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Comment construire une installation de ventilation

Principes de base d'une installation
Choix du ventilateur
Les gaines de ventilation
Les gaines: forme, section minimale
Répartition dans la cellule

Principes de base d'une installation

Pour refroidir complètement un lot de grain, il faut une quantité d'air sensiblement constante, variant peu avec les températures du grain et de l'air:

1000 m³ d'air par m³ de grain = dose spécifique.

La température atteinte en fin de refroidissement dépendra de la température de l'air.

Le refroidissement doit être terminé avant que la couche supérieure du tas n'ait souffert. Pour du grain aux normes, on peut supporter 2 à 3 semaines: si l'on ne ventile que la nuit, sur une durée de 10 heures par nuit, on dispose au maximum de 15 à 20 jours de 10 h soit 150 h à 200 heures par dose. En pratique, il sera prudent de faire plus vite pour garder une marge de sécurité; le principal élément caractérisant les qualités d'une installation est le débit spécifique, ou débit d'air pour 1 m³ de grain ventilé, il est souvent fixé à 20 m³/h/m³ de grain. Connaissant le volume de la cellule à ventiler, on en déduit le débit d'air nécessaire en m³/heure.

A partir de ces éléments,

• dose spécifique = 1000 m³ d'air par m³ de grain,
• débit spécifique variable en fonction de l'installation,

il est possible d'évaluer le temps nécessaire pour effectuer un refroidissement (dose de ventilation dès la récolte ou dose de maintien à l'automne)

Ainsi pour un débit spécifique n = 20, le temps de refroidissement est:

pour un débit spécifique n = 10, le temps de refroidissement est:

pour un débit spécifique n = 5, le temps de refroidissement est: .

Pour que l'air traverse toute la couche de grain, il faut vaincre les frottements en donnant à l'air une pression statique qui dépend de la nature du grain (grosseur) et de la hauteur de la cellule. Cette pression est exprimée en millimètres de colonne d'eau (mm C.E.) ou en Pascal (Pa).

Débit et pression statique sont les caractéristiques de base d'une installation et servent notamment à choisir un ventilateur bien adapté.

Si l'installation ne doit servir que pour un seul type de grain, on prendra un débit spécifique "n" de 20 m³/h/m³. (Cette valeur peut être diminuée de moitié dans les zones où l'on récolte du grain généralement sec).

Dans le cas fréquent où l'installation doit servir pour divers types de grains, elle sera généralement calculée pour le blé (sauf dans les régions du Sud-Ouest à dominante maïs).

POUR CHAQUE VITESSE DE ROTATION, TOUT VENTILATEUR A UNE COURBE DEBIT-PRESSION QUI LUI EST PROPRE.

- ATTENTION -

• Une pression trop forte entraîne un gaspillage de puissance,
• Le ventilateur fournit une pression dite "pression totale"

qui se décompose en:

• pression statique:
  c'est elle qui permet à l'air de traverser le grain. Exemple: pression dans une chambre à air.
• pression dynamique:
  cette pression correspond à la vitesse de l'air à la sortie du ventilateur.

Chaque ventilateur est représenté par une courbe "débit-pression" correspondant à une vitesse de rotation: si le débit augmente, la pression diminue et vice versa, mais le point représentatif de la ventilation reste toujours sur la courbe.

Fonctionnement d'un ventilateur sur des cellules chargées d'une même hauteur de grains différents.

Le ventilateur qui met l'air en mouvement est caractérisé par une courbe débit-pression: plus la pression demandée augmente, plus son débit diminue, et inversement

Aussi, avec du maïs qui demande une pression moindre que le blé, une même installation débitera plus; le débit spécifique sera plus grand. Ce sera l'inverse avec de l'orge, et plus encore du colza.

