Schéma du principe de fonctionnement d’un silo à grains. Sur la gauche , le séchoir. Avant cette étape, le grain humide est nettoyé et épuré.

Les incendies constituent un des risques les plus fréquents, parmi les accidents survenant dans les silos de céréales. Le retour d’expérience sur les incendies, qu’ils adviennent sur des cellules, des bandes transporteuses ou des séchoirs, montre que les conséquences sont essentiellement matérielles ; elles se traduisent par des dommages aux biens et des pertes d’exploitation. Voici, dans cette étude réalisée par Coop de France - Métiers du grain, analyses et conseils pour comprendre, éviter et maîtriser au mieux les incendies dans les séchoirs de céréales.

Expertise paru dans le Journal du Vrac n°76, Nov./décembre 2010
Étude réalisée par Coop de France - Métiers du grain et publiée sur le site www.guide-silo.com

Ci-dessous la partie 1/2de l'article paru dans l'édition de Juillet/aout 2010 du Journal du Vrac:

Ci-dessous l'intégralité de l'article paru dans l'édition de Mai/juin 2010 du Journal du Vrac:

Trois années de recherche et de développement auront été nécessaires à Ijinus pour transformer une idée simple en un produit ingénieux. En réponse à la question « Comment gérer ses stocks en temps réel et à distance ? », la jeune société imagine et conçoit un capteur de niveau, à installer dans le silo, qui collecte et transmet les informations (niveau de remplissage du silo, température…) à un serveur. Toutes les données sont ainsi accessibles en temps réel et de n’importe quel coin du globe. Exemple pris dans l’usine de Cecaliment, ou Ijinus vient d’installer 21 nouveaux capteurs après une première série de 11 capteurs il y a deux ans.

Derrière l’invention phare d’Ijinus se cache à l’origine… une simple conversation entre Olivier Le Strat et Alain Glon, voila presque huit ans. Ce dernier cherchait un moyen de gérer les stocks dans les silos de ses clients éleveurs, à partir du siège du groupe. « Personne ne s’y était intéressé jusque là puisque tout le monde savait que c’était impossible à réaliser ! plaisante Patrick Grange, chargé du développement, chez Ijinus. Sauf qu’Olivier Le Strat, lui, ne le savait pas… et il l’a fait ! » En effet, après six mois de réflexion, Olivier Le Strat se lance dans l’aventure et fonde en 2003 à Quimperlé (29) la société Ijinus (qui signifie « innovation » en breton). Il aura finalement fallu trois ans de recherche et de développement pour aboutir, après de nombreux prototypes, au produit final : un capteur de niveau à ultrasons. Ingénieux, mais il fallait y penser… et surtout le concevoir !

Une gestion des stocks rapide et sécurisée

Les capteurs développés par Ijinus utilisent la technique des ultrasons par imagerie acoustique pour mesurer les niveaux de stocks. Les données arrivent, par onde radio ou par câble à une centrale qui les transmet soit sur le serveur interne de l’entreprise, soit sur le serveur Ijitrack, accessible par internet (voir encadré). « Notre solution répond à trois besoins principaux, explique Patrick Grange : la sécurité du personnel (plus besoin de monter sur les silos pour en vérifier le contenu), la fiabilité de la mesure et la rapidité de l’information (disponible en ligne 24 heures sur 24). Sans oublier le gain de temps dans l’inventaire journalier des stocks, la gestion des capacités de stockage et la planification des points zéro. » L’information est en outre disponible pour tous : achats, approvisionnements, formulation, production, contrôle de gestion…

« Un fournisseur peut tout à fait gérer à distance les stocks de ses clients et s’organiser ensuite pour sa tournée de livraison. Il pourra ainsi mieux planifier ses fabrications, optimiser la productivité et supprimer des pics de production qui demandent des moyens humains supplémentaires. » Ijinus en quelques chiffres. C’est 300 m² d’atelier, 7 salariés à temps plein, dont quatre se consacrent uniquement à la recherche et au développement des produits, un chiffre d’affaires en progression constante de 20 % par an depuis 3 ans dont 35 % sont réinjectés, chaque année, pour la recherche et l’innovation.

Si Ijinus sous-traite la fabrication des pièces (mais toujours made in Breizh, elle y tient), elle effectue en interne tout l’assemblage ainsi que la programmation. Une fois montés, les capteurs sont expédiés chez le client qui effectue lui-même la pose selon des consignes de montage, ou sous-traite le perçage et le montage. Ijinus effectue à distance le paramétrage et la mise en route du système, en lien avec son interlocuteur sur place. Sur demande du client, Ijinus intervient par télémaintenance. C’est par ce biais que la société a pu vendre ses capteurs au Mexique, en Chine, en Espagne, au Canada, aux USA, en Australie et en Ukraine : toute la partie consacrée au paramétrage et à la mise en service s’est effectuée directement à partir de son site de Quimperlé.

