Ventilation Cours 9

Ventilation mécanique des mines

Courbe caractéristique de la mine, du ventilateur et point opérationnel

2 H T, mine = RQ +

ρ Q2 2

où A sortie HT, mine : les pertes totales de la mine (Pa) R : la résistance totale de la mine (Ns2/m8) Q : le débit d'air (m3/s) ρ : la densité d'air (kg/m3) Asortie : la surface de la sortie (m2)

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Tête de charge d’un ventilateur

Hmanomètre=HS, S vent

Hmanomètre = HT, T vent = HT, T mine

Hmanomètre = HT, vent - (HV, après - HV, avant)

Tête de charge d’un ventilateur

Attention: H = HS, vent

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Contrôle du débit fourni de ventilateur Il existe trois façons de contrôler ou de modifier le débit d'un ventilateur : ƒ Créer une résistance artificielle avant ou après le ventilateur (utilisation des registres ou vannes guides); guides); ƒ Changer ll'orientation orientation des pales (seulement pour les axiaux); ƒ Changer sa vitesse de rotation. rotation.

Contrôle du débit fourni Registres (dampers) À la sortie

À l’entrée

Si les registres sont installés à la sortie d'un ventilateur, ils n'influencent pas sa courbe caractéristique, mais ils augmentent la résistance du système

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Contrôle du débit fourni -Vannes guides

Effet sur la performance

Vannes guides radiales

Vannes guides axiales

Si on installe les registres à l'entrée d'un ventilateur centrifuge, ils vont influencer sa courbe de performance

Orientation des pales ƒ L'angle d'attaque des pales: une variable importante qui influence la performance d'un d un ventilateur axial. axial. Elle peut varier entre 10° 10° et 30 30°° (fixe ou variable). Dans le cas des pales à pas variable (variable pitch), le réglage peut être manuel (après avoir arrêté le ventilateur) ou automatique (pendant l'opération) ƒ La variation de l'angle d'attaque des pales et de la vitesse de rotation sont les façons les plus efficaces pour contrôler le débit d'un ventilateur axial. axial. Dans le cas de l'angle d'attaque, on peut maintenir une efficacité de 75%

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Pales à pas variable (variable pitch)

Réglage manuel

Réglage automatique (pitch in motion)

Réglage automatique (pitch in motion), puissance et bruit

JOY

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Vitesse de rotation ƒ Le débit fourni par un ventilateur est ~ n La pression fournie est ~ n2 tandis que la puissance requise ~ n3 ƒ Souvent on varie la vitesse de rotation d'un ventilateur en variant la fréquence du courant électrique de l'alimentation ((adjustable adjustable frequency drive). Il s'agit de la façon la plus efficace de varier le débit fourni par un ventilateur. On peut remarquer des économies de 56% à 69% par rapport aux vannes guides et aux registres i t • Le coût : $75 $75/HP /HP pour le faible voltage 600 V et $175/HP pour medium voltage 4160 V

Vitesse de rotation

Registres à la sortie

Registres à l’entrée

En variant la vitesse de rotation (fréquence du courant)

Économies d’énergie en variant la vitesse de rotation (Magnetek)

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JOY M-108 (9 pi. dia.) 22ºº 22

Point opérationnel Ex. Un ventilateur fournit 140000 cfm f (66m (66 3/s) / ) à une pression i d de 3,5 po. d’eau (871 Pa) à 1000 rpm.. Trouver la nouvelle rpm vitesse pour fournir 175000 cfm (83m3/s) ƒ Graphiquement, le nouveau p.o.(2) p.o .(2) exige une pression de 5 5 po.d 5,5 po d’eau d’eau Loi des ventilateurs ventilateurs:: Q ~ n 175000

n2 = 140000 (1000) = 1250rpm

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Densité ƒ Un ventilateur est calibré pour la densité standard de 1,2 kg/m3 ou 0,075 lb/pi3 (21 21°°C, niveau de la mer) ƒ Si la densité est 1,35 kg/m3 (+15%) (à 2200 m de profondeur) alors il va produire une pression de 15% plus élevée et il va demander 15% de plus de puissance ƒ Le contraire arrive à une altitude de 2200 m * Le débit fourni est indépendant de la densité

