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6.2. Ventilation

6.2.1. Principe - différents types
6.2.2. Installations de ventilation
6.2.3. Bases de calcul des installations
6.2.4. Conduite de la ventilation
6.2.5. La ventilation réfrigérée

6.2.1. Principe - différents types

Nous connaissons l'importance du facteur température dans les processus de dégradation des denrées stockées. Pour chaque produit, des courbes peuvent être établies en laboratoire qui donnent le délai maximum de conservation en fonction de l'humidité des grains et de leur température.

Dans l'exemple donné ci-dessous - Fig. 143 - des céréales à 18,5 % d'humidité peuvent être conservées 100 jours si elles sont à 5° C. Ces mêmes céréales à 25° C ne peuvent être conservées que 5 jours.

Pour agir sur le facteur température nous pourrons utiliser la ventilation dont les objectifs sont:

- prioritairement refroidir le grain,
- éviter l'échauffement des grains en évacuant au fur et à mesure la chaleur dégagée par leur métabolisme,
- maintenir le grain humide sans altération avant son séchage; cette ventilation peut permettre une légère dessication.

Enfin nous pouvons rappeler l'utilisation de la ventilation dans la technique dite de refroidissement lent différé.

Fig. 143: Durée de stockage des céréales. (D'après Agena, Bewer et Kosmina.)

La ventilation consiste à faire traverser le produit par de l'air ayant certaines caractéristiques de température et d'humidité. Ceci est rendu possible parce qu'une masse de grains est un matériau poreux dans lequel jusqu'à 40 % du volume peut être occupé par des «vides» entre les grains.

L'air est forcé dans le grain au moyen d'un ventilateur et de gaines de répartition. Le choix du ventilateur est fonction du débit d'air souhaité et des pertes de charges dans le circuit.

6.2.1.1. Ventilation de refroidssement

Développée dans les zones où les conditions atmosphériques sont favorables à l'utilisation directe de l'air ambiant.

Actuellement, la mécanisation poussée de la récolte des céréales dans certains pays provoque un apport massif de produit humide dans les centres de stockage. L'équipement de séchage ne pouvant traiter immédiatement toute la collecte, il est fait appel au refroidissement pour stabiliser momentanément des denrées humides éminemment périssables (un mais à 27 % d'humidité ne se conserve que 5 jours à 20° C).

ÉQUILIBRE ENTRE L'AIR ET LE GRAIN

L'air froid envoyé dans la masse à refroidir va se mettre en équilibre avec le grain.

Soit du grain dont les caractéristiques sont:

et de l'air à

L'humidité relative de l'air va se mettre en équilibre avec l'humidité du grain (courbe d'équilibre air-grain), ce qui se traduit par:

- un refroidissement supplémentaire de l'air si son humidité relative est inférieure à l'humidité d'équilibre (léger effet de séchage du grain);

Fig. 144: Courbe d'équilibre AIR-MAÏS - (CEMAGREF).

- un réchauffement de l'air si son humidité relative est supérieure à l'humidité d'équilibre (léger effet de réhumidification du grain).

Prenons un exemple:

Soit du mais à 20 % d'humidité et à 25° C refroidi avec de l'air à 14° C et 50 % d'humidité relative.

D'après les indications de la courbe air-maïs-grain (Fig. 144), l'humidité relative d'équilibre de l'air est de 90 %.

Sur le diagramme de l'air humide, repérons le point figuratif de l'air (14° C, 50 %). L'humidification de l'air est une transformation isenthalpique, le point figuratif se déplace donc sur l'isenthalpe jusqu'à l'intersection avec la courbe 90 %. L'isotherme passant par ce nouveau point figuratif indique la température de l'air: 10° C.

Lorsque le refroidissement sera achevé, la température du grain sera donc de 10° C (et non pas de 14° C).

Selon que l'humidité relative de l'air sera inférieure ou supérieure à l'humidité d'équilibre avec le grain, la température de refroidissement sera inférieure ou supérieure à la température de l'air à l'entrée.

Dans une cellule en cours de refroidissement, on peut distinguer schématiquement trois zones (Fig. 145).

Dans la zone I, l'air entrant dans le grain se met en équilibre d'humidité avec le grain refroidi à la température isenthalpique q _e (10° C dans l'exemple précédent).