32 capteurs installés chez Cecaliment

Les capteurs Ijinus sont en place depuis plus de trois ans dans une quinzaine d’usines d’aliment françaises, sur tous types de matières et aliments. « Souvent, explique Patrick Grange, nos clients commencent par s’équiper de quelques capteurs sur des silos de différentes matières premières, afin de tester leur fiabilité et comparer les résultats obtenus à leurs pratiques habituelles. Ensuite, une fois convaincus, ils s’équipent au fur et à mesure de leurs besoins. » La preuve en est avec l’unité de production d’aliments de la Cecab, Cecaliment. Celle-ci avait équipé de capteurs Ijinus onze de ses silos en mars 2008. « Au départ, nous explique Jean- Michel Gestin, responsable des achats et approvisionnements en matières premières, cette nouvelle façon de gérer les stocks a bousculé nos habitudes. J’avoue avoir été un peu sceptique. » Mais après deux années d’utilisation et « la certitude d’avoir des capteurs fiables et robustes », Cecaliment vient de signer avec Ijinus pour 21 capteurs supplémentaires, installés début février 2010.

Le service achat de Cecaliment réalise ses approvisionnements en fonction des données collectées grâce aux capteurs et synthétisées dans un tableau de bord journalier, accessible par Ijitrack.

Les capteurs installés chez Cecaliment font partie d’une gamme spécialement développée pour la mesure de niveau en milieu poussiéreux et Atex (atmosphère explosive). Ils intègrent une tête autonettoyante par claquage acoustique, ce qui permet de dépoussiérer le capteur avant chaque mesure. En fonction du niveau de remplissage du silo, la signature acoustique générée est différente, ce qui permet de faire la distinction entre un silo plein et un silo vide, mais surtout de détecter quelle quantité de matière est précisément présente. « Nous sommes ainsi capables de distinguer les phénomènes de voûtages ou de cheminées dans les silos. Nous ne faisons pas que de la mesure, mais apportons la preuve de cette mesure. Toutes les données sont conservées dans un historique, ce qui nous permet, d’apporter la preuve de l’état du silo à un instant T. »

Des applications diverses

Si ces capteurs ont été développés à l’origine pour répondre au besoin des fabricants d’aliment et des élevages, de nouvelles versions ont depuis vu le jour dans des domaines plutôt inattendus : le transport, l’industrie, la médecine, l’assainissement, la gestion des déchets ménagers… Chaque capteur est configuré pour répondre à une contrainte particulière : gestion des flux dans les réseaux d’assainissements, contrôle du suivi de la chaîne du froid dans des camions frigorifiques ou lors du transfert des poches de sang jusqu’aux hôpitaux, gestion des déchets, détection des variations anormales de carburant dans les réservoirs… « Toutes ces nouvelles applications sont des réponses concrètes aux besoins de nos clients. Car ce sont bien eux qui nous font découvrir de nouvelles applications au fil des années ! » témoigne Patrick Grange.

Article de Nancy Mallet, paru dans la Revue de l'Alimentation Animale n°634, Mars 2010

Détails sur le serveur Ijitrack

Le serveur externe Ijitrack, développé par Ijinus, est accessible en ligne sur le site www.ijitrack.com.

Disponible en trois langues (français, anglais et espagnol), il permet à son utilisateur un accès à toute heure et à distance, protégé par identifiant et mot de passe. Relativement simple d’utilisation, le serveur Ijitrack permet de visualiser, pour chaque silo équipé d’un capteur, son niveau de remplissage, la température interne. Pour chacun de ces paramètres, des historiques sur un an sont également visualisables. Outre la simple vérification, ce serveur permet de gérer les approvisionnements en matières premières, mais aussi de créer des alertes (par mail ou SMS) quand les niveaux atteignent des seuils minimums. Afin d’évaluer les possibilités de cet outil de gestion, une démonstration en ligne est accessible, directement sur le site internet d’Ijitrack.