Pour une même installation, l'échelle des débits spécifiques peut se répartir de la façon suivante: (avec des variantes suivant le ventilateur utilisé):

• mais	.............	20 m³/h/m³
• blé	.............	16 m³/h/m³
• orge	.............	13 m³/h/m³
• colza	.............	10 m³/h/m³

Ainsi dans le cas du colza, pour éviter d'utiliser des ventilateurs trop importants, il faudrait s'en tenir à un débit spécifique de 10; mais, il convient de surveiller attentivement la température de la partie haute de la cellule.

Question pratique

Que se passe-t-il si le même ventilateur est utilisé dans une même cellule sur plusieurs céréales ?

On a vu qu'un ventilateur fournit un débit sous une certaine pression. Pour un régime de rotation fixé à l'avance, ces 2 grandeurs physiques sont liées entre elles par une courbe "débit-pression" sur laquelle il est possible de situer le point de fonctionnement Le ventilateur fonctionnant toujours au même régime (quelle que soit la charge) le point correspondant se trouve toujours sur la même courbe.

On a vu également que la pression dépend de la nature du grain: plus le grain est gros, plus la pression diminue.

Si le ventilateur refroidit successivement des céréales différentes dans la même cellule, (remplie à la même hauteur) la pression et le débit vont varier de la façon suivante:

EXEMPLE: cellule de 240 m³ (6m de hauteur et 7,12 m de diamètre). Le ventilateur "x" équipant cette cellule fournit les débits suivants (à 2950 tr/mn).

• avec du maïs: pression = 26 mm C.E., débit = 5100 m³/h,
• avec du blé: pression = 60 mm C.E., débit = 4 600 m³/h,
• avec de l'orge: pression = 85 mm C.E., débit = 4 200 m³/h,
• avec du colza: pression = 125 mm C.E., débit = 3100 m³/h.

Ces valeurs de débits et de pression ne sont valables que pour le ventilateur "x". Mais dans tous les cas, l'ordre décroissant des débits reste le même.

Comment ventiler du colza avec un ventilateur prévu pour le blé ?

Le colza est une denrée très fragile comme tous les oléagineux et de par la petite dimension de ses grains, très exigente en pression et en puissance de ventilation. Son importance relative étant globalement faible vis-à-vis des céréales à paille ou du maïs, peu d'installations sont prévues spécialement pour le colza, en particulier pour fonctionner avec des pressions et des débits spécifiques corrects.

Les solutions permettant d'améliorer les conditions de ventilation du colza sont en général des compromis (entre les données techniques et économiques) à choisir en fonction de chaque cas:

• limiter le volume ventilé par cellule

• conserver le colza dans les cellules les moins hautes de l'installation (10 à 15 m}
• si l'on ne dispose pas de cellules de cette hauteur, ne pas remplir complètement les grandes cellules de façon à ce que l'air puisse traverser le tas.

• limiter la pression dé fonctionnement du ventilateur

• ventiler simultanément deux ou plusieurs cellules tout en restant dans des valeurs de débit spécifique correctes.

PRINCIPAUX TYPES

HELICOIDE OU AXIAL

L'air est propulsé PARALLEMENT Á l'axe de rotation

...en général, faible pression et grand débit. On les retrouve sur les installations de climatisation de l'air, et pour ventiler de grandes surfaces sur de faibles hauteurs (-10 m).

CENTRIFUGE

L'air est propulsé PERPENDICULAIREMENT à l'axe de rotation

...forte pression et débit moyen. Ventilateur plutôt destiné aux cellules de grande hauteur et de faible diamètre. Ce sont eux que l'on retrouve généralement dans les installations d'organismes stockeurs.

LES PRINCIPALES FORMES D'AUBES

AUBES AILES D'AVION

Permettent d'attendre des pressions importantes avec de hauts rendements... N'AIMENT PAS LA POUSSIERE

AUBES A PROFIL PLAT

Conviennent à toutes les situations, mais leur rendement est légèrement inférieur au précédent.

