Chapitre II Etude Bibliographique
II.2. Conditionnement d’ambiance
Le conditionnement d’ambiance se définit comme la maîtrise du milieu de travail des aliments. Il est l’un des cinq facteurs intervenant dans tout processus productif, connus sous la règle des « 5 M » : Main-d’œuvre, Méthode de travail, Milieu de travail, Matières premières et Matériel (COLLOBERT & METAY, 2009).
II.2.1. Objectifs du conditionnement d’ambiance
Le conditionnement de l’air ou traitement de l’air est la technique qui consiste à intervenir sur les conditions climatiques d’un lieu en modifiant la température, l’humidité aux conditions souhaitées, le niveau des poussières en fonction des besoins (locaux techniques tels que ceux utilisés dans l’industrie agro-alimentaire, les laboratoires, les hôpitaux, les salles informatiques...) (Bergner, 2017). Il ne se limite pas au maintien du couple température-hygrométrie. Beaucoup d’autres facteurs peuvent être pris en compte tels que l’hygrométrie, la qualité de l’air, le niveau sonore, la précision et la stabilité des paramètres, l’esthétique, la diffusion d’air.
Les bâtiments industriels ont des objectifs clairs en termes de qualité d’air, de maîtrise d’ambiance pour les process industriels, de confort pour les occupants (Richer, 2009). Mais également en termes d’optimisation, de productivité, d’efficacité énergétique et de respect de l’environnement. Le conditionnement de l’air consistera donc à satisfaire les besoins du process en termes de température, d’humidité, de renouvellement d’air et de filtration. Les discussions avec l’industriel permettront de qualifier le besoin et de décider de la solution technique, économique et environnementale.
II.2.2. Rôle d’une Centrale de Traitement d’Air
Une Centrale de Traitement d’Air est utilisée, selon le modèle choisi, pour créer la qualité d’air intérieur souhaitée (Trane, 2018). Les paramètres sont les suivants :
‒ Le renouvellement d’air
‒ La température et l’humidité de l’air
‒ Le filtrage d’air normalement contaminé
‒ Le filtrage spécial de l’air pour des applications en salles blanches.
Son principe de fonctionnement est de prendre l’air extérieur, de lui faire subir un traitement (le chauffer ou le refroidir, le purifier) et de l’insuffler via le réseau de gaines aérauliques dans les locaux ayant un besoin en air traité.
En fonction du besoin et des résultats désirés, le concepteur détermine la nature et l’ordre des composants de la centrale de traitement d’air (CTA). La figure II.4 montre un exemple de composition comprenant : un caisson de mélange (1) ; un caisson de
filtration (2) ; une batterie chaude (préchauffage) (3) ; une batterie froide (4) ; une batterie chaude (réchauffage) (5) ; un humidificateur (6) ; un ventilateur (7).
Figure II.4 : Exemple de composition d’une centrale de traitement d’air (Bailly, et al., 2001)
• Caisson de mélange
Le caisson de mélange est généralement utilisé pour réaliser le mélange de l’air neuf et de l’air recyclé. Il est parfois destiné uniquement à assurer une sélection de circuit.
L’influence de chaque air dans le mélange est directement proportionnelle à son débit massique.
• Caisson de filtration
Filtrer consiste à éliminer d’un fluide gazeux tout ou partie des particules ou aérosols qu’il contient, en les retenant sur une couche poreuse appelée « média filtrant ».
L’opération de filtration n’a aucune action sur les caractéristiques thermiques de l’air.
Elle n’apparaît pas sur le diagramme de l’air humide. Elle crée une chute de pression sur l’air.
• Batterie chaude
La batterie chaude assure le préchauffage ou le chauffage de l’air à l’aide d’un fluide chaud qui peut être de l’eau, de l’eau surchauffée, de la vapeur, la condensation d’un fluide frigorigène ou des résistances électriques. Durant l’opération de chauffage, l’humidité absolue, ou teneur en eau ω, reste constante. En revanche, l’humidité relative ε diminue.