Cecaliment en bref

Chaque année, Cecaliment réceptionne environ 500 000 tonnes de matières premières, dont 75 % d’origine française et 25 % d’importation (pour les tourteaux de soja essentiellement). Chaque livraison fait l’objet de contrôles par le laboratoire d’analyse : environ 50 000 déterminations sont réalisées chaque année. Une échantillothèque de 15 000 places permet de conserver les échantillons de chaque livraison de matière première et de produit fini. La répartition des fabrications d’aliments est la suivante : 40 % en porcs, 22,5 % en dindes, 21,5 % en pondeuses et 16 % en bovins. Les lignes et circuits de fabrication sont spécialisés par espèce animale sans croisement possible entre chaque. Le contrôle qualité est continu pendant tout le process de production et sur les produits finis. En plus des broyeurs classiques, l’usine dispose de broyeurs aplatisseurs à cylindre qui ne créent pas d’échauffement et protègent les matières nobles des grains (les germes). L’injection, en fin de process, de microliquides à haute valeur nutritionnelle est aussi une spécificité de l’usine. Le service qualité et environnement réalise les contrôles permanents de la qualité et le suivi de la traçabilité des produits. Il veille également à la sécurité des personnes et des biens, sur le site de Saint Allouestre (56).

DR Hardox

Les dernières avancées dans l’optimisation de la durée de vie des matériaux vont des nouveaux aciers à haute dureté aux matériaux mous résistant aux chocs et à l’abrasion. Cette note recense l’ensemble des solutions, y compris celles exposées aux salons Samoter, Batimat, et à la Foire de Hanovre. Elles peuvent être réparties par type de composant :
- Contact du béton, sous forme pulvérulent, liquide, solide,
- Contact des roches et produits de carrière,
- Travail des chaussées,
- Extraction de chantier.

Le secteur du bâtiment, TP, mines et carrières utilise une gamme variée d’outillages et de matériels soumis à des sollicitations multiples (abrasion, chocs, sollicitations mécaniques, corrosion, …) en fonction de la nature du matériau de génie civil, à savoir béton, sable, gravier, terre, gravats, pierres, etc. en contact avec l’outil.

Solutions anti-usure. Zone centrale : choix des matériaux et conception.

Des aciers anti-abrasion à haute durée

Les dernières avancées ont révélé de nouveaux aciers anti-abrasion dont la résistance à l’abrasion atteint 3 à 4 fois celle des aciers anti-abrasion standards.
De nouveaux aciers anti-abrasion pour outillage robuste d’excavation : l’outillage d’excavation est une construction robuste exigeant :
- Une dureté élevée pour résister à l’abrasion et aux chocs,
- Une haute limite élastique pour une bonne tenue mécanique,
- Des tôles massives (pouvant dépasser les 40 mm d’épaisseur).

Les récents développements des aciers anti-abrasion permettent de proposer deux solutions pour ce type d’outillage :
- L’emploi de nouveaux aciers à haute dureté dont la dureté atteint 600 HB et 700 HB. Ils offrent de bonnes propriétés de soudage mais restent encore peu distribués (Cas du Hardox 600 et Hardox 700 chez SSAB Oxelösund AB, Suède).
- L’emploi d’un nouveau type d’acier combinant à la fois résistance à l’abrasion et haute résistance au choc. Ce qui en fait une solution de choix dans la construction de godets d’excavatrices.

Les derniers développements révélés aux salons Samoter 2005, Hanovre 2005 et Batimat 2005 portent sur :
- De nouveaux aciers anti-abrasion à très haute dureté,
- L’emploi de matériaux mous tels que caoutchouc ou polymère et de revêtements anti-abrasion,
- Une optimisation de la résistance à l’abrasion et au choc par la conception.

C’est le cas de l’acier Hardox HiTuf qui présente une bonne résistance à l’abrasion et 3 à 4 fois la résistance au choc d’un acier ordinaire 400 HB. Il est utilisé dans la construction de robustes godets.

La liste suivante concerne la nouvelle génération des aciers anti-abrasion issus des derniers développements et disponibles sur le marché. Les principaux fabricants et distributeurs de ces aciers sont :
• SSAB Oxelösund AB (Suède) : (www.ssabox.com). Cette société fabrique une gamme variée d’aciers anti-abrasion :
1) Aciers Hardox : des aciers à haute dureté sous forme de tôle de 3 à 120 mm d’épaisseur :
- Hardox 600 : dureté 600 HB. Adapté pour bennes, trémies, bétonnières, tombereaux, etc.
- Hardox 700 : dureté 700 HB. Mêmes applications que Hardox 600 mais avec une meilleure résistance à l’usure.
- Hardox HiTuf : nouvelle génération d’aciers combinant anti-abrasion et très haute résistance au choc. Adaptés pour de robustes godets et autres matériels TP soumis aux chocs et à une sévère abrasion.
2) Aciers Toolox : des aciers adaptés pour outillages massifs tels que marteaux piqueurs, percuteurs, etc. Ils associent résistance au choc et anti-abrasion avec un coût réduit. Ils existent en 2 nuances :
- Toolox 33 : de dureté 300 HB,
- Toolox 44 : de dureté 45 HRC. (www.toolox.com)