CALCUL COMPLET DE LA PRESSION STATIQUE

1. Calculer la vitesse de l'air "V" dans la cellule en cm/s

2. Déterminer les coefficients K₁ et K₂ correspondant à la céréale ventilée. (tableau).

Blé à 800 kg/m²

K₁ = 2,802 et K₂ = 0,117

3. Calculer la perte de charge par mètre de hauteur D p en mm CE.

4. Calculer la pression statique nécessaire à traverser le grain.

P = D P x hauteur du grain = 16,15 x 8,6 = 139 mm CE (1390 Pa)

Choix du ventilateur

Pour simplifier, prenons un exemple.
Soit une cellule carrée de 5 m de côté et 8,6 m de haut.
Surface au sol: 5 x 5 = 25 m2 Volume: 25 x 8,6 = 215 m³.

Prenons un débit spécifique de 20 m³/h/m³. Le débit minimum que devra fournir le ventilateur sera de: 215 m³ x 20 m³/h/m³ = 4 300 m³/h.

La pression nécessaire pour que l'air traverse toute la masse ne dépend, pour un grain et un débit spécifique donnés, que de la hauteur du tas. Elle est généralement exprimée en millimètres de colonne d'eau (mm C.E.). On peut la déterminer à l'aide des courbes caractéristiques du ventilateur (à demander au constructeur). On peut aussi effectuer le calcul complet.

Pour une évaluation approchée, les abaques en annexe 3 donnent les pressions nécessaires dans quelques cas. Dans notre exemple, si nous avons du blé aux normes et un débit spécifique de 20, nous lisons 140 mm C.E.

C'est la pression statique: elle ne tient pas compte des frottements dans les gaines de ventilation. Mais nous verrons dans les pages suivantes que ces frottements peuvent être pratiquement négligés si l'installation est bien conçue.

Nous chercherons sur les catalogues des fournisseurs un ventilateur satisfaisant.

Il faut cependant y ajouter une pression dynamique (la force du vent), qui dépend essentiellement de la vitesse de l'air; dans une installation correcte, la vitesse de l'air peut être reliée au débit.

Pour déterminer la pression dynamique, la solution la plus sûre consiste à consulter les courbes caractéristiques du ventilateur. (courbes à demander au constructeur). En l'absence de courbes, on peut effectuer le calcul complet à l'aide des formules page suivante.

Dans notre exemple, pour 4 300 m³/ h. la pression dynamique est de l'ordre de 10 mm C.E.

Donc, notre ventilateur devra fournir au minimum:

• Débit de

.

• Pression totale: 140 + 10 = 150 mm C.E.

Puissance absorbée: elles est reliée au débit et à la pression par la formule:

Puissance (kW) = Puissance (CV) x 0,736

Le rendement est généralement indiqué par le constructeur pour chaque condition d'utilisation. On peut cependant faire une première estimation en le prenant égal à 75 %.

Dans notre exemple, nous aurons:

Donc, un moteur de 4 CV (3 kW) pourrait convenir.

Calcul complet de la pression dynamique

après avoir:

• mesuré les dimensions de l'orifice de refoulement du ventilateur.

I et h en m

• calculé la section de passage de l'air.

S = I x h en m²

• calculé le débit d'air en m³/s

• calculé la vitesse de L'air à l'orifice de refoulement du ventilateur.

• calculer la valeur de la pression dynamique.

Choisir le ventilateur B

Si le fournisseur propose une gamme de ventilateurs ayant un régime de rotation unique, choisir le modèle immédiatement supérieure au point souhaité.

Choisir le régime D de 2600 tr/min.

Si le fournisseurs propose des ventilateurs à plusieurs régimes de rotation, faire tourner le ventilateur choisi au régime supérieure immédiatement au dessus du point souhaité.

