AERAULIQUE ELEMENTAIRELa statique des fluides permet l'tude de
l'action des fluides sur les parois solides situes l'intrieur ou
l'extrieur du fluide, cette action se traduit gnralement par la
prsence de force de pression.La dynamique des fluides non seulement
tient compte des efforts de pression dus la prsence du fluide mais,
prend aussi en considration la trajectoire, la vitesse,
l'acclration, l'nergie cintique ou potentielle des diffrentes
molcules qui constituent le fluide.Dans les installations
d'aspiration ou de transport pneumatique, le mouvement de l'air
rsulte de la proprit bien connue des fluides qui tendent
naturellement uniformiser leur pression et donc s'couler d'une zone
o la pression est plus leve vers une zone o la pression est plus
faible. Par consquent, la condition ncessaire pour raliser un
mouvement d'air entre deux points est qu'il existe une diffrence de
pression de l'air entre ces deux points ; celle-ci peut tre cre par
la prsence dans le circuit d'un ventilateur capable d'assurer une
zone de surpression en aval.L'aptitude de l'air se mettre en
mouvement puis transporter un matriau quelconque solide ou gazeux
ne dpend pratiquement que de sa vitesse. Il n'y a donc aucune autre
considration prendre en compte. Les vitesses pratiques ncessaires
pour transporter des dchets seront surtout fonction de la densit
des produits en cause et de leur surface.Le problme du technicien
en installation d'aspiration consistera, entre autres adopter d'une
part une vitesse suffisamment importante en fonction du dchet
transporter, mais pas trop rapide pour ne pas demander trop
d'nergie et tre source de bruit ou d'usure.2.1.VITESSE D'AIRAprs
dtermination partir de critres de captage des dbits d'aspiration,
le dimensionnement des canalisations doit tre effectu en fonction
de la vitesse moyenne de l'air. Cette vitesse de transport est
facteur essentiel pour les rseaux d'vacuation de l'air poussireux :
elle doit tre suprieure une valeur minimale de faon viter une
sdimentation des poussires et un bouchage des canalisationsSi les
polluants sont uniquement des gaz ou des vapeurs, la vitesse de
transport sera choisie de faon raliser un quilibre entre les cots
d'installation (vitesse lente gros diamtre = prix tuyauterie
importante) et de fonctionnement (vitesse rapide petit diamtre =
consommation); elle sera en gnral de l'ordre de 18
20m/s.POLLUANTSVitesse
Exemplesmini (m/s)
Gaz, vapeurs5 6
FumesFumes d'oxyde de zinc et d'aluminium7 10
Poussirestrs fines et lgrespeluches trs fines de coton10 13
Poussires sches et poudresPoussires fines de caoutchouc, de
moulage de Baklite, peluches de jute, poussire de savon, de coton13
18
Poussires industrielles moyennesAbrasif de ponage sec, poussires
de meulage, de granit, de calcaire, d'amiante , de bois sec18
20
Poussires industrielles lourdesPoussires de fonderie, de
dcochage, de sablage, de bois humide20 23
Poussires lourdes et humidesPoussires de ciment humide, de
sciures d'corce, de chaux vive> 24
La Norme CE envisage de dfinir des vitesses minimales de 25 m/s
pour les poussires du bois sches et de 28 m/s pour les poussires du
bois humide.
Les vitesses doivent tre choisies pour chaque installation en
fonction de la nature et des proprits des polluants. Elles sont
d'autant plus grandes que les particules sont de masse volumique et
de dimensions leves. Le tableau ci-contre, donne titre indicatif
des vitesses de transport minimales pour diffrents cas d'air pollu.
Dans le cas des poussires inflammables, on ne descendra pas en
dessous d'une vitesse d'air minimale de 20 m/s.D'autre part, on
vitera d'utiliser des vitesses trop leves de faon limiter les
pertes d'nergie, le bruit araulique et l'abrasion des
tuyauteries.D'une faon gnrale, le dimensionnement des tuyauteries
rsulte d'un compromis technico-conomique entre:les diamtres de
tuyauterie standard ;les pertes de charge admissibles ;les vitesses
minimales de transport ;les phnomnes d'abrasion ;les phnomnes de
bruit ;l'humidit de l'air ;la prsence ventuelle de gaz corrosifs
;etc.2.2. Relation entre vitesse de l'air et dbit d'une
conduite
On appelle dbit d'air le volume d'air qui traverse une section
de conduite dans l'unit de temps considr (exemple: 3600
m3/h)2.2.1.1re relation Le dbit, au temps t, dans une conduite de
section uniforme, est gal au produit de la section de cette
conduite par la vitesse du flux d'air traversant cet instant
t.Exemple : soit, au temps t, une conduite circulaire de diamtre
200 mm traverse par un flux d'air de 25 m/s ; le dbit cet instant t
sera de :Q = VSou Q = dbit d'air en m3/sV = vitesse d'air en m/sS =
surface tuyauterie en m2
Consquence : le dbit tant le volume qui entre dans une conduite
par unit de temps est obligatoirement aussi le volume qui s'en
coule ; il reste donc toujours gal lui-mme. C'est ainsi que, si une
conduite ne prsentant qu'une seule entre et qu'une seule sortie
n'est pas d'une section constante, la vitesse de l'air est
obligatoirement diffrente le long de cette conduite.2.2.2.2me
relation Lorsque deux conduites A et B se rejoignent en une
conduite C le dbit de la conduite C est gal au dbit A additionn du
dbit B :
La vitesse de l'air dans le conduit C est le dbit total ramen la
section du conduit C :
Figure 5 - Jonction de deux conduites en un seul conduit
Exemple : soit deux conduites A et B se joignant dans une
conduite C (voir Figure 5)Le dbit dans la conduite A est : Le dbit
dans la conduite B est : Par consquent, le dbit dans la conduite C
est :
et la vitesse dans cette mme conduite C est de :
Ces calculs, ainsi que tous ceux pratiqus dans les tudes
d'installation d'aspiration, ne tiennent pas compte de la
compressibilit du fluide et supposent que celui-ci est de poids
spcifique constant, ce qui n'est pratiquement exact que pour des
vitesses infrieures 100 m/s : erreur infrieure 1% jusqu' 60 m/s,
infrieure 2% jusqu' 100 m/s.
