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Étude d'Optimisation Énergétique de la Hotte Yankee

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Dans le dernier article nous avons regardé les stratégies d'optimisation pour la consommation d'énergie d'une machine à tissu avec hotte Yankee; particulièrement la consommation du gaz naturel pour la hotte Yankee versus la vapeur au cylindre Yankee.

Cette fois-ci nous nous concentrons seulement sur la consommation énergétique totale de la hotte Yankee par ses deux principales sources soit:

  1. Le gaz naturel pour alimenter les brûleurs.
  2. L'électricité pour opérer les ventilateurs du système d'air.

Ce système d'air de procédé peut comprendre jusqu'à cinq (5) ventilateurs tel que typiquement vu dans les systèmes à double brûleur, ceux-ci étant les plus communs, soit avec un brûleur au bout sec et un au bout humide. Ces cinq ventilateurs sont donc les deux ventilateurs d'alimentation (un pour chaque système: bout sec et bout humide), deux ventilateurs de combustion et un ventilateur principale d'évacuation.

Tel que vu dans l'article précédent on peut optimiser l'opération de la hotte Yankee en maximisant l'humidité absolue de son débit d'évacuation dans la plage optimum de 0.5 to 0.6 lb DA / lb H2O (0.5 à 0.6 kg DA / kgH2O).

En tant que tel, le flux d'évacuation prend un niveau d'humidité plus élevé et nous pouvons ainsi réduire le volume requis. Moins d'évacuation implique ainsi moins d'air d'alimentation, ce qui réduit la demande électrique aux ventilateurs d'alimentation.

Le plus grand bénéfice relié à l'augmentation de la température d'air d'alimentation de la hotte se manifeste dans la réduction de la vélocité du jet d'air aux diffuseurs. Le transfert de chaleur par convection, étant le principe de séchage à la hotte, est principalement gouverné par non seulement la température de l'air mais aussi par sa vélocité.

Ainsi, si la température de l'air est augmentée nous pouvons compenser en réduisant la vélocité du jet d'air sortant des diffuseurs pour rencontrer la même demande énergétique. Conclusion: une vélocité plus basse résulte en un volume d'air plus bas, ce qui réduit davantage la demande électrique aux ventilateurs d'alimentation.

Par contre, l'augmentation de la température d'alimentation nécessite une consommation en gaz naturel plus élevée aux brûleurs et la question suivante se pose: est-ce que cette augmentation du coût en gaz compensera l'économie électrique aux ventilateurs?

Nous proposons de démontrer que la somme des deux consommations produira, en effet, une réduction nette dans le coût d'opération globale de la hotte lorsqu'on augmente sa température d'alimentation.

Pour illustrer ce point nous avons effectué une étude de variance de température d'opération de la hotte, allant de 650°F à 1300°F (350 à 700°C) pour déterminer comment chaque apport énergétique individuel se comporterait à l'égard du coût total.

La variance de température étudiée couvre et la zone d'opération des hottes dites "standard" allant de 800°F à 1000°F (425-550°C) et celles dites "Haute-Température" ou "Haute-Performance" allant de 1200°F à 1300°F (650-700°C).

Nous avons utilisé le coût énergétique suivant pour notre étude, ce qui représente une moyenne dans la région EST des États-Unis:

  Électricité =     0.0969 $/HP
  0.1300 $/kWh ;
  Gaz Naturel =     8.00 $/MMBTU
  0.0273 $/kW

Dans cette étude, nous avons considéré une machine double-largeur avec un cylindre Yankee de 18 pieds (5500mm) en diamètre produisant un grade « essuie-tout » avec les propriétés et conditions d'opération suivantes:

Grade: Essuie-tout
Poids de base: 14 lbs/rame (23.0 gsm)  
Largeur de feuille à la bobine: 220 pouces (5600 mm)
Vitesse à la bobine: 6600 pi/min (2000 m/min)
Ratio de Create: 15%
Solides à la presse: 42%
Solides à la bobine: 95%
Taux d'évaporation côté vapeur: 12 lbs H2O/hre-pi2 (58 kg H2O/hre-m2) au cylindre
Taux d'évaporation côté air: 35 lbs H2O/hre-pi2 (172 kg H2O/hre-m2) à la hotte
Humidité absolue d'évacuation: 0.5 lb Air Sec / lb H2O (500g A.S. / kg H2O)

Suite à nos calculs nous avons obtenu les résultats suivants en dollars par année:

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La courbe jaune indique le comportement des coûts électriques des ventilateurs d'alimentation. Ceux-ci peuvent être assez astronomiques à basse température si nous voulons atteindre les performances accrues énoncés çi-haut. Il est clair que l'atteinte de ces hauts taux de production est difficile à de telles températures (plutôt, la machine produira simplement avec un ralentissement de vitesse). Par contre à mesure que la température augmente le coût électrique baisse de façon exponentielle jusqu'à 3.0 MM$/an pour une hotte standard et à 1.0 MM$/an pour une hotte haute-température.

Inversement, en augmentant la température, la consommation de gaz aux brûleurs augmente, tel que vu par la courbe bleue, jusqu'à approximativement 2.5 MM$/an pour la hotte standard et à 3.5 MM$/an pour une hotte haute-température.

La somme des deux consommations énergétiques est démontrée par la courbe rose qui indique un total de 5.0 MM$/an pour la hotte standard et descends davantage à 4.0 MM$/an pour une hotte haute-température. En conclusion plus la température d'opération est élevée plus il y a d'économie des coûts d'opération d'un système de séchage Yankee.

Nous constatons donc dans notre étude, la possibilité d'économie maximale de 1 MM$/an en convertissant à une hotte haute-température, ou haute-performance. Pour un tel changement la période de retour sur investissement (« ROI ») est approximativement de 1 à 2 ans.

Naturellement ces économies dépendent sur les coûts en énergie de chaque région (les nôtres étant basés sur les moyennes obtenus dans la zone EST des États-Unis). Dans le cas des régions où le coût de l'électricité est rélativement très bas la justification pour une hotte haute-performance demeurerait la possibilité d'accroître la capacité de production de la machine.


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