Exemple schématique de 3 installations

Puissances normalisées des moteurs électriques

kW	ch	kW	ch
0,37	0,5	22	30
0,55	0,75	30	40
0 75	1	37	50
1,1	1,5	45	60
1,5	2	55	75
2,2	3	75	100
3	4	90	125
4	5,5	110	150
5,5	7,5	132	175
7 5	10	160	220
10	13,5	200	270
11	15	220	300
15	20	250	350
18,5	25	315	430

Avertissement:

Un tel calcul, basé uniquement sur des évaluations, ne permet pas de connaître avec précision la puissance nécessaire et donc de choisir à coup sûr le moteur. Il a seulement pour but d'évaluer, dans la liste des puissances normalisées quelle gamme de moteurs pourrait convenir. La décision finale revient au spécialiste.

Question pratique

Comment choisir la puissance du moteur d'entraînement du ventilateur ?

Une règle absolue:

Cette puissance doit toujours être supérieure à la puissance maximale qui sera demandée par le ventilateur.

L'écart entre ces deux puissances correspond à des normes qu'il convient de respecter:

• s'il est trop petit, la réserve de puissance du moteur est trop faible; celui-ci risque des dommages en cas de surcharge imprévue.
• s'il est trop grand, l'utilisateur est pénalisé par E.D.F. parce que la consommation apparente (puissance réactive) du moteur est alors exagérée.

L'élément qui indique la bonne ou mauvaise utilisation du circuit triphasé E.D.F. s'appelle le cosj . Cette valeur, qui ne correspond pas au rapport entre la puissance du ventilateur et la puissance du moteur, ne peut être mesurée que par un spécialiste. Cet élément apparaît sur les plaques moteurs (par exemple cosj =84 correspondant à la valeur maximale obtenue par le moteur} et sur les factures E.D.F. sous forme de puissance réactive réellement consommée et de pénalités correspondantes.

Le seuil de pénalité se situant à partir d'un cosj inférieur à 0,82 la plage de meilleure utilisation est comprise entre 0,82 et 0,85.

Exemples:

• Si le ventilateur demande une puissance de 26 ch (19,1 kW): choisir au moins le moteur de 30 ch (22 kW)
• Si le ventilateur demande une puissance de 29 ch (21,3 kW): éviter le moteur de 30 ch (22 kW) et choisir le moteur de 40 ch (30 kW).

Lorsque le ventilateur est entraîné par un ensemble poulie-courroie, il convient de prendre une marge de sécurité plus importante entre la puissance du moteur et la puissance calculée pour tenir compte du rendement de transmission.

Avertissement

Etant donné la diversité des modèles de moteurs électriques et de ventilateurs, les renseignements ci-dessus ainsi que ceux regroupés dans les pages précédentes sont donnés à titre indicatif.

Le choix du moteur est à faire en accord avec un spécialiste. les gaines de ventilation

Montage de gaines de ventilation dans une cellule métallique ronde. Doc. PRIVÉ

Couloir métallique en superstructure servant de gaine principale pour la ventilation, avec transporteur à chaîne incorporé (document LORIN).

Elément de gaine de ventilation doc. PRIVÉ

Les gaines de ventilation

Elles assurent:

• le transport de l'air du ventilateur à la masse de grain à ventiler,
• la répartition uniforme de cet air dans le grain.

Leur disposition rappelle celle d'un arbre:

• le tronc, c'est la gaine principale, au sortir du ventilateur; ses parois sont pleines;
• les branches sont les gaines secondaires ou gaines de répartition; posées sur le sol, elles sont le plus souvent constituées de tôles métalliques perforées, les dimensions des orifices étant prévues pour ne pas laisser passer le grain. Mais d'autres types de gaines secondaires sont possibles; dans tous les cas, elles doivent ne pas laisser passer de grain, tout en laissant à l'air un passage suffisant.