En rsum, rappelons que le seul facteur prendre en considration
pour le transport pneumatique d'un matriau est la vitesse de l'air
destin entraner ce matriau. Le transport ne devient possible qu'au
moment o la vitesse est suffisante.2.3.Les pressions mises en jeu
en araulique
Dans les installations d'aspiration le dplacement de l'air se
traduit par des frottements qui s'exercent sur les conduites avec
plus ou moins de forces suivant la nature plus ou moins grossire de
la surface intrieure des parois. Ces frottements s'effectuent
naturellement beaucoup plus fortement lorsque les conduites
prsentent des coudes, des rtrcissements, des largissements ou des
convergences.C'est l'ensemble des pressions dynamiques et statiques
d'un rseau qui dterminera la consommation lectrique prvoir au
ventilateur.On peut considrer que l'un des buts majeurs d'un
technicien en installation d'aspiration est de dfinir la diffrence
de pression ncessaire installer pour que le flux d'air soit
toujours suffisant pour entraner les dchets malgr les obstacles
obligatoirement existants tout au long d'un circuit.2.3.1.Pression
dynamique HdUne pression dynamique donne correspond la force
requise pour acclrer la masse d'un fluide depuis l'tat de repos
jusqu' une vitesse donne ; elle est gale la force qui s'opposant
l'coulement, serait capable d'immobiliser la masse du fluide en
mouvement ; elle ne s'exerce que dans la direction de l'coulement
du fluide.La pression dynamique est aussi nomme pression
cintique.
En unit lgale (systme SI), la pression P est exprime en pascal
(Pa) et a l'expression :
P = g h
ouP = masse volumique de l'air en kg/m3 ( 15c sous une pression
normale 1,013 bar ou 760mm de mercure, =1,226 kg/m3)g = acclration
de la pesanteur en m/s2 (g= 9,81 m/s2)h = hauteur de la colonne
d'air en mP = 1,226 x 9,81 x hPour des raisons pratiques en
araulique, l'habitude est d'exprimer les pressions non pas en
pascal (unit lgale SI) mais en millimtre de colonne d'eau (mm CE)
qui est la valeur lue directement sur les appareils de mesure
utiliss. Si Hde est la hauteur lue en mm CE, la pression P en
pascal aura pour expression :
' tant la masse volumique de l'eau = 1000 kg/m3
Soit 1 mm CE = 9,81 Pa ou 1 Pa = 0,102 mm CeD'une manire gnrale
1 mm CE 10 Pa ou 1 daPa
En galant les deux expressions et de la pression, il vient :
ou soit
D'o on tire : En application du thorme des forces vives la chute
de la particule considre, la variation pendant un temps donn de la
force vive totale de la particule est gale la somme des travaux des
forces ayant agit pendant ce mme temps sur la particule.
force vive = nergie cintiqueLa vitesse initiale tant nulle, la
force vive initiale l'est aussi, et la variation de force vive
totale de la particule de densit est donc gale :
La force ayant agi pendant le mme temps sur la particule est la
force de la pesanteur ; son travail est donc : soit :
En portant la valeur dans l'expression prcdente, elle devient
:
Formules retenir :
2.3.2.Pression statique HsNous avons vu prcdemment que tout
obstacle plac sur le chemin des filets d'air exerce sur ceux-ci une
action de freinage qui se traduit par une chute de la vitesse de
l'air.Par consquent, si on dsire un maintien de la vitesse de l'air
malgr les obstacles existants, il faut fournir un effort
supplmentaire en donnant au fluide un surcrot d'nergie destin
vaincre les forces de frottement.Cette pression complmentaire
exerce sur le fluide, sous un certain dbit est appele Pression
Statique. Elle sexerce dans toutes les directions.La pression
statique se mesure perpendiculairement la direction du mouvement de
l'air (voir Figure 6).