Dans la zone II, dite «zone d'échange» ou «échangeur», l'air refroidit le grain en passant de la température q _e à la température du grain q _g. Son humidité relative reste constante (en équilibre avec l'humidité du grain); c'est dire qu'en valeur réelle, l'air se charge en eau et provoque un léger séchage du grain.

Dans la zone III, l'air va traverser le grain sans provoquer de transformation, car air et grain sont en état d'équilibre. En fait, dans cette zone, le grain non refroidi et humide commence à se dégrader, ce qui se traduit par une élévation de la température. Pour empêcher cette dégradation qui va provoquer une perte de matière sèche, le développement des moisissures, des prises en masse, voire même la germination du grain, il est important que cette dernière zone soit refroidie dans un délai court. C'est ce délai qui, dans le calcul, déterminera le choix du débit d'air.

Remarque importante

Lorsque l'ambiance à la sortie de l'air est à une température plus basse que la température du grain (ce qui est le cas général lorsque l'air de refroidissement est de l'air ambiant), des condensations risquent de se produire. Au contact de l'air ambiant frais et des superstructures, l'air de sortie, chaud et humide, se refroidit, la vapeur qu'il contient se condense, provoquant des ruissellements sur le toit ou sur les parois. La condensation peut d'ailleurs se produire dans la couche supérieure du grain, plus fraîche que le reste de la masse. L'augmentation d'humidité de cette couche peut accélérer sa dégradation et provoquer sa prise en masse. Ce «bouchon» empêche le passage de l'air et compromet toute l'opération en cours. Il convient donc de prévoir un renouvellement d'air au-dessus des cellules pour évacuer l'air de ventilation.

Fig. 145: Refroidissement d'un lot de grains.

CALCUL DE LA QUANTITÉ D'AIR NÉCESSAIRE AU REFROIDISSEMENT

L'évolution de la température du grain peut être représentée par une courbe de la forme de celle indiquée à la figure 146.

De A à B, la couche supérieure du grain n'est pas atteinte par la zone d'échange et s'échauffe par dégradation de q _g à q _m. Au bout du temps T₁, l'échangeur atteint la couche supérieure du grain et le refroidissement commence, pour s'achever en D.

Fig. 146: Évolution de la température dans un lot de grains en cours de refroidissement.

Le calcul de la quantité totale d'air nécessaire au refroidissement est complexe et l'on se limite en fait le plus souvent au calcul du temps nécessaire à l'échangeur pour atteindre la couche supérieure du grain. Dans ce cas, en effet, les données sont simples:

- la masse M_g du grain passe de la température q _g à la température q _e. Elle cède donc à l'air une quantité de chaleur.

Q_g = M_gC_g (q _g - q _e)

C_g (chaleur spécifique du grain) varie selon l'humidité du grain et peut être calculée pour chaque variété de grain, Ainsi pour du mais

C_g = 0,350 + 0,0085 x H % kcal/°C/kg

- la masse M_a d'air qui traverse le grain passe de la température q _e à la température q _g. Elle absorbe une quantité de chaleur:

Q_a = M_aC_a (q _g - q _e)

C_a est l'enthalpie par degré de l'air analogue à une chaleur spécifique.

L'enthalpie de l'air est donnée sur le diagramme de l'air humide.

En première approximation, nous pouvons écrire:

Q_g = Q_a (r) M_gC_g (q _g - q _e) = M_aC_a (q _g - q _e)

d'où l'on déduit

Il est important de remarquer que les termes (q _g - q _e) s'éliminent dans la relation ci-dessus, ce qui signifie que la quantité d'air nécessaire pour refroidir une masse de grains est indépendante de la température. Par contre la valeur du refroidissement reste liée à la température de l'air insufflé.

Connaissant la masse d'air nécessaire pour que le front de refroidissement atteigne la couche supérieure du grain, il est aisé d'en déduire le débit-masse d'air nécessaire, en tenant compte du délai maximum admissible avant que les dégradations n'apparaissent.

Exemple numérique:

Reprenons notre exemple de refroidissement de maïs

par de l'air

L'équilibre se situera à : maïs air

Soit 3 000 kg de mais à refroidir; quel est le débit d'air nécessaire?

C_g (chaleur spécifique du mais):

0,350 + 0,0085 x 20 = 0,520 kcal/°C/kg grain

C_a (enthalpie de l'air par °C).