• International Metal Service (Fr & Uk) : distributeurs de nouveaux aciers antia-brasion d’Usinor Industeel :
1) Creusabro 4800 : nouvel acier de dureté 400 HB offrant une résistance à l’abrasion 50% supérieure à celle d’un acier ordinaire 400 HB trempé à l’eau. Sa dureté augmente avec l’usure. Jusqu’à + 70 HB. Offre une bonne aptitude à la transformation.
2) Creusabro 4000 : de résistance à l’abrasion 30% supérieure à celle d’un acier 400 HB et 4 fois supérieure à celle d’un acier (type S355K2G3).
3) Creusabro 8000 : de dureté 470 HB, présente une résistance à l’abrasion 8 fois supérieure à celle d’un acier et 2 fois celle du Creusabro 4000. Bonne aptitude à la transformation.
4) RocMn : un acier au manganèse de dureté 540 HB offrant une bonne résistance à l’abrasion sous impact violent. Convient pour godets. (www.ims-uk.com, www.imsfrance.com)

• Industeel, Groupe Arcelor (EU & Fr) : distribue certains des aciers d’Usinor Industeel : Creusabro 4000, 4800, 8000. (www.industeel.info)

• Abraservice (Fr) : en plus du creusabro 4000 et 8000, Abraservice distribue un acier anti-abrasion à 12-14% de Manganèse, le Creusabro M. Bonne résistance à l’abrasion et aux chocs et aptitude à la transformation. (www.intramet.com)

De nouvelles solutions : revêtements anti-usure et matériaux synthétiques

Godet fabriqué en matière synthétique. DR Kalenborn

Les derniers développements ont révélé de nouvelles solutions dans l’optimisation de la résistance à l’usure de l’outillage TP, etc.
Ces solutions nouvelles portent sur :
• Des revêtements anti-usure :
- Des revêtements au caoutchouc et polymères offrant une bonne tenue à l’abrasion et à la corrosion,
- Des rechargements par soudure d’un matériau anti-usure et résistant aux chocs tel que le carbure de chrome chez « Cutting Edges » par exemple.
• L’emploi des matériaux plastiques ayant une bonne tenue au choc. Ces matériaux présentent une grande légèreté et des surfaces lisses permettant un meilleur glissement du sable, béton, gravier dans une benne par exemple.
Les matières synthétiques utilisées sont : le polyéthylène, le polypropylène, et le chlorure de polyvinyle.

Vers une solution anti-abrasion par la conception

Pour réduire les coûts de l’outillage, la conception prévoit les nouveaux aciers ou matériaux dans les zones de l’outil où l’abrasion ou les chocs sont élevés.
Concentration d’abrasion et choc.
L’abrasion est plus importante au fond d’une benne ou d’un tombereau par exemple en raison du frottement sous le poids de la charge de terre ou sable… au cours des déchargements.

Cette construction ciblée est par exemple adoptée par le constructeur Hardox (Int.). De même, les revêtements sont effectués sur les zones de forte abrasion ou choc.

La solution anti-abrasion et anti-choc est de ce fait ciblée.
Vers une solution anti-abrasion et anti-choc ciblée :
Les solutions exposées aux différents salons 2005 montrent l’emploi :
- Des nouveaux aciers anti-abrasion à haute dureté (600 à 700 HB) dans les parois à forte abrasion,
- Des tôles en aciers anti-abrasion ordinaires 400 HB à 500 HB dans les zones où l’abrasion est réduite,
- Des épaisseurs de tôle importante (tôle massive de plus de 40 mm) dans les zones de fortes sollicitations mécaniques
- Des tôles d’épaisseur réduite dans les zones de sollicitation mécanique réduite.

Références :
Imer France : www.imer.fr
Hardox : www.hardox.com
Cutting Edges (USA) : www.cuttingedges.com

Note rédigée par Christophe Malavolta (HMi), Bernard Hansz (BHK Consulting) et JM Bélot (Cetim)

Le but de cette étude du Cetim est, à terme, de réduire les encrassements constatés dans les systèmes de transfert de produits pulvérulents, friables ou comportant une composante fusible (graisse notamment), transportés par gravité à partir de silos, par convoyeur à vis, par voie pneumatique ou vibratoire, etc.).
Elle s’est donc attachée à caractériser les processus d’encrassement des systèmes de transfert, dans le cadre d’un groupe de travail composés d’industriels du secteur agroalimentaire.
Des dispositifs pour caractériser l’encrassement ou le provoquer en continu ont été mis au point. Ils ont permis de mettre en évidence par exemple l’influence du taux de matière grasse sur l’importance du dépôt, ainsi que l’effet de la température de l’air de transport et de la température de la paroi.

