Chaque courbe de ventilateur d’un catalogue est tracée pour de l’air standard : 1.2 kg/m³, soit approximativement de l’air à 20 °C au niveau de la mer. Installez le même ventilateur dans une ville située à 2,000 mètres d’altitude, ou utilisez-le pour déplacer un gaz à 200 °C, et l’air qu’il traite est beaucoup moins dense. Le ventilateur déplace toujours le même volume à la même vitesse, mais il développe moins de pression et absorbe moins de puissance. La plupart des erreurs de sélection en altitude ou à haute température viennent de l’oubli de l’un de ces trois faits, ou de l’oubli de ce qui se produit lorsqu’un ventilateur pour gaz chauds démarre à froid.
Ce que la densité modifie, et ce qu’elle ne modifie pas
À vitesse constante, un ventilateur est une machine volumétrique. Les lois des ventilateurs donnent directement la relation :
| Grandeur | Effet d’une densité d’air plus faible à vitesse constante |
|---|---|
| Débit volumique (m³/h) | Inchangé |
| Pression développée | Diminue proportionnellement à la densité |
| Puissance absorbée | Diminue proportionnellement à la densité |
| Débit massique (kg/h) | Diminue proportionnellement à la densité |
La résistance d’un réseau de conduits varie également avec la densité, car les pertes par frottement et dans les accessoires dépendent de la densité de l’air qui les traverse. C’est pourquoi un ventilateur installé sur un simple conduit de ventilation en altitude fournit encore approximativement son débit volumique au niveau de la mer : le ventilateur et le réseau s’affaiblissent ensemble. Les corrections sont importantes lorsque l’exigence de pression a été calculée pour les conditions réelles du site, lorsque le procédé nécessite une masse d’air plutôt qu’un volume, et lorsque la température du gaz évolue pendant le fonctionnement.
Dans quelle mesure l’air est moins dense
Rapports de densité par rapport à l’air standard, pour l’atmosphère standard internationale et l’air sec :
| Altitude à 20 °C | Rapport de densité | Température du gaz au niveau de la mer | Rapport de densité |
|---|---|---|---|
| 0 m | 1.00 | 0 °C | 1.07 |
| 500 m | 0.94 | 40 °C | 0.94 |
| 1,000 m | 0.89 | 60 °C | 0.88 |
| 1,500 m | 0.83 | 100 °C | 0.79 |
| 2,000 m | 0.78 | 150 °C | 0.69 |
| 2,500 m | 0.73 | 200 °C | 0.62 |
| 3,000 m | 0.69 | 300 °C | 0.51 |
| 3,600 m | 0.64 | 400 °C | 0.44 |
Les deux effets se multiplient. De l’air à 40 °C sur un site situé à 1,500 mètres d’altitude présente un rapport de densité d’environ 0.78, identique à celui d’un air froid à 2,000 mètres. Plusieurs capitales d’Amérique latine et d’Afrique de l’Est se situent entre 2,200 et 2,900 mètres, où un ventilateur perd un quart ou plus de la pression indiquée dans son catalogue.
Corriger une sélection, étape par étape
- Déterminer la densité réelle à partir de l’altitude du site et de la température de l’air ou du gaz traité par le ventilateur.
- Convertir l’exigence de pression en conditions d’air standard. Si le concepteur du système a calculé la pression dans les conditions réelles, la diviser par le rapport de densité pour obtenir la pression équivalente en air standard.
- Sélectionner dans le catalogue au débit volumique réel et à la pression équivalente en air standard.
- Corriger la puissance pour les conditions du site en multipliant la puissance du catalogue par le rapport de densité.
- Dimensionner le moteur pour l’air le plus dense que le ventilateur rencontrera, ce qui, pour un ventilateur de gaz chauds, correspond généralement au démarrage à froid.
