Évaluation des performances d’un agitateur
L’enjeu, dans la conception d’un système d’agitation, est de maximiser la poussée produite tout en minimisant la consommation d’énergie.
La plupart des applications de traitement des eaux usées utilisant des agitateurs à jet immergés sont appelées traditionnellement à « flux contrôlé ». Le mélange, dans les systèmes à flux contrôlé, s’effectue par la circulation à large échelle, dans toutes les parties du réservoir.
Mélange par circulation
Dans les systèmes à flux contrôlé, la circulation assure le mélange de la manière suivante :
A) convection ou transport des éléments du fluide (macromélange)
B) répartition de la turbulence dans l’ensemble du réservoir (micromélange)
Le degré de vélocité de circulation, et l’intensité de turbulence associée, dépendent des exigences de mélange de chaque application. Plus les exigences de mélange sont strictes, plus la vélocité de circulation doit être élevée.
Par exemple, si l’exigence de mélange est que le système liquide/solide reste homogène, la vitesse de circulation et l’intensité de turbulence doivent être suffisantes pour permettre le transport horizontal et vertical des matières solides. Le récurage doit également être suffisant pour empêcher la sédimentation au fond du réservoir.
Poussée et vitesse de l’agitateur
Pour que la circulation atteigne la bonne vitesse, le liquide doit être « poussé » par une force produite par l’hélice de l’agitateur. Cette force de poussée est à la fois bien définie et mesurable. Par conséquent, le degré de poussée produite par l’hélice d’un agitateur est le paramètre de performance le plus pertinent pour les agitateurs à flux axial.
Pour mieux comprendre la poussée, on peut faire une analogie avec un bateau dont la vitesse est le résultat de la poussée exercée par son hélice. De la même manière, la vitesse du liquide dans un réservoir de mélange est le résultat de la poussée de l’agitateur. Plus la poussée est forte, plus la vitesse est élevée. En outre, pour une poussée donnée, l’intensité de la vitesse atteinte dépend de la conception, dans le cas d’un bateau comme dans celui d’un réservoir.
Le coût de la poussée de l’agitateur
La poussée a, malheureusement, un coût. Dans le mélange, le coût est celui de la consommation d’énergie de l’agitateur.
L’enjeu, dans la conception d’un système d’agitation, est de maximiser la poussée produite tout en minimisant la consommation d’énergie. Ainsi, le ratio de poussée produite et d’énergie (entrante) consommée est une mesure pertinente de la performance de l’agitateur. Ces paramètres (poussée produite, énergie entrante requise pour produire la poussée, et le ratio des deux) sont définis dans la norme internationale ISO 21630, qui fixe les conditions et les procédures de test des performances des agitateurs immergés.
Avec tous ces paramètres bien définis, il est facile de comparer les performances de différentes conceptions d’agitateurs. Il est, évidemment, naturel de privilégier l’agitateur produisant la poussée requise tout en consommant le moins d’énergie. Le ratio poussée/puissance entrante est exprimé (R). La poussée est mesurée en newtons (N) et la puissance en kilowatts (kW). Ainsi, le ratio poussée/puissance, R, a pour unité N/kW.
N/kW, bien que non dimensionnée, est une véritable caractéristique du rendement total (wire-to-water). Le ratio poussée sur puissance du portefeuille actuel d’agitateurs immergés Flygt varie de 150 N/kW pour les petits modèles compacts à entraînement direct à 1500 N/kW pour les gros agitateurs à vitesse lente.
Si l’on compare les conceptions d’agitateurs en termes de ratios poussée sur puissance, les gros agitateurs lents ont toujours un ratio R nettement supérieur aux petites hélices rapides. En théorie, si on augmente les dimensions d’un petit agitateur rapide (R = 150 N/kW) à celles d’un gros agitateur lent (R = 1500 N/kW), et si on le fait fonctionner à la même vitesse que le gros agitateur, le ratio R de l’agitateur extrapolé serait d’environ 600 N/kW.
Cela montre clairement que les systèmes d’agitateurs les plus efficaces peuvent s’obtenir avec des modèles gros et lents. C’est également l’une des raisons pour lesquelles lorsque l’on compare différentes conceptions d’agitateurs en termes de ratio poussée sur puissance, il est important que les diamètres d’hélice soient les mêmes.