Date : 2024
Type : Livre / Book
Type : Thèse / ThesisLangue / Language : français / French
Eau -- Épuration -- Filtration
Résumé / Abstract : L'objet de l'étude porte sur l'adaptation d'une technologie de filtration gravitaire pour le traitement de l'eau. Afin de réduire le coût de fabrication et limiter l'interaction néfaste avec les milieux aqueux agressifs, il est intéressant de réfléchir à la transition de structures en acier inoxydable vers un système en matériau polymère. Ces filtres gravitaires sont placés sous un lit de média filtrant, généralement du sable. Peu accessibles une fois installés, ils doivent être dimensionnés pour une longue durée de vie. Au cours de son utilisation, un filtre gravitaire est sollicité mécaniquement par des cycles de filtration et de lavage quotidien. Ces longues phases de fonctionnement sollicitent la structure en fluage-fatigue. La pression du média et le flux hydraulique entrainent des sollicitations majoritairement en flexion pendant la filtration et le lavage. De part cette sollicitation de flexion, il est intéressant d'envisager et donc d'étudier l'utilisation d'une structure sandwich (peau-mousse-peau) mono-matériaux pour en faciliter le recyclage. Une étape de pré-conception et d'optimisation a permis d'élaborer un premier concept viable à l'échelle industrielle.Le polyéthylène haute densité (PEHD) est le polymère sélectionné, c'est un semi-cristallin dont une phase amorphe a une grande influence sur son comportement visqueux. Pour prédire le comportement à long terme, l'utilisation du principe d'équivalence temps-température (ETT) est nécessaire et indispensable. Ce principe est restreint dans une gamme de température en fonction des transitions microstructurales. De plus pour ce grade de matériau, la littérature indique que sous une contrainte de Von Mises de 5 MPa, les déformations de fluage restent limitées ainsi que les déformations plastiques post-recouvrance, ce qui est souhaité pour la structure testée. Des essais thermo-mécaniques en traction sont menés sous différents trajets de sollicitations (monotones, charges-décharges, fluage-recouvrance) à différentes vitesses de déformations, de contraintes et de températures afin d'identifier une loi de comportement avec la meilleure précision possible. Les courbes maitresses de fluage reconstruites aux différentes contraintes imposées permettent d'appréhender le comportement sur une durée supérieure à 20 ans. Le comportement du PEHD est défini par une loi de comportement viscoélastique-viscoplastique. La part viscoélastique est définie par des variables internes dans le cadre de la thermodynamique des processus irréversibles. La part viscoplastique est introduite par le modèle de Norton-Bailey. Cette loi de comportement permet de prédire correctement le thermo-fluage et la recouvrance et, avec un léger écart, les tractions monotones à différentes vitesses de déformations pour capter les inversions de chargement (filtration, lavage). En parallèle, la mousse est étudiée par une identification couplant son architecture et son comportement en compression tout en faisant un compromis dans la description dans le cadre d'un calcul industriel. Pour tester des cycles représentatifs du filtre gravitaire, un montage de flexion 3 points avec possibilité d'inversion du chargement a été conçu, fabriqué et mis au point. Des expérimentations sur 120 cycles de filtration-lavage à deux températures différentes permettent de montrer l'application de l'ETT. Des essais de flexions 3 points et des cycles de fluage avec inversion permettent de valider la loi de comportement pour le PEHD seul et pour le sandwich peau-mousse-peau. La dernière partie de ce manuscrit porte sur le filtre gravitaire avec l'approche de la fabrication et du calcul de la structure en fonctionnement. L'interaction avec différents acteurs industriels a permis de définir un prototype utilisable dans un banc d'essai hydraulique. Ce prototype est modélisé puis simulé en utilisant la loi de comportement identifiée pour fournir une première estimation de la réponse du système de filtration au cours de son utilisation.
Résumé / Abstract : This study focuses on adapting a gravity filtration technology for water treatment. In order to reduce manufacturing costs and limit harmful interaction with aggressive aqueous media, it is worth considering the transition from stainless steel structures to a polymer-based system. These gravity filters are placed under a filter media bed, usually sand. Not easily accessible once installed, they must be sized for a long service life. During use, a gravity filter is mechanically stressed by daily filtration and washing cycles. These long operating phases put a strain on the structure. Media pressure and hydraulic flow result in bending stresses during filtration, and washing. Because of this bending stress, it is worth considering and studying the use of a single-material sandwich structure (skin-foam-skin) to facilitate recycling. A pre-design and optimization phase has enabled us to develop an initial concept that is viable on an industrial scale.The selected polymer is high-density polyethylene (HDPE), a semi-crystalline whose amorphous phase has a major influence on its viscous behavior. To predict long-term behavior, the use of the time-temperature superposition principle (TTSP) is necessary and indispensable. This principle is restricted to a range of temperatures depending on microstructural transitions. Furthermore, for this grade of material, the literature indicates that under a Von Mises stress of 5 MPa, creep deformation remains limited, as does post-recovery plastic deformation, which is desirable for the structure under test. Thermo-mechanical tensile tests are carried out under different stress paths (monotonic, load-discharge, creep-recovery) at different strain rates, stresses and temperatures, in order to identify a behavior law with the best possible accuracy. Creep master curves reconstructed at different imposed stresses enable us to assess behavior over more than 20 years. The behavior of HDPE is defined by a viscoelastic-viscoplastic behavior law. The viscoelastic component is defined by internal variables within the framework of the thermodynamics of irreversible processes. The viscoplastic part is introduced by the Norton-Bailey model. This law of behavior correctly predicts thermo-flow and recovery and, with a slight deviation, monotonic tractions at different deformation speeds to capture loading inversions (filtration, washing). In parallel, the foam is being studied through an identification coupling of its architecture and its behavior in compression, while making a compromise in the description within the framework of an industrial calculation.To test cycles representative of the gravity filter, a 3-point bending fixture with load reversal capability was designed, built, and developed. Experiments over 120 filtration-washing cycles at two different temperatures demonstrate the application of TTSP. 3-point bending tests and creep cycles with inversion are used to validate the behavior law for HDPE alone and for the skin-foam-skin sandwich.The final part of this manuscript focuses on the gravity filter, with an approach to manufacturing and calculating the structure in operation. Interaction with various industrial players has enabled us to define a prototype that can be used on a hydraulic test bench. This prototype is modeled and then simulated using the identified behavior law to provide an initial estimate of the filtration system's response during use.