Caractériser l’interaction entre le produit et le matériau de la paroi

Un test discontinu a été défini pour caractériser les vitesses d’encrassement avec différents couples pulvérulent/matériau, en fonction des conditions appliquées (température de l’air et des parois, humidité, rapport de débit solide/gaz, vitesse de transport, etc.).
Ce dispositif consiste en une enceinte tubulaire ventilée, dont certains paramètres sont modifiables (température de l’air, de la paroi, débit d’air, humidité, pression de l’enceinte, nature de la paroi).
Il permet de mesurer les taux d’agglomération d’un pulvérulent donné dans différents états physiques (granulométrie, humidité, taux de graisse) et pour différentes conditions aérauliques (température et humidité de l’air).
Ce test a également été utilisé pour mesurer les cinétiques d’attrition des matériaux (solide, dépôt, encrassement) sur la paroi interne de tubes en présence d’un écoulement radial d’air secondaire destiné à favoriser le contact entre le solide et la paroi.
Ces cinétiques ont été déterminées par des mesures sur les envols de particules (masse recueillie au cours du temps sur un filtre et détermination par échantillonnage des granulométries correspondantes) et par pesées successives des dépôts à la paroi tubulaire amovible interne.

Caractérisation du transfert et de l’encrassement en continu

Une seconde phase a consisté à mettre en place un ensemble pilote destiné à l’étude du processus d’encrassement en continu lors du transport de solide divisé dans une ligne tubulaire.
Cet ensemble comporte un dispositif de stockage en silo, une ligne d’alimentation gravitaire, une ligne d’alimentation par vis et/ou par auge vibrante, une ligne de transport, une série de coudes (vertical, horizontal, à section cylindrique ou carrée), un séparateur cyclonique et, à la sortie du cyclone, une jambe de retour ramenant les granulométries grossières vers le bas de la colonne.
Il est équipé pour la mesure de pressions, de températures, de débits et comporte des points de prélèvement de solides pour analyse. La répétabilité des essais a été vérifiée par des tests sur des modèles de pulvérulents à base de sciure calibrée, dont l’humidité et le taux de matières grasses sont connus.
Les essais paramétriques ont ensuite consisté à faire varier la nature des matériaux granulaires, la température et l’humidité de l’air de transport, les rapports de débit solide/gaz et la température de la paroi.

Résultats

Les essais conduits sur des produits de référence constitués de mélanges de sciure, d’huile et d’eau ont montré une bonne reproductibilité des taux de déposition (rapport de la masse déposée sur la paroi à la masse introduite pour l’essai).
Ils ont aussi montré une bonne sensibilité à la variation de la composition du produit de référence, en particulier pour ce qui est du taux de graisse du mélange (teneur en huile) : plus ce taux augmente, plus le mélange adhère à la paroi. Par contre, l’humidité n’apparaît pas comme un paramètre déterminant. La granulométrie du solide a un effet important sur le taux de déposition : les solides les plus fins conduisent aux dépôts les plus importants. La différence de température entre la paroi et l’air de convoyage agit également : en réduisant cette différence, on réduit aussi les taux de particules déposées. Pour une température de paroi donnée, l’augmentation de la température de l’air de transport provoque des dépôts plus importants.
Pour ce qui est de la nature des parois, les taux de déposition sont voisins avec un inox ou un plexiglas, mais un acier ordinaire entraîne des taux de dépositions plus faibles. L’encrassement initial des parois ne paraît pas être un facteur déterminant.
Le pilote a également été testé sur trois séries de produits fournis par les industriels du groupe de travail : nourriture pour animaux de compagnie (pet food), pour poissons (fish feed) et farine de maïs. D’une manière générale, ces produits industriels confirment les résultats obtenus avec le produit de référence.
De plus, on a pu mettre en évidence pour les essais avec le pet food, la prépondérance de l’effet granulométrique sur le taux de matière grasse. Ainsi, les produits les plus fins à faible taux de matière grasse, entraînent un dépôt plus important que des produits de granulométrie supérieure avec un taux de matière grasse élevé.
Le pilote d’encrassement en continu a permis de suivre l’évolution des dépôts au cours du temps, dans des zones tests (sections droites, coudes) lors du transport pneumatique, en contrôlant la température de l’air de transport et de la paroi.

Ce pilote a permis de tester différents produits, notamment le fish feed décliné à plusieurs taux de matières grasses (MG). L’influence du taux de matière grasse sur la quantité de dépôts a été mise clairement en évidence :
- À 15% de matières grasses, le fish feed occasionne peu de dépôts, en quantité stable au cours du temps ;
- À 20%, après une période de latence ou les dépôts sont du même ordre que précédemment, on assiste à une augmentation rapide des dépôts, puis à une stabilisation ;
- À 25%, les dépôts augmentent rapidement et se stabilisent à des niveaux deux fois plus élevés qu’à 20%.