Point opérationnel Ex. Un ventilateur de 48 po. (courbe donnée) tourne à 1500 rpm et une densité d’air de 1,2 kg/m3 ƒ Trouver la vitesse d d’un un ventilateur similaire de 72 po. qui doit fournir 90000 cfm (42m3/s) à 2 po.d’eau po.d’ eau (498 Pa) et à 1,36 kg/m3 ƒ On trace la courbe caractéristique du système (90000,2) ƒ La courbe caractéristique du 72 po po.(à .(à 1500rpm) sera donnée par les lois des ventilateurs:

1500 rpm

72’’, 888rpm

1500 rpm

3 ⎛ 1500 ⎞⎛ 72 ⎞ Q' = ⎜⎜ ⎟⎜⎜ ⎟⎟ Q = 3,375Q ⎟ ⎝ 1500 ⎠⎝ 48 ⎠ 2

⎛ 1500 ⎞⎛ 72 ⎞ ⎛ 1,36 ⎞ H '= ⎜ ⎟ H = 2,55H ⎟⎜ ⎟ ⎜ ⎝ 1500 ⎠⎝ 48 ⎠ ⎝ 1,2 ⎠

ƒ Graphiquement on trouve Q1=152000cfm (71,7m3/s) et la nouvelle vitesse: 90000 n2=

152000

(1500) = 888rpm

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Ventilateurs en série

HT, AB = HTA + HTB et HS, AB = HT, AB - HV, Dernier

Ventilateurs en série ƒ Vous êtes à planifier le système de ventilation d’une mine où les besoins d’air frais sont de 120 000 pi3/min (56,63 m3/s). Les pertes statiques de la mine sont de 12 po. d’eau. et vous avez deux ventilateurs axiaux identiques Joy (de vitesse variable M M--84 84--36). Proposer une solution, trouver le point opération

6 po d’eau

6 po d’eau

HS, AB = HS,A + HS,B

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Ventilateurs en parallèle

Ventilateurs identiques (même pression)

QAB = QA + QB HS, AB = HS, A= HS, B HT, AB = HS, AB + HV, A + HV,B

Ventilateurs en parallèle ƒ

Vous êtes à planifier le système de ventilation d’une mine de 2,5 po. d’eau de pertes statiques où les besoins d’air frais sont de 280 000 pi3/min (132,14 m3/s) et vous avez deux ventilateurs e t ateu s identiques de t ques (d’un (d u angle a g e de pales pa es variable) a ab e) dont do t la a courbe cou be caractéristique ca acté st que est indiquée sur la Figure 1. Proposer une solution, trouver le point opérationnel

140000

QAB = QA + QB

HS, AB = HS, A= HS, B

140000

et HT, AB = HS, AB + HV, A + HV,B

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En parallèle

En parallèle, il faut avoir de clapets (éviter court-circuits quand seulement un des deux fonctionne (ex. entretien)

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En série ou en parallèle ? ƒ Les ventilateurs en série s'adaptent préférablement sur des réseaux où la résistance est élevée. En pratique, un système avec ventilateurs en série n'est requis qu'après plusieurs années d'opération. Dans les mines métalliques, ét lli on procède èd alors l à l'l'aménagement é td de ventilateurs til t de d renfort f tà un endroit commode sous terre, de façon à minimiser tant les fuites que les pressions élevées qui les amplifient. ƒ Les ventilateurs en parallèle s'adaptent mieux aux mines jeunes où la résistance à l'écoulement de l'air est relativement faible. ƒ Mines modernes où les débits requis sont élevés à cause de l'équipement diesel et les travaux plutôt concentrés en quelques endroits rapprochés. On tend de plus en plus à utiliser des ventilateurs identiques en parallèle (en surface ou sous sous--terre)) plutôt qu'un ventilateur unique plus puissant, pour des raisons d'économie de capital et de réduction des risques d'arrêt du système de production suite à un bris mécanique ƒ Il est préférable d'utiliser des ventilateurs à débit constant (axiaux) pour les opérations en parallèle afin d'éviter des fluctuations importantes de débit suite à la modification de la résistance du réseau

CFD ƒ Dans le cas de 22-3 ventilateurs en parallèle p attention aux vortex → pertes de charge ƒ Faire de simulations avec des élements finis afin d’étudier la dynamique de fluide (CFD) du courant d’air

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ƒ Gains en améliorant le design avec CFD: 1 po.d’eau

Ventilateurs et pression de ventilation naturelle (PVN)

ƒ Qw ≠ Q m + Qn ƒ Qa ≠ Qm - Qn Où Qa : débit lorsque le ventilateur contre PVN Qw : débit lorsque le ventilateur avec PVN

Toujours solution graphique !

