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3.3.2. Les générateurs d'air chaud

Le générateur d'air chaud fournit la chaleur nécessaire au réchauffage de l'air, qui est mis en contact avec le produit à sécher.

Nous parlerons ici des combustibles usuels; la biomasse étant abordée plus loin.

Jusqu'à une date récente le combustible le plus généralement utilisé était le fuel-oil domestique et les séchoirs ont souvent été conçus pour ce produit. Aujourd'hui d'autres hydrocarbures sont également utilisés comme le fuel lourd, le butane liquide ou le gaz naturel.

Rappel sur la combustion du fuel

La densité du fuel est de 0,82 à 0,85 kg/l.

Le fuel liquide ne s'enflamme qu'à haute température, mais les vapeurs chaudes s'enflamment dès 55° C et en pratique à 70° C.

La combustion complète de 1 kg de fuel demande 10 m³ d'air (soit environ 13 kg) et produit du gaz carbonique, de la vapeur d'eau, des traces d'anhydride sulfureux (SO₂) et de la chaleur. Le pouvoir calorifique inférieur que l'on retiendra pour les calculs est de 10 150 kcal par kg de fuel (ou 8 425 kcal/l).

En pratique, le fuel, pulvérisé en fines gouttelettes, par un brûleur, est réchauffé par la chaleur du foyer et s'enflamme spontanément. Pour diminuer la part d'imbrûlés, l'air est fourni en excédent (13 à 20 m³ par kg de fuel).

L'observation de la flamme peut fournir un diagnostic sommaire de la qualité de la combustion:

L'analyse des gaz de combustion est une technique plus élaborée pour l'examen du fonctionnement d'un générateur d'air chaud, mais fait appel à des appareils dont le praticien ne dispose généralement pas.

Le générateur d'air chaud est constitué d'un brûleur, d'une chambre de combustion et souvent d'un échangeur. En effet les combustibles tels que fuel léger ou fuel lourd ayant une teneur importante en soufre (cf. tableau 3.2.5.) dégagent lors de la combustion des gaz très corrosifs et nécessitent généralement l'emploi d'un échangeur.

3.3.2.1. Brûleurs

Le brûleur est le principal organe d'un générateur d'air chaud. Il doit permettre:

- l'approvisionnement en air et en combustible,
- la régulation de cette alimentation,
- l'inflammation et la combustion régulière du mélange.

a) BRÛLEURS à FUEL

Selon le mode de pulvérisation du fuel, on distingue deux types de brûleurs:

- Brûleurs à pulvérisation mécanique

Ce sont les brûleurs les plus utilisés.

Le fuel est mis sous une pression de 8 à 12 bars par une pompe a engrenages, protégée à l'amont par un tamis de 15/100 mm.

Un régulateur de pression, placé à l'aval, permet de régler la pression de fonctionnement du brûleur dans une fourchette de ± 15 % autour de la pression normale et, en cours de fonctionnement, de maintenir la pression à 5 % près.

Si la pression baisse, le régulateur coupe l'arrivée de fuel.

Un gicleur (protégé par un filtre 12/100) entraîne la veine de fuel en rotation (rainures hélicoïdales) et provoque sa pulvérisation en un cône plein ou creux de 40 à 60°.

Les gicleurs ont un débit taré pour une pression donnée (les références sont souvent exprimées en US galion = 3,785 l).

L'air est projeté, dans J'axe du gicleur, par un ventilateur centrifuge. L'aspiration du ventilateur est réglée soit par un registre se refermant par gravité lorsque l'aspiration diminue, soit par un volet de tirage manœuvré par un vérin commandé par la pression du fuel dans le circuit (Fig. 49).

La veine d'air et le fuel pulvérisé se mélangent dans la tête de combustion.

L'air est canalisé dans l'axe du jet de fuel par un cône à ailettes hélicoidales et un dispositif déflecteur met l'air en mouvement tourbillonnaire de sens inverse à celui des gouttelettes de fuel.

