Moteur de ventilateur haute température : chaleur d'arbre et protection du moteur pour fours et procédés

Le moteur d'un ventilateur haute température est un moteur asynchrone triphasé standard qui fonctionne hors du gaz chaud, et non dedans ; ce qui le protège de la chaleur n'est pas le moteur lui-même mais l'agencement côté ventilateur : le moteur reste hors du flux de gaz, un arbre long sépare la roue du moteur, un disque de refroidissement est monté sur l'arbre et un écran thermique est placé devant la bride du moteur. La puissance du moteur se vérifie en revanche au premier démarrage four froid, et non en service à chaud : un ventilateur dimensionné pour 300 °C demande environ 1,96 fois plus de puissance dans de l'air à 20 °C, à la même vitesse.

Cet article explique d'où vient la chaleur qui atteint le moteur dans les ventilateurs de recirculation de fours, de traitement thermique, de séchage et de gaz de procédé, comment le moteur est protégé et comment la charge au démarrage à froid modifie le choix du moteur. Le raccordement, le réglage du relais thermique et du variateur doivent être confiés à un électricien qualifié. Les modèles en fonte 4 et 6 pôles adaptés figurent parmi les 120 modèles de la page Acheter un moteur électrique en ligne ; les informations générales sont sur notre page Moteurs de ventilateur.

Qu'est-ce qu'un ventilateur haute température et en quoi diffère-t-il d'un ventilateur de désenfumage ?

« Ventilateur haute température » ne désigne pas un principe de fonctionnement mais une condition de service. Le ventilateur est le plus souvent centrifuge ; les grands fours utilisent aussi des ventilateurs de recirculation hélicoïdes ou hélico-centrifuges. Leur point commun est de véhiculer en permanence un gaz chaud : recirculation d'air de four, fours de traitement thermique et de recuit, cabines de séchage de peinture, aspiration de gaz de procédé chauds, générateurs d'air chaud.

Le ventilateur de désenfumage est un autre sujet. Il fonctionne normalement dans de l'air froid ; en cas d'incendie, il doit tenir une température donnée pendant une durée donnée et l'ensemble ventilateur + moteur doit être certifié selon l'EN 12101-3. Les moteurs standard DRG ne sont pas vendus avec cette certification ; pour le mode désenfumage, l'ensemble certifié s'achète auprès du fabricant du ventilateur. Le détail se trouve dans notre article Moteurs électriques de désenfumage. Cet article ne traite que des ventilateurs de procédé qui véhiculent du gaz chaud en service normal.

Le partage des responsabilités doit être clair dès le départ : le choix du ventilateur, sa courbe, le matériau de la roue, l'agencement de l'arbre et des paliers et l'isolation du caisson relèvent du fabricant du ventilateur ou de l'ingénieur procédé. Le rôle du fournisseur de moteurs est de livrer un moteur adapté à la puissance sur l'arbre, à la vitesse, au montage et aux conditions ambiantes de l'emplacement du moteur.

D'où vient la chaleur qui atteint le moteur ? Arbre, rayonnement et ambiance

Dans un ventilateur haute température correctement construit, le moteur n'est jamais en contact avec le gaz chaud. La chaleur l'atteint par trois voies :

• Conduction le long de l'arbre : la roue est dans le gaz chaud ; l'arbre conduit la chaleur hors du caisson vers les paliers et vers l'accouplement ou l'arbre moteur. La pièce la plus exposée est le roulement avant (côté entraînement) du moteur et sa graisse.
• Rayonnement du caisson : un caisson non isolé ou une paroi de four chauffe la carcasse du moteur placée en face.
• L'air de refroidissement du moteur : le moteur aspire l'air environnant avec son propre ventilateur. S'il se trouve dans un compartiment chaud au-dessus du four, il est refroidi par de l'air chaud et le bobinage chauffe davantage à charge égale.

La note technique d'un fabricant de ventilateurs indique que les paliers ne doivent jamais fonctionner dans un flux d'air à plus de 54 °C (130 °F) [1]. C'est pourquoi l'agencement avec roue directement sur l'arbre moteur et moteur proche du flux de gaz n'est utilisé qu'à basse température. Selon la même source, un ventilateur hélicoïde standard convient jusqu'à 93 °C ; l'ajout d'une roue de refroidissement sur le palier porte cette limite à 149 °C [1].

Quels dispositifs protègent le moteur de la chaleur ?

La protection se situe entre le ventilateur et le moteur, pas dans le moteur. Le catalogue d'un fabricant décrit le disque de refroidissement comme un disque en aluminium monté sur l'arbre entre le palier intérieur et la volute pour dissiper la chaleur conduite par l'arbre [2]. Un autre en équipe de série ses ventilateurs, avec protecteur, entre 149 et 204 °C [3] ; un troisième recommande un refroidisseur d'arbre pour toute application au-delà de 149 °C [1].