- enthalpie de l'air à l'entrée

14° C - 50 % (ou 10° C - 90 %) = 6,38 kcal/kg d'air

- enthalpie de l'air à la sortie:

25° C - 90 % = 16,95 kcal/kg d'air

kcal/°C/kg d'air

d'où:

kg d'air

Dans la pratique courante, les débits d'air sont exprimés en mètres cubes et les quantités de produit en mètres cubes également. La conversion des masses en volumes est immédiate lorsque les poids volumiques sont connus.

En général, on retiendra pour l'air: 1,2 kg/m³.

(Pour le produit, se référer aux fiches en annexe 1).

Dans le cas présent, le poids spécifique du mais sous faible épaisseur est de 750 kg/m³.

Dose à appliquer pour refroidir 1 m³ de grain:

1844/4 = 461 m³ d'air.

Si le délai maximum admissible pour atteindre la couche supérieure est de 20 heures (temps T₁ sur le graphique), le débit spécifique d'air à fournir sera de 461/20 = 23 m³/h/m³ de grain, soit un débit global de 92 m³/h pour 4 m³.

Comme le lecteur l'aura constaté, ce calcul ne permet pas de déterminer la quantité totale d'air nécessaire pour que tout le grain soit refroidi, mais seulement le débit d'air minimum pour que l'opération s'effectue sans risques.

Dans la pratique on constate qu'il faut une quantité d'air deux à trois fois supérieure à celle qui vient d'être calculée pour amener toute la masse à la température d'équilibre, soit de:

800 à 1 500 m³ d'air par mètre cube de grain

Il conviendra donc en respectant le débit calculé de ventiler pendant une durée au moins égale à deux fois le délai maximum admissible.

Dans la pratique les débits spécifiques pourront être donnés par:

T étant le temps de refroidissement en heures.

Par exemple pour des maïs, ces débits pourront varier de 10 m³/h/m³ à 30 m³/h/m³ pour des mais ayant respectivement une humidité de 15 % et 20 %.

Dans le cas de refroidissement lent différé ou dryération, ces débits seront de l'ordre de 30 m³/h/m³ à 60 m³/h/m³.

Remarque importante:

Nous avons parlé de l'effet de séchage provoqué par le refroidissement. Il convient d'apprécier à sa juste valeur l'importance de ce séchage.

Reprenons l'exemple précédent: pour refroidir les 3 000 kg de mais, nous avons calculé qu'il fallait 2 213 kg d'air. Quelle est la capacité d'évaporation de ces 2 213 kg d'air? Le diagramme de l'air humide nous l'indique:

Teneur en eau de 1 kg d'air à 14° C - 50 %: 5 g/kg.
Teneur en eau de 1 kg d'air à 25° C - 90 %: 18 g/kg.

Capacité d'évaporation:

18 - 5 = 13 g/kg = 0,013 kg/kg; 0,013 x 2 213 kg = 28,8 kg d'eau.

Le mais à 20 % d'humidité contient 200 kg d'eau par tonne, soit 600 kg d'eau pour 3 tonnes.

L'effet de séchage sera donc très faible et sans importance réelle dans le cas du refroidissement. Nous avons vu toutefois que cet effet de séchage était utilisé dans le cas de ventilation de grain chaud sortant du séchoir (cf. 3.3.3.).

6.2.1.2. Ventilation de maintien

Alors que la ventilation de refroidissement a pour but de réduire l'activité biologique du produit stocké en abaissant sa température, la ventilation de maintien a le but moins ambitieux d'évacuer au fur et à mesure la quantité de chaleur produite par l'activité du grain, de façon à éviter que sa température ne s'élève et que la dégradation ne s'autoaccélère.

Production de chaleur dune masse de grains

Nous avons vu au chapitre I que le dégagement de chaleur d'une masse de grains pouvait être calculé par la relation:

q = k e^aq

Exemple: Coefficient k applicable pour le calcul du dégagement de chaleur d'une masse de mais selon son humidité (données CNEEMA).

Application

Calcul du dégagement de chaleur d'une masse de mais stockée à 23 % d'humidité et 20° C.

q = k e^aq = 9,69 x e^{0,1385 x 20} = 155 kcal/heure/tonne MS.

La masse d'air Q nécessaire par heure pour évacuer en continu la chaleur produite par une masse de grains M est donnée par la relation:

Remarque

De la relation q = k e^aq , on déduit (par intégration de l'équation différentielle en fonction du temps) la température q au temps T.