L'entraînement du brûleur (ventilateur et pompe) est assuré par un seul moteur.

Fig. 49: Brûleur à pulvérisation mécanique. (Doc. B.P.)

Deux modes de régulation sont employés sur les brûleurs mécaniques pour l'alimentation en fuel:

• brûleur à un seul gicleur à fonctionnement intermittent commandé par thermostat: l'arrivée du fuel est coupée lorsque la température atteint une valeur maximum et ouverte lorsque la température décroît jusqu'à une valeur minimum. Ce fonctionnement en «tout ou rien»ne permet qu'un réglage grossier;

• brûleur à deux gicleurs: l'un des gicleurs fournit en permanence un apport calorifique minimal et l'autre, commandé par thermostat, fournit l'apport complémentaire (Fig. 50).

Cette technique de réglage est plus élaborée que la précédente.

L'alimentation en air est prévue, soit constante, donc avec un grand excès à faible allure, soit modulée par un volet de tirage placé dans la conduite d'aspiration.

Fig. 50: Brûleur à deux allures. (Doc. B.P.)

Nota:

Un troisième mode de régulation parfois proposé par les constructeurs, consiste - sur un brûleur à un seul gicleur - à faire varier la pression de fonctionnement pour réguler son débit. Comme indiqué ci-dessus, la plage de régulation ne doit pas dépasser ± 15 % de la pression nominale.

Ce mode de régulation est cependant limité car la variation de pression de 10 % à 15 % permise, n'entraîne qu'une variation de débit d'environ 10 %.

- Brûleurs à pulvérisation pneumatique

Le principe du brûleur à pulvérisation pneumatique consiste à provoquer l'éclatement de la veine de liquide par une veine d'air dans une chambre de pulvérisation (Fig. 51).

Le fuel arrive, sous faible pression, dans une chambre de forme torique. Sous l'effet de la dépression régnant dans cette chambre, le fuel se répartit sur toute la paroi en un film mince qui est éclaté par le flux d'air à sa sortie de la chambre.

La pulvérisation est plus fine que celle obtenue avec la pulvérisation mécanique, ce qui assure une meilleure combustion.

L'arrivée du fuel, fourni sous faible pression par une pompe ou un réservoir en charge, est dosée par un régulateur à double action, commandé par la pression de l'air (Fig. 51).

Deux vannes pneumatiques sont placées sur le circuit. La première coupe l'arrivée du fuel lorsque la pression de l'air est trop faible. La seconde, placée sur une dérivation de la conduite principale, règle le débit du fuel en fonction de la température par l'intermédiaire d'un thermostat à fuite d'air. Sous l'effet de la température, ce thermostat démasque plus ou moins une fuite d'air faisant varier la pression de la membrane d'une vanne pneumatique, donc le débit de fuel.

L'amplitude de la régulation est très importante, le débit de fuel pouvant varier de 1 à 3, voire de 1 à 5.

La pulvérisation pneumatique a l'avantage d'être assez simple, de permettre une régulation continue du débit de fuel et de s'arrêter immédiatement à l'arrêt du compresseur.

Fig. 51: Brûleur à pulvérisation pneumatique. (Doc. B.P.)

Quel que soit le type de brûleur, tous sont équipés d'un dispositif d'allumage par électrodes entre lesquelles jaillit une étincelle produite par un transformateur qui fournit une tension de 10 000 volts environ.

Tous sont également munis d'un dispositif de sécurité qui arrête le brûleur en cas de non-allumage de la flamme. Ce dispositif à cellule photorésistante provoque l'arrêt du moteur et le déclenchement d'un signal lumineux ou sonore. Le moteur doit être réenclenché par l'opérateur.

NB: Brûleur à fuel lourd.