Figure 6 Mesure de la pression statique
Selon la position de la mesure (refoulement ou aspiration) la
pression statique peut tre soit suprieure, soit infrieure la
pression atmosphrique.2.3.3.Pression totale Ht
On appelle pression totale existant dans une conduite araulique
la somme des deux pressions dynamiques et statiques (la pression
totale est parfois aussi nomme pression d'arrt).La pression totale
Ht est donc la somme algbrique des pressions statique et
dynamique:
La valeur de la pression totale est significative du choix du
ventilateur. Dans des conditions d'emploi bien dfinies, un
ventilateur est gnrateur d'une pression totale constante.Les
diffrents termes peuvent tre mesurs sparment l'aide d'un tube PITOT
(du nom de son inventeur voir Figure 10)
Figure 7 : Pression statique, totale et dynamique(cas en
dpression)
2.3.4.Relation entre les pertes de charge et la pression
dynamique
Nous avons vu que l'air s'coulant entre deux sections d'une
canalisation subit une chute de pression totale p (Pa) appele perte
de charge. Les pertes de charge reprsentent l'nergie dgage sous
forme de chaleur dans l'unit de volume sous l'effet des frottements
ds la viscosit de l'air ; elles sont lies la vitesse de l'coulement
et donc la pression dynamique.De nombreuses tudes arauliques ont t
entreprises afin de dterminer une relation simple entre la perte de
charge statique et les diverses caractristiques du fluide et des
tuyauteries composant un circuit d'aspiration.L'Anglais REYNOLDS
mit en vidence l'existence d'un facteur sans dimension appel nombre
de REYNOLDS dont la valeur est significative de l'ensemble
araulique considr (fluide et circuit de transport).La perte de
charge (exprime en Pascal) significative d'une conduite cylindrique
peut s'exprimer alors par la formule suivante:
ou HS = ( l / d ) V / 16,
l, d longueur et diamtre du conduit (m), coefficient de friction
li au nombre de Reynolds,V vitesse du fluide (m/s).Pour de la gaine
d'acier lisse ce coefficient est environ de: = 0,025 l / d pour 80
< d < 125 mm = 0,022 l / d pour 125 < d < 225 mm =
0,020 l / d pour d > 225 mm
Mais en rgle gnrale on se sert d'abaques du type de celui prsent
Figure 9 (Tableau de pertes de charge par frottement d'aprs
RIETSCHEL et BRABEE). Il en est de mme pour le calcul des pertes de
charge particulires comme les coudes, les culottes de drivation,
les tranglements ou largissements ou:
K coefficient de singularit donn dans la bibliographie et
certains abaques (voir ci dessous)
Figure 8 : Exemples (pour mmoire) de valeurs du coefficient de
pertes de charge singulires kpour des lments non arodynamiques
Figure 9 : Pertes de charge par frottement dans des gaines
circulaires en tles noire lisses
2.4.TUBE DE PITOT C'est l'appareillage le plus utilis, c'est
aussi l'appareil reconnu officiellement lors de mesures
contradictoires. Associ un manomtre inclin, il permet de relever
des pertes de charges dynamiques sans risque d'erreur. Principe de
mesure
Figure 10 Tube de PITOT
La section intrieure du tube de PITOT dont l'extrmit ouverte
fait face l'coulement d'air reoit le choc de la vitesse de l'air et
transmet la pression totale Ht.La partie intrieure, dont les
perforations n'ont pas de rapport avec la vitesse ne communique que
la pression statique Hs.Le niveau de fluide dans l'indicateur de
pression est influenc, d'un cot par la pression totale et, de
l'autre par la pression statique.Par consquent, la diffrence de
niveau indique la pression totale diminue de la pression statique,
c'est dire la pression dynamique. Celle-ci peut tre lue directement
sur une chelle gradue en Pa ou mm CE (Figure 10).
2.5.REPARTITION DE LA VITESSE DE L'AIR DANS LES TUYAUTERIES
CYLINDRIQUES EN REGIME STABILISEL'coulement de l'air s'effectue
selon une courbe parabolique de rpartition des vitesses comme il
est indiqu sur la figure 11.La concavit de la parabole est variable
selon le nombre de REYNOLDS
Figure 11 Distribution de la vitesse de l'air
Pour dterminer la vitesse moyenne, il faut placer le tube de
PITOT une certaine distance de l'axe central (7/10 8/10 de cet
axe): ou une distance de r / 4 de la paroi extrieure.La valeur de
la vitesse moyenne mesure par rapport la vitesse maximale au centre
est gale environ : 0,8En rgime perturb, la courbe de rpartition des
vitesses s'crase d'un cot ou de l'autre de l'axe central plus ou
moins intensment selon l'effet de turbulence de vitesse d'air. Il
n'est pas possible d'effectuer des mesures suffisamment prcises
dans les zones perturbes et on se rapprochera de la Norme sur les
releves de mesures voir chapitre ci-aprs.Un rgime est prsum stable
environ 5 D avant et 3D aprs tout accident.2.6.ETUDE DES PRESSIONS
MISES EN JEU2.6.1.ExprimentationL'air est mis en mouvement dans une
conduite, de faon continue et stable par un organe moteur qui est
le ventilateur. Ce ventilateur, par la rotation de sa turbine,
refoule l'air sur l'une de ces faces et cre un appel d'air sur
l'autre (Figure 11). Cette action peut tre prolonge par des
conduites qui, runissant deux points, permettent un mouvement
continu de l'air entre ces deux points.Nous avons vu prcdemment
quels sont les obstacles qui, gnralement, freinent l'air dans les
conduites.Pour une meilleure comprhension des phnomnes, commenons
par raisonner sur un dispositif exprimental simplifi qui permet de
raliser artificiellement les divers freinages rencontrs dans la
pratique et d'analyser leur incidence.De part et d'autres du
ventilateur sont amnages deux chambres de mesures. Ces chambres
peuvent recevoir diffrents types d'obturations.Lorsque les orifices
ne sont masqus par aucun obstacle on constate que les pressions
statiques sont pratiquement identiques et nulles de chaque cot du
ventilateur. Selon la position (aspiration ou soufflage) et selon
les ouvertures de la plaque d'obturation (voir Figure 11) on notera
une dpression ou une pression par rapport la pression
atmosphrique.Des rsultats comparables seraient obtenus en plaant
les tuyauteries l'entre de la chambre D ou la sortie de la chambre
S (Figure 12).
Figure 12 Dispositif exprimental permettant de raliser
artificiellement divers freinages de l'airet d'analyser les
consquences en pressions statiques
2.6.2.Notion de perte de chargeNous avons vu que le mouvement de
l'air s'tablissait entre deux points lorsque la pression de l'air
entre ces deux points tait diffrente. Il en rsulte que l'on doit
s'attendre, si l'on effectue diverses mesures de pressions
statiques en plusieurs points chelonns sur une installation de
transport pneumatique, ce que les pressions mesures aillent en
dcroissant au fur et mesure qu'on s'loigne du ct du refoulement,
par exemple du ventilateur, pour s'approcher de la bouche de sortie
(Figure 12).
