Récupération de l'énergie pour le séchage du maïs-grain

Agdex :	111/736
Date de publication :	06/90
Commande no.	90-007
Dernière révision :	06/90
Situation :
Rédacteur :	R.G. Winfield - Direction des productions végétales/MAAARO; H. Spieser - Direction des productions végétales/MAAARO

Table des matières

1. Introduction
2. Récupération de l'énergie de séchage
3. Récupération de la chaleur
4. Conception du système de récupération de chaleur
5. Échangeur de chaleur
6. Conception d'un échangeur de chaleur
7. Résumé
8. Références

Introduction

Le séchage des grains à haute température est rapide et efficace, mais exige beaucoup d'énergie. Quand les combustibles, comme le propane et le gaz naturel, n'étaient pas chers, les frais d'installation du système de séchage étaient plus considérables que les frais d'exploitation. Ce n'est plus vrai aujourd'hui.

Dans les séchoirs à écoulement transverse classiques, il faut au moins 40 L de propane pour produire une tonne de grains secs à 15,5 % d'eau à partir de grains contenant 30 % d'eau (poids humide) au moment de la récolte. Ainsi, les producteurs de maïs ontariens emploient, directement ou indirectement, l'équivalent de 120 millions de litres de propane par année pour sécher le maïs grain. Il est possible de réduire cette quantité de propane de 20 % par année, soit 24 millions de litre.

La plupart des propriétaires de séchoirs sont prêts à investir de l'argent, s'ils y trouvent leur compte en trois ans ou moins. C'est surtout le volume annuel de maïs séché qui détermine si la valeur monétaire des économies de carburant permettront de défrayer les coûts associés au changement de système de séchage.

Figure 1. Le séchage à haute température du maïs-grain exige des volumes importants de propane ou de gaz naturel.

Le tableau 1 montre les réductions éventuelles de combustibles et les dépenses en capital récupérables en une année selon les coûts annuels engagés pour payer le combustible, qu'il s'agisse de propane, de gaz naturel ou de tout autre carburant.

| Haut de la page |

Récupération de l'énergie de séchage

Il existe deux méthodes de récupération de l'énergie de séchage : a) la récupération de la chaleur et b) l'utilisation d'échangeurs de chaleur.

La méthode de récupération de la chaleur convient bien aux séchoirs continus destinés à sécher et à refroidir simultanément.

Cependant, les échangeurs de chaleur s'adaptent tout autant aux séchoirs continus qu'aux séchoirs discontinus (en fournées) à haute température.

Dans cette fiche technique, nous traiterons exclusivement des séchoirs à écoulement transverse comportant des colonnes étroites. Le nombre de colonnes varie de une à quatre et ces colonnes, bien que le plus souvent verticales, peuvent aussi être horizontales et munies d'une courroie à mailles ouvertes.

| Haut de la page |

Récupération de la chaleur

L'air ambiant (extérieur) qui passe au travers d'une colonne (ou d'une couche) de grains chauds absorbe la chaleur et se réchauffe. Quoiqu'il s'ajoute une certaine quantité de vapeur d'eau, l'humidité relative (HR) de l'air ambiant diminue considérablement, puisqu'il est réchauffé par les grains au cours du refroidissement. Une fois l'air de refroidissement réchauffé, sa température s'élève à 30 à 40 oC de plus que celle de l'air ambiant avec une humidité relative variant de 10 à 20 %.

Il suffit que l'air réchauffé soit poussé vers le ventilateur/brûleur (ventilateur de séchage) pour permettre des économies de combustible de 15 à 20 % (figure 2).

Cependant, l'air réchauffé ne compte que pour la moitié ou les deux tiers de l'air qui doit parvenir au ventilateur de séchage. Nous pouvons donc penser à récupérer également l'air contenu dans la partie inférieure du compartiment de séchage. La température de l'air provenant de la partie inférieure est de 40 à 50 oC au-dessus de celle de l'air ambiant. Cet air a déjà servi à sécher les grains, mais n'a pas atteint son point de saturation, son HR se situant entre 20 et 30 %. Par conséquent, on peut le recueillir avec l'air réchauffé pour compléter l'apport d'air nécessaire au ventilateur (figure 3).

Figure 2. La récupération de l'air réchauffé dans les séchoirs continus peut abaisser la quantité d'énergie de séchage nécessaire de 16 % et plus.

Figure 3. Température approximative de l'air de sortie et courbes de l'humidité relative mesurées dans un séchoir continu avec refroidissement par l'air ambiant.