Le principe est le même que pour les brûleurs à fuel léger, le combustible est mis sous une pression de 20 bars par la pompe qui l'envoie dans une chambre d'atomisation. Pour que la pulvérisation soit correcte, il est nécessaire de chauffer ce fuel à 120° C pour le rendre plus fluide. Il faut également rappeler que le fuel lourd doit être stocké à environ 60° C pour éviter qu'il ne se fige.

b) BRÛLEURS à GAZ NATUREL

Les brûleurs à gaz naturel sont de trois types

- Brûleurs à «air soufflé»

De conception voisine de celle des brûleurs à fuel ces brûleurs peuvent parfois être mixtes (gaz et fuel). Au prix de certaines modifications, il sera donc possible de conserver l'ancien brûleur à fuel lorsque l'on voudra se reconvertir au gaz naturel.

- Brûleurs à veine d'air

Ces brûleurs sont très simples. Ils sont constitués d'un dièdre en acier perforé placé directement dans la veine d'air. Le gaz arrive au sommet du dièdre et les perforations des côtés du dièdre permettent l'admission de l'air. La vitesse de l'air dans la veine doit être comprise entre 10 et 20 m/s. La puissance calorifique est de l'ordre de 300 000 kcal au mètre linéaire de rampe.

Fig. 52: Schéma d'un brûleur à veine d'air.

- Brûleurs «à induction»

Ces brûleurs «type torches» sont des brûleurs métalliques classiques à air induit prémélange partiel. Ils sont équipés de tête de stabilisation et sont également placés dans le caisson d'admission d'air.

NB: Brûleurs à butane liquide.

Brûleurs type fuel domestique ou brûleurs autovaporisants, ces derniers sont très simples. A l'extrémité des torches du brûleur se trouve un serpentin qui réchauffe le gaz liquide vers 50° C à 60° C et le vaporise. En fonction de la température à atteindre, un système de vannes permet une régulation modulante de l'arrivée de gaz.

Fig. 53: Brûleur à induction. (Doc. STEFI.)

3.3.2.2. Chambres de combustion

Les combustibles brûlent avec une flamme qui atteint 1 500° C à 2 000° C, les gaz de combustion atteignant, eux, 800° C à 1000° C dans la chambre de combustion. Le volume et la forme des foyers dépendent de la puissance thermique requise. On considère que 1 ml de foyer correspond à 200 000 mth/h. Le foyer est en acier inoxydable réfractaire, parfois revêtu de matériaux réfractaires (amiante, briques, etc.).

Nous avons vu qu'avec le gaz naturel ou le butane liquide la combustion se fait directement dans la veine d'air. Avec le fuel, on distingue deux types de chambres de combustion.

Chambres de combustion sans échangeur, dans lesquelles les gaz de combustion additionnés d'air ambiant sont repris par un ventilateur et répartis dans le produit à sécher.

Chambres avec échangeur dans lesquelles les gaz de combustion servent à réchauffer l'air de séchage et sont évacués sans traverser le produit.

- Chambres de combustion sans échangeur

La transmission de la chaleur à l'air de séchage se fait par simple dilution. Un écran protège le ventilateur.

Ce type de chambre (Fig. 54) offre plusieurs avantages:

- réalisation simple, donc coût peu élevé,
- très bon rendement global de la puissance installée, car les pertes de chaleur sont réduites et la forme simple des circuits d'air ne provoque pas de fortes pertes de charge.

Fig. 54: Chambre de combustion sans échangeur. (Doc. B.P.)

Au passif, il faut porter le risque de transporter sur le produit à sécher des produits imbrûlés qui peuvent en détériorer la qualité. Ce risque sera d'autant plus grand que la combustion sera moins bien réglée (produits toxiques de pvrolyse benzopyrène).

Enfin le fuel étant riche en soufre les gaz contiennent des oxydes de soufre (SO₂ et SO₃) qui pourront être très corrosifs pour les séchoirs.

- Chambres avec échangeur

Dans ce type de chambre, l'air de séchage et les gaz de combustion sont en parallèle, mais sans aucun mélange. L'air de séchage se réchauffe au contact des parois chauffées par la combustion du fuel (Fig. 55).

