Optimisation du débit d’air dans les systèmes de récupération des poussières, fumées et brouillards

Rédigé par Lori Lehner, responsable de la formation technique pour Donaldson Torit

Prolongation de la durée de vie du filtre. Conservation d’énergie. Économies.

Le contrôle optimisé du débit d’air dans votre système de récupération des poussières, fumées et brouillards apporte des avantages considérables, comme la prolongation de la durée de vie du filtre, une conservation d’énergie accrue et la réalisation d’économies globales. En outre, dans de nombreuses applications, un débit d’air approprié est essentiel pour garantir la qualité. Un débit d’air trop important lors du soudage de l’acier inoxydable peut éloigner le gaz de protection des soudures, ce qui donne un sertissage de mauvaise qualité. À l’inverse, un débit d’air insuffisant peut exposer les opérateurs à des composés dangereux tels que le chrome hexavalent.

Dans le cadre des applications de traitement des matériaux où de la poussière combustible peut poser problème, un débit d’air approprié est crucial, car un débit d’air trop élevé peut entraîner le déplacement d’un produit valorisé du procédé vers le flux de déchets. À l’inverse, un débit d’air trop faible peut cause la libération de poussière hors du processus, d’où un risque accru lié à la présence de poussière combustible dans les installations.

L’impact du débit d’air sur la durée de vie du filtre est souvent négligé lors des opérations, mais il peut être significatif lorsque les filtres sont installés pour la première fois. Sur le plan opérationnel, la faible résistance à la pression initiale de filtres neufs peut donner lieu à une augmentation du débit d’air dans le système, ce qui n’est pas nécessairement un problème pour les opérations, mais peut réduire considérablement la durée de vie opérationnelle totale des filtres (souvent de plus de la moitié). Une stratégie de contrôle du débit d’air visant à maintenir le niveau prévu à la conception permet de prolonger la durée de vie totale du filtre et de favoriser ses performances.

Les économies d’énergie et les coûts globaux varient selon la stratégie de contrôle du débit d’air et sont décrits dans les discussions suivantes.

Le mode de contrôle traditionnel du débit d’air consiste à régler manuellement un clapet de sortie sur le ventilateur du dépoussiéreur. Cela peut permettre de contrôler efficacement le débit d’air si le procédé est correctement exécuté et que le clapet est régulièrement réglé, étant donné que l’état du système évolue au fil du temps. Malheureusement, tous les opérateurs ne savent pas comment régler correctement un clapet de sortie et, par conséquent, il n’est pas rare qu’une usine constate une durée de vie réduite, une qualité de produits compromise et une augmentation des coûts d’entretien et d’exploitation.

Les approches alternatives visant à optimiser le contrôle du débit d’air comprennent :

• l’utilisation d’un clapet d’entrée à ventelles ;
• la modification du ventilateur dans le cadre du remplacement des réas ;
• l’utilisation d’un système de contrôle numérique avec entraînement à fréquence variable (EFV).

Vous trouverez ci-dessous les avantages et les inconvénients de chaque composant :

Clapet d’entrée à ventelles

Un clapet d’entrée à ventelles permet de réaliser des économies d’énergie en imprimant une rotation préalable à l’air au moment où il pénètre dans le ventilateur, ce qui réduit l’intensité de fonctionnement de ce dernier. Cette option apporte de la puissance et économise l’énergie, avec un coût d’investissement relativement faible. L’inconvénient du clapet d’entrée à ventelles est qu’il nécessite encore des réglages manuels, étant donné que l’état du système évolue au fil du temps, et une maintenance supplémentaire peut être nécessaire. 

Modification du ventilateur dans le cadre du remplacement des réas du moteur et/ou du ventilateur

Une autre option de contrôle du débit d’air consiste à module de façon effective le régime du ventilateur en installant de nouveaux réas sur le moteur et/ou le ventilateur. La baisse de régime du ventilateur diminue la puissance au freinage, ce qui réduit les coûts opérationnels. Cette modification peut être efficace en termes de coûts, mais il n’est pas aisé de régler la vitesse du ventilateur pour une grande diversité de conditions. En outre, elle implique généralement l’usage continu d’un clapet pour régler précisément le débit d’air, car l’état du système évolue au fil du temps. 

La stratégie de remplacement des réas est répandue, car elle constitue généralement un facteur de prudence mis en œuvre lors de la conception afin de maintenir le débit des systèmes. L’identification et le retrait des estimations de conception prudentes favorisent la réalisation d’économies d’énergie. Les concepteurs ajoutent souvent un pouce ou deux de capacité statique supplémentaire dans un ventilateur en cas de résistance inattendue au niveau des conduites. 

L’industrie céréalière illustre bien la pratique de conception prudente. En effet, la plupart de ses concepteurs utilisent une vitesse d’écoulement d’au moins 1 370 mètres par minute (4 500 pieds par minute) en raison des modifications de pression statique (étant donné que la poussière s’accumule au niveau des filtres). Les opérateurs peuvent ne pas régler le clapet de sortie (en supposant qu’il y en ait un) de manière à éviter l’accumulation de poussière dans les conduites, ce qui présente un risque lié aux poussières combustibles et au poids. Les concepteurs de systèmes utilisent souvent, par prudence, des vitesses supérieures à celles nécessaires pour compenser les chutes imprévues du débit d’air.