* la vraie pression fournie par le ventilateur est donné par le point sur la ligne continue

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Évasé ƒ Dans un système de ventilation aspirante aspirante,, il est important de réduire la pression de vitesse à la sortie, puisque cellecelle-ci constitue une perte d d'énergie énergie pour le système. système ƒ On construit alors une conduite avec expansion progressive de façon à récupérer le plus possible cette perte d'énergie. On appelle une telle construction un évasé.

ƒ Le rapport Asortie / Aentrée optimal est 4:1 ƒ L'angle optimal θ est de 8º à 11º

Évasé ƒ La récupération d'énergie de vitesse est fonction de l'efficacité de conversion ηc et de la différence entre les pressions de vitesse d'entrée et de sortie dans le diffuseur ou l'évasé. 2 2 ƒ Hr = ηc (Hentrée t é - Hsortie ti ) = ηc ρ (V entrée t é - V sortie ti )/2 =ηc ρ

2

Q 2

⎛ 1 1 ⎞ ⎜⎜ 2 - 2 ⎟⎟ ⎝ A entrée Asortie ⎠

où Hr : l'énergie récupérable (Pa) ρ : la densité de l'air (kg/m3) V : la vitesse de l'air (m/s) A : la surface (m2) Q : le débit d'air (m3/s) La puissance récupérable Pr (en W) : Hr Q Pr =

ηm

ƒ où ηm est le rendement mécanique du ventilateur.

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Évasé

Toujours solution graphique !

Estimation de l’efficacité d’un évasé ƒ ηc en fonction des caractéristiques géométriques de l'évasé ƒ longueur L, ƒ angle θ, ƒ rayon à l'entrée Rf, ƒ Rapport des surfaces d'entrée et de sortie Af et Ae ƒ Le rapport Asortie / Aentrée optimal

est

4:1 ƒ L'angle optimal θ est de 8º à 11º

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Selection d’un ventilateur Facteurs à considérer: ƒ Profondeur finale de la mine ƒ Élévation de la mine ƒ Méthode d’abattage ƒ Tonnage par jour (minerai et stérile) ƒ No. de l’équipement diesel ƒ Conditions thermodynamiques et température de la roche vierge ƒ Pression de ventilation naturelle ƒ Génération de gaz toxique et de chaleur sous terre ƒ Estimer le débit (Q) d’air nécessaire pour le max de la production par jour ƒ Estimer les facteurs K ƒ Faire beaucoup de simulations

Estimer les pertes statiques de la mine

Selection d’un ventilateur ƒ Une fois que le Q et Hs,mine connues ƒ Augmenter les Q et Hs,mine de ~ 20%, afin de prendre de considérations des augmentations des besoins du futur ƒ Supposons les simulations nous ont indiqué 900000 cfm (425 m3/s) et des pertes de 2980 Pa (12 po. d’eau) ƒ alors il faut chercher un ventilateur de 1200000 cfm (566 m3/s) et une pression de 3973 Pa (16 po. d’eau) ƒ En pratique il faut choisir – 2 ventilateurs en parallèle qui peuvent fournir jusqu’à 600000 cfm (282 m3/s) et 3973 Pa ((16 p po. d’eau)) chaque q

ƒ Ce qui veut dire – 2 ventilateurs de 3,048 m (10 pi.) de diamètre avec un moteur de 1500 HP, à 890 rpm chaque

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Exemples des dimensions et intervalles de performance de ventilateurs de mines Fan Diameter m (inches)

Hub Diameter Range m (inches)

Fan Speed rpm

System Pressure kPa (inches w.g.)