Compte tenu de la perte de chaleur par radiation, la température de l'air récupéré dans le compartiment de refroidissement et dans la partie inférieure du compartiment de séchage s'élève, dans l'unité de séchage, bien au-dessus de la température ambiante et a une HR de moins de 40 %.

Par exemple, supposons que la température du plenum soit à 104 oC (220 oF) et la température ambiante à 10 oC (50 oF); la température de l'air récupéré s'élèvera vraisemblablement à environ 40 oC.

En faisant un rapport des hausses relatives de la température, nous pouvons évaluer approximativement les économies de combustible réalisées :

(oC air récupéré - oC air ambiant) ÷ (oC Plenum - oC air ambiant) x 100 = % économies de carburant

D'après l'exemple précédent, les économies réalisées grâce à la récupération d'air s'établiraient environ à :

(40 - 10) ÷ (104 - 10) x 100 = 32%

Ces économies sont tout à fait réalisables, particulièrement lorsque les températures de l'air ambiant sont basses.

Un des dangers les plus fréquents est de séparer l'air de sortie du séchage trop haut dans le séchoir. Plus la paroi perforée est haute, plus la température de l'air de sortie est basse et plus l'humidité relative de cet air est élevée. Lorsque les grains libèrent rapidement leur humidité, comme c'est le cas dans la partie supérieure de la colonne de séchage, une grande quantité de chaleur est soutirée de l'air pour évaporer l'humidité, ce qui abaisse la température de l'air et augmente dangereusement l'humidité relative (figure 3).

La plupart des séchoirs à écoulement transverse commerciaux possèdent un compartiment de refroidissement qui correspond au quart ou au tiers de la hauteur totale de la colonne. Habituellement, le débit d'air du compartiment de refroidissement est plus grand que celui du compartiment de séchage. Par conséquent, il vaudrait mieux éviter de positionner le séparateur d'air de sortie plus haut que le milieu de la paroi perforée. Sinon, une partie de l'air récupéré de faible qualité devra être libéré sans que l'on puisse en tirer profit.

Les séchoirs à quatre colonnes représentent un défi qui n'est toutefois pas insurmontable. L'espace où s'écoule l'air de sortie entre les colonnes centrales peut être cloisonné horizontalement et l'air provenant de la partie inférieure peut être dirigé vers l'arrière du séchoir.

Les séchoirs qui ne comportent qu'un seul ventilateur servant à la fois au séchage et au refroidissement, ou les séchoirs qui comprennent plus de deux ventilateurs demandent plus d'attention tout comme les séchoirs à air chaud contenant deux ventilateurs.

| Haut de la page |

Conception du système de récupération de chaleur

1. Dans les séchoirs chauffants/refroidissants à deux ventilateurs, il faut récupérer l'air du compartiment de refroidissement et de la partie inférieure du compartiment de séchage et le pousser vers le ventilateur de séchage (figure 4). Le séparateur doit donc être installé à mi-hauteur de la paroi perforée ou légèrement au-dessus.

Figure 4. Schéma d'un système de récupération installé dans un séchoir continu avec refroidissement par l'air ambiant en vue de réaliser des économies d'énergie et de refroidir les grains secs.

1. Faire en sorte que l'air de séchage, contenu dans la partie supérieure, qui arrive au point de saturation ne soit pas dirigé vers le système de récupération.
   
2. Ne pousser que de l'air pur vers le ventilateur de refroidissement afin de bien refroidir les grains et de tirer le maximum de la chaleur des grains. Le conduit d'air vers le ventilateur de refroidissement doit être d'un diamètre au moins deux fois plus grand que le ventilateur pour diminuer les pertes de pression d'air.
   
   On doit faire un compromis s'il s'agit de séchoirs munis d'un seul ventilateur. L'air chaud récupéré ne peut refroidir complètement le grain. Il faudra recourir au refroidissement en entrepôt à l'aide d'un fort débit d'air.
   
3. Lorsque le séchoir, muni d'un ou de deux ventilateurs, fonctionne comme un séchoir à air chaud, le séparateur doit être abaissé entre le quart et le tiers de la hauteur totale de la paroi perforée et l'air ambiant doit y être incorporé en vue de maintenir le débit de séchage. On devrait considérer l'ajout d'un échangeur de chaleur.
   
4. Dans les séchoirs à trois ventilateurs où le refroidissement et le séchage s'effectuent simultanément, il semblerait plus productif de rejeter l'air en cascade vers le haut. Si les ventilateurs sont de capacité égale, il sera possible de récupérer l'air deux fois.
   
