d’entraînements surchargés
7.1 Ventilateurs avec réglage de vitesse
Etant donné que la moitié des moteurs en exploita-tion sont utilisés pour l’entraînement des ventila-teurs et des pompes, il est nécessaire de se pencher un peu plus sur ces deux applications.
Les ventilateurs et les pompes sont, dans la règle, dimensionnés de manière à ce qu’ils assurent les exigences maximales de l’installation. En pratique, il arrive constamment que la demande de puissance varie dans le temps et que dans une exploitation classique, la puissance en réserve reste inutilisée.
Pour le réglage ou la variation de débits, deux prin-cipes sont utilisés :
• l’utilisation de contrainte de flux, étranglement ou diaphragmes ;
• modification de l’angle des pales du distributeur.
Ces deux principes sont simples et de ce fait très employés. Cependant énergétiquement parlant, ils ne sont pas performants.
Récemment, diverses solutions de réglage de débits, plus favorables du point de vue énergétique, ont été développées. La meilleure solution physique et éner-gétique de variation de débit est réalisée en réglant la vitesse de la pompe, par l’emploi de moteurs asyn-chrones alimentés par convertisseurs statiques.
Par la suite, il ne sera pas seulement fait mention des différents modes de commande ou réglage des
points de vue technique et énergétique, mais il sera aussi fait mention des conséquences économico-énergétiques des méthodes encore peu connues d’utilisation rationnelle d’énergie électrique. Par exemple, l’emploi des turbopompes, des entraîne-ments sous-chargés ou sporadiquement chargés.
De façon usuelle, lorsque les ventilateurs sont choi-sis pour une installation, cela sous-entend qu’ils tra-vaillent de façon optimale à un seul point de fonc-tionnement. Dans l’optique d’une conduite de processus optimisée, il faut s’attendre à des deman-des de débits variables. A côté de la possibilité pour les ventilateurs, compresseurs et souffleries d’être enclenchés ou déclenchés en fonction d’un cycle d’exploitation défini, deux autres solutions existent pour le réglage ou la variation des débits à vitesse constante du moteur.
Le débit d’un ventilateur peut être varié par des cla-pets ou des diaphragmes-étranglements dans le cir-cuit de distribution. Ces éléments peuvent être pla-cés soit du côté de la pression, c’est-à-dire à la sortie du ventilateur, soit du côté de l’aspiration, c’est-à-dire à l’entrée du ventilateur. Lorsqu’ils sont placés à l’entrée, ces éléments occasionnent des turbu-lences de flux. S’ils sont placés trop près de l’aspi-ration, leur effet sera une augmentation de la demande de puissance, et de ce fait, une chute de rendement et aussi une augmentation du bruit.
La variante la plus courante est la contrainte de flux du côté de la pression, par exemple les diaphragmes-étranglements Ds1, Ds2, Ds3, qui déterminent les carac-téristiques avec les paramètres Dsselon la figure 61.
La diminution de la pression (hauteur de refoule-ment) dans l’installation augmente la demande de puissance du ventilateur. La conversion de la diffé-rence de pression en chaleur occasionne une réduc-tion du rendement.
Aussi longtemps que la contrainte de flux n’est employée exclusivement que pour de petites varia-tions de débits autour du point nominal de fonc-tionnement, elle est à considérer comme très mau-vaise du point de vue énergétique.
Les débits des ventilateurs peuvent aussi être réglés par variation de l’angle des pales du distributeur. Ce réglage est encore utilisé pour des puissances moyennes et grandes. Dans ce cas, la caractéristique de la machine change selon la position de celle-ci (DL) et la surface du canal d’écoulement ainsi défi-nie. Les caractéristiques du ventilateur changent en
fonction de ce paramètre DL1, DL2, DL3(figure 62). Il en résulte que la pression, la puissance et le rende-ment diminuent. Les pertes énergétiques sont parti-culièrement importantes pour ce système et surtout pour de grandes variations conduisant à de grands changements de débits.
En comparaison avec le système de réglage précé-dent, celui-ci est plus favorable comme le montre l’exemple ci-après.
Un système de ventilation avec les caractéristiques de la tabelle, figure 63, est employé 8400 heures par an. Dans ce cas, annuellement 1272,60 / 8400 = 0,1515 ou 15,15 % du coût énergétique est écono-misé par le réglage au distributeur (DL) par rapport à la contrainte de flux côté pression (Ds).
DS3
Hauteur d’élévation H [%]
120
Puissance d’entrée P [%]
0 20 40 60 80 100 120 140 160 Débit Q [%]
Figure 61 : Caractéristiques d’un ventilateur radial avec variation de débit côté pression (DS).
Figure 62 : Caractéristiques d’un ventilateur en réglage du débit au distributeur (DL).
DL3
Hauteur d’élévation H [%]
120
Puissance d’entrée P [%]
0 20 40 60 80 100 120 140 160
Tableau 63 : Comparaison des différences de consom-mation d’énergie (DL-DS)
Le réglage du débit par variation de la vitesse du ventilateur est de loin la meilleure solution.
A la figure 64, on trouve les différentes caractéris-tiques du ventilateur pour les différentes vitesses (DZ1, DZ2, DZ3) et débits.
Une courbe caractéristique d’un ventilateur peut être représentée par la fonction simple suivante :
∆p = k · Q2
avec ∆p = différence de pression en Pa Q = débit en m3/s
Le facteur k est une constante qui représente les pertes de charge spécifiques pour le système et le fluide.
Le débit, la différence de pression et la puissance mécanique sont régis par les lois de similitude sui-vantes :
avec n = vitesse de rotation
P = puissance de l’entraînement
Pour cela, on considère que le rendement reste constant avec la vitesse.
Une combinaison simple des lois du modèle con-duit à :
dans laquelle la grandeur ∆p1/Q12 est égale à la constante k. Cela veut dire que pour une installation avec une caractéristique de ce type, il existe la pos-sibilité d’adapter les exigences d’augmentation de pression par variation de la vitesse et cela avec des demandes de puissances en conséquence.
Pour apporter la preuve de cette affirmation, nous donnons le résultat des mesures pour un système de ventilation avec les demandes annuelles de débits indiquées sur le tableau 65. La comparaison indique l’énergie économisée par le réglage par variation de vitesse et les deux autres types de réglage présentés précédemment.
Hauteur d’élévation H [%]
120
Puissance d’entrée P [%]
0 20 40 60 80 100 120 140 160 Débit Q [%]
DZ2
DZ1
Figure 64 : Caractéristiques d’un ventilateur radial avec réglage par variation de vitesse.
Tableau 65: Comparaison des économies d’énergie pour les réglages: vitesse Rz/étranglement Rset vitesse Rz /dis-tributeur RL.
On peut économiser ainsi annuellement les valeurs de 2793,00 / 8400 = 0,332 ou 33,2 % avec le réglage par variation de vitesse par rapport à « l’étrangle-ment » dans le circuit de pression et la valeur de 1520,40 / 8400 = 0,181 ou 18,10 % avec le réglage par variation de vitesse par rapport au réglage par varia-tion des pales du « distributeur ». Dans ce cas la puissance active est seule caractéristique.
La figure 66 montre les valeurs de la demande de puissance pour une installation de PN= 84 kW, une vitesse nNde 1450 t / min et un débit de QN= 12 m3/s en fonction des différents types de réglage. Le pro-fil de charge est représenté par L1, et l’exploitation mensuelle est de 730 h.