Traitement d’air et dépollution en milieu industriel

Définition

Un ventilateur est un générateur de pression capable de contrer les pertes de charges des réseaux et de mettre l'air en mouvement.

Nomenclature

Un ventilateur est composé de : 1 - Plots antivibratiles fixés sur le châssis (à prévoir) 2 - Châssis 3 - Glissière moteur permettant un ajustement précis et rapide des tensions des courroies 4 - Moteur 5 - Carter de protection transmission 6 - Grille de protection aspiration 7 - Manchette souple isolant les vibrations 8 - Contre bride aspiration 9 - Trappe de visite fixée par boulonnage (suivant la taille du ventilateur) 10 - Contre bride refoulement 11 - Manchette souple refoulement isolant les vibrations 12 - Grillage refoulement

Familles de ventilateurs

Les ventilateurs à actions (aubes inclinées vers l'avant)
• Ils sont utilisés pour véhiculer de l'air propre dans les réseaux à faibles pertes de charges.
• Ils ne supportent pas de variations importantes de pression du réseau sans modifier
considérablement le débit. De ce fait, ils ne conviennent pas toujours aux applications industrielles.

Les ventilateurs à réaction (aubes inclinées vers l'arrière)
• Ils sont utilisés pour véhiculer de l'air propre ou légèrement poussiéreux dans les réseaux à fortes pertes de charges.
• Ils supportent des variations importantes de pression du réseau (encrassement de filtres…) sans modification
importante du débit.
• Leur construction est robuste et particulièrement adaptée aux fonctionnements en continu que l'on retrouve en industrie.

Les ventilateurs à pâles radiales (aubes droites radiales)
• Ils sont utilisés pour véhiculer un air poussiéreux, chargé de fibres, de particules, colmatantes ou non.
• Ils sont adaptés pour des réseaux à fortes ou très fortes pertes de charges.
• Leur utilisation est semblable aux ventilateurs centrifuges à réaction.

Les ventilateurs axiaux (pâles radiales disposées sur un moyeu)
• Ils sont utilisés pour un air propre à faible température (< 40 °C) si le moteur est situé dans le flux d'air.
• Il existe une version à moteur déporté (hors du flux d'air) permettant de véhiculer des fluides
à températures moyennes (jusqu'à 180 °C).
• Ils ne supportent pas de variations de pression dans le réseau sans conséquences importantes sur le débit.

Types d'entraînement

L'entraînement poulie-courroie
- Il permet d'ajuster à moindre coût le débit lorsque les pertes de charges sont incertaines ou que le réseau subit
des modifications.

L'entraînement direct
- Il est utilisé dans les installations pour lesquelles la pression ne varie pas avec le temps, ou bien, si la précision du débit à véhiculer n'influence pas significativement le résultat obtenu (extraction en vrac dans les locaux de stockage).

Courbes de sélection d'un ventilateur

Principe de sélection d'un point de fonctionnement d'un ventilateur raccordé au réseau Le ventilateur choisi doit fournir, à l'intersection des courbes du réseau et du ventilateur, un débit Q0 et une pression P0.

Si la perte de pression dans le réseau a été mal calculée, le point de fonctionnement ne coïncide pas avec le point de dimensionnement défini par le constructeur. Dans ce cas, le ventilateur est susceptible de :
- fournir un débit différent,
- consommer plus d'énergie,
- générer plus de bruit.

Influence de la température et de la pression sur la sélection

Rappel sur l'air et les gaz
L'air
Dans les conditions normales (T° à 0 °C et à la pression atmosphérique), la masse volumique de l'air est égale à 1,293 kg/m³ Pour une température ou une pression différente, elle varie selon la loi suivante :

Les gaz

Pression atmosphérique en fonction de l'altitude :
Dans les conditions 15 °C

Influence de la pression et température sur la sélection d'un ventilateur : il faut tenir compte de cette variation pour :
• les fluides chauds
• un ventilateur fonctionnant en altitude

Lorsque la densité est moindre, le refroidissement du moteur d'entraînement est moins efficace et il faut donc souvent le déclasser.