Le pilote a également mis en évidence :
- L’effet de la température de l’air de transport : son augmentation engendre une augmentation des quantités de dépôt, pour les trois produits testés, au point d’occasionner très rapidement des phénomènes de bouchage pour le produit à 25% de matière grasse, à partir d’une température d’air de 30°C ;
- L’effet de la température des parois : la quantité de dépôts diminue significativement quand la température de paroi baisse.

Une température de paroi négative n’entraîne pas d’effet supplémentaire significatif.

Christophe Hermon
Cetim

Conduite à la demande de sa commission « moteurs et compresseurs », cette étude du Cetim vise à définir des méthodes simples pour diminuer des vibrations importantes sur de la tuyauterie souple ou rigide en sortie de compresseur.
La première phase a consisté à caractériser plusieurs compresseurs. Plusieurs techniques ont été utilisées pour cela, mais compte tenu des contraintes expérimentales (nature du flexible, technologie des compresseurs, encombrement, etc.), la caractérisation a été centrée sur l’analyse des signaux vibratoires du compresseur en rapport avec sa cinématique. Des essais de montée en vitesse permettant de déterminer les zones de résonances de la structure ont également été réalisés pour compléter la caractérisation. Les analyses ont conduit à orienter l’étude vers la diminution des phénomènes vibratoires liés aux pulsations de pressions.
La phase suivante a examiné les principes fondamentaux d’atténuation des phénomènes pulsatoires (théorie concernant les silencieux dissipatifs, silencieux réactifs).
La dernière visait à appliquer une solution permettant de diminuer les phénomènes vibratoires sur compresseur. Des calculs ont été réalisés pour dimensionner le dispositif d’atténuation, ainsi que pour l’intégrer au mieux dans l’environnement du compresseur utilisé pour les essais. Une campagne d’essai a ensuite été effectuée. L’analyse des résultats a mis en évidence l’influence positive du dispositif sur les vibrations de tuyauterie.

Phase I – Essais sur un compresseur à vis

Les premiers essais ont été réalisés avec un compresseur utilisant une technologie à vis. L’analyse des résultats expérimentaux a débouché sur l’hypothèse de travail suivante : les pulsations de pression seraient la cause principale des vibrations dans le réseau de tuyauterie. Il est alors intéressant de déterminer les fréquences des pulsations de pression et de trouver une solution pour en diminuer les effets sur le système.
Un calcul par éléments finis basé sur les caractéristiques du compresseur a également permis de mettre en évidence les fréquences pour lesquelles le système est susceptible d’entrer en résonance (cf. tableau 1). La connaissance de ces fréquences est une information importante qui pourra être mise en relation directe avec les fréquences de pulsations de pression, afin d’éviter les fonctionnements à risque du système (système fonctionnant sur une résonance).

Une méthode de calcul théorique a également permis d’obtenir, à partir des mesures de pulsation de pression, l’impédance de la ligne de tuyauterie. Ce calcul simple donne une bonne approximation et est en accord avec le calcul des fréquences du tube. De plus, la comparaison des fréquences caractéristiques du compresseur par rapport à des modèles de source de débit et de pression, a montré que le compresseur se rapproche d’une source complexe mixte, intermédiaire entre source de débit et source de pression.

Phase I – Essais sur un compresseur à piston

La seconde campagne a porté sur un compresseur à pistons. Dans ce type de compresseur, à l’aller, le piston comprime et refoule le gaz. Pour cela, chaque étage est muni de clapets anti-retour.
Le clapet d’admission ne laisse passer le gaz que vers la chambre du piston, le clapet d’échappement ne laisse passer le gaz que vers le circuit extérieur. Le compresseur utilisé pour la campagne d’essais est du type « à membranes ». Les pistons ne sont donc pas directement en contact avec le gaz.
Cette technologie est particulièrement bien adaptée pour véhiculer des gaz dangereux.
Le compresseur est composé de deux étages à simple effet. Le premier étage, à basse pression (BP), comprime le gaz une première fois. Le gaz est ensuite dirigé vers l’étage à haute pression (HP). L’analyse des résultats des montées en vitesse met en avant les fréquences liées aux pulsations de pression. Ces fréquences caractéristiques du compresseur sont listées dans le tableau 2.

