouvrage est consacré à l’étude de conception d’un séchoir à bois spécialisé pour des
petits producteurs de sciage de mélèze laricin (larix laricina). Une veille technologique et une
revue littéraire ont été effectuées afin de développer le concept du séchoir.
Lors de ce projet, le séchage du mélèze n’a pu être mathématisé afin de le quantifier
précisément dans le temps. La littérature sur le procédé des séchoirs à plaques sous vide partiel
étant très complexe et les données empiriques relevant plus du secret industriel, l’une des
principales recommandations fut de réduire la capacité du prototype, afin d’élaborer une recette
adéquate.
Les auteurs ont misé sur le concept qui leur semblait le plus prometteur en termes de
rendement, de qualité du produit fini et de coût. Malgré que les objectifs financiers n’ont pas
été rencontré car, le séchoir est encore trop onéreux en terme de capital d’acquisition pour la
clientèle visée, il est recommandé à Foresterie Kekeko de poursuivre la recherche afin de
diminuer le coût des panneaux chauffants, représentant la majeur partie de la valeur du séchoir.
Les forces du concept proposé par ce projet, sont la possibilité de cristalliser la résine, de
réduire les temps de séchage avec un faible taux de déclassement et de maximiser les
rendements versus les procédés traditionnels. De plus, un effort particulier a été fait pour
réduire les risques quant à la santé et sécurité au travail, tout en minimisant les temps et la
mécanique auxiliaire au chargement.

Page III
Abstract
Foresterie Kekeko Inc., located in Rouyn-Noranda, Canada, is a firm of experts-consultants in
wood fiber supply; it is specialized in the valorization of northern wood species, such as larch,
poplar, white birch and several other under-utilized species. It particularly excels in the
development of products with a high amount of plus-values. Its vocation as a consultant enables
it to have the necessary experience to be able to support its clients in developing projects aimed
at any type of wood fiber processing. Besides, Foresterie Kekeko offers consulting services in
the various fields of forest engineering. In its efforts to cover all the possible needs in forest
engineering, if a project exceeds its field of expertise, it has access to collaborators with
experience in a majority of the functions of forest engineering. In the goal of vertically
integrating the market, Foresterie Kekeko submitted the project of engineering s wood kiln
dryer to Université du Québec en Abitibi-Témiscamingue. This project reflects perfectly the
mission of the company, by developing a new product which will add high amounts of plus-
values to wood fiber.
The authors of this report want to offer an optimal wood drying concept, but more investigation
is request to reduce production cost and be competitive in the wood dryer market. The major
costs associated to this concept are in the heating plates. Most of the design and research efforts
will be targeted at this element. This is vital to the project, as the heat plates are at the center of
the proposed optimal wood drying concept. Furthermore, most of the engineering literature on
the subject does not cover the concepts used, as they are more on the research side of the
literature. Foresterie Kekeko should build a smaller scale prototype to find good the drying
schedule.
Foresterie Kekeko wants to offer a wood drying solution to Larix laricina. The purpose of this
study is to design a wood drying concept that will allow for high efficiency, low reject, shortest
drying time and the possibility to polymerized resin. The process will give a high quality to the
fiber, which is imperative for household finishing.
Furthermore, this project focuses on reducing the risk to health and the security of the operator
and the authors think that this will add even more plus-value to the final solution.