5. Les dispositifs de récupération de l'air commerciaux sont facultatifs dans certains modèles de séchoirs. S'ils sont disponibles, on devrait en tenir compte. Sinon, les renseignements suivants seront d'une grande utilité lors de la conception d'un système de récupération qui puisse également offrir une protection adéquate contre les intempéries.
   
6. Construire une enceinte assez large permettant de se déplacer facilement autour du séchoir pour effectuer l'entretien comme le nettoyage de la paroi perforée. Il est suggéré de laisser un passage d'un mètre (3 pi) de chaque côté du séchoir.
   
7. Le toit de l'enceinte peut être contigu à la jonction des compartiments du séchoir sans recouvrir la partie supérieure, si celle-ci n'a pas à être protégée (figure 4).
   
8. Prolonger l'enceinte d'au moins trois mètres (10 pi) en avant du séchoir en vue de laisser des espaces de dépôt pour le son de chaque côté du conduit qui amène l'air ambiant frais directement au ventilateur de refroidissement inférieur.
   
9. L'extension de l'enceinte doit être assez haute pour contenir le ventilateur de séchage. Toutefois, on doit s'assurer que la partie avant de l'enceinte ne tire pas d'air de séchage saturé lorsqu'elle aspire son air supplémentaire du compartiment arrière qui lui, est très ouvert, particulièrement s'il s'agit d'un séchoir à quatre colonnes. La moitié de l'air chaud récupéré doit être poussé vers l'arrière des colonnes dans l'enceinte.
   
10. Idéalement, l'enceinte doit être isolée afin d'empêcher la condensation et de diminuer les pertes de chaleur. Néanmoins, la condensation est réduite au minimum lorsque le séparateur d'air est à une hauteur appropriée, et les pertes minimes d'air chaud ne devraient pas justifiés l'investissement en capital compte tenu des coûts actuels (1987) du combustible.

| Haut de la page |

Échangeur de chaleur

Les échangeurs de chaleur rendent possible la récupération de la chaleur de l'air de séchage presque saturé. Seule la chaleur provenant de cet air saturé passe à travers une cloison étanche à l'humidité (séparateur) pour se mêler à l'air froid qui entre. La chaleur humide ou latente qui résulte de la condensation de l'air chaud saturé sur le séparateur froid peut également servir à réchauffer l'air froid provenant de l'extérieur.

On peut adapter les échangeurs de chaleur à des séchoirs continus ou discontinus. Ils constituent la meilleure alternative de récupération de la chaleur lorsque le séchage et le refroidissement ne se font pas simultanément et que le séchoir continu fonctionne uniquement selon la méthode de séchage à air chaud.

La température de l'air de sortie d'un séchoir continu demeurera constante tant que la température du plenum le sera et augmentera avec le temps dans un séchoir discontinu.

Plus la température de l'air extérieur (ambiant) est froide, plus les avantages sont grands. Lorsque la température du plenum d'un séchoir continu à colonnes étroites est de 94 oC, la température moyenne de l'air de sortie équivaut environ à 40 oC. Par conséquent, l'air ambiant entrant à 20 oC ne verra sa température augmenter que de quelques degrés. Par contre l'air ambiant entrant à 0 oC verra sa température monter considérablement, ce qui réduira la consommation de combustible d'environ 20 %. Aussi, l'utilisation d'un échangeur de chaleur dépend en grande partie des températures de l'air ambiant qui prévalent dans la région.

Le coût d'un échangeur de chaleur est beaucoup plus élevé que celui d'un système de récupération et ce, pour deux raisons : premièrement, l'échangeur de chaleur est plus complexe et deuxièmement, les conduits venant du séchoir et ceux de l'échangeur de chaleur doivent être isolés afin de prévenir la condensation et d'empêcher la détérioration des dispositifs.

Les chiffres indiqués au tableau 1 correspondent également à l'efficacité d'un échangeur de chaleur.

| Haut de la page |

Conception d'un échangeur de chaleur

L'échangeur de chaleur peut être construit de différentes façons; voici donc quelques points importants pour éviter de faire des erreurs lors de son installation.

1. Les échangeurs de chaleur ne devraient être installés que lorsqu'on utilise des séchoirs à haute température qui fonctionnent dans des milieux où la moyenne des températures extérieures se maintient à 10 oC ou moins.
   
2. La vitesse de prise d'air doit varier de 4 à 5 mètres/seconde (m/s) afin d'éliminer la formation de couches d'air inertes (isolantes) près des séparateurs. La vitesse de sortie de l'air est de moindre importance et peut être beaucoup plus basse.
   
3. La longueur totale de l'entrée d'air doit être d'au moins 15 m pour que l'air soit retenu pendant au moins 3 secondes. Le courant d'air insufflé peut passer dans un conduit en serpentin, mais doit être poussé à rebours dans la dernière section en vue d'obtenir un transfert de chaleur maximal.
   