La pression statique en A devra maintenir le dbit d'air sur
l'ensemble des pressions statiques comprises entre A et S. De mme,
la pression au point B maintient le dbit d'air requis contre
l'ensemble des freinages qu'il subit entre B et S. Donc l'air qui
s'coule entre le point B et la sortie S subit sensiblement moins
d'action de freinage que celui qui s'coule entre A et S.La
diffrence des pressions statiques entre les points A et B est
appele perte de charge entre A et B.Ainsi pour l'tude de la
pression ncessaire, sous laquelle devra fonctionner le ventilateur
installer pour fournir le dbit d'air requis, il sera ncessaire de
dcomposer l'installation en tronons lmentaires pour lesquels la
perte de charge est facile calculer.2.6.3.Pression dynamique et
pression totale dans les conduites en dpression et en surpressionLa
pression dynamique, nous l'avons vu, rsulte exclusivement de la
vitesse de l'air ; ainsi, si la mesure est faite avec le tube de
PITOT bien dirig l'encontre du mouvement d'air, la pression
dynamique sera toujours positive, que la conduite soit en
surpression ou en dpression. Une pression ne peut naturellement
jamais tre ngative. Mais en aspiration, on convient d'appeler
pression ngative une pression infrieure la pression atmosphrique et
on reprsente, dans ce cas la pression par un nombre ngatif.Dans les
conduites en dpression, la pression totale, somme algbrique de la
pression statique ngative et de la pression dynamique positive, est
toujours ngative. Le relev des pressions totales effectu sur toute
la longueur d'une installation d'aspiration de sciures et copeaux
se prsente comme sur la figure 13 ci aprs.Ces diffrents
renseignements sont concentrs sur le graphique de la figure 14
reprsentant schmatiquement une installation d'aspiration et de
refoulement et l'allure gnrale des courbes indiquant les diffrents
points correspondants de l'installation.Cette courbe est purement
schmatique.
Figure 13 Relev des pressions statiques et dynamiques sur toute
la longueur dune installation
Figure 14 Prsentation graphique des courbes de pression
2.6.4.Conversion de la pression statique et de la pression
dynamiqueLes lois de cette conversion ont t nonces par BERNOUILLI
sous la forme du thorme suivant : en l'absence de pertes ou de gain
d'nergie, la perte de charge en un point d'une conduite est gale la
charge en n'importe quel autre point.La charge en un point est gale
la somme de la pression statique, de la pression dynamique et de la
charge potentielle de la masse du fluide se trouvant au dessus du
niveau du point considr.Plus simplement, pour des points situs au
mme niveau, on dira que la pression totale, en l'absence de pertes
ou de gain d'nergie en un point d'une conduite, est gale la
pression totale en n'importe quel autre point.2.6.5.Application
:Soit une tuyauterie horizontale prsentant un certain point "y"
tranglement ( Figure 15) ; celui-ci est la cause d'une vitesse plus
leve en "y" qu'en "x". La pression statique et la pression
dynamique, respectivement mesures au point "x" sont de 450 et 350
Pa. La pression totale rsultante est de 800Pa. Par suite, si la
pression dynamique prvisible en "y" et "z" est respectivement de
600 et 400 Pa, la pression statique en ces points sera
respectivement de 800-600=200 Pa et 800400=400Pa.Dans les conduites
de sections uniformes o l'on considre que la vitesse est constante,
la perte de charge entre deux points et qui reprsente l'nergie
dissipe pour vaincre les obstacles placs entre ces deux points et
gale la diffrence des pressions statiques. On pourrait galement
faire la diffrence de pression totale, ce qui revient au mme
puisque la pression dynamique ne varie pas.Perte de charge
Figure 15 Mesures des pressions sur une conduite prsentant un
tranglement
Le thorme de BERNOUILLI se rapporte des cas d'espces o il se
produit une modification de la vitesse de l'air donc de la pression
dynamique.Puisque la conversion on le sait n'est pas parfaite et
qu'il se produit une perte d'nergie, les pressions totales aux
points "x" et "y" vont tre diffrentes contrairement ce que la
figure 15 indique, qui elle, est reprsentative d'une conversion
parfaite.
La diffrence Ht reprsente la perte de charge entre les points
"x" et "y".On peut ainsi gnraliser la dtermination de pertes de
charge entre deux points d'un circuit comme tant gale la diffrence
de pressions totales entre ces deux points. Ceci est fondamental
car c'est cette information qui en finale va permettre de calculer
la puissance ncessaire du ventilateur pour assurer le dbit requis
sous les contraintes dues la configuration des circuits
arauliques.la puissance totale sous laquelle devra dbiter le
ventilateur est gale la somme de pertes de charge releves tout au
long de circuits en dpression, depuis la prise de dchets et en
pression jusqu' la sparation de l'air de transport et des
particules.2.7.NORME (MESURE)
La norme NF X 44-052 fixe les conditions de mesure des dbits
d'air dans une conduite. Une mesure, peut tre considre comme
correcte si la rpartition des vitesses est sensiblement uniforme.
L'coulement doit donc se faire sans giration et la vitesse des gaz
doit tre suffisamment grande pour qu'il n'y ait ni tourbillon, ni
zone morte, ni courant de retour.Il est difficile de dfinir de
manire gnrale cette vitesse. on notera qu'au dessous de 5 m/s, les
conditions d'coulement sont gnralement mauvaises et que la mesure
des vitesses devient dlicate. Dans la mesure du possible, on
essaiera d'obtenir dans la section de mesure une vitesse suprieure
10m/s.
