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La ventilation

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LA CONSERVATION DES GRAINS PAR VENTILATION

Les grains récoltés pendant la courte période de moisson sont le plus souvent stockés en silos avant leur livraison, tout au long de l'année, aux usines de transformation.

Or les grains, il s'agira ici principalement de céréales et produits oléagineux ou protéagineux, (matières vivantes) continuent à respirer pendant les périodes de stockage, en dégagement de chaleur qui contribue à réchauffer le grain.

Et, plus le grain est chaud, plus il respire, cette activité respiratoire se développant au détriment de la qualité biologique du grain, qui se traduit par une dégradation de la structure de l'amidon, une oxydation, un développement de moisissures et d'insectes, une perte de poids, un brunissement, des odeurs indésirables...

La qualité du stockage et la durée de conservation dépendent essentiellement du couple « température et teneur en eau » du grain (voir figure 1).

Ce diagramme montre que si la température de la masse de grain dépasse 15°C et que si sa teneur en eau est supérieure à 15%, il a y risque de dégradation sérieuse de la qualité du grain stocké.

La température de conservation d'un tas de maïs à 15 % d'humidité, (teneur en eau de maïs dit aux normes) doit être inférieure à 15°C et de l'ordre de 8 à 9°C, pour en assurer une longue conservation.

Pour obtenir cette température de conservation de l'ordre de 10°C, il faut refroidir le grain dont la température en période de récolte peut être comprise entre 25° et 35°C.

Ce refroidissement s'obtient par la mise en œuvre de la ventilation, opération qui consiste à envoyer un flux d'air à travers la masse du grain stocké, air à température ambiante ou préalablement refroidi.

Cet article ne traitera que de la ventilation à l'air ambiant, la technique avec de l'air refroidi étant surtout utilisée dans les pays à climat chaud, voire tropical, et/ou sur des denrées fragiles et à forte valeur ajoutée (café, cacao, riz blanc...).

Mentionnons pour mémoire, car n'entrant pas non plus dans le cadre de cet article :

  • La ventilation-vidange (non sens économique et écologique)
  • La ventilation séchante, lorsqu'il s'agit de réduire la teneur en eau de 3 à 4 % dans une masse de grains stockés sur une faible hauteur.

PRINCIPES GÉNÉRAUX DE LA VENTILATION DES CÉRÉALES

Envoyer de l'air dans du grain peut être réalisé par soufflage ou par aspiration, en réservant

la ventilation par soufflage aux cellules de hauteur moyenne (jusqu'à 25 mètres) et par aspiration aux cellules de plus grandes hauteurs.

En effet, avec le système par soufflage, l'air passe d'abord à travers le ventilateur, qui le réchauffe de quelques degrés (3 à 4°C pour une cellule de 25 mètres et 14° C pour une cellule de 40 mètres). L'air se réchauffe également en traversant la masse du grain.

AVANTAGES ET INCONVENIENTS DES DEUX MODES DE VENTILATION

PAR SOUFFLAGE :

Avantages :

  • L'air réchauffé par passage dans le ventilateur a des capacités de séchage.
  • Il est possible de rajouter du grain dans une cellule qui a été mise en ventilation, avant que celle-ci ne soit terminée, car le froid progressant de bas en haut, le grain chaud -rajouté- ne sera pas directement en contact avec du grain déjà refroidi.
  • Lorsque la température extérieure est très élevée, l'air très chaud, stagnant sous le toit des cellules, est chassé par l'air de ventilation.
  • Il est aisé de contrôler la température du grain en partie supérieure, déterminant la fin de la ventilation.

Inconvénients :

  • En période froide, l'air de ventilation qui s'est réchauffé dans le ventilateur et au contact du grain provoque de la condensation sous toiture ;
  • Développement de moisissures autour des gaines de ventilation si l'hygrométrie de l'air de ventilation est supérieure à l'humidité d'équilibre air-grain (voir figure 2 )

PAR ASPIRATION :

Avantages :

  • Permet de ventiler des cellules de très grande hauteur.
  • Pas de condensations sous toiture.
  • La ventilation peut être mise en route quelque soit la différence de température entre air et grain, sans qu'il y ait condensation.
  • Meilleur pouvoir refroidissant de l'air puisqu'il n'est pas réchauffé par un ventilateur avant d'être introduit dans le grain.