Dans certaines grosses installations, la gaine principale est remplacée par une galerie
équipée de trappes permettant de faire passer l'air dans les gaines secondaires voulues. En général, cette galerie abrite aussi le transporteur à chaîne assurant la reprise du grain. Ce système, très commode, a pour inconvénient la difficulté de rendre étanches les trappes: les fuites d'air peuvent être importantes, surtout lorsque les cellules sont vides.

Fuites d'air =	mauvaise ventilation
	gaspillage d'énergie

Question pratique

Est-il possible de ventiler simultanément plusieurs cellules ?

Contrairement à une opinion généralement répandue, un ventilateur travaille dans de meilleures conditions lorsque la surface ventilée est plus grande.

Ceci est obtenu:

• soit avec une grande cellule;
• soit avec plusieurs cellules plus petites.

Avantages:

• La pression diminue, mais le débit augmente;
• Le temps de ventilation simultanée de 2 cellules ou plus est inférieur au temps nécessaire pour les ventiler l'une à la suite de l'autre;
• La consommation globale d'électricité est plus faible.

Précautions à prendre:

• Le grain doit être de même nature;
• la hauteur de grain doit être la même.

Si l'on ne prend pas ces précautions, l'air passe dans la cellule la moins haute ou dans celle contenant les grains les plus gros (dans l'ordre: maïs, blé, orge, colza).

• pour certains types de ventilateurs, surveiller le disjoncteur, la puissance ayant tendance
  à augmenter avec le débit.
• ne pas faire descendre le débit spécifique à des valeurs trop faibles.

EXEMPLE: Un organisme stockeur possède 5 cellules de 16000 quintaux chacune, dont les dimensions sont les suivantes: surface au sol 285 m² - hauteur de grain: 7 m - volume utile :1995 m³

Reliées par une galerie souterraine au ventilateur, elles peuvent être ventilées séparément ou simultanément Voici ce qui se passe lorsqu'elles sont toutes pleines de blé.

Le fait de ventiler simultanément les 5 cellules permet un gain énergétique de 41% par rapporta leur ventilation séparée. Cette solution est donc à retenir.

Dans une gaine de section donnée, ne pas faire passer un débit supérieur à

Débit maxi (m³/h) dans les gaines

• gaine principale = section gaine (cm²) x 2,88
• gaine secondaire = section gaine (cm²) x 1,44

Plancher perforé métallique monté sur parpaings (document PRIVÉ)

Silo portuaire constitué de cellules en béton ventilées (doc. SICA du port rhénan de Colmar Neuf-Brisach).

Ventilation de cellule cylindrique à fond conique par gaines radiales (document MALINGUE)

Les gaines: forme, section minimale

La résistance des gaines au passage de l'air pourra être considérée comme négligeable si leur conception répond à quelques normes:

• pas de coudes inutiles;
• coudes arrondis;
• longueur la plus faible possible: rapprocher le ventilateur de la cellule.
  (Ces trois règles dépendent de la disposition des lieux, qui ne permet pas toujours le meilleur montage.)
• Section suffisante pour que la vitesse de l'air n'y dépasse pas les valeurs suivantes:

• gaine principale: 8 m/s (12 à 15 m/s pour de grosses installations);
• gaine secondaire: 4 m/s (6 m/s pour de grosses installations).

Or la vitesse de l'air dans les gaines sera d'autant plus faible que le diamètre de ces gaines est important. EVITER LES GAINES TROP PETITES.

Au passage de l'air de la gaine secondaire dans le grain, la surface totale de passage doit être telle que la vitesse de l'air n'y dépasse pas 0,25 m/s (0,40 m/s pour de grosses installations). Les abaques en annexe 4 donnent directement la section minimale à donner à la gaine principale et aux gaines secondaires.

Si l'on place une gaine à l'aspiration, avant le ventilateur, son diamètre devra être au moins 1,5 fois celui de l'ouïe d'aspiration.

Les coudes inutiles ou trop brusques, les sections de gaines trop petites, augmentent considérablement la pression, donc diminuent le débit et font gaspiller de l'énergie.

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