Quant aux conditions relatives au profil des vitesses et
l'homognit des teneurs, elles sont considres comme satisfaisantes
si la longueur rectiligne du conduit rpond aux conditions suivantes
:la distance amont doit tre au moins gale 5 fois le diamtre
hydraulique DH.la distance aval doit tre suprieure ou gale 5 DH
lorsque le circuit dbouche l'air libre (chemine) ou lorsque les
accidents en aval risquent d'avoir une influence importante au
niveau de la section de mesure.cette distance peut tre rduite de 5
DH 3 DH dans le cas contraire.
Dans la mesure du possible, on prfrera les conduits verticaux
aux conduits horizontaux. Quadrillage de la section de mesure
:Lorsque les distances de mesures ne peuvent tre respecte, on
divisera la section de mesure en surfaces partielles de mme aire
(voir Figure 16). Le nombre de points de mesure dans une section
doit tre d'autant plus grand que la section de mesure s'loigne
davantage des conditions nonces ci-dessus. La prcision de la mesure
augmente avec le nombre de points relevs.Les sections d'gales
surfaces sont reprsentes sur la figure 16. Une des surfaces est
circulaire, en consquence le centre du conduit est un point de
prlvement. Pour dterminer la position de tous les points de mesure,
calculer la distance li, qui spare ces points en appliquant la
formule suivante :
avec:Ddiamtre du conduit ;nnombre de points par rayon (centre
non compris) ;n'nombre de diamtre de prlvement ; inumro d'ordre des
points 1 i n ;2nn'+1 nombre total de surfaces de prlvement.
Il est ncessaire de faire des relevs sur deux diamtres au moins
(n'=2). Dans ce cas la formule devient :
En rgle gnral les diamtres utiliss ne dpassent pas 2,5m. on
retiendra donc les valeurs de n suivantes donnes par la norme :diam
< 900 mm n = 1diam > 900 mm et < 1600 mm n = 2diam compris
entre 1600 et 2700 mmn = 3
Pour effectuer les calculs on peut utiliser le tableau
ci-dessous qui indique les valeurs de Ci . ou :Pour une valeur
donne de n, on lit dans la colonne correspondante les valeurs de Ci
en regard des valeurs de i.
Figure 16Exemple: pour un diam de 600 mm les distances de
mesures li seront avec n=1, Ci =11,3
Il faudra donc raliser 4 mesures 67,8 mm et 1au centre
QUELQUES EXEMPLES DE CALCUL7.1.NOTIONS ELEMENTAIRESCes calculs
rpondent notamment deux ncessits :Connatre les vitesses de l'air
qui s'tablissent dans les conduites et vrifier ainsi s'il en rsulte
un transport effectif et sans alas des dchets ainsi qu'une bonne
efficacit au niveau du captage des copeaux.Dterminer les
caractristiques du ventilateur installer : dbit, pression totale,
consommation.Avant d'effectuer le calcul d'une installation
d'aspiration, il faut tablir un cahier des charges dans lequel sont
runis tous les renseignements ncessaires au technicien charg de
l'tude.
En particulier, il faut:Relever l'implantation exacte des
machines concernes par l'aspiration en faisant figurer sur l'pure
les machines prvues dans un proche avenir s'il y a lieu.Tracer
quelques coupes des ateliers avec les cotations, la position des
piliers, la forme de la charpente sur laquelle le collecteur doit
tre fix. L'implantation des machines rfrences et leurs distances
aux murs doit y tre reprsent.Dfinir le systme de sparation retenu
(Filtre ou cyclone ou ....) et y prvoir la position ainsi que celle
du ventilateur, de la gaine de recyclage s'il y a lieu.Dfinir le
principe de stockage des dchets, la position par rapport au btiment
et le systme d'vacuation.Connatre le taux d'utilisation des
machines afin de pouvoir dterminer le dbit d'air.Contrler les
capotages et s'il y a lieu envisager leur faon.Prciser rapidement
la puissance lectrique ncessaire afin de prvenir l'ventuel manque
de disponibilit.Connatre les exigences au niveau bruit notamment
extrieur pour dterminer plus efficacement l'implantation du
matriel.7.2.CALCUL D'UNE INSTALLATION D'ASPIRATION POUR UN ATELIER
DU BOIS
Nous examinerons deux solutions selon que les vitesses d'air aux
bouches des machines seront identiques ou selon que les vitesses
seront diffrentes en fonction des machines.Dans tous les cas, le
collecteur d'aspiration sera calcul pour une vitesse d'air
d'environ 25 m/s.Pour la commodit des explications, nous
utiliserons un trac schmatique correspondant une installation
d'aspiration de cinq machines bois (figure 79). On trouvera en
Annexe A les diamtres d'aspiration habituellement utiliss sur les
machines courantes de l'industrie du bois.Supposons :A = une
dgauchisseuse de 400 mm de largeur de table ;B = une raboteuse
simple de capacit en largeur de 500 mm ;C = une scie ruban de
menuisier (diamtre volant de 800 mm) ;D = une toupie simple ;E =
une tenonneuse araseuse simple deux porte-outil ;V = le groupe
moto- ventilateur ;S = Sparateur filtrant.
Les diamtres indiqus sur la figure 79 sont adapts aux capacits
des machines implantes.Le calcul prend toujours pour point de dpart
le point dont la position est telle qu'il existe entre lui et le
ventilateur V la plus forte perte de charge ; a priori, on ne sait
pas quel est ce point. Il faut procder par intuition : le point qui
a la plus forte probabilit d'tre celui recherch correspond la
machine o entre le capot et le ventilateur, on trouve les plus
grandes distances de tuyauterie avec les plus faibles diamtres.Avec
un peu d'habitude, il est facile de dterminer la machine recherche.
Dans notre exemple, nous choisirons la dgauchisseuse A comme point
de dpart de l'tude.