Si l’impédance interne du compresseur est faible, l’excitation peut être fortement dépendante de la tuyauterie. La connaissance de l’impédance de la ligne de tuyauterie contribue donc à la caractérisation de l’excitation. C’est la raison pour laquelle un calcul d’impédance, basé sur les deux mesures de pression effectué sur le réseau de tuyauterie en sortie de compresseur, a été effectué.
Les résultats font apparaître des fréquences de résonance très proches de celles d’un tube en quart d’onde. Ces fréquences sont listées dans le tableau 3 ci-dessous.

Les essais ont permis de mieux appréhender la source d’excitation, néanmoins il ressort de l’étude qu’il est également important de prendre en compte les phénomènes de structure qui peuvent interagir avec cette source. Les essais de montée en vitesse et les calculs effectués (résonances acoustiques des tubulures) sur les compresseurs testés ont permis d’apprécier ces phénomènes.
Ces interactions sont importantes à prendre en compte, car elles peuvent dans certains cas aboutir à des ruptures par fatigue de certains composants mécaniques suite à des réponses vibratoires excessive.

Phase II – Les solutions technologiques

On distingue deux grandes familles de silencieux :
- Les silencieux dissipatifs : le principe des silencieux dissipatifs repose sur l’affaiblissement des ondes qui les parcourent, par dissipation d’énergie à l’aide de structures absorbantes. L’exemple le plus simple est celui d’un tuyau dont les parois sont tapissées d’un matériau absorbant.
- Les silencieux réactifs : sur le plan acoustique, le principe du silencieux réactif est peu complexe. Son fonctionnement est basé sur l’interférence des ondes. Dans une cavité, l’onde incidente est réfléchie et décalée de 180°. L’addition de l’onde incidente et réfléchie arrive ainsi à atténuer le son. Cette catégorie de silencieux est principalement efficace dans le domaine des ondes planes.

La chambre d’expansion

La chambre d’expansion constitue l’un des silencieux réactif le plus simple. Il consiste en une augmentation ou une restriction de la section de passage d’un conduit.
Les brusques changements de sections sont assimilables à des changements d’impédance et nous avons en quelque sorte un système de filtrage (par analogie électrique) qui atténue certaines fréquences et en laisse passer d’autres (filtres passehaut ou passe-bas). Les singularités les plus simples sont l’élargissement et le rétrécissement du conduit. Dans les deux cas, une partie de l’énergie incidente est réfléchie.

Remarque : Une évolution possible du silencieux à chambre d’expansion peut être l’ajout d’une plaque interne perforée (cf. figure 5). Selon le cas, un matériau absorbant peut également être inséré entre la paroi externe du silencieux et la plaque perforée.

Une étude universitaire a montré que la perforation apporte principalement une atténuation dans les hautes fréquences. De plus, les courbes de comparaison des TL (Transmission Loss) mettent en évidence des similitudes avec un résonateur de Helmholtz selon les dimensions utilisées.

Le tube fermé ou quart d’onde

Similaire au principe de la chambre d’expansion, le tube fermé est également appelé « quart d’onde ».
L’objet de ce silencieux est d’atténuer les pulsations de pression à une fréquence particulière. Il agit en créant une réflexion de l’onde acoustique de façon qu’elle revienne en opposition de phase au point où on souhaite réaliser l’atténuation, pour que l’amplitude résultante soit minimale au point considéré.

Pour que l’onde revienne en opposition de phase, il faut que la longueur du silencieux soit égale au quart de la longueur d’onde de la pulsation de pression, d’où son nom. Pour provoquer la réflexion de l’onde, on peut utiliser un dispositif perpendiculaire à la section.

Contrairement aux silencieux de types chambre d’expansion, le tube fermé a une atténuation en bande fine. Son utilisation est pertinente dans le cas où des fréquences fixes sont à atténuer.
Comme pour le silencieux à chambre d’expansion, ce silencieux présente des possibilités d’amplification lorsque les ondes sont en phase (phénomènes non mis en évidence dans une représentation TL).

Le résonateur d’Helmholtz

Le résonateur d’Helmholtz est constitué d’une enceinte à paroi rigide contenant un certain volume d’air, reliée à l’extérieur par une ouverture de longueur l et de rayon r que l’on appelle col.

Lorsque l’on connecte une cavité au conduit par l’intermédiaire d’une tubulure, on obtient un résonateur d’Helmholtz. Il s’agit d’un système résonant assimilable à une masse (bouchon de fluide dans la tubulure) et un ressort (fluide compressible dans la cavité) que l’on peut également réaliser de manière étendue en utilisant un panneau perforé, fixé à l’intérieur du conduit à une certaine distance de la paroi (les cavités correspondant à chaque orifice ne doivent pas nécessairement être cloisonnées).
La perte de charge de ces silencieux est généralement faible, mais comme pour les silencieux à réflexion, les performances, et en particulier la gamme de fréquence d’atténuation maximale, dépendent très sensiblement de la vitesse du fluide et de sa température.
L’atténuation de ce type de silencieux est très forte en comparaison aux précédents.
L’atténuation est réalisée uniquement sur une fréquence, ce qui impose d’« accorder » le dispositif sur la fréquence à traiter.
Il n’y a pas de phénomène d’amplification sur ce type de silencieux.