Les avantages sont:

- air de séchage propre: aucun risque de dépréciation du produit par dépôts d'imbrûlés;
- air de séchage non corrosif;
- risques d'incendie limités;

Fig. 55: Chambre de combustion avec échangeur. (Doc. B.P.)

mais:

- les circuits suivis par l'air de séchage sont complexes, donc pour un même débit d'air, obligent à utiliser un ventilateur plus puissant pour vaincre des pertes de charge supérieures;

- le prix de revient est plus élevé;

- à leur évacuation dans l'atmosphère, les gaz de combustion sont à une température supérieure à celle de l'air ambiant; il y a donc une perte de chaleur à ce niveau (voir plus loin);

- le rendement thermique est de l'ordre de 75-85 %. Il dépend de l'importance de la surface d'échange (il faut 1 m² pour échanger 10 000 mth/h) et de la vitesse de l'air dans les circuits.

Un générateur d'air chaud avec échangeur nécessite un entretien plus suivi, les dépôts de suie réduisant les échanges. Les brûleurs devront donc être parfaitement réglés. Le rendement du générateur d'air chaud est donné par:

Q est la chaleur utile prise par l'air de séchage. C'est la différence entre Q₁: chaleur fournie par le combustible et Q₂: chaleur perdue par rayonnement, imbrûlés, fumées, etc.

donc

Ventilateur

Le ventilateur est placé à l'amont ou à l'aval de la chambre de combustion et travaille en refoulement ou en aspiration. En général, les générateurs directs ont un ventilateur placé en aspiration. Le ventilateur en refoulement n'est utilisé que pour quelques générateurs à échangeurs perfectionnés.

3.3.2.3. Réglage des brûleurs

La question du réglage des brûleurs n'intéresse pratiquement que les brûleurs à fuel car les brûleurs à gaz ne posent que très peu de problèmes de réglage. Seul un excès d'air peut éventuellement provoquer un décollement de la flamme.

a) PERTES DANS LES GÉNÉRATEURS D'AIR CHAUD

- Pertes par rayonnement et conduction

On peut limiter ces pertes en isolant le générateur par de la laine de roche. (1 m² de calorifugeage peut permettre d'économiser 0, 15 à 0,30 litre de fuel par heure).

- Pertes par imbrûlés

Pour brûler totalement 1 kg de fuel il faut 9,75 m³ d'air (soit en pratique 10 m³). Lorsque l'air est insuffisant, des particules de carbone restent imbrûlées et provoquent l'apparition de fumée noire. Une partie de ces particules peuvent se déposer sous forme de suie sur les échangeurs altérant les échanges de chaleur et provoquant une baisse de rendement.

Pour mesurer les imbrûlés on utilise une pompe de prélèvement et filtration de fumée à main qui retient les imbrûlés sur un papier-filtre. Le prélèvement doit être fait à 1,50 m après le début de la cheminée et au centre de celle-ci pour se trouver dans un courant de fumée non perturbé. La coloration du filtre par les imbrûlés est comparée à une échelle colorimétrique fournie avec l'appareil.

Causes de la présence d'imbrûlés:

• manque d'air (r) ouvrir le volet d'air;
• gicleur trop gros, mal adapté au brûleur;
• mauvaise pression du fuel:

* si elle est trop forte (r) trop de fuel
* si elle est trop faible (r) le fuel est mal pulvérisé.

Une bonne pression de fuel (domestique) est de l'ordre de 10 kg/cm² (entre 8 et 15 kg/cm² selon les fabricants).

En l'absence d'échangeur il faut éviter la formation d'imbrûlés car il y a un risque important de pollution des denrées traversées par l'air de séchage.

- Pertes par les fumées

Les pertes par les fumées sont le fait des générateurs d'air chaud à échangeur. Pour avoir une combustion complète du fuel (éviter les imbrûlés) on cherchera à avoir une combustion oxydante en augmentant la quantité d'air injecté. Cependant cet excès d'air qui aura été réchauffé est à l'origine de pertes puisqu'il est évacué par la cheminée.