Page IV
Table des matières
Remerciements ............................................................................................................................. II
Résumé ....................................................................................................................................... III
Abstract ....................................................................................................................................... IV
Liste des tableaux ..................................................................................................................... VIII
Liste des figures .......................................................................................................................... IX
Liste des symboles ...................................................................................................................... XI
Liste des abréviations ............................................................................................................... XIII
Introduction ................................................................................................................................... 1
1 Chapitre 1 : Étude des besoins et Mandat ............................................................................. 2
1.1 Présentation de l’entreprise Foresterie Kekeko inc. ....................................................... 2
1.2 Description et caractéristiques du procédé de séchage .................................................. 3
1.2.1 Les défauts dus au séchage artificiel .......................................................................... 5
1.3 Les normes applicables .................................................................................................. 7
1.4 Revue de la documentation ............................................................................................ 8
1.4.1 Transfert de masse ...................................................................................................... 8
1.4.2 Transfert de chaleur .................................................................................................... 9
1.4.3 Type de séchage ....................................................................................................... 10
1.4.3.1 Séchoir conventionnel .......................................................................................... 10
1.4.3.2 Déshumidification (pompe à chaleur) .................................................................. 10
1.4.3.3 Sous vide ............................................................................................................... 11
1.5 Objectifs ....................................................................................................................... 12
1.6 Contraintes et restrictions............................................................................................. 12
1.7 Formulation du mandat ................................................................................................ 12
2 Chapitre 2 : Cadre théorique et élaboration des hypothèses ............................................... 13
Page V
2.1 L’eau et le bois ............................................................................................................. 13
2.2 Les variations dimensionnelles dû à l’hygroscopie du bois ......................................... 13
2.3 La teneur en humidité .................................................................................................. 14
2.4 Mouvement de l’eau dans le bois ................................................................................. 15
2.5 Condensation ................................................................................................................ 18
2.6 La teneur d’humidité à l’équilibre ............................................................................... 18
2.7 La densité et la masse volumique ................................................................................ 19
2.8 Les propriétés thermiques ............................................................................................ 20
2.8.1 La conductivité thermique ........................................................................................ 21
2.8.2 La chaleur spécifique ................................................................................................ 21
2.8.3 La diffusivité thermique ........................................................................................... 23
2.8.4 Pertes de chaleur ....................................................................................................... 23
2.9 Élaboration des hypothèses .......................................................................................... 26
3 Chapitre 3 : Mises en œuvre du mandat ............................................................................. 27
3.1 L’étude de praticabilité ................................................................................................ 27
3.2 Le choix de la solution recommandée .......................................................................... 29
3.2.1 Conception de la solution ......................................................................................... 29
3.2.1.1 Conception mécanique .......................................................................................... 29
3.2.1.2 Conception des plaques ........................................................................................ 32
3.2.1.3 Instrumentation et contrôle ................................................................................... 33
3.2.1.4 Pertes de chaleur ................................................................................................... 35
3.2.1.5 Bilan énergétique .................................................................................................. 38
3.2.1.6 Humidité dans le bois ........................................................................................... 41
3.2.1.7 Condensation ........................................................................................................ 42
3.3 Programme de séchage ................................................................................................. 44
Page VI
4 Chapitre 4 : Analyse économique ....................................................................................... 45
4.1 Coût du séchoir ............................................................................................................ 45
4.2 Analyse économique de Foresterie Kekeko ................................................................. 46
5 Chapitre 5 : Santé et sécurité .............................................................................................. 53
Recommandations ....................................................................................................................... 53
Conclusion .................................................................................................................................. 54
Bibliographie .............................................................................................................................. 55
A. ANNEXES .......................................................................................................................... 57
A.1 Annexe 1 : Caractéristiques du mélèze laricin ............................................................. 58
A.2 Annexe 3 : Recherche de solution ................................................................................ 61
A.3 Annexe 3 : Nombre de Nusselt .................................................................................... 63
A.4 Annexe 4 : Plans électriques ........................................................................................ 66
A.5 Annexe 5 : Plans détail mécanique .............................................................................. 75
Schéma d’installation .......................................................................................................... 75
La pompe à vide .................................................................................................................. 76
A.6 Annexe 6 : Notice structurale....................................................................................... 79
A.7 Annexe 7 : Caractéristiques techniques des équipements électriques ......................... 82
A.8 Annexe 8 : Économiques ........................................................................................... 102