Figure 79 Trac schmatique d'une installation d'aspiration, de
cinq machines bois7.2.1.Composition du circuit A Sun capot de
dgauchisseuse (perte de charge moyenne au capotage : 30 daPa ;un
coude 90 diam 140 mm ;1,5 m de flexible plastique diam 140 mm ;une
descente rectiligne diam 140 mm de 3,5 m ;un coude 90 diam 140 mm
;une longueur droite diam 140 mm de 10 m jusqu' la jonction 1;une
longueur droite de 7 m de la jonction 1 la jonction 2 ;une longueur
droite de 6 m de la jonction 2 la jonction 4 ;une longueur droite
de 6 m de la jonction 4 au ventilateur V ;un coude 90 la sortie du
ventilateur V ;une longueur droite de 6 m du coude sortie
ventilateur V au sparateur S ;un sparateur S dont la perte de
charge est estime 100 daPa.
7.2.2.Premier Calcul : vitesse constante dans le circuitL'tude
demande doit rpondre aux attentes suivantes :fonctionnement
100%vitesse d'air chaque bouches d'aspiration machines : 25
m/s.Dtermination du collecteurEn effectuant la somme des sections
on pourra dterminer les diamtres "" de chaque section :A + B 1= 220
mm1 + C 2= 240 mmE + D 3= 180 mm3 + 2 4= 300 mmDtermination du Dbit
d'airQ = VSAvecQ = dbit d'air en m3/sV = vitesse d'air en m/sS =
surface tuyauterie en m2
Dtermination de la perte de chargeDans le tableau ci-aprs, on
notera les symboles suivants :V = vitesse d'air en m/sHsml= perte
de charge statique par mtre linaire en daPaHs= perte charge
statique en daPaHd= perte de charge dynamique en daPalong= longueur
tuyauterie en m= diamtre en mmCircuitVlongHsmlHs
capot A----30,00
flexible140251,511,8317,75
descente140253,54,7316,56
coude 9014025--6,25
A - 114025104,7347,30
jonction 1220256,64
1 - 22202572,8920,23
jonction 2240256,64
2 - 42402562,6315,78
4 - V3002562,0412,24
Hd-25--39,00
coude 9030025--6,25
V - S30025-2,0412,24
Sparateur--6-100,00
H total----336,88
Avec ce choix de circuit on prendra donc comme perte de charge
totale pour le rseau considr : 340 daPa Contrle du circuit C2Comme
nous l'avons pressenti, auparavant, il est bon de contrler le
circuit C 2 par rapport au circuit A 2. En reprenant les donnes du
tableau prcdent, on notera la perte de charge du circuit A 2 avant
jonction 2 : 144,73 daPaLe circuit C 2 a comme perte de charge
:CircuitVlongHsmlHs
capot C----30,00
flexible100251,516,8825,31
descente100253,56,7523,63
coude 9010025--6,25
C - 210025146,7594,50
Hs C 2----179,69
On choisira donc le circuit CS qui malgr les apparences donne
une perte de charge suprieure au circuit AS de : 179,69 - 144,73 =
34,96 daPa. La perte de charge totale du rseau considr sera donc de
: 336,88 + 34,96 = 371,84 daPa.Il sera en outre ncessaire de prvoir
un cne d'quilibrage sur de 34,96 daPa sur la jonction 2 dans le
diamtre 220 mm (voir chapitre 3.2.6.). Dtermination du
ventilateurLe ventilateur devra pouvoir rpondre aux caractristiques
suivantes :Dbit d'air 6372 m3/hHt375 daPaPuisqu'il n'y a pas de
dligneuse ni de risque de dchets fibreux, on choisira un
ventilateur avec rotor pales radiales fermes soit le ventilateur
type RCMB 16.
Les caractristiques de ce dernier seront donc :Dbit d'air 6372
m3/hHt375 daPaVitesse2080 t/mnConsom9,6 kWMot ncess11
kWRendement69,5 %
7.2.3.Deuxime Calcul : vitesse variable dans le circuitL'tude
demande doit rpondre aux attentes suivantes :fonctionnement
100%vitesse d'air variable chaque bouches d'aspiration machines A
33 m/sB30 m/sC25 m/sD25 m/sE25 m/s Dtermination du Dbit
d'airMachineV m/sQ m3/sQ m3/h
A140330,511828
B160300,662387
C100250,20707
D120250,301017
E140250,381385
Total--2,057324
Dtermination du collecteurPour viter des pertes de charge trop
importantes, le collecteur et les descentes aux machines y compris
les flexibles et le coude de remont seront calculs 25m/s. Soit
:CircuitorigineV orig m/sQ m3/h de raccordV m/s
A14033182816025
B16030238718026
C1002570710025
D12025101712025
E14025138514025
A + B 1--421526022
1 + 2 4--492228022
4 V--732435021
Le calcul de la vitesse d'air est alors ralis pour chaque
section en fonction du diamtre normalis choisi. Dtermination de la
perte de chargeLe calcul de la perte de charge totale du rseau est
peu plus complexe car la perte de charge par mtre linaire (Hsml)
est fonction de la vitesse d'air, conscutive au diamtre choisi,
dans la section du circuit. Le raccordement la machine A par un cne
entre le coude et le capteur sera source d'une perte de charge
singulire qui se calculera selon les formules vues chapitre 2.3.4
:Hs = KHdSelon la figure 8 on remarque qu'un cne de 30 aurapour D /
d = 160 / 140 = 1,14, un coefficient K de 0,75 soit pour une
vitesse d'air de V = 33 m/s ou Hd = 68 daPaHs = 0,75 x 68 = 51 daPa
La perte de charge dynamique sera la plus importante du circuit on
choisira donc la vitesse la plus importante du circuit soit dans le
cas prsent V = 33 m/s et Hd = 68 daPaComme prcdemment, on notera
dans le tableau ci-aprs, les symboles suivants :V = vitesse d'air
en m/sHsml= perte de charge statique par mtre linaire en daPaHs=
perte charge statique en daPaHd= perte de charge dynamique en
