Table des mati�res - Pr�c�dente - Suivante

6.2. Ventilation

6.2.1. Principe - diff�rents 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 r�frig�r�e

6.2.1. Principe - diff�rents types

Nous connaissons l'importance du facteur temp�rature dans les processus de d�gradation des denr�es stock�es. Pour chaque produit, des courbes peuvent �tre �tablies en laboratoire qui donnent le d�lai maximum de conservation en fonction de l'humidit� des grains et de leur temp�rature.

Dans l'exemple donn� ci-dessous - Fig. 143 - des c�r�ales � 18,5 % d'humidit� peuvent �tre conserv�es 100 jours si elles sont � 5� C. Ces m�mes c�r�ales � 25� C ne peuvent �tre conserv�es que 5 jours.

Pour agir sur le facteur temp�rature nous pourrons utiliser la ventilation dont les objectifs sont:

- prioritairement refroidir le grain,
- �viter l'�chauffement des grains en �vacuant au fur et � mesure la chaleur d�gag�e par leur m�tabolisme,
- maintenir le grain humide sans alt�ration avant son s�chage; cette ventilation peut permettre une l�g�re dessication.

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

Fig. 143: Dur�e de stockage des c�r�ales. (D'apr�s Agena, Bewer et Kosmina.)

La ventilation consiste � faire traverser le produit par de l'air ayant certaines caract�ristiques de temp�rature et d'humidit�. Ceci est rendu possible parce qu'une masse de grains est un mat�riau poreux dans lequel jusqu'� 40 % du volume peut �tre occup� par des �vides� entre les grains.

L'air est forc� dans le grain au moyen d'un ventilateur et de gaines de r�partition. Le choix du ventilateur est fonction du d�bit d'air souhait� et des pertes de charges dans le circuit.

6.2.1.1. Ventilation de refroidssement

D�velopp�e dans les zones o� les conditions atmosph�riques sont favorables � l'utilisation directe de l'air ambiant.

Actuellement, la m�canisation pouss�e de la r�colte des c�r�ales dans certains pays provoque un apport massif de produit humide dans les centres de stockage. L'�quipement de s�chage ne pouvant traiter imm�diatement toute la collecte, il est fait appel au refroidissement pour stabiliser momentan�ment des denr�es humides �minemment p�rissables (un mais � 27 % d'humidit� ne se conserve que 5 jours � 20� C).

�QUILIBRE ENTRE L'AIR ET LE GRAIN

L'air froid envoy� dans la masse � refroidir va se mettre en �quilibre avec le grain.

Soit du grain dont les caract�ristiques sont:

et de l'air �

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

- un refroidissement suppl�mentaire de l'air si son humidit� relative est inf�rieure � l'humidit� d'�quilibre (l�ger effet de s�chage du grain);

Fig. 144: Courbe d'�quilibre AIR-MA�S - (CEMAGREF).

- un r�chauffement de l'air si son humidit� relative est sup�rieure � l'humidit� d'�quilibre (l�ger effet de r�humidification du grain).

Prenons un exemple:

Soit du mais � 20 % d'humidit� et � 25� C refroidi avec de l'air � 14� C et 50 % d'humidit� relative.

D'apr�s les indications de la courbe air-ma�s-grain (Fig. 144), l'humidit� relative d'�quilibre de l'air est de 90 %.

Sur le diagramme de l'air humide, rep�rons le point figuratif de l'air (14� C, 50 %). L'humidification de l'air est une transformation isenthalpique, le point figuratif se d�place donc sur l'isenthalpe jusqu'� l'intersection avec la courbe 90 %. L'isotherme passant par ce nouveau point figuratif indique la temp�rature de l'air: 10� C.

Lorsque le refroidissement sera achev�, la temp�rature du grain sera donc de 10� C (et non pas de 14� C).

Selon que l'humidit� relative de l'air sera inf�rieure ou sup�rieure � l'humidit� d'�quilibre avec le grain, la temp�rature de refroidissement sera inf�rieure ou sup�rieure � la temp�rature de l'air � l'entr�e.

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

Dans la zone I, l'air entrant dans le grain se met en �quilibre d'humidit� avec le grain refroidi � la temp�rature isenthalpique q _e (10� C dans l'exemple pr�c�dent).