Contrôles numériques avec entraînement à fréquence variable (EFV)

La manière la plus efficace d’optimiser le débit d’air dans un dépoussiéreur consiste à recourir au contrôle numérique à l’aide de l’entraînement à fréquence variable (EFV).¹ Cette méthode agit sur un paramètre du système, comme la pression du vent dans une conduite ou la pression statique au niveau de l’entrée du dépoussiéreur (ces deux éléments peuvent être directement liés à un paramètre opérationnel tel que le débit volumétrique). Le système de contrôle numérique doté d’un EFV peut contrôler le statut du système et ajuster automatiquement le débit d’air à mesure que l’état du système évolue dans le temps.

L’avantage principal d’un EFV contrôlé numériquement est qu’il maintient automatiquement le débit d’air prévu alors que l’état du système évolue. Le débit d’air prévu est déterminé et le contrôleur numérique est installé par un technicien selon la variable de contrôle lors du démarrage initial. L’opérateur n’aura donc pas à régler de clapet manuellement au fil de l’évolution de l’état du système (p. ex. la perte de charge augmente lorsque la poussière s’accumule sur les filtres). Le système de débit d’air EFV contrôlé numériquement favorise une capture appropriée au niveau des hottes, ce qui maintient une forte productivité, laisse le produit là où il est censé être lors du processus et contribue à garantir la qualité de l’air dans les zones de respiration des opérateurs.  Le système EFV contrôlé numériquement garantit également une vitesse d’écoulement homogène, ce qui réduit l’accumulation de matériaux dans les conduites et réduit au minimum la maintenance et les risques d’incendie dans les conduites. 

Un système EFV contrôlé numériquement donne également lieu à des économies d’énergie similaires à un moteur à démarrage en douceur grâce à la réduction des charges de pointe. Un autre avantage de l’utilisation d’un EFV contrôlé numériquement est la réduction du bruit.  La possibilité d’éviter un volume d’air excessif et la vitesse associée réduit considérablement le bruit par rapport à l’utilisation d’un clapet de sortie. Un client qui tient un magasin de solutions de pulvérisation thermique a déclaré que le bruit avait été considérablement réduit après l’installation d’un dépoussiéreur doté de ce type de système. Il prévoit d’équiper l’ensemble de ses dépoussiéreurs de systèmes EFV contrôlés numériquement.

Les coûts d’investissement induits par les systèmes EFV contrôlés numériquement font partie des inconvénients de cette solution. Si vous souhaitez acquérir un système de contrôle EFV, recherchez les possibilités de remises sur des sites tels que celui de DSIRE™ (Database of State Incentives for Renewables & Efficiency) ou de compagnies d’électricité et de gaz.  Les avantages qui y sont proposés peuvent être considérables, ce qui compense en grande partie le coût d’investissement dans un système EFV contrôlé numériquement.  Il est important de noter que certaines organisations demandent à ce qu’une candidature soit soumise (et même approuvée) avant l’émission d’un bon de commande pour l’achat de l’équipement.

Si la pression statique de votre système est de 177,8 mm (7 po) en moyenne, au lieu des 10 pouces de colonne d’eau requis lorsque les filtres sont quasiment au terme de leur durée d’utilisation, la vitesse moyenne du ventilateur (à l’aide d’un EFV) peut être abaissée à 1 680 tr/min.  À ce stade, les coûts d’exploitation annuels ne peuvent être qu’inférieurs.

Durant la plus grande partie de la vie opérationnelle des filtres, le ventilateur coûterait 12 500 $, soit une différence de 4 500 $ par an, ce qui permet de réaliser des économies. Cela équivaut à 1 500 $ pour chaque pouce de pression statique économisé dans le système pour le ventilateur concerné, et ces économies se poursuivent d’année en année.

Le même scénario à 0,20 $ par kWh donne lieu à une économie de 18 000 $, soit 6 000 $ par pouce de pression statique économisé chaque année.

Même la courbe d’un ventilateur correspondant exactement au débit d’air de votre dépoussiéreur comprendra un ou deux pouces de pression statique supplémentaire en réponse aux obstacles et modifications inattendus qui affectent l’état du filtre. Lorsqu’un système maintient automatiquement le débit d’air prévu, le risque qu’un matériau de la conduite s’échappe du flux d’air est atténué et une vitesse d’écoulement moins prudente peut alors être sélectionnée.

Économies cumulées

Un système doté d’un contrôleur de débit d’air EFV est plus coûteux au départ, mais le retour sur investissement lié permis par les seules économies d’énergie ne demande généralement pas plus de deux ans. Par ailleurs, cette durée ne tient pas compte des économies supplémentaires qui résultent de la durée de vie prolongée du filtre et de l’amélioration du processus de contrôle. 

Voici comment optimiser encore votre système et tirer profit des économies d’énergie :

• Utilisez un matériau filtrant de haute qualité qui permet l’accumulation de la poussière à sa surface au lieu de la faire pénétrer en profondeur. Cela améliore le nettoyage, abaisse la perte de charge et prolonge la durée de vie du filtre. N’oubliez pas que chaque pouce de pression statique a un coût, et que l’utilisation d’un support à chargement en surface permet souvent d’économiser un ou deux pouces de pression statique moyenne par rapport au support de base.
   
  
• Effectuez les réglages suivants au niveau de votre système pour réaliser davantage d’économies d’énergie :
  • retirez les coudes inutiles afin de redresser les longueurs des conduites ;
  • remplacez tout coude se trouvant juste devant le ventilateur par un boîtier d’admission de bonne conception ;
  • remplacez tout raccord en T par des entrées à branches classiques à 30 degrés et modifiez ou remplacez toute hotte inefficace et/ou endommagée.

En optimisant le débit d’air dans votre système de récupération des poussières, fumées et brouillards, le contrôleur de débit d’air EFV se révèle être l’option la plus fiable, car elle prolonge la durée de vie du filtre et favorise les économies d’énergie, et donc d’argent.