daPalong= longueur tuyauterie en m= diamtre en
mmCircuitVlongHsmlHs
capot A----30,00
cne14033--51,00
flexible160251,510,2515,38
descente160253,54,105,14
coude 9016025--14,35
A 116025104,1041,00
jonction 126022--6,25
1 22602271,8613,02
jonction 228022--5,14
2 42802261,7110,26
4 V3502161,337,98
Hd-33--68
coude 9035021--4,69
V S3502161,3312,24
Sparateur----100,00
H total----384,45
Dans ce cas l aussi, il faudra effectuer un deuxime calcul sur
le circuit C 2 par rapport au circuit A 2. En reprenant les donnes
du tableau ci-dessus, on notera la perte de charge du circuit A 2
avant jonction 2 : 176,14 daPa alors que nous avions calcul
prcdemment paragraphe 7.2.3. : 179,69 daPa. On remarquera que le
circuit ainsi conu est suffisamment quilibr.Dtermination du
ventilateurLe ventilateur devra pouvoir rpondre aux caractristiques
suivantes :Dbit d'air 7324 m3/hHt385 daPa
Avec le mme type de ventilateur prcdent nous aurons :Dbit d'air
7324 m3/hHt385 daPaVitesse2110 t/mnConsom11 kWMot ncess15
kWRendement70,5 %7.3. CALCUL D'UNE CHAUFFERIE A BOIS
Un rseau d'alimentation automatique et de dpoussirage des fumes
pour une chaudire demande une certaine gymnastique qu'il est facile
de comprendre. Nous allons les dtailler ci-aprs en partant de
dchets type copeaux de bois ayant une humidit sur sec de 15% pour
alimenter une chaudire de 3000th/h.7.3.1.Pouvoir calorifiqueLe PCI
d'un Kg bois sec est de : P0 = 4170 kcal/h
Avec :PH=Pouvoir calorifique l'tat H en kcal/hP0 =Pouvoir
calorifique l'tat anhydre en kcal/h (4170 kcal/h)H=degr d'humidit
exprim en % sur sec
Soit pour des dchets ayant une Humidit relative HR de 15% :
7.3.2.Quantit de dchets ncessaire la combustion
Avec :PH=Pouvoir calorifique l'tat HPC =Puissance de la Chaudire
en kcal/hQ=Quantit de dchets en kg/h
Ceci est valable pour une chaudire ayant un rendement parfait.
Dans le cas le plus courant avec un rendement de 75% il faudra
:
7.3.3.Dbit d'air ncessaire au transport pneumatiqueDeux cas
peuvent se produire soit l'tude concerne une chaudire avec
insufflation directe soit le foyer est totalement autonome et le
transport pneumatique ne sert qu' l'amenage en un point
prcis.Chaudire insufflation (ou chaudire avec avant foyer), on
minimisera au maximum l'air d'insufflation et il faudra prendre un
taux de 2,5 m3/h/kg. Pour l'exemple en cours : 1128 x 2,5 = 2820
m3/h ou un diamtre de transport pneumatique de 200mm 25 m/s.On
prendra toutefois la prcaution de ne pas avoir de diamtre de
transport pneumatique infrieur 140 mm. Il y a dans ce cas trop de
risque de bourrage, cause de l'irrgularit d'amenage de la vis
d'extraction. Il faudra alors, avoir le recours d'un cyclone. Ce
cyclone rgl en pression aura une partie de l'air transmis avec les
dchets la chaudire ; le reste de l'air en sortie suprieure du
cyclone pourra tre raccord la prise d'air de combustion de la
chaudire ou de l'avant foyer.Chaudire alimentation des dchets par
moyens mcaniques, on prendra un taux beaucoup plus important et
avec certaines prcautions on pourra effectuer un circuit ferm avec
un cyclone.7.3.4.Calcul du ventilateur de tiragePour brler un kg de
dchets de bois il faut un dbit d'air de 7,2 Nm3/h.O pour l'exemple
considrer : temprature ambiante :
temprature des fumes (prendre le maximum 400 C) :
Auquel il faudra ajouter un coefficient de 20% pour excs d'air
et permettre un rglage. Soit un dbit de fumes de . Ce dernier
servira de rfrence pour le calcul du dpoussireur et du
ventilateur.7.3.5.Rgulation de tirageParmi les problmes, le plus
important dans la combustion des dchets de bois est la coloration
des fumes qui est souvent trop noire. Quand on cherche liminer ce
phnomne il est indispensable de prvoir une rgulation de tirage. En
fait pour viter ce problme il faudrait que l'ensemble alimentation
et extraction de fumes n'ait pas de variation au cours du
fonctionnement.Or il y a toujours variation.Variation sur la
quantit de dchets en approvisionnement : Le principe de la vis
d'extraction est d'extraire les dchets en volume. Selon la hauteur
des dchets dans un silo la densit de ceux-ci peut varier du simple
au double. A la chaudire, cette variation pourra tre cause d'un
manque d'air de combustion et donc d'une formation d'une fume noire
par combustion incomplte.Variation de temprature des fumes : entre
le moment du dmarrage de la chaudire et la fin de combustion
(moment ou s'arrte la chaudire), les fumes varient en gnral de 100
C 300 C. Dans l'exemple en cours, le dbit des fumes oscillera entre
:
En supposant le dbit d'extraction rgl pour une parfaite
combustion 300 C, il y aura prs de 50% de dbit d'air de combustion
en trop dans le foyer lorsque les fumes seront 100 C ( chaque
redmarrage de la chaudire). Sans prcautions le trop important dbit
d'air de combustion entranera, l'extrieur, des dchets imbrls.En
fait, cette rgulation de tirage peut se faire trs facilement. Un
dprimomtre mesure la dpression du foyer et par l'intermdiaire d'une
vanne ou mieux d'un by-pass sur la gaine de sortie des fumes, la
rgulation agit en ouverture ou en fermeture.