Exemple : un ventilateur doit déplacer 5,000 m³/h contre 800 Pa, calculés dans les conditions du site, dans une ville située à 2,240 mètres d’altitude où l’air est à 25 °C. Le rapport de densité est de 0.75. La pression équivalente en air standard est de 800 ÷ 0.75, soit environ 1,070 Pa ; le ventilateur est donc sélectionné pour 5,000 m³/h à 1,070 Pa dans le catalogue. Sur le site, il développera les 800 Pa requis et absorbera environ 75 % de la puissance indiquée au catalogue.
Si le débit volumique est le paramètre important, comme dans la plupart des installations de ventilation, aucune correction de volume n’est nécessaire. Si le procédé nécessite une masse d’air, comme pour l’alimentation en air de combustion, le séchage ou le transport pneumatique, le débit volumique doit être augmenté en le divisant par le rapport de densité, puis la pression doit être recalculée à ce débit plus élevé.
Gaz chauds : le problème du démarrage à froid
Un ventilateur sélectionné pour un gaz à 200 °C fonctionne avec un rapport de densité de 0.62 en fonctionnement normal. Lorsqu’il démarre alors que l’installation est froide, il déplace de l’air à 20 °C, qui est 1.6 fois plus dense, et absorbe 1.6 fois la puissance de fonctionnement. Un moteur dimensionné pour le fonctionnement à chaud sera en surcharge lors d’un démarrage à froid. Trois solutions standard existent :
- Dimensionner le moteur pour les conditions froides, en acceptant qu’il fonctionne avec une faible charge lorsqu’il est chaud.
- Démarrer avec un registre d’entrée fermé et l’ouvrir à mesure que le gaz se réchauffe, avec un interverrouillage empêchant l’ouverture complète du registre lorsque le gaz est froid.
- Utiliser un variateur de fréquence et limiter la vitesse jusqu’à ce que le gaz atteigne sa température. La régulation de vitesse permet également d’économiser de l’énergie par la suite, comme décrit dans la comparaison des méthodes de régulation du débit d’air des ventilateurs.
La haute température modifie la construction du ventilateur aussi bien que ses performances : les matériaux de la roue perdent de leur résistance en chauffant, de sorte que les vitesses maximales admissibles sont réduites à haute température ; les paliers et le moteur sont maintenus hors du flux de gaz, généralement au moyen d’une transmission par courroie ou d’un arbre refroidi, ainsi que d’un déflecteur thermique sur l’arbre. Notre ventilateur centrifuge haute température repose sur ces principes, et le service d’extraction des fumées en urgence possède ses propres valeurs nominales, présentées dans les valeurs nominales de température des ventilateurs d’extraction des fumées.
Moteurs en altitude et à haute température
Les moteurs standard sont conçus pour être utilisés jusqu’à 1,000 mètres d’altitude avec un air de refroidissement ne dépassant pas 40 °C, qui sont les conditions nominales de la norme CEI applicable aux moteurs. Au-dessus de 1,000 mètres, l’air moins dense refroidit moins efficacement le moteur et, au-dessus de 40 °C de température ambiante, le moteur fonctionne à une température plus élevée ; la puissance admissible est donc réduite conformément aux tableaux de déclassement du fabricant. Un moteur largement dimensionné au niveau de la mer peut être juste suffisant sur un site élevé et chaud. La classe d’isolation et l’indice de protection sont expliqués dans la classe d’isolation et l’indice IP des moteurs.
Informations à fournir avec une demande
- Débit volumique, et indication précisant si le débit volumique ou massique constitue l’exigence réelle
- Pression, et indication précisant si elle a été calculée dans des conditions standard ou réelles
- Altitude du site et plage de températures ambiantes
- Température du gaz en fonctionnement normal, au démarrage et à sa valeur maximale
- Composition du gaz, humidité et teneur en poussières s’il ne s’agit pas d’air propre
Avec ces informations, la sélection est effectuée au point approprié de la courbe, et les performances que vous mesurez lors de la mise en service correspondent à celles qui vous ont été promises. Les principes généraux de lecture des données d’un ventilateur sont présentés dans l’explication des spécifications techniques des ventilateurs.