Faire de la place pour un refroidisseur d'arbre augmente la distance entre la roue et le palier (le porte-à-faux) ; plus elle est grande, plus la vitesse sûre de l'arbre baisse, et elle ne doit jamais être augmentée lors d'une intervention [1]. En pratique, pour le remplacement du moteur : le nouveau moteur doit prendre la place de l'ancien avec le même bout d'arbre et la même hauteur d'axe ; n'essayez pas de le « faire entrer » en déplaçant l'accouplement ou la poulie.

La dilatation thermique est une autre question. À chaud, l'arbre s'allonge et le caisson se dilate ; un palier doit être fixe et l'autre libre [1]. Avec un accouplement, un alignement réglé à froid peut se dérégler à chaud ; contrôlez l'alignement après la première marche à chaud.

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Pourquoi le moteur est-il surchargé au démarrage à froid ? Calcul par le rapport de masse volumique

À vitesse donnée, la puissance absorbée par un ventilateur est proportionnelle à la masse volumique du gaz, elle-même inversement proportionnelle à la température absolue. Quelle que soit la température à laquelle se rapporte la puissance du fabricant, on la convertit pour l'air froid ainsi : P_froid = P_chaud × (273,15 + T_chaud) / (273,15 + T_froid).

Exemple (hypothèses explicites) : four de traitement thermique, recirculation de 10 800 m³/h (3 m³/s), 1 200 Pa de pression totale dans un gaz à 300 °C ; avec un rendement de ventilateur supposé de 0,70, la puissance sur l'arbre vaut P_arbre = Q·Δp / η_vent ≈ 5,1 kW. Avec une marge de 0,95 pour la transmission par courroie, l'arbre moteur demande environ 5,4 kW. Four à 20 °C, le rapport vaut (273,15 + 300) / (273,15 + 20) ≈ 1,96 : le même ventilateur demande environ 10,6 kW. À 1465 tr/min, cela représente un couple d'environ 35 Nm à chaud et 69 Nm à froid.

Le moteur de 7,5 kW est chargé au-delà du nominal jusqu'à ce que le gaz atteigne environ 141 °C ; pendant ce temps, il faut fermer partiellement le registre ou limiter la vitesse par variateur. Cette limitation dépend d'un réglage de procédé et, si on l'oublie, le moteur disjoncte. Choisir directement 11 kW n'exige aucune logique de commande, mais à chaud le moteur tourne à environ mi-charge. Le choix dépend du nombre de démarrages à froid du four et de la fiabilité de l'automatisme. Vous pouvez refaire le calcul avec vos valeurs dans le calculateur de puissance pompe et ventilateur ; pour la relation vitesse–puissance, voir notre article sur les lois de similitude.

Combien de kW pour un moteur de ventilateur haute température ?

On ne peut pas donner de plage de puissance générale fiable pour ces ventilateurs ; la puissance se détermine à partir des données de l'application. Ce qui la fixe : diamètre et type d'aubes de la roue, débit, pression statique à la température du gaz, vitesse, résistance du circuit (charge dans le four, batterie de chauffe, grilles), masse volumique et température du gaz, pertes de courroie ou d'accouplement et marge de démarrage à froid. Demandez au fabricant du ventilateur la puissance sur l'arbre à la température de calcul, celle du même ventilateur à 20 °C et la vitesse maximale admissible de la roue.

Gamme DRG : carcasse aluminium 0,25–11 kW, fonte 0,55–355 kW ; 1000, 1500 et 3000 tr/min ; triphasé, 230/400 V ou 400/690 V ; montage B3, B5, B14 et B35 (avec note de commande). Dans les compartiments chauds, la carcasse fonte est préférée. Le tableau de prix ci-dessous reprend les modèles 4 et 6 pôles de 3 à 18,5 kW, plage fréquente pour les ventilateurs de recirculation et de procédé.

Vitesse et polarité : pourquoi un moteur lent pour une roue chaude ?

La résistance du matériau de la roue diminue avec la température ; les fabricants réduisent donc la vitesse maximale admissible à haute température [1]. La polarité du moteur se choisit en fonction de cette limite. Exemple : une roue de 800 mm (hypothèse) tourne à une vitesse périphérique d'environ 61 m/s avec un moteur 4 pôles (1465 tr/min) et d'environ 41 m/s avec un moteur 6 pôles (970 tr/min). Les grandes roues ayant peu de marge à chaud utilisent un moteur 6 pôles, par exemple le DRG-160L-6 (11 kW, 970 tr/min, 22,0 A sous 400 V), ou une réduction de vitesse par courroie. Un moteur 2 pôles n'est envisageable que sur de petites roues et avec l'accord explicite du fabricant.