• Batterie froide
La batterie froide assure le refroidissement de l’air, avec ou sans déshumidification, à l’aide d’un fluide froid qui peut être de l’eau glacée ou glycolée ou par évaporation d’un fluide frigorigène (batterie à détente directe). Durant l’opération de refroidissement
sans déshumidification, l’humidité absolue ou teneur en humidité w reste constante. En revanche, l’humidité relative ε (en %) augmente. Durant l’opération de refroidissement avec déshumidification, l’humidité absolue w diminue, l’humidité relative ε (en %) augmente.
Toutes les batteries froides, qu’elles soient à eau glacée ou à détente directe, sont équipées d’un bac de récupération de condensats. L’eau condensée sur la batterie est recueillie dans ce bac de récupération.
Figure II.5 : Batterie froide (GuidEnR, 2015)
• Humidificateur
Un humidificateur est un appareil destiné à augmenter le pourcentage d’humidité dans l’air. L’humidification s’effectue par ruissellement d’eau sur un matelas de fils d’acier galvanisé ou par injection de vapeur.
• Ventilateur
Dans le langage courant, lorsqu’on pale de ventilateur, on sous-entend le ventilateur proprement dit et son moteur. Il est donc plus précis de parler de moto-ventilateur.
Le dimensionnement du système de ventilation définit le débit à fournir par le ventilateur et la perte de charge du réseau que celui-ci doit vaincre. En fonction de la direction de l’air pulsé, on catégorise les ventilateurs en trois groupes : les ventilateurs axiaux ou hélicoïdes où l’air est aspiré et propulsé parallèlement à l’axe de rotation du ventilateur ; les ventilateurs radiaux ou centrifuges où l'air est aspiré parallèlement à l'axe de rotation et propulsé par force centrifuge perpendiculairement à ce même axe et les ventilateurs tangentiels où l’air est aspiré et refoulé perpendiculairement à l’axe de rotation.
À diamètre de roue égal, les ventilateurs centrifuges ont une capacité de débit inférieure aux ventilateurs hélicoïdes mais permettent des différences de pression nettement plus élevées. C’est ce qui justifie leur emploi dans les applications où de grandes pressions statiques sont nécessaires (groupes de conditionnement d’air) ; où rendement, qualité, économie et énergie sont primordiaux (industries) et où un débit fixe doit être maintenu coûte que coûte (salles blanches, ...).
II.2.3. Systèmes de climatisation à eau glacée
La batterie froide de l’appareil utilisé est alimentée par de l’eau glacée produite par un groupe de production d’eau glacée.
Un système à eau glacée utilise le même principe que les autres climatiseurs basés sur un circuit frigorifique. La différence se situe sur l’évaporateur qui est cette fois-ci à eau. Au lieu de refroidir de l’air, le groupe d’eau glacée refroidit de l’eau qui va ensuite refroidir de l’air, soit via une centrale de traitement d’air (CTA) ou via un ventilo-convecteur ou une cassette air/eau. D’où la dénomination détente indirecte, par opposition à un système à détente directe qui utilise directement le fluide frigorigène pour refroidir l’air.
Les installations de climatisation de grande taille, supérieures à 200 kW sont traditionnellement réalisées en eau glacée (XPair, 2013). Du résidentiel, où ils présentent l’avantage de confiner les quantités de fluide frigorigène, à l’industrie, où l’eau glacée pourra être utilisée à des fins de process entrant dans la fabrication ou la conservation de certains produits, les groupes d’eau glacée sont utilisés partout où il est nécessaire de réduire l’usage des fluides frigorigènes, que ce soit pour des raisons techniques ou écologiques. Un autre avantage de l’eau glacée est le stockage de froid via l’utilisation d’un ballon tampon permettant d’emmagasiner une quantité d’eau glacée suffisante.