4. Les conduits en spirale galvanisés et ondulés servant à séparer les courants d'air procurent la turbulence voulue dans les prises d'air à vitesse élevée et diminuent les pertes dues au frottement.
   Les conduits ne doivent pas avoir un diamètre de plus de 100 mm afin de maximiser la surface de contact entre l'air de sortie et d'entrée.
   
5. Les conduits superposés sont auto-nettoyants, car la condensation déloge les particules (son) qui adhèrent sur leur paroi extérieure. À la fin de la saison de séchage, on doit procéder à l'enlèvement de cet amas de particules humides.
   
6. Les changements de direction dans les amenées d'air à vitesse élevée doivent emprunter des courbes longues et douces en vue de réduire au minimum les pertes dues au frottement de l'air et de maintenir un débit régulier dans tous les conduits.
   
7. On doit prendre les mesures appropriées pour récupérer l'eau de condensation et la rejeter hors du système de séchage.
   
8. L'installation d'une prise d'air éloignée diminue le dépôt des particules causé par la condensation. Toutefois, l'air rejeté qui est complètement saturé doit être dirigé loin de l'entrée d'air pour qu'il ne soit pas utilisé de nouveau.
   
9. Installer les échangeurs de chaleur à l'avant (près du ventilateur) ou à côté des séchoirs. Si on les place directement sur le séchoir, les gouttes d'eau provenant de la condensation tomberont sur celui-ci.

| Haut de la page |

Résumé

1. La quantité d'énergie calorifique (combustible) utilisée dans les séchoirs à colonnes étroites et à haute température peut diminuer de 20 à 40 % sans modifier le débit du séchoir.
   
2. Les dépenses en capital permises dépendent des économies potentielles annuelles en combustible et de la période de recouvrement du capital.
   
3. Dans les séchoirs continus à colonnes étroites comportant un système de refroidissement, récupérer l'air du compartiment de refroidissement et du sixième au quart inférieur du compartiment de séchage. Normalement, un séparateur placé à mi-hauteur de la paroi perforée permet de fournir le débit d'air total requis par le ventilateur de séchage.
   
4. Dans les séchoirs continus à air chaud, récupérer seulement le quart inférieur de l'air de séchage et y mêler l'air ambiant ou penser à installer un échangeur de chaleur.

Figure 5. Système de récupération complet d'un séchoir continu avec refroidissement par l'air ambiant.

Figure 6. Les échangeurs de chaleur peuvent être installés près de la prise d'air ou à côté du séchoir, mais jamais au-dessus.

Figure 7. Les conduits galvanisés et ondulés en spirale superposés ont donné un bon rendement. Remarquer au bas les retours d'air lissés de grand diamètre.

Figure 8. Espace accessible pour enlever les résidus de grains emportés par la condensation.

1. S'assurer que les conduits de récupération sont assez larges pour minimiser les pertes de pression.
   
2. Installer une prise d'air éloignée munie de conduits de grosseur adéquate menant au ventilateur de refroidissement afin de bien refroidir les grains secs. Si on retire les grains de maïs encore chauds du séchoir, s'assurer que le système de refroidissement de l'entrepôt ventilé est suffisant.
   
3. Si on conçoit une enceinte de récupération, prévoir également des chambres de turbulence pour recueillir les résidus de grains et empêcher leur accumulation dans les plenums.

| Haut de la page |

Références

1. Winfield, R.G. et J. Hart, 1983. Reclaiming heat energy for grain corn drying. Rapport effectué pour le Centre de recherche sur l'utilisation de l'énergie en agriculture, Ministère de l'Agriculture et de l'Alimentation de l'Ontario, Toronto, Ontario M7A 2B2, mars, 41 p.
   
2. Spieser, H. et G. Vanderwyst, 1986. Economics of heat recovery on a Bell Camp dryer. Février
   
3. Spieser, H. et N. Cook, 1986. Economics of a plate-type heat exchanger on a M & W gear co. model 250 dryer. Juillet
   
4. Spieser, H. et L. Goohill, 1986. Economics of recirculating warm air on a continuous flow grain dryer. Février
   
5. Spieser, H., 1983. Economics of heat recovery on two behlen model 380 grain dryers. Décembre
   
6. Spieser, H. et S. Willemse, 1984. Economics of a heat exchanger on a continuous-flow grain dryer. Février

Nous remercions le Secrétariat d'État pour sa contribution financière à la réalisation de la présente fiche technique.

| Haut de la page |