Ne changez pas la polarité parce que les kW sont « les mêmes » : un moteur 6 pôles sur un ventilateur prévu pour 4 pôles réduit le débit à peu près dans le rapport des vitesses et la puissance selon le cube de ce rapport, et le four ne répartit plus sa chaleur ; dans l'autre sens, la roue part en survitesse.

Montage, raccordement et liste de contrôle pour le choix du moteur

La fixation du ventilateur sur le four (toit, paroi latérale, paroi arrière) est distincte du type de montage CEI du moteur. Sur les ventilateurs de recirculation descendant verticalement du toit du four, le moteur est le plus souvent à bride, vertical (V1) ; avec un palier séparé ou une courroie, il est à pattes sur un socle (B3). Le type exact est donné par le plan du fabricant du ventilateur. Le DRG-160M-4 de 11 kW a un arbre de 42 × 110 mm et des roulements 6309-C3 ; il absorbe 20,4 A sous 400 V et 21,5 A sous 380 V.

• À quelle température de gaz se rapporte la puissance de la plaque du ventilateur ? La valeur à 20 °C a-t-elle été demandée ?
• Vitesse maximale admissible et vitesse de calcul de la roue.
• Entraînement : roue sur l'arbre moteur, arbre à paliers séparés avec accouplement, ou courroie ?
• Disque de refroidissement, écran thermique et étanchéité d'arbre en place et en bon état ?
• La température de l'air du compartiment moteur a-t-elle été mesurée ; le ventilateur du moteur aspire-t-il de l'air propre ?
• Carcasse, arbre D × E, type de montage et hauteur d'axe de l'ancien moteur.
• Méthode de démarrage à froid : moteur plus gros, registre ou variateur.
• Relais thermique réglé sur le courant de plaque (sélection relais thermique, fusible et contacteur) ?
• À l'arrêt du four, le ventilateur continue-t-il de tourner jusqu'au refroidissement de la roue et de l'arbre ? L'arrêter à chaud échauffe l'arbre et le roulement.

Pour la pratique propre aux fours de séchage et les réglages du variateur, voir notre article Choix du moteur de ventilateur de four de séchage.

Moteurs DRG pour ventilateurs haute température

• DRG-132S-4 – 5,5 kW – 1460 tr/min – IEC 132S fonte
• DRG-132M-4 – 7,5 kW – 1460 tr/min – IEC 132M fonte
• DRG-160M-4 – 11 kW – 1465 tr/min – IEC 160M fonte
• DRG-160L-6 – 11 kW – 970 tr/min – IEC 160L fonte
• DRG-160L-4 – 15 kW – 1465 tr/min – IEC 160L fonte
• DRG-180L-6 – 15 kW – 978 tr/min – IEC 180L fonte

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Ventilateur haute température : questions fréquentes

Un ventilateur haute température exige-t-il un moteur spécial haute température ?

En général non. Le moteur est hors du flux de gaz et la chaleur est arrêtée par le disque de refroidissement, l'arbre long et l'écran thermique. Le vrai contrôle porte sur la température de l'air du compartiment moteur.

Pourquoi le moteur du ventilateur de four disjoncte-t-il au premier démarrage du matin ?

L'air froid est plus dense que le gaz chaud ; un ventilateur prévu pour 300 °C absorbe environ 1,96 fois plus de puissance à 20 °C. Il faut un registre, un variateur ou un moteur plus gros ; augmenter le réglage du relais thermique n'est pas une solution.

Quelle vitesse pour un moteur de ventilateur de four ?

Celle qu'autorise le fabricant de la roue ; la recirculation utilise surtout des moteurs 4 pôles, les grandes roues chaudes des moteurs 6 pôles ou une vitesse réduite par courroie.

Combien d'ampères consomme un moteur de 11 kW à 1500 tr/min ?

Le DRG-160M-4 consomme 20,4 A sous 400 V et 21,5 A sous 380 V ; sa vitesse nominale est de 1465 tr/min et son couple nominal de 71,7 Nm.

Envoyez-nous l'étiquette du ventilateur, la température de calcul et la plaque de l'ancien moteur : nous confirmerons ensemble le modèle DRG adapté. Téléphone +90 (542) 666 11 11, e-mail [email protected], page contact. Tous les modèles et prix actuels : Acheter un moteur électrique en ligne.

Sources

1. Clarage – Fan Engineering FE-3200: High Temperature Fans (PDF) – refroidisseur d'arbre conseillé au-delà de 149 °C (300 °F) ; paliers jamais dans un air à plus de 54 °C (130 °F) ; hélicoïde standard 93 °C, 149 °C avec roue de refroidissement
2. Greenheck – Industrial Process Fans, Model IP (katalog, PDF) – disque de refroidissement en aluminium sur l'arbre entre palier intérieur et volute ; options 260 / 427 / 537 °C selon la disposition
3. Cincinnati Fan – PB Series (teknik katalog, PDF) – disque de refroidissement et protecteur de série entre 149 et 204 °C (301–400 °F)