Phase III – Validation sur compresseur à vis

Des essais de validation (comparaison par rapport à un état sans silencieux) ont été réalisés sur un compresseur pour les types de silencieux suivants :
- Chambre d’expansion ;
- Tube quart d’onde ;
- Résonateur d’Helmholtz.
Ces essais ont pour objectif de mettre en évidence les améliorations apportées par la mise en place des silencieux. Ils ont été réalisés sans et avec silencieux. De la même manière que dans les essais de caractérisation plusieurs régimes de fonctionnement du compresseur ont été mesurés.

Chambre d’expansion

L’atténuation des pulsations de pression réalisée par le silencieux à chambre d’expansion a eu pour conséquence une diminution des vibrations en sortie de compresseur et en entrée du réservoir. Ceci renforce l’hypothèse selon laquelle les pulsations de pression sont liées aux vibrations. Notons également que les écarts mesurés sont en accord avec ceux calculés théoriquement. De plus, le compresseur fonctionnant à des régimes variables (ω ≈ 900 à 3 000 tr/min), l’atténuation large bande du silencieux à chambre d’expansion semble bien adaptée.

La diminution des vibrations est plus importante au niveau de l’entrée du réservoir, car les vibrations au niveau du compresseur sont à la fois d’origine pulsatoire et d’origine mécanique. Seules les vibrations d’origine pulsatoire ont pu être diminuées par l’utilisation du silencieux.
Le silencieux utilisé étant de type réactif, il déphase les ondes pour réaliser une atténuation. Il devient donc amplificateur lorsque les ondes sont en phase. Ces phénomènes, liés aux principes mêmes des silencieux réactifs, peuvent sur le terrain réduire les performances.
L’utilisation d’un silencieux avec un diamètre plus important aurait permis d’augmenter le gain théorique d’atténuation et par conséquent d’obtenir des diminutions vibratoires plus importantes.
La caractéristique d’atténuation « large bande » de la chambre d’expansion est visible. En effet, l’ensemble des régimes de fonctionnement a bénéficié d’une atténuation, alors que le régime maximal avait été privilégié pour le dimensionnement du silencieux.

Tube quart d’onde et résonateur d’Helmholtz

Pour cette étude, deux autres types de silencieux de pulsation ont été étudiés :
- Quart d’onde (tube fermé) ;
- Résonateur d’Helmholtz.
Les tableaux ci-dessous présentent les résultats des comparaisons effectuées entre les niveaux d’accélération des configurations testées (sans silencieux, quart d’onde et Helmholtz) dans la bande de fréquence de 0 à 500 Hz.

L’analyse des résultats montre que les systèmes d’atténuation mis en place ont bien diminué les niveaux des pulsations de pression. En effet, l’analyse des signaux vibratoires dans la bande de fréquence de 0 à 500 Hz (phénomènes basses fréquences) montre des diminutions significatives. Pour autant, des phénomènes d’amplification ont été observés à l’entrée du réservoir sur le régime maximal. Une analyse détaillée des spectres montre que l’amplification est due à une augmentation de l’amplitude autour de 260 Hz, qui peut s’expliquer en partie par l’analyse des courbes d’atténuations théoriques. Selon les hypothèses prises pour la source (pression ou débit), ces courbes présentent des zones d’amplification autour de 270 Hz.

Conclusions

À travers une phase de caractérisation, de recherche de principes et de validation, l’étude a permis de vérifier partiellement l’hypothèse de travail, définie ainsi : les pulsations de pression seraient la cause principale des vibrations dans le réseau de tuyauterie. En effet, l’implantation des silencieux à pulsation de pression a permis de diminuer les niveaux vibratoires sur un point de vue global. Pour autant, ces systèmes de type réactif ont créé des zones d’amplification qui ont augmenté localement certains niveaux vibratoires.
L’analyse a également montré que les calculs effectués étaient proches des résultats expérimentaux. Il est alors pertinent de s’appuyer sur le calcul lors du dimensionnement d’un silencieux dans une ligne de tuyauterie.
Enfin, une connaissance précise de la nature exacte de la source permettrait probablement de mieux appréhender ces phénomènes vibratoires.

Thomas Vervaeke
CETIM
Travaux réalisés pour le compte de la profession "Moteurs et compresseurs".