Inconvénients :

  • Pas d'effet séchant de l'air.
  • Une cellule déjà mise en ventilation ne peut plus être rechargée ; sous peine de créer de la condensation à la surface du premier niveau de remplissage.
  • De la poussière entraînée par l'air peut, à la longue, boucher les perforations des gaines de ventilation.

CONDUITE DE LA VENTILATION

Pour être efficace, la ventilation à l'air ambiant par soufflage ne doit être déclenchée que lorsque la température de l'air est inférieure de 5 à 7°C à celle du grain, en gardant en mémoire que l'air pulsé par un ventilateur, se réchauffe, une différence trop importante entraînerait des condensations au-dessus du tas de grain.

De fait, il est recommandé de refroidir le grain par paliers de 8 à 9° chacun, pour ramener sa température de 35° à la moisson, à 10°, permettant d'assurer une conservation de longue durée.

La conduite de la ventilation suppose donc la connaissance de la température de la masse du grain et celle de l'air extérieur.

Une installation de thermométrie est donc hautement conseillée (elle est obligatoire pour les silos de volume supérieur à 15.000 m3).

La température extérieure peut être mesurée par un simple thermomètre, ou mieux par un thermostat qui n'autorisera la mise en route du ventilateur que lorsque cette différence de température, repérée par une consigne, sera atteinte.

Par aspiration, il est possible de ventiler quelque soit la différence de température entre air et grain car les condensations éventuelles se produiraient à l'extérieur en sortie de ventilateur (voir figure 3 ).

D'autre part, la mise en œuvre de la ventilation étant grosse consommatrice d'énergie, il convient de ventiler de préférence pendant les heures creuses du tarif E.D.F., à la rigueur pendant les heures pleines, jamais pendant les heures de pointe. Il faut, pour cela, s'équiper d'un compteur horaire et asservir le fonctionnement du ventilateur aux périodes tarifaires de l'E.D.F. De ce point de vue, la ventilation par aspiration est plus intéressante, n'ayant pas à faire concorder périodes tarifaires et différence de température entre air et grain.

Dans le processus de ventilation, l'humidité relative de l'air extérieur n'est pas un facteur à prendre en compte dès lors que la ventilation est conduite avec de l'air plus froid que le grain. On constate, en effet, non pas une réhumidification du grain, mais toujours un phénomène de séchage, de l'ordre de 0,025 point d'humidité par degré Celsius de refroidissement, soit environ 0,6 % pour du grain refroidi de 30 à 5°C et ce, quelque soit l'humidité relative de l'air utilisé.

NOTION DE DÉBIT DE RENOUVELLEMENT

Les expérimentations conduites par l'ITCF ont montré que le volume nécessaire pour refroidir complètement un lot de grain est sensiblement constant, quelque soit le type de grain, l'ampleur du refroidissement, la température du grain à l'origine, et celle de l'air ambiant pendant la période de ventilation.

Cette constante, ou dose spécifique, est égale à environ 1.000 m3 d'air par m3 de grain.

A partir de la connaissance de cette dose spécifique et du temps de ventilation souhaité, on définit le débit de renouvellement en m3 d'air par heure et par m3 de grain.

Dans la pratique, on fixe plutôt un taux de renouvellement basé sur l'expérience s'échelonnant de 12 à 20 m3 d'air par heure et par m3 de grain (en portuaire où le grain arrive en principe, stabilisé, ce taux peut descendre à 6 ou 8).

Un compromis entre ces deux méthodes permettra de fixer le débit du ventilateur.

Le débit étant déterminé, il faut ensuite définir la pression statique (essentiellement la perte de charge dûe au grain) pour pouvoir choisir le ventilateur adapté.

PRINCIPES GÉNÉRAUX DE DIMENSIONNEMENT

Une installation de ventilation comprend essentiellement :

  • Un ventilateur (ou des)
  • Un réseau véhiculant l'air entre le ventilateur et le grain (galeries, collecteurs principaux, gaines de diffusions, plancher perforé...),
  • Des grilles d'évacuation d'air ou des extracteurs motorisés,
  • Un ensemble de détecteurs (température du grain et de l'air ambiant),
  • Un compteur horaire couplé au réseau E.D.F.

Le choix du ventilateur et le dimensionnement des galeries, canalisations, gaines et caniveaux de ventilation dépendent de la géométrie des cellules, du type de produit stocké, du circuit aéraulique et des temps de ventilation souhaités.