Dans la zone II, dite �zone d'�change� ou ��changeur�, l'air refroidit le grain en passant de la temp�rature q _e � la temp�rature du grain q _g. Son humidit� relative reste constante (en �quilibre avec l'humidit� du grain); c'est dire qu'en valeur r�elle, l'air se charge en eau et provoque un l�ger s�chage du grain.

Dans la zone III, l'air va traverser le grain sans provoquer de transformation, car air et grain sont en �tat d'�quilibre. En fait, dans cette zone, le grain non refroidi et humide commence � se d�grader, ce qui se traduit par une �l�vation de la temp�rature. Pour emp�cher cette d�gradation qui va provoquer une perte de mati�re s�che, le d�veloppement des moisissures, des prises en masse, voire m�me la germination du grain, il est important que cette derni�re zone soit refroidie dans un d�lai court. C'est ce d�lai qui, dans le calcul, d�terminera le choix du d�bit d'air.

Remarque importante

Lorsque l'ambiance � la sortie de l'air est � une temp�rature plus basse que la temp�rature du grain (ce qui est le cas g�n�ral 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 sup�rieure du grain, plus fra�che que le reste de la masse. L'augmentation d'humidit� de cette couche peut acc�l�rer sa d�gradation et provoquer sa prise en masse. Ce �bouchon� emp�che le passage de l'air et compromet toute l'op�ration en cours. Il convient donc de pr�voir un renouvellement d'air au-dessus des cellules pour �vacuer l'air de ventilation.

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

CALCUL DE LA QUANTIT� D'AIR N�CESSAIRE AU REFROIDISSEMENT

L'�volution de la temp�rature du grain peut �tre repr�sent�e par une courbe de la forme de celle indiqu�e � la figure 146.

De A � B, la couche sup�rieure du grain n'est pas atteinte par la zone d'�change et s'�chauffe par d�gradation de q _g � q _m. Au bout du temps T₁, l'�changeur atteint la couche sup�rieure du grain et le refroidissement commence, pour s'achever en D.

Fig. 146: �volution de la temp�rature dans un lot de grains en cours de refroidissement.

Le calcul de la quantit� totale d'air n�cessaire au refroidissement est complexe et l'on se limite en fait le plus souvent au calcul du temps n�cessaire � l'�changeur pour atteindre la couche sup�rieure du grain. Dans ce cas, en effet, les donn�es sont simples:

- la masse M_g du grain passe de la temp�rature q _g � la temp�rature q _e. Elle c�de donc � l'air une quantit� de chaleur.

Q_g = M_gC_g (q _g - q _e)

C_g (chaleur sp�cifique du grain) varie selon l'humidit� du grain et peut �tre calcul�e pour chaque vari�t� 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 temp�rature q _e � la temp�rature q _g. Elle absorbe une quantit� de chaleur:

Q_a = M_aC_a (q _g - q _e)

C_a est l'enthalpie par degr� de l'air analogue � une chaleur sp�cifique.

L'enthalpie de l'air est donn�e sur le diagramme de l'air humide.

En premi�re approximation, nous pouvons �crire:

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

d'o� l'on d�duit

Il est important de remarquer que les termes (q _g - q _e) s'�liminent dans la relation ci-dessus, ce qui signifie que la quantit� d'air n�cessaire pour refroidir une masse de grains est ind�pendante de la temp�rature. Par contre la valeur du refroidissement reste li�e � la temp�rature de l'air insuffl�.

Connaissant la masse d'air n�cessaire pour que le front de refroidissement atteigne la couche sup�rieure du grain, il est ais� d'en d�duire le d�bit-masse d'air n�cessaire, en tenant compte du d�lai maximum admissible avant que les d�gradations n'apparaissent.

Exemple num�rique:

Reprenons notre exemple de refroidissement de ma�s

par de l'air

L'�quilibre se situera � : ma�s air

Soit 3 000 kg de mais � refroidir; quel est le d�bit d'air n�cessaire?

C_g (chaleur sp�cifique 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 � l'entr�e

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

- enthalpie de l'air � la sortie:

25� C - 90 % = 16,95 kcal/kg d'air

kcal/�C/kg d'air

d'o�:

kg d'air

Dans la pratique courante, les d�bits d'air sont exprim�s en m�tres cubes et les quantit�s de produit en m�tres cubes �galement. La conversion des masses en volumes est imm�diate lorsque les poids volumiques sont connus.

En g�n�ral, on retiendra pour l'air: 1,2 kg/m�.

(Pour le produit, se r�f�rer aux fiches en annexe 1).