L'humidité du grain est une donnée; sa température initiale est connue, donc son dégagement de chaleur est calculable. La quantité d'air à envoyer est fonction de l'accroissement de température que subira l'air dans le grain. L'écart de température devra être faible (de l'ordre de quelques degrés), car un écart de température trop important entre le bas et le haut de la masse se traduirait par des vitesses de dégradation différentes (rappelons qu'en moyenne la dégradation des céréales double tous les 5° C). En pratique, l'écart sera de 2 à 3° C. Le tableau ci-après indique les débits spécifiques de ventilation de maintien conseillés par le CNEEMA pour du mais stocké à 20° C.

VENTILATION DE MAINTIEN DE MAÏS à 20° C

La lecture de ce tableau démontre à quel point il est intéressant d'avoir des produits secs, car les forts débits spécifiques nécessaires pour conserver des produits humides obligent à prévoir des installations de ventilation de très grande puissance, donc onéreuses.

La ventilation de maintien peut être appliquée en continu, ou par intermittence. Dans ce dernier cas, une simple règle de trois permet de déterminer le débit à appliquer.

6.2.1.3. Ventilation séchante

La ventilation séchante est un procédé de séchage lent des grains qui est très largement vulgarisé aux U.S.A. au niveau des exploitations agricoles. Il permet de sécher lentement des grains dans la cellule de stockage elle-même. L'avantage financier est évident, car il n'est pas nécessaire d'investir dans un séchoir, mais le procédé n'est utilisable que dans des conditions précises d'humidité du produit et de caractéristiques de l'air.

Principe

Le principe est identique à celui du refroidissement, à savoir que dans la masse ventilée va se former un front de séchage se déplaçant dans le sens du flux d'air,

L'équilibre qui se crée tout d'abord est un équilibre d'humidité; l'air se charge en vapeur d'eau jusqu'à atteindre l'humidité relative d'équilibre avec l'humidité du grain. En séchage artificiel rapide, la température de l'air à l'entrée est très élevée et son enrichissement en vapeur d'eau - qui est partiel, car l'opération est trop rapide pour que l'équilibre air-grain ait le temps de s'établir - provoque néanmoins une nette baisse de sa température (plusieurs dizaines de degrés Celsius). En ventilation séchante, la température de l'air est faible et l'établissement de l'équilibre d'humidité ne se traduit que par une baisse de quelques degrés Celsius de la température de l'air. C'est à cette nouvelle température que toute la masse de grains se met en équilibre avant d'être traversée par la zone de séchage où s'établira l'équilibre d'humidité du grain avec l'humidité relative de l'air insufflé.

Pour que la ventilation provoque un effet de séchage, il faut donc que l'humidité relative de l'air soit inférieure à l'humidité d'équilibre du grain.

Soit par exemple du riz à 18 %. Il est en équilibre avec de l'air à 92 % HR à 25° C (Fig. 5). De l'air à 25° C et à une humidité inférieure sèchera le produit, mais de l'air à 96 % d'humidité le réhumidifiera. Ce risque doit être toujours gardé en mémoire lorsque l'on pratique la ventilation séchante et ceci particulièrement en zone tropicale humide, où les effets d'un surcroît d'humidité et d'une température élevée se conjuguent pour provoquer une détérioration très rapide du produit. Pour éviter ce risque, il est indispensable de suivre les indications d'un hygromètre et souvent de réchauffer légèrement l'air pour abaisser son humidité relative (quelques degrés) avec un générateur d'air chaud. On pourra à cet effet utiliser un capteur solaire conjugué à une récupération de la chaleur diffusée par le moteur du ventilateur.

Conduite de la ventilation séchante

Pour bien mener une ventilation séchante, il faut connaître l'humidité du produit stocké et sa température (qui sera à peu près celle de l'air de ventilation, à moins que ce dernier ne soit très sec).

Ces deux données permettent de savoir pendant combien de temps le produit pourra être conservé avant traitement. Ce délai fixe la durée maximum de l'opération pour que le front de séchage atteigne la couche de grain la plus éloignée de l'arrivée d'air.