 

CHOIX DU VENTILATEUR

  1. Fixer la dose spécifique (DS) : 1.000 m3 d'air par m3 de grain, dose à peu près constante pour assurer un bon refroidissement, quelque soit le type de grain, la température de l'air et celle du grain ; n'oublions pas néanmoins que la température de l'air devra être inférieure de 8 à 10 ° environ à celle du grain.
  2. Fixer le temps de ventilation souhaité (T en heures), ce temps doit être raisonnablement court pour éviter la dégradation des couches supérieures du grain stocké qui ne sont refroidies qu'en fin d'opération (ventilation par soufflage).
  3. Déterminer le débit spécifique = (DS/T) m3/ h / m3
    (ou le fixer en fonction de l'expérience)
  4. Déterminer la pression totale du ventilateur qui est la somme de :
    1. La pression dynamique, Pd, pour simplifier, c'est la surpression nécessaire pour générer la vitesse de l'air dans le circuit aéraulique.
      Cette pression Pd = ½ ρ V2 avec Pd en pascal, V en m/s et ρ la masse volumétrique de l'air en kg/m3 (1,224), ou Pd mmCE = ((V en m/s)/16 ) 2.
    2. Et de la pression statique, Ps, qui correspond aux frottements que l'air doit vaincre pour s'écouler dans le circuit aéraulique (galeries, canalisations, gaines et tas de grain) sachant que la quasi-totalité de ces frottements (appelés pertes de charge) est générée par le passage à travers le grain, et augmentant en fonction de sa hauteur.
      Ps = (K1. V + K2.V2) x hauteur du grain
      V = vitesse de l'air dans la cellule en m/s.
      K1 et K2 : coefficients propres à chaque type de grains et variables suivant le poids spécifique du grain dans la cellule.

      Exemple (source ITCF) :

      Grain

      Poids spécifique

      Kg/m3

      K1

      K2

      - Colza

      600

      650

      700

      3 ,471

      5,580

      9,210

      0,0750

      0,1140

      0,1707

      - Maïs sec

      750

      800

      850

       0,6185

      0,9530

      1,4980

      0,05372

      0,07768

      0,11500


      Retenons que, pour une même pression totale développée par un ventilateur, plus la pression statique sera faible (hauteur du grain réduite par exemple), plus la pression dynamique sera élevée et plus la vitesse de l'air sera élevée.
  5. Faire le choix du ventilateur par consultation des courbes caractéristiques établies par le constructeur en fonction du binome débit-pression.
    Le choix d'une vitesse adaptée est également un élément très important car chaque fois que la vitesse de rotation est doublée, la pression développée est certes multipliée par 4, et le débit par 2 mais la puissance électrique par 8 ; (Attention à la facture énergie).
    Les courbes d'un ventilateur (voir figure 4 ) indiquent également la vitesse de rotation, la puissance absorbée, le rendement, la pression sonore.

    Ne perdons pas de vue :
    • Qu'il faut faire fonctionner le ventilateur à son rendement maximum ;
    • Que plus la vitesse de rotation est importante, au-dessus de 2.800 T/m, plus le niveau sonore sera élevé ;
    • Que la puissance du moteur à installer devra être supérieure à la puissance absorbée au point de fonctionnement choisi ; (la puissance absorbée peut être déterminée en première approximation par la formule : Pkw = 0,0131 x Q (m3 /s) x Pt mmCE).
    Cette différence sera utile, pour disposer de réserve de puissance en cas de surcharge, et pour éviter d'être pénalisé au plan financier par développement de puissance réactive. Tenir compte également de la perte de rendement engendrée par une transmission par courroie (20 % environ), ce type de transmission étant conseillé pour faciliter les ajustements et réglages éventuels.
    Rappelons que pour la ventilation de refroidissement, c'est le débit d'air qui est le facteur important puisqu'il permet de réduire le nombre d'heures de fonctionnement du ventilateur, la pression n'étant qu'un facteur « technique », un moyen destiné à vaincre les pertes de charges du circuit aéraulique constitué par le grain et le réseau de gaines et tuyauteries.