A.1. LES DIAMETRES USUELS DES MACHINES A BOISDsignation
machineCaractristiquesNb de bouchesDiamtre par agrgat
Scie ruban de second dbit Volant 600 Volant 600 800 Volant 800
1000 Volant 1000 1200 Volant > 1 200 1 1 1 1 - 2 2 80 100 120
140 suprieur - 100 infrieur 160 suprieur - 120 infrieur
Scie circulaire mono lame Diamtre lame < 400 Diamtre lame
> 400 1 1 120 140
Scie panneaux format horizontal Largeur dbit < 1 500 Largeur
dbit < 3 000 1 2 1 2 140 180
Scie panneaux format vertical 180 ou 100
Trononneuse simple pendulaire, radiale escamotable Diamtre lame
< 400 Diamtre lame > 400 1 1 1 120 140 120
Dligneuse circulaire 1 lame mobile Dligneuse circulaire Diamtre
lame < 400 > 400 1 1 140 160
Dligneuse multiple 5 7,5 kW 10 kW 15 25 kW 30 40 kW 50 kW 75 kW
1 1 1 111180 200 225 250 275 300
Dgauchisseuse simple Largeur table < 300 Largeur table >
300 1 1 120 140
Dgauchisseuse Dresseur Largeur table < 300 Largeur table >
300 2 2 120 (arbre horizontal) - 100 (dresseur) 140 (arbre
horizontal) - 100 (dresseur)
Raboteuse simple ou double face Largeur table < 500 Largeur
table < 800 Largeur table < 10001 ou 2 1 ou 2 1 ou 2 140 160
180 200
Raboteuse trs large simple ou double faceLargeur table 1 100
Largeur table 1 300 Largeur table 1400 Largeur table 1600 Largeur
table 1 800 Largeur table 2000 Largeur table 2300 1 - 2 1 - 2 1 - 2
1 - 2 1 - 2 1 - 2 1 - 2 225 250 250 275 275 300 320
Raboteuse quatre faces larges Arbres horizontaux Arbres
verticaux 2 2 140 160 120
Corroyeuse quatre facesArbres horizontaux Arbres verticaux
Arbres horizontaux 2 2 120 140 120
Multifaces - Mouluriresuniversels Arbres verticaux Araseur 2 - 6
2 - 6 1 120 - 140 120 100 -120
Tenonneuse simple Outil tenonner Toupie-fraise Drouleur Araseurs
1 1 2 1 2 2 120 - 140 120 140 120
Tenonneuse doubleInciseurs Toupies Drouleurs 2 2 - 4 - 6 2 - 4
100 120 - 140 160
Toupie simple 1 2 1 120 - 100 (bouche infrieure) 80 - 100 ou
bouche balayage
Mortaiseuse a mches chane, bdane alternative 1 1100 + bouche
balayage 100 + bouche balayage
Dfonceuse 1150
Perceuses - Entailleuses diverses1Bouche de balayage
Ponceuses bandes troites patin Simple bande horizontales Petite
machine verticale poutre Simple bande poutre Double bande 1 2 1 2
4150 - 180 120 200 200
Ponceuses bandes larges suprieure avec 2 agrgats (1 cylindre
contact + 1 patin) infrieure avec 1 agrgat Largeur de bande600 -
800 900 1 000 1 100 1200 1300 1600 1800 600 - 800 800 - 1100 1200
1300 1600 1800 1 2 1 - 2 1 2 1 - 2 1 - 2 t 2 1 - 2 1 - 2 1 1 - 2 1
2 1 - 2 1 - 2 270 ou 2 x 150 225 ou 2 x 160 250 ou 2 x 180 275 ou 2
x 190 300 ou 2 x 210 320 ou 2 x 225 360 ou 2 x 250 380 ou 2 x 275
180 210 ou 2 x 150 250 ou 2 x 180 300 ou 2 x 210 320 ou 2 x 225
Ponceuses cylindres suprieurs Longueur des cylindres < 1 000
1000 - 1250 > 1250 Brosse mtallique Par cylindre 1 1 1 1 180 200
250 120
Ponceuses cylindres infrieurs < 1000 1000 - 1250 > 12501 1
1160 180 200
Egreneuse cylindres Largeur de travail 700 1800 Par rouleaux 1
180
Egreneuse pour chant unilatrale 4140
Plaqueuses de chant unilatrale Affleurage PontageChanfreinage
Toupies 2 1 2 1 - 2 80 80 80 100
bilatrale = 2 unilatrales
Source: Prcis daspiration
A.2. QUELQUES ELEMENTS DE CAPTATION ET LEUR DEBIT D'AIRPartie
suprieure de table de travailPour installation sur table de
travail
DimensionsL mm1000150020002500
Dbit d'airm3/h2000300040005000
Diammm180220240280
Partie infrieure de table de travailComme table de travail avec
aspiration en partie infrieure
DimensionsL mm1000150020002500
Dbit d'airm3/h2300350046005800
Diammm200240280325
Table d'grenageAspiration dessous
DimensionsL mm1500200025003000
Dbit d'airm3/h 3500460058007000
Diammm240280325350
Cabine de peinturehauteur 2,50 m
DimensionsL mm2000250030004000
Dbit d'airm3/h9000112001350018000
Diammm600700700800
Paroi aspirante(dpression 40 daPa)Dimensions L mm 800 1000 1500
2000
Dbit d'airm3/h20002500 37505000
Diammm180200240280
24