Dans le cas pr�sent, le poids sp�cifique du mais sous faible �paisseur est de 750 kg/m�.

Dose � appliquer pour refroidir 1 m� de grain:

1844/4 = 461 m� d'air.

Si le d�lai maximum admissible pour atteindre la couche sup�rieure est de 20 heures (temps T₁ sur le graphique), le d�bit sp�cifique d'air � fournir sera de 461/20 = 23 m�/h/m� de grain, soit un d�bit global de 92 m�/h pour 4 m�.

Comme le lecteur l'aura constat�, ce calcul ne permet pas de d�terminer la quantit� totale d'air n�cessaire pour que tout le grain soit refroidi, mais seulement le d�bit d'air minimum pour que l'op�ration s'effectue sans risques.

Dans la pratique on constate qu'il faut une quantit� d'air deux � trois fois sup�rieure � celle qui vient d'�tre calcul�e pour amener toute la masse � la temp�rature d'�quilibre, soit de:

800 � 1 500 m� d'air par m�tre cube de grain

Il conviendra donc en respectant le d�bit calcul� de ventiler pendant une dur�e au moins �gale � deux fois le d�lai maximum admissible.

Dans la pratique les d�bits sp�cifiques pourront �tre donn�s par:

T �tant le temps de refroidissement en heures.

Par exemple pour des ma�s, ces d�bits pourront varier de 10 m�/h/m� � 30 m�/h/m� pour des mais ayant respectivement une humidit� de 15 % et 20 %.

Dans le cas de refroidissement lent diff�r� ou dry�ration, ces d�bits seront de l'ordre de 30 m�/h/m� � 60 m�/h/m�.

Remarque importante:

Nous avons parl� de l'effet de s�chage provoqu� par le refroidissement. Il convient d'appr�cier � sa juste valeur l'importance de ce s�chage.

Reprenons l'exemple pr�c�dent: pour refroidir les 3 000 kg de mais, nous avons calcul� qu'il fallait 2 213 kg d'air. Quelle est la capacit� d'�vaporation de ces 2 213 kg d'air? Le diagramme de l'air humide nous l'indique:

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

Capacit� d'�vaporation:

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

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

L'effet de s�chage sera donc tr�s faible et sans importance r�elle dans le cas du refroidissement. Nous avons vu toutefois que cet effet de s�chage �tait utilis� dans le cas de ventilation de grain chaud sortant du s�choir (cf. 3.3.3.).

6.2.1.2. Ventilation de maintien

Alors que la ventilation de refroidissement a pour but de r�duire l'activit� biologique du produit stock� en abaissant sa temp�rature, la ventilation de maintien a le but moins ambitieux d'�vacuer au fur et � mesure la quantit� de chaleur produite par l'activit� du grain, de fa�on � �viter que sa temp�rature ne s'�l�ve et que la d�gradation ne s'autoacc�l�re.

Production de chaleur dune masse de grains

Nous avons vu au chapitre I que le d�gagement de chaleur d'une masse de grains pouvait �tre calcul� par la relation:

q = k e^aq

Exemple: Coefficient k applicable pour le calcul du d�gagement de chaleur d'une masse de mais selon son humidit� (donn�es CNEEMA).

Application

Calcul du d�gagement de chaleur d'une masse de mais stock�e � 23 % d'humidit� 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 n�cessaire par heure pour �vacuer en continu la chaleur produite par une masse de grains M est donn�e par la relation:

Remarque

De la relation q = k e^aq , on d�duit (par int�gration de l'�quation diff�rentielle en fonction du temps) la temp�rature q au temps T.

L'humidit� du grain est une donn�e; sa temp�rature initiale est connue, donc son d�gagement de chaleur est calculable. La quantit� d'air � envoyer est fonction de l'accroissement de temp�rature que subira l'air dans le grain. L'�cart de temp�rature devra �tre faible (de l'ordre de quelques degr�s), car un �cart de temp�rature trop important entre le bas et le haut de la masse se traduirait par des vitesses de d�gradation diff�rentes (rappelons qu'en moyenne la d�gradation des c�r�ales double tous les 5� C). En pratique, l'�cart sera de 2 � 3� C. Le tableau ci-apr�s indique les d�bits sp�cifiques de ventilation de maintien conseill�s par le CNEEMA pour du mais stock� � 20� C.