    En résumé, il faut donc rechercher -parmi les ventilateurs centrifuges proposés par les constructeurs - celui qui pourra débiter le volume d'air maximum nécessaire, à la pression calculée, pour une dépense d'énergie la plus faible ; le prescripteur devra donc consulter plusieurs fournisseurs et rechercher, par lecture et interprétation attentive des courbes, le ventilateur présentant le meilleur compromis.
  6. Réseau de distribution d'air
    La détermination de ce réseau répond à deux objectifs principaux :
    • Diminuer les pertes de charge (réduction de la puissance installée) et
    • Diffuser l'air de manière homogène dans la masse du grain.
    La diffusion de l'air dans les cellules est obtenue soit par l'utilisation de planchers entièrement perforés, soit par des caniveaux recouverts de tôle perforée, soit par des gaines rondes ou semi-circulaires posées au-dessus du fond des cellules.
    Chaque système possède avantages et inconvénients et est adapté.
    Dans une installation correctement étudiée, la vitesse de l'air devrait être comprise entre 8 à 10 m/s dans les galeries et collecteurs principaux, 4 à 5 m/s dans les gaines installées sous le grain, et 0,30 à 0,50 m/s à la sortie de ces gaines dans le grain.
    Ces valeurs moyennes permettront de dimensionner les collecteurs principaux et les gaines de diffusion (diamètre, nombre, espacement coefficient de passage d'air...).
    Eviter des gaines de trop petit diamètre ou trop peu nombreuses et des circuits sinueux, générateurs de pertes de charges.
    L'étude d'ingénierie doit déterminer, dans chaque cas, le type de diffuseur à installer en tenant compte des conditions d'exploitation et des coûts.

    Par exemple :
    • Faut-il installer des gaines démontables posées sur le dallage, dans un stockage en magasin à fond plat, ou préférer des caniveaux noyés dans le dallage ?
    • Quel type de perforations (diamètre, coefficient de passage) choisir ?
    • Faut-il un anneau de diffusion dans les cellules cylindriques ou des gaines radiales ?
    • Faut-il des gaines totalement ou partiellement perforées ?

    Dans les cellules rondes à fond conique, le meilleur système consiste à installer des gaines radiales à section circulaire, perforées sur toute la périphérie (attention au diamètre des perforations) et dont le taux de perforation est supérieur à 12-15 % (voir figure 5 ).
    Dans les cellules à fond plat avec extracteur rotatif, installer des caniveaux avec plancher perforé, ou mieux, un plancher total à fond perforé, en privilégiant les perforations rondes et un taux d'ouverture supérieur à 18 %.
    Dans les magasins de stockage dit « silo plat » la différence importante de hauteur de tas de grain, entre le sommet et le bas du tas, doit conduire à effectuer un calcul de l'écartement et des sections des gaines de façon à obtenir une répartition uniforme du flux d'air.
    Les gaines peuvent être disposées dans le sens de la longueur du magasin, ou mieux, dans le sens transversal.
    Dans le cas d'une disposition longitudinale, il se produira des pertes d'air très importantes dans le cas de remplissage partiel du magasin ; il faut donc privilégier les gaines transversales dont l'espacement sera calculé en appliquant une règle plus simple préconisée par l'ITCF : (H/2) > d > (H/3), où H est la hauteur du tas et d l'écartement entre gaines.
    On a essayé, dans cet article, de démontrer que la conception d'une installation de ventilation de refroidissement des grains doit obéir à un certain nombre de règles et de principes que seuls peuvent préconiser des professionnels compétents et expérimentés et, en tout premier lieu, le Maître d'œuvre, à qui il revient de rédiger un cahier des charges précis tenant compte d'hypothèses réalistes. Il appartient ensuite à l'installateur de proposer des équipements adaptés et d'en assurer le montage dans les règles de l'art afin que l'organisme stockeur dispose d'un outil performant fiable et générateur d'économies.

BIBLIOGRAPHIE

  • Etude ADEME : Pratique de la ventilation des grains (10-1994)
  • Optimisation de la ventilation des grains (Laboratoire GMF - Université de Paris)
  • Guide pratique de la ventilation des grains (ITCF - FFCAC 1983)
  • Refroidissement par ventilation (ITCF - 1996).
  • Dry Grain Aeration System Design Handbook University of Minnesota.
  • Design parameters for aeration and in-store drying system (C. Newman, Queensland Australia - 1995)

LISTE DES FIGURES

  • Figure 1 : Diagramme de conservation des céréales
  • Figure 2 : Courbe d'équilibre Air-Maïs
  • Figure 3 : Diagramme de conduite de la ventilation
  • Figure 4 : Courbe d'un ventilateur
  • Figure 5 : Exemple de réseau de ventilation