Approximate Quantity Range m3/s ( cfm) 59-71 9 1 (12 (125,000 000 - 150,000 1 0 000 cfm) f )

1 2(60) 1.52(60)

0 4 1 09(29 43) 0.74-1.09(29-43)

1 180

1 24 ((5)) 1.24

1.52 (60)

0.74 (29)

1780

1.24 (5)

110 (233,000)

1.52 (60)

0.91 (36)

1780

2.48 (10)

112 (238.000)

1.83 (72)

0.91 - 1.27 (36-50)

1180

1.24 (5)

123-127 (260,000-270,000)

1.83 (72)

0.91 - 1.27 (36-50)

1180

2.48 (10)

113-118 (240,000-250,000)

1.83 (72)

0.91 (36)

1780

2.48 (10)

189 (400,000)

2.13 (84)

1.09- 1.27 (43-50)

880

1.24 (5)

137-151 (290,000-320,000)

2.13 ((84))

1.09 - 1.27 ((43-50))

1180

2.48 ((10))

177-198 ((375,000-420,000))

2.44 (96)

1.27-1.47 (50-58)

1180

2.48 (10)

295-312 (625,000 - 660,000)

2.74 (108)

1.65- 1.83 (65-72)

880

2.48 (10)

307-312 (650,000 - 660,000)

3.05 (120)

1.65- 1.83 (65--72)

880

2.48 (10)

425-445 (900,000 - 940,000)

3.35 (132)

1.83 (72)

900

2.48 (10)

590 (1,250,000)

3.66 (144)

1.65 (65)

710

2.48 (10)

529 (1,120.000)

3.66 (144)

2.0 (79)

880

2.48 (10)

779 (1,650,000)

Plus le ventilateur est gros plus la vitesse de rotation est faible

Moteurs des ventilateurs principaux ƒ Un moteur électrique peut varier de 200 HP jusqu’à 5000 HP ƒ Si < 350 HP → 480 Volts ƒ Si > 450 HP → 2300 à 4160 Volts ƒ Si gros moteur → démarreur (s’il n’y a pas de VFD)

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Centrifuge vs. Axial ƒ Si la pression du ventilateur doit être très élevée (ex. mines profondes ou avec équip. diesel) → centrifuge – Ex Ex. si H = 20 po po. d’eau d eau, au lieu de 2 ventilateurs axiaux de 10’’ chaque en série, c’est mieux 1 vent. centrifuge de 20’’ – 1 ventilateur centrifuge coûte moins cher que 2 axiaux en série – Les ventilateurs centrifuges sont moins bruyants que les axiaux

ƒ Le plus gros ventilateur centrifuge fournit : 157 po. d’eau ƒ Ex. Approfondissement de la mine Creighton (Inco) à 2500m → remplacer les axiaux par 3 gros ventilateurs centrifuges en parallèle (avec VFD)

Example de ventilateur (Alphair) centrifuge de 2,13 m (83,13 po.) de diamètre

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Graphique de selection de ventilateurs Varofoil Woods

Graphique de selection de ventilateurs JOY

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JOY

JOY

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Point opérationnel 340000 cfm 160 m3/s

1100 33º

mine de 17 po po.. pertes statiques

18,7 po.

évasé

1,7 po.

33º

Ventilateur de renfort (à travers un cloison) 1. Pour acheminerde l’air à certaines branches de h t resistance haute i t 2. Pour distribuer l’air à divers niveaux

Configurations possibles de ventilateurs de renfort

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Ventilateurs de renfort 72", 150 HP fan Golden Giant Mine, Newmont Canada Limited

30", 75 HP fan installed in shaft station Golden Giant Mine,, Newmont Canada Limited

La totalité de la puissance de ventilateurs de renfort sous sous--terre est transformée en chaleur → problème pour mines profondes

Configurations possibles de ventilateurs

Ventilateurs de renfort

Ventilateurs principaux

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Localisation du ventilateur principal ƒ

Le ventilateur principal : normalement → à la surface – meilleur contrôle électrique et mécanique et entretien – moins de re re--circulation

ƒ

Parfois il est préférable d'aménager d aménager le ventilateur principal au fond – – – –

ƒ

meilleure ventilation des chantiers profonds (pression où on a besoin) ex. Mines Seleine Réduction des fuites car les pressions sont moins élevées partout dans le réseau solution qui libère les ouvertures pour le transport des hommes et du matériel La totalité de la puissance est transformée en chaleur → problème pour mines profondes

Le ventilateur à la surface peut être situé en position soufflante ou aspirante – En pression positive (système soufflant), soufflant), le ventilateur est situé dans l'air frais ƒ réduit la corrosion ou l'encrassement des aubes g dans nos mines métalliques q verticales de conserver le p puits p pour la sortie de l'air vicié,, ƒ avantageux ce qui empêche le gel en hiver et conserve le bois humide (air saturé d'eau). En hiver, ceci permet aussi de réduire la consommation d'énergie à cause de la pression naturelle et de l'expansion thermique de l'air.