A.9 Annexe 9 : DVD des codes MatLab .......................................................................... 106

Page VII
Liste des tableaux
Tableau 3.1 : Recommandation instrumentation et contrôle ...................................................... 35
Tableau 3.2 : Perte de chaleur, variables connues et inconnues ................................................. 37
Tableau 3.3 : Résultat des pertes de chaleur ............................................................................... 38
Tableau 3.4 : Résultats du bilan énergétique .............................................................................. 40
Tableau 3.5 : Résultats des temps de séchage ............................................................................ 40
Tableau 3.6 : Programme de séchage initial proposé ................................................................. 44
Tableau 4.1 : Tableau des coûts des équipements et mains d’œuvre ......................................... 45
Tableau 4.2 : Estimation de la mise de fond. .............................................................................. 47
Tableau 4.3 : Prévision des ventes et profit avant impôt ............................................................ 47
Tableau 4.4 : Amortissements et valeurs résiduelles .................................................................. 48
Tableau 4.5 : Recettes et déboursés d'opération du séchoir ....................................................... 51
Tableau A.0.1 : Propriétés du mélèze laricin .............................................................................. 59
Tableau A.0.2 : Propriété du mélèze laricin USDA ................................................................... 60
Tableau A.0.3 :: Étude de praticabilité ....................................................................................... 61
Tableau A.0.4 Matrice de décision ............................................................................................. 62
Tableau A.0.5 : Liste des équipements électrique ...................................................................... 74
Tableau A.0.6 : Composantes du système de pompage .............................................................. 75
Tableau A.0.7 : Détails équipments électriques ....................................................................... 102
Tableau A.0.8 : Détails main-d’œuvre électriques ................................................................... 102
Tableau A.0.9 : Détails équipements et main-d’œuvre mécanique .......................................... 103
Tableau A.0.10 : Détails équipements et main-d’œuvre plaques chauffantes .......................... 103
Tableau A.0.11 : Calcul de la valeur actuelle net (VAN) de Foresterie Kekeko ..................... 104
Tableau A.0.12 : Calculs de la VAN de l’acheteur du séchoir ................................................. 105

Page VIII
Liste des figures
Figure 1.1 : Attaque fongique (blue stain) [24] ............................................................................ 5
Figure 1.2 : Érable à sucre avec coloration (gauche) et témoin (droite) [23] ............................... 6
Figure 1.3 Gerce de séchage [23] ................................................................................................. 6
Figure 1.4 : Défauts du bois au séchage ....................................................................................... 7
Figure 2.1 : Rayons étroits des résineux vu d’un plan tangentiel [12] ....................................... 16
Figure 2.2 : Ponctuations forment de minuscules voies de circulation pour les fluides [12] ..... 16
Figure 2.3 : Mouvement de l'humidité dans une pièce de bois séchée conventionnellement .... 16
Figure 2.4 : Mouvement de l'humidité dans une pièce de bois séchée dans un séchoir sous vide
.................................................................................................................................................... 17
Figure 2.5 : Comparaison des valeurs de différents flux d'humidité dans une pièce d'érable
rouge ........................................................................................................................................... 17
Figure 3.1 : Pompe à vide à segment d'eau ................................................................................. 30
Figure 3.2 : Vue isométrique de la Structure du séchoir ............................................................ 31
Figure 3.3 : Vue de coupe transversale de la structure du séchoir ............................................. 32
Figure 3.4 : Schéma physique des pertes de chaleur .................................................................. 36
Figure 3.5 : Schéma électrique des pertes de chaleur ................................................................. 36
Figure 3.6 : Énergie de vaporisation de l’eau libre et liée dans le bois ...................................... 39
Figure 3.7 : Concentration et flux massique d’eau dans le bois ................................................. 41
Figure 3.8 : Flux massique d’eau initiale sortant du bois ........................................................... 42
Figure 4.1 : Graphique de l’étude de sensibilité ......................................................................... 49
Figure 4.2 : Graphique de l’étude de sensibilité préliminaire pour l’acheteur du séchoir ......... 52
Figure 0.1 : Nombre de Nusselt pour un fluide laminaire complètement développé pour
différente section ........................................................................................................................ 64
Figure A.0.2 : Plan du P&ID ...................................................................................................... 66
Figure A.0.3 : Plan du schéma de commande ............................................................................ 67
Figure A.0.4 :Plan du schéma de raccordement ......................................................................... 68
Figure A.0.5 : Plan d’arrangement ............................................................................................. 69
Figure A.0.6 : Plan du schéma de puissance 1 de 3 .................................................................... 70
Figure A.0.7 : Plan du schéma de puissance 2 de 3 .................................................................... 71
Figure A.0.8 : Plan du schéma de puissance 3 de 3 .................................................................... 72
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Figure 0.9 : Plan d’arrangement des plaques chauffantes .......................................................... 73
Figure A 0.10 Schéma typique d'installation de pompage sous vide ........................................ 75
Figure A.0.11 : Caractéristique PRTX94-3 ................................................................................ 82
Figure A..0.12 : Caractéristiques techniques Cerabar T PMC 131 ............................................ 83
Figure A.0.13 : Caractéristiques techniques ELC-PC12NNDR ................................................. 84
Figure A.0.14 : Caractéristiques techniques ELC-AN04ANNN ................................................ 86
Figure A.0.15 : Caractéristiques techniques ELC-GP02 ............................................................ 88
Figure A.0.16 : Caractéristiques techniques ELC-ELC-PS01 .................................................... 90
Figure A.0.17 : Caractéristiques techniques CSD20166 ............................................................ 92
Figure A.0.18 : Caractéristiques techniques interrupteur de securité CDG223NGB ................. 93
Figure A.0.19 : Caractéristiques techniques bornier BRU250 ................................................... 94
Figure A.0.20 : Caractéristiques techniques interrupteur de niveau ........................................... 95
Figure A.0.21 : Caractéristiques techniques des solénoïdes valves............................................ 96
Figure A.0.22 : Caractéristiques techniques des fiches Watertite .............................................. 97
Figure A.0.23 : Caractéristiques techniques des receptacle Watertite ........................................ 98
Figure A.0.24 : Caractéristiques techniques Cerabar T PMC 131 ............................................. 99
Figure A.0.25 : Caractéristiques techniques ESB-63 ............................................................... 100
Figure A.0.26 : Caractéristiques techniques FTSH/T 50-2 ...................................................... 101

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