II.3. Conclusion
La maîtrise du risque d’altération des denrées alimentaires nécessite une action multicritère incluant les bonnes conditions de conservation et la maitrise de l’environnement immédiat de stockage de ces denrées. Cette étude bibliographique
illustre une variété de solutions envisageables pour la conservation des denrées alimentaires. Le point commun à celles-ci étant la maitrise du milieu de stockage.
Chaque projet doit faire l’objet d’une étude spécifique prenant en compte les différents critères parmi lesquels on peut citer : les contraintes de construction, le service à rendre à l’usager, l’enveloppe financière pour la construction et l’exploitation, la qualité de l’ambiance et le respect de l’efficacité énergétique. Les discussions avec l’industriel permettront de qualifier le besoin et de décider de la solution technique, économique et environnementale à retenir.
III Chapitre III Étude et dimensionnement du système de
conditionnement d’air pour le stockage de
la semoule de blé
Introduction
Un système de traitement d’air regroupe un ensemble d’appareils dont la fonction essentielle est de préparer l’air à distribuer dans les locaux en fonction des charges sollicitées par eux. Pour déterminer et choisir ces appareils, on est amené à calculer un certain nombre de paramètres fondamentaux qui nous permettront de suivre les évolutions de l’air humide au cours du traitement qu’il subira afin de connaître la puissance, le débit…, des appareils à installer. L’objectif est bien sûr de maintenir les locaux dans des conditions souhaitées, en combattant les charges thermiques reçues et engendrées par le local.
III.1. Présentation du local de stockage III.1.1. Plan de masse de la zone d’étude
Le local est une mono-zone de surface au sol de 37,5 × 25 m2 et de 10 m de hauteur.
Nous présentons dans la figure III.1 un plan du local, dans la figure III.2 une vue isolée en 3D du local, et dans la figure III.3 les plans de chaque façade. Le tableau III-1 renseigne sur les caractéristiques des parois.
Figure III.1 : Plan du local de l’étude
Figure III.2 : Vue 3d isolé de la semoulerie
Figure III.3 : Plan 2D façades semoulerie
Tableau III-1: Caractéristiques des parois Longueur Largeur Hauteur
Est Extérieur Mur 37,5 10 375
III.1.2. Aménagements intérieurs
La semoulerie peut être divisée en deux grandes parties. La première partie est celle occupée effectivement par les semoules. Elle fait une surface au sol de 25 × 25 𝑚2 soit 70% de la surface du local. Le rayonnage est constitué de palettes sur lesquelles sont édifiées des tas de sacs de semoule. Chaque tas est constitué soit de cinquante sacs de 20 kg ou soit de vingt sacs de 50kg, pour une hauteur totale généralement de 1,10 m palette y comprise. Les tas sont ensuite montés les uns sur les autres pour réaliser des piles. Selon la disponibilité de la matière, nous pouvons atteindre des hauteurs de pile de 6m soit cinq tas par pile. Le tonnage maximal du local est de 1500t. Afin d’éviter des problèmes d’encombrement dans le local et un surdimensionnement, des échanges que nous avons eu avec le responsable logistique, nous prendrons 80% de cette valeur maximale pour les besoins de l’étude soit 𝑚𝑏𝑙é = 1200 𝑡.
La deuxième partie du local abrite des machines et équipements de production et le personnel de la semoulerie. Une représentation est donnée à la figure III.4.
III.1.3. Occupants
En période de production de l’usine, le local est occupé en permanence par du personnel technique qui travaille en rotation et ce tous les jours de la semaine. Ils sont au nombre de sept (07) dont le type d’activité menée est décrit comme difficile type usine. Pour cela, dans une ambiance de température de 25°C, nous prendrons en termes de la chaleur dégagée par personne la valeur de 149W en ce qui concerne la chaleur latente et 277W en ce qui concerne la chaleur sensible (Claessens & Ndoutoum, 2002).