– En pression négative (système aspirant) aspirant) ƒ il y a possiblement moins de fuites dans le système ƒ nécessite un aménagement spécial d'un puits ou des deux (gicleurs et chauffage), contrôle par une conduite d'accès pour le puits de retour et étanchéité du puits en surface. Dans les mines de charbon, c'est très avantageux puisque le bris du ventilateur augmente la pression dans la mine et retarde la propagation du méthane dans la mine.

Brouillard en hiver ƒ Attention aux brouillards de l’air à la sortie en hiver (nuages de vapeurs énormes): il ne faut pas les diriger (vents dominants) vers les installations de surface

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Vannes directrices (aérodynamiques) pour les coudes (pour angles > 45º)

Construction ƒ La construction requiert une fondation et un aménagement soigné; – il est essentiel d'assurer une structure de niveau et de limiter le jeu pour une opération efficace – il faut de p plus assurer une p protection contre la foudre,, le feu,, les vandales ((bien clôturer), les oiseaux (grillage).

ƒ Une conduite doit être prévue pour adapter le ventilateur à la cheminée d'aérage (la plupart des mines). Cette conduite doit minimiser les pertes par chocs et friction; il faut prévoir des vannes directrices dans les coudes (pour les débits débits--pressions importants) ƒ Il faut de plus s'assurer d'un programme d'entretien préventif pour – le moteur et l'entraînement (direct ou par courroies) – le ventilateur

ƒ Les points principaux du programme d’entretien d entretien – l'inspection régulière, la lubrification, la peinture et le nettoyage du ventilateur – les roulements à bille, de même que le moteur sont les principaux troubles habituellement rencontrés

ƒ Si la base n'a pas été construite suffisamment solide (quatre (quatre fois le poids du ventilateur), ventilateur), il peut y avoir des problèmes de bris d'aubes causés par des vibrations excessives. Des tests périodiques sont recommandés pour vérifier que le ventilateur opère à son rendement optimal pour une résistance donnée de la mine.

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Aspects économiques de ventilation ƒ Débit à fournir : 200 000 CFM (94,4 m³/s) ƒ Prix P i de d l’él l’électricité t i ité : 0,04 0 04 $/KWH ƒ Puissance de l’air Pa = HQ/6346 (HP) – Si H est de1 po. d’eau (248 Pa)

ƒ ƒ ƒ ƒ

Pa = 1 * 200 000 / 6346 = 31,52 HP (23,5 KW) Le système dépensera 23,5 KW/po d’eau de pertes 23,5 KW/Po.H2O * 24 h*365 j/an = 205 860 KWH / an 205 860 KWH *0,04 $/KWH = 8 234 $ / an/ po. d’eau

Coûts de ventilation ((basé basé sur 0,04$/KWH) HP/Coût HP/ Coût d’achat $

24h--7j/sem 24h $

16h-16h 7j/sem $

16h--5j/sem Coût de VFD $ 16h (variation de fréquence) $

50/7000

13140

8760

6257

100/10000

26200

17520

12515

150/15000

39420

26280

18772

200/20000

52560

35040

25030

• $75 $75/HP /HP for low voltage 600 V

Démarreur $

1800 4000

• $175/HP for medium voltage 4160 V

4500 4500

ƒ Coût C ût d’ d’achat h t < que lle coût ût d’opération d’ é ti /année d’opération/ é ƒ Les dispositifs de variation de fréquence (VFD) pour régler la vitesse de rotation peuvent économiser si – Le débit doit varier (ex. augmenter après le sautage ou arrêter durant les arrêts de production) – On veut modifier un ventilateur existant

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