VENTILATION DE MAINTIEN DE MA�S � 20� C

La lecture de ce tableau d�montre � quel point il est int�ressant d'avoir des produits secs, car les forts d�bits sp�cifiques n�cessaires pour conserver des produits humides obligent � pr�voir des installations de ventilation de tr�s grande puissance, donc on�reuses.

La ventilation de maintien peut �tre appliqu�e en continu, ou par intermittence. Dans ce dernier cas, une simple r�gle de trois permet de d�terminer le d�bit � appliquer.

6.2.1.3. Ventilation s�chante

La ventilation s�chante est un proc�d� de s�chage lent des grains qui est tr�s largement vulgaris� aux U.S.A. au niveau des exploitations agricoles. Il permet de s�cher lentement des grains dans la cellule de stockage elle-m�me. L'avantage financier est �vident, car il n'est pas n�cessaire d'investir dans un s�choir, mais le proc�d� n'est utilisable que dans des conditions pr�cises d'humidit� du produit et de caract�ristiques de l'air.

Principe

Le principe est identique � celui du refroidissement, � savoir que dans la masse ventil�e va se former un front de s�chage se d�pla�ant dans le sens du flux d'air,

L'�quilibre qui se cr�e tout d'abord est un �quilibre d'humidit�; l'air se charge en vapeur d'eau jusqu'� atteindre l'humidit� relative d'�quilibre avec l'humidit� du grain. En s�chage artificiel rapide, la temp�rature de l'air � l'entr�e est tr�s �lev�e et son enrichissement en vapeur d'eau - qui est partiel, car l'op�ration est trop rapide pour que l'�quilibre air-grain ait le temps de s'�tablir - provoque n�anmoins une nette baisse de sa temp�rature (plusieurs dizaines de degr�s Celsius). En ventilation s�chante, la temp�rature de l'air est faible et l'�tablissement de l'�quilibre d'humidit� ne se traduit que par une baisse de quelques degr�s Celsius de la temp�rature de l'air. C'est � cette nouvelle temp�rature que toute la masse de grains se met en �quilibre avant d'�tre travers�e par la zone de s�chage o� s'�tablira l'�quilibre d'humidit� du grain avec l'humidit� relative de l'air insuffl�.

Pour que la ventilation provoque un effet de s�chage, il faut donc que l'humidit� relative de l'air soit inf�rieure � l'humidit� d'�quilibre du grain.

Soit par exemple du riz � 18 %. Il est en �quilibre avec de l'air � 92 % HR � 25� C (Fig. 5). De l'air � 25� C et � une humidit� inf�rieure s�chera le produit, mais de l'air � 96 % d'humidit� le r�humidifiera. Ce risque doit �tre toujours gard� en m�moire lorsque l'on pratique la ventilation s�chante et ceci particuli�rement en zone tropicale humide, o� les effets d'un surcro�t d'humidit� et d'une temp�rature �lev�e se conjuguent pour provoquer une d�t�rioration tr�s rapide du produit. Pour �viter ce risque, il est indispensable de suivre les indications d'un hygrom�tre et souvent de r�chauffer l�g�rement l'air pour abaisser son humidit� relative (quelques degr�s) avec un g�n�rateur d'air chaud. On pourra � cet effet utiliser un capteur solaire conjugu� � une r�cup�ration de la chaleur diffus�e par le moteur du ventilateur.

Conduite de la ventilation s�chante

Pour bien mener une ventilation s�chante, il faut conna�tre l'humidit� du produit stock� et sa temp�rature (qui sera � peu pr�s celle de l'air de ventilation, � moins que ce dernier ne soit tr�s sec).

Ces deux donn�es permettent de savoir pendant combien de temps le produit pourra �tre conserv� avant traitement. Ce d�lai fixe la dur�e maximum de l'op�ration pour que le front de s�chage atteigne la couche de grain la plus �loign�e de l'arriv�e d'air.

Il est fr�quent que ce syst�me conduise � de cuisants �checs par manque de connaissance des utilisateurs. Les �checs ont deux causes principales:

- le produit � s�cher est dans des conditions de temp�rature et d'humidit� telles qu'il se d�grade avant d'�tre atteint par le front de s�chage. La couche sup�rieure, travers�e par de l'air humide, se trouve dans des conditions id�ales pour germer et pour moisir;

- le produit � s�cher est entass� sur une trop grande �paisseur. Les pertes de charge subies par l'air pour traverser le grain sont trop importantes, ce qui se traduit par une baisse de d�bit du ventilateur, donc par un ralentissement de la vitesse de s�chage. Il y a cumul de deux causes: couche trop �paisse, donc temps de s�chage trop long, et abaissement de la vitesse de s�chage.