Par contre, en période d’arrêt maintenance, la fréquence d’occupation est fonction du besoin.
Figure III.4 : Aménagement intérieur de la semoulerie III.1.4. Appareillage, machines et éclairage
Pour les besoins de production de l’usine, des équipements sont aussi installés dans la semoulerie. Suivant leur fonction, ces équipements peuvent être catégorisés comme suit : le Broyeur Déchets, les Convoyeurs Semoules et une partie du Système Retour Déchets et les luminaires. Ils sont composés chacun de machines qui constituent des sources de chaleur sensible. Le tableau III-2 ci-dessous renseigne sur ces différents équipements ainsi que sur le bilan de puissance dissipé.
Tableau III-2 : Machines et équipements
Equipement Organes
III.2. Conditions de stockage
III.2.1. Conditions initiales des semoules à l’entreposage
On apprécie l’aptitude au stockage par des mesures portant sur l’état du grain qui sont : mesures de l’humidité sur des échantillons prélevés à la réception et mesures de la température (ITCF, 1988).
• Échantillonnage
Les prises d’échantillons s’effectuent par sondage. C’est une méthode couramment employée car elle ne nécessite pas l’ouverture des sacs. Les prises sont effectuées au hasard dans les différentes parties des sacs retenus.
• Taux d’humidité (teneur en eau)
Au niveau du laboratoire du service qualité de l’usine de production de la société Alpha-Bénin S.A.S., à chaque réception de nouveau stock de semoule de blé, il est mesuré le taux d’humidité ou teneur en eau. L’échantillon de matière humide est pesé, puis placé dans une étuve jusqu’à l’obtention d’une masse constante.
La teneur en eau est donnée par la formule : 𝑋 =𝑚1−𝑚2
𝑚1−𝑚0 × 100 (III-1) où, m0 est la masse de la tare du creuset, m1 la masse du creuset et de l’échantillon avant chauffage et m2 la masse de la tare et du résidu après séchage.
Nous obtenons un taux d’humidité moyen de 𝟏𝟑, 𝟓%.
• Température
Le graphique de la figure III.5 décrit la température des semoules de blé lors de quelques réceptions pendant les mois d’octobre et de décembre. Le matériel de mesure utilisé est le thermomètre à infrarouge FLUKE 62 max+ disponible à Alpha-Bénin S.A.S.
L’analyse de ce graphique nous révèle que lors de la réception des semoules de blé, avant leur entreposage, les semoules tendent vers une température maximale de 32°C.
Elles tendent donc à s’uniformiser en température avec la température extérieure de base du site sur lequel l’usine est implantée. Nous retenons donc que la température à l’entreposage des semoules est de 32°C.
Figure III.5 : Evolution de la température de la semoule de blé
III.2.2. Conditions climatiques à maintenir dans le local
• Humidité relative
Tout développement de bactéries et de moisissures est inhibé pour une teneur en eau propre du blé 𝑋𝑓𝑏𝑙é égale à 13 % (Boudreau & Ménard, 1992). Un regard sur la courbe de l’hystérèse du blé (figure III.6) révèle que pour 𝑋𝑓𝑏𝑙é = 13 % correspond à une 𝐴𝑤 = 0,50.
De plus, le tableau III-3 indique l’influence de l’activité de l’eau sur la croissance des micro-organismes. Nous constatons que l’activité de l’eau minimale permettant la croissance des microorganismes est 𝐴𝑤 = 0,62 ; cette valeur étant bien supérieure à 0,50. Nous retiendrons pour le dimensionnement les valeurs suivantes : 𝑿𝒇𝒃𝒍é = 𝟏𝟑 % et 𝑨𝒘 = 𝟎, 𝟓𝟎.