Dans le cas d'une combustion neutre, le taux de CO₂ contenu dans les fumées est de 15,7 %. Un excès d'air dilue le CO₂ et fait donc baisser son taux, il suffira donc de mesurer la teneur en CO₂ pour connaître l'excès d'air.

Il faut parvenir à un juste milieu pour obtenir le minimum d'imbrûlés et le maximum de CO₂.

Mesure du taux de CO₂

La teneur en CO₂ des fumées est mesurée, toujours au même niveau dans la cheminée, avec un absorbeur à base de potasse à fonctionnement manuel ou avec un doseur électrique.

La teneur en CO₂ ne doit pas être inférieure à 12 %.

Mesure de la température des fumées

La mesure se fait au même endroit que celui qui a été indiqué ci-dessus pour le prélèvement des imbrûlés. Les thermomètres métalliques (à lames) sont peu précis et on leur préfère les thermomètres à mercure ou les soudes thermométriques.

- température de fumée normale: 150 à 250° C;
- température de fumée anormale: 450 à 500° C.

Plus la température est basse, meilleur est le rendement. Cependant on se gardera de descendre en dessous de 150° C car alors des risques de condensation (formation d'acide sulfurique) pourraient apparaître, conduisant à une détérioration du matériel.

Pourcentage de pertes par les fumées:

% Pertes =

Exemple 1:

Pertes =

Les pertes sont assez faibles; l'appareil a un bon rendement.

Exemple 2:

Pertes = 21,4 %

Dans ce cas l'appareil a un très mauvais rendement. il y a excès d'air et la température des fumées est trop élevée, en raison soit d'une mauvaise condeption de l'appareil (faute du constructeur), soit de l'encrassement, soit de ]'usure du matériel.

Dans tous les cas, les mesures doivent être régulières et au moins hebdomadaires, surtout après une intervention au niveau du brûleur.

b) ENTRETIEN ET RÉGLAGE

- Nettoyage des circuits

Le ramonage peut être manuel (par brossage), ou chimique.

Le ramonage chimique consiste à injecter dans la flamme une poudre qui dissout les impuretés déposées sur les parois. Elle ne peut agir que si le dépôt est mince, il faut donc prévoir un ramonage tous les 8 à 10 jours (à raison de 100 g de poudre pour 10 t de fuel).

L'injection de la poudre peut se faire en plusieurs endroits:

• au niveau du ventilateur du brûleur. Ce procédé facile a l'inconvénient de laisser sur le brûleur des particules de poudre, laquelle est caustique et détériore le brûleur;

• au niveau de l'oeilleton du G.A.C. (le brûleur étant réglé à allure basse pour éviter le risque de retour de flamme).

- Gicleur

Le gicleur peut également être une source de mauvais réglage. Chaque gicleur porte plusieurs indications

• marque,

• débits en gallons. (Attention: gallon US = 3,78 l et gallon anglais = 4,55 l).

• angle de pulvérisation (30 à 80°).
Les angles faibles sont prévus pour les chambres de combustion longues.

En règle générale, le fuel ne doit pas arriver à moins de 10 cm des parois de la chambre de combustion.

• une lettre qui indique la forme du cône mais varie selon les constructeurs:

* cône plein,
* cône semi-plein,
* cône creux.

Les gicleurs s'usent, il ne faut les nettoyer qu'avec de l'air comprimé, jamais avec des tiges métalliques.

Enfin le fuel peut contenir des impuretés. Il faut

• surveiller les filtres,
• laisser reposer le fuel fraîchement livré (l'optimum est de disposer de 2 citernes),
• nettoyer les citernes.

L'emploi d'additifs n'est valable que dans certaines limites et pour des fuels très encrassés. Dans bien des cas, leur utilité est très contestée.

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