Le r�sultat est identique: la couche sup�rieure germe et moisit.

D�termination de la vitesse de d�placement du front de s�chage

Le calcul de la masse d'air (ou dose) n�cessaire pour s�cher le produit est tr�s simple si l'on consid�re que l'air sortant du grain est en �quilibre avec celui-ci. Ceci n'est vrai que lorsque le front de s�chage est dans le grain. Lorsqu'il en sort, l'air n'est plus satur� et il en faut une plus grande quantit� pour extraire une m�me quantit� d'eau.

La dose d'air n�cessaire se calcule en faisant l'�galit� entre la quantit� d'eau emport�e par l'air et la quantit� d'eau � extraire du grain.

M_air � X kg d'eau/kg d'air = E kg d'eau � �vaporer;

E est connu lorsque l'on conna�t l'humidit� initiale du grain et l'humidit� � laquelle on veut le s�cher;

X quantit� d'eau emport�e par kg d'air, est d�termin�e par la courbe d'�quilibre air-produit, qui donne l'humidit� relative de l'air en �quilibre avec le grain humide et par le diagramme de l'air humide.

La temp�rature de l'air (qui �vapore de l'eau) va diminuer; son point figuratif suivra l'isenthalpe passant par le point figuratif de l'air � l'entr�e jusqu'� son intersection avec la courbe de l'humidit� relative d'�quilibre. Ces deux points �tant rep�r�s, il suffit de faire la diff�rence de leurs coordonn�es sur l'�chelle des teneurs en eau pour conna�tre X.

La dose d'air �tant calcul�e, il est prudent de majorer le r�sultat de 20 % pour tenir compte du fait que l'�quilibre air-produit n'est jamais parfaitement r�alis�.

La dose donne la masse globale d'air � faire passer dans le produit. Pour conna�tre le d�bit � appliquer, il suffira de diviser par le d�lai maximum admissible exprim� en heures.

Pour appliquer la ventilation s�chante en permanence, il est indispensable que l'humidit� relative de l'air soit connue et faible. Cette humidit� relative, variant en particulier en fonction des variations de la temp�rature, il sera souvent n�cessaire de r�chauffer l'air de quelques degr�s pendant les heures les plus fra�ches, � l'aide d'un petit g�n�rateur d'air chaud.

En pratique, le d�bit sp�cifique minimal sera de 200 m�/h/m� pour les c�r�ales.

Ce d�bit important provoque de fortes pertes de charge; pour ne pas mettre en œuvre des puissances tr�s importantes, il convient de ne s�cher que de faibles �paisseurs (de l'ordre de 1,5 m).

Si l'on utilise la cellule de stockage pour pratiquer la ventilation s�chante, la hauteur sera souvent sup�rieure � 1,5 m; on aura alors int�r�t � travailler �par tranches� successives, car bien que les pertes de charge augmentent au fur et � mesure que la hauteur s'�l�ve, le d�bit restera fixe et ne conduira pas � un �quipement trop puissant.

Exemple:

Quel sera le d�bit d'air � appliquer pour s�cher en ventilation s�chante une masse de 4 t de ma�s de 18 � 14 %, sachant que l'air utilis� est � 30� C et 50 % d'humidit� relative?

La courbe d'�quilibre air-ma�s-grain nous indique que l'humidit� relative de l'air � la sortie sera d'environ 87 %.

Le point figuratif 30� C - 50 % sur le diagramme de l'air humide se d�place sur l'isenthalpe jusqu'� l'intersection avec la courbe d'humidit� relative 87 %. Les caract�ristiques de l'air � la sortie seront 23,5� C, 87 %.

Pouvoir s�chant de l'air:

Masse d'eau � enlever par quintal de grain pour le s�cher de 18 � 14 %:

kg d'eau

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

Le d�lai maximum � respecter avant que le ma�s � 18 % et 23� C se d�grade est d'environ 5 jours.

Consid�rons que l'op�ration se d�roulera en 3 jours, 24 h sur 24 h.

D�bit d'air: m� d'air

Coefficient de s�curit� 1,2 (r) D�bit 770 x 1,2 = 925 m�/h.

D�bit sp�cifique:

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