Figure III.6 : Courbe de l’hystérèse du blé (Labuza, 1984)
Tableau III-3 : Activité de l’eau minimale permettant la croissance des micro-organismes (Leistner & Rodel, 1976)
• Température
Le diagramme de conservation des céréales représenté en figure III.7 indique les différentes altérations auxquelles sont soumises les céréales en fonction de la température et de l’humidité. On vérifie qu’à 25°C, des grains stockés à 15% de teneur en eau présentent des risques d’attaques d’insectes, de développement de moisissures et de germination (point A) alors que si leur humidité n’est que de 12,5% (point B) ils ne sont exposés qu’aux attaques d’insectes.
Pour de la céréale à 13% de teneur en eau (teneur en eau de conservation de notre semoule de blé), toute ambiance de température supérieure à 24°C l’expose aux attaques d’insectes et au risque de germination. Cette même céréale dans une ambiance de 24°C n’est soumise qu’à des attaques d’insectes. Pour des raisons d’économie d’énergie et financière, nous choisissons alors une température d’ambiance 𝑻𝒂𝒊𝒏𝒕 = 𝟐𝟒°𝑪 pour la
conservation des semoules de blé. Un traitement phytosanitaire périodique sera fait en appoint.
Figure III.7 : diagramme de conservation des céréales (Cruz & Diop, 1989)
III.2.3. Conclusion partielle
La teneur en eau et la température sont les deux paramètres importants permettant de juger de l’aptitude au stockage de la semoule de blé. La teneur en eau des semoules de blé, objet de notre étude, à leur entreposage est de 𝟏𝟑, 𝟓% et une température à l’entreposage de 𝟑𝟐°𝐂. Les conditions de conservation désirées sont quant à elles de 𝟏𝟑 % de teneur en eau et de 𝟐𝟒°𝐂 de température. Pour assurer ces conditions, le local de stockage doit être maintenue à une humidité relative de 𝟓𝟎% pour une température de 𝟐𝟒°𝐂. Ces conditions constituent la base de l’évaluation de son bilan thermique.
III.3. Bilan thermique du local
III.3.1. Paramètres climatiques de base
Le projet se situe à Sèmè-kpodji dans le département de l’Ouémé. Les données géographiques sont les suivantes : Latitude : 6,4 °N ; Longitude : 2.6°E ; Altitude : 3m.
La base de données climatiques est fournie par le logiciel RETScreen Expert professionnel. A partir de ces données (annexe1), nous déduisons les valeurs de température et d’humidité du milieu dans lequel le local, objet de notre étude, est implanté.
➢ Température de l’air : le logiciel nous suggère 32°C comme température de base de climatisation.
➢ Humidité relative de l’air : la moyenne d’humidité relative annuelle est de 83%.
Nous considérerons cette moyenne pour notre étude.
➢ Vitesse du vent sur le site : 𝑣 = 4,1 𝑚 𝑠⁄ III.3.2. Charges externes
Le bilan thermique d’un local se base sur l’évaluation des apports de chaleur reçus par la semoulerie par transmission et rayonnement à travers ses parois, des apports reçus par renouvellement et infiltration d’air et des apports de chaleur interne au local.
III.3.2.1. Apport de chaleur par transmission à travers les parois (murs, toit, plafond et plancher)
Soit 𝜙𝑆𝑡𝑟 cet apport par transmission. Il est calculé par l’expression :
𝜙𝑆𝑡𝑟 = 𝑘 × 𝑆 × 𝛥𝑇 (III-2) où 𝑘 (𝑊 𝑚⁄ 2. 𝐶) est le coefficient global de transmission thermique de la paroi considérée, 𝑆 (𝑚2) est la surface de la paroi et 𝛥𝑇 la différence de température entre les deux faces de la paroi considérée.
Le coefficient global de transmission thermique est déterminé par la relation :
𝑘 =
1 1 ℎ𝑒+∑𝑒𝜆+1
ℎ𝑖
(III-3)
dans laquelle ℎ𝑒 et ℎi sont les coefficients extérieur et intérieur de transfert de chaleur par convection de l’air sur les parois et 𝜆 le coefficient de conductivité thermique de la parois considérée.