Exemple de sélection

- Besoin : à 2000 mètres d'altitude (81 173 Pa), nous avons besoin d'un ventilateur assurant 9 000 m³/h sous 300 Pa pour de l'air à 20 °C. La masse volumique de l'air à 2 000 m est 0,965 kg/m³.

- Sélection : dans les conditions normales (0 m, 20 °C), le ventilateur sera sélectionné à partir des courbes aux conditions normales (0 m, 20 °C) pour les caractéristiques suivantes :

Débit = 9000 m³/h,
Pression statique équivalent à :

Soit une pression statique de 375 Pascals (supérieure de plus de 20 % à celle à 0 m d'altitude)

Lois de similitude et relations utiles (en cas de changement de vitesse de rotation, de taille…)

Rendement
Le rendement est le rapport entre l'énergie fournie par le ventilateur au fluide (puissance aéraulique) et l'énergie dépensée (électrique) :

Le rendement résulte du rendement du ventilateur (ηv) et de celui de la transmission (ηtr)

Lois de similitude
En cas de modification des paramètres suivant :
• vitesse de rotation (n),
• taille du ventilateur (représentée par le diamètre D de la roue),
• masse volumique du fluide (ρ).

Les formules suivantes (lois de similitude) nous donnent les nouvelles valeurs de :
• débit (ρv),
• pression (p),
• puissance aéraulique (Pu),
• puissance acoustique (Lw).

Ces relations montrent que:

Si la vitesse de rotation est multipliée par 2 :
• le débit est augmenté d'un facteur 2
• la pression est augmentée d'un facteur 4, (varie comme N2),
• la puissance aéraulique est augmentée d'un facteur 8, (varie comme N3)
(attention : cette augmentation de vitesse peut entraîner un dépassement de la capacité du moteur),
• la puissance acoustique est augmentée de 15 dB.

Si le ventilateur est remplacé par un ventilateur identique de diamètre de roue deux fois plus grand :
• le débit est multiplié par 8, (varie comme D3),
• l'élévation de pression est augmentée d'un facteur 4, (varie comme D2),
• la puissance aéraulique est augmentée d'un facteur 32, (varie comme D5),
• la puissance acoustique est augmentée de 21 dB.

Entraînement par moteur 60 Hz

La vitesse de synchronisme d'un moteur électrique est proportionnelle à la fréquence du courant d'alimentation et dépend de la polarité du moteur. Elle se calcule par la relation suivante :


avec :
f = fréquence en Hz
p = paire de pôles du moteur
N = tr/min

On obtient les vitesses de synchronisme suivantes :

La vitesse de fonctionnement d'un moteur (vitesse en charge) correspond à la vitesse de synchronisme diminuée du glissement soit : N_charge = N_synchr – G

Lorsque le moteur est alimenté avec une fréquence de 60 Hz, le glissement est inchangé, soit :

pour 50 Hz : N_charge = N_synchr – G

pour 60 Hz : N_charge = N_synchr x (60/50) – G

En première approximation, on admet que : N₆₀ Hz = N_5O Hz x 1,2

Conséquences :

- Appareils à transmission
Aucune correction n'est nécessaire lors de la sélection du ventilateur, l'ajustement de la vitesse de rotation s'effectuant par la définition de la transmission.

- Appareils en accouplement direct
D'après la loi des vitesses, les caractéristiques doivent êtres corrigées avant sélection de l'appareil.
Il est primordial de contrôler la puissance moteur nécessaire ainsi que les possibilités de montage du moteur électrique.

Entraînement par poulies et courroies

Vitesse ventilateur

Longueur de courroie

Ajustement de la vitesse

Par changement de la poulie ventilateur

Par changement de la poulie moteur