Il est fréquent que ce système conduise à de cuisants échecs par manque de connaissance des utilisateurs. Les échecs ont deux causes principales:

- le produit à sécher est dans des conditions de température et d'humidité telles qu'il se dégrade avant d'être atteint par le front de séchage. La couche supérieure, traversée par de l'air humide, se trouve dans des conditions idéales pour germer et pour moisir;

- le produit à sécher est entassé sur une trop grande épaisseur. Les pertes de charge subies par l'air pour traverser le grain sont trop importantes, ce qui se traduit par une baisse de débit du ventilateur, donc par un ralentissement de la vitesse de séchage. Il y a cumul de deux causes: couche trop épaisse, donc temps de séchage trop long, et abaissement de la vitesse de séchage.

Le résultat est identique: la couche supérieure germe et moisit.

Détermination de la vitesse de déplacement du front de séchage

Le calcul de la masse d'air (ou dose) nécessaire pour sécher le produit est très simple si l'on considère que l'air sortant du grain est en équilibre avec celui-ci. Ceci n'est vrai que lorsque le front de séchage est dans le grain. Lorsqu'il en sort, l'air n'est plus saturé et il en faut une plus grande quantité pour extraire une même quantité d'eau.

La dose d'air nécessaire se calcule en faisant l'égalité entre la quantité d'eau emportée par l'air et la quantité d'eau à extraire du grain.

M_air ´ X kg d'eau/kg d'air = E kg d'eau à évaporer;

E est connu lorsque l'on connaît l'humidité initiale du grain et l'humidité à laquelle on veut le sécher;

X quantité d'eau emportée par kg d'air, est déterminée par la courbe d'équilibre air-produit, qui donne l'humidité relative de l'air en équilibre avec le grain humide et par le diagramme de l'air humide.

La température de l'air (qui évapore de l'eau) va diminuer; son point figuratif suivra l'isenthalpe passant par le point figuratif de l'air à l'entrée jusqu'à son intersection avec la courbe de l'humidité relative d'équilibre. Ces deux points étant repérés, il suffit de faire la différence de leurs coordonnées sur l'échelle des teneurs en eau pour connaître X.

La dose d'air étant calculée, il est prudent de majorer le résultat de 20 % pour tenir compte du fait que l'équilibre air-produit n'est jamais parfaitement réalisé.

La dose donne la masse globale d'air à faire passer dans le produit. Pour connaître le débit à appliquer, il suffira de diviser par le délai maximum admissible exprimé en heures.

Pour appliquer la ventilation séchante en permanence, il est indispensable que l'humidité relative de l'air soit connue et faible. Cette humidité relative, variant en particulier en fonction des variations de la température, il sera souvent nécessaire de réchauffer l'air de quelques degrés pendant les heures les plus fraîches, à l'aide d'un petit générateur d'air chaud.

En pratique, le débit spécifique minimal sera de 200 m³/h/m³ pour les céréales.

Ce débit important provoque de fortes pertes de charge; pour ne pas mettre en œuvre des puissances très importantes, il convient de ne sécher que de faibles épaisseurs (de l'ordre de 1,5 m).

Si l'on utilise la cellule de stockage pour pratiquer la ventilation séchante, la hauteur sera souvent supérieure à 1,5 m; on aura alors intérêt à travailler «par tranches» successives, car bien que les pertes de charge augmentent au fur et à mesure que la hauteur s'élève, le débit restera fixe et ne conduira pas à un équipement trop puissant.

Exemple:

Quel sera le débit d'air à appliquer pour sécher en ventilation séchante une masse de 4 t de maïs de 18 à 14 %, sachant que l'air utilisé est à 30° C et 50 % d'humidité relative?

La courbe d'équilibre air-maïs-grain nous indique que l'humidité relative de l'air à la sortie sera d'environ 87 %.

Le point figuratif 30° C - 50 % sur le diagramme de l'air humide se déplace sur l'isenthalpe jusqu'à l'intersection avec la courbe d'humidité relative 87 %. Les caractéristiques de l'air à la sortie seront 23,5° C, 87 %.

Pouvoir séchant de l'air:

Masse d'eau à enlever par quintal de grain pour le sécher de 18 à 14 %:

kg d'eau

Pour 4 t de maïs: 4,65 x 40 = 186 kg d'eau.

Le délai maximum à respecter avant que le maïs à 18 % et 23° C se dégrade est d'environ 5 jours.

Considérons que l'opération se déroulera en 3 jours, 24 h sur 24 h.

Débit d'air: m³ d'air

Coefficient de sécurité 1,2 (r) Débit 770 x 1,2 = 925 m³/h.

Débit spécifique:

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