• Hypothèses de calcul
− Historiquement, en simulation thermique dynamique, le transfert de chaleur entre le plancher et le sol était abordé de manière simplifiée en imposant soit une condition adiabatique, soit une température imposée (Lapisa, 2015). Nous considérerons une condition adiabatique pour les pénétrations par le sol.
− Dans les cas où les portes et tout autre genre d’ouverture sont ouvertes, le bilan thermique est impossible ou du moins n’est pas valable. Alors nous insistons sur le fait que les portes et toutes les ouvertures soient fermées. Le polyuréthanne expansé (𝜆 = 0.03 (𝑊 𝑚. 𝐶⁄ )) possède une conductivité thermique apparente très basse. Il est utilisé en toiture, sous des dalles, en isolation industrielle (Morel
& Gnansounou, 2007). Nous le recommandons en panneau sandwich pour fermer les ouvertures d’aération Nord et Sud et le vide Ouest.
− Les valeurs de ℎ𝑒(𝑊 𝑚⁄ 2. 𝐶) sont données par les expressions (ASHRAE,
Tableau III-4 : Valeurs des coefficients d’échanges convectifs intérieurs (ERGM &
SIGMAconsultants, 1988) Coefficients de convection
(W/m2.K)
Paroi Plancher Plafond
Ascendant 4,05 0,75 6,3
III.3.2.2. Apport de chaleur par rayonnement solaire à travers les parois Soit 𝜙𝑆𝑅𝑚 cet apport par rayonnement solaire. Il est calculé par l’expression
𝜙𝑆𝑅𝑚 = 𝛼 × 𝐹 × 𝑆 × 𝑅𝑚 (III-4) où
− 𝛼 est le coefficient d’absorption de la paroi recevant le rayonnement (tableau III-6). Il dépend de la couleur et de la nature du mur ;
− 𝐹 est le facteur de rayonnement solaire (tableau III-7) qui indique la part de chaleur absorbée par la surface et transmise à travers le mur du local. Il est fonction du coefficient global de transmission thermique de la surface considérée.
− R𝑚 est le rayonnement solaire absorbé sur la surface du mur en 𝑊 𝑚⁄ 2. Sa valeur dépend de la latitude sous laquelle le local se trouve, de l’orientation du mur, de l’heure à laquelle le calcul sera effectué.
Pour ce local, les parois Nord, Sud et Est sont ensoleillées. Les apports de chaleurs sont maximaux à 12h sur la parois Nord, à 12h sur la parois Sud et à 11h sur la paroi Est. La façade Est étant la plus grande, nous choisissons d’effectuer ce bilan à 11heures.
En interpolant entre les valeurs de R𝑚 obtenues à l’altitude 4° Nord et 8° Nord (Claessens & Ndoutoum, 2002), nous obtenons à 6° Nord : 362,5𝑊 𝑚⁄ 2 pour l’Est, 271𝑊 𝑚⁄ 2 pour le Nord et 346𝑊 𝑚⁄ 2 pour le Sud.
Tableau III-5: Coefficient d’absorption « α » pour murs, toits et fenêtres (Claessens &
Ndoutoum, 2002)
Couleurs et natures de la surface α
Surfaces très claires Pierre blanche-surface blanche, claire ou
crème-ciment très clair 0,4
Surfaces foncées Fibrociment-bois non peint-pierre brune-brique
rouge-ciment foncé 0,7
Surfaces très foncées Toitures en ardoises foncées - cartons bitumés
très sombre 0,9
Tableau III-6 : Facteur de rayonnement solaire (Claessens & Ndoutoum, 2002) Coefficient de transmission thermique de la
paroi considérée (W/m²°C) Coefficient du rayonnement solaire
1 0,05
2 0,1
3 0,15
III.3.2.3. Apport de chaleur par renouvellement et infiltration d’air
III.3.2.3. Apport de chaleur par renouvellement et infiltration d’air