Développement innovant des séparateurs cycloniques IMI grâce aux outils de simulation
Les bâtiments représentent une part importante de la consommation d'énergie et des émissions de gaz à effet de serre au niveau mondial. Dans la lutte contre le changement climatique, la priorité doit être donnée à l'efficacité énergétique des nouvelles constructions. C’est l’un des principaux objectifs d'IMI Climate Control.
IMI, du nom d'Imperial Metals Industries, est une multinationale britannique basée à Birmingham. Son histoire commence il y a environ 160 ans. Elle est liée aux industries Nobel (1920) et est la première à produire commercialement du titane (1950). Sous la devise "Breakthrough Engineering", l'IMI vise le contrôle précis des flux de fluides dans plusieurs industries, telles que le pétrole et le gaz, les technologies de la vie, le transport, l'automatisation industrielle, et d'autres. IMI sector Climate Control (anciennement IMI Hydronic Engineering) est spécialisé dans l'optimisation de l'efficacité du chauffage et de la climatisation par l'eau des bâtiments résidentiels, commerciaux et industriels : Selon le World Economic Forum, 40 % de l'énergie mondiale est consommée à l'intérieur des bâtiments.
Pour assurer le confort et le contrôle de l'énergie à l'intérieur des bâtiments, IMI propose trois types de produits :
- les vannes d'équilibrage et de régulation (gamme TA) : elles permettent d'optimiser le débit d'eau vers toutes les unités terminales et de contrôler dynamiquement les débits en fonction des conditions et des exigences environnementales
- vannes de régulation thermostatique (gamme Heimeier) : réglage fin des débits d'eau dans les unités terminales en fonction des variations de la température ambiante
- unités de pressurisation et qualité de l'eau (gamme Pneumatex) : maintien de la pression de l'eau à l'intérieur des systèmes en fonction des changements de température. Les réservoirs sous pression permettent la dilatation ou la contraction de l'eau. Des boîtiers de commande mécanisés contrôlent l'entrée et la sortie de l'eau du réservoir. Le maintien de la pression de l'eau réduit l'apport d'oxygène.
Parmi les systèmes de pressurisation, d'équilibrage et de contrôle proposés par IMI Climate Control, les séparateurs de saleté et de ferrite constituent également une partie importante du portefeuille. Non seulement ils protègent les équipements critiques tels que les chaudières et les refroidisseurs, mais ils peuvent également réduire le gaspillage d'énergie jusqu'à 20 % (pdf).
Confort optimal et efficacité énergétique pour dominer le marché
Dans le passé, IMI Climate Control n'utilisait pas beaucoup d'outils de simulation pour développer ses produits. Mais aujourd'hui, pour garder une longueur d'avance sur la concurrence, il lui fallait un processus de R&D plus efficace et réduire le temps de mise sur le marché. La simulation est apparue comme un élément clé pour obtenir un avantage concurrentiel et répondre aux besoins des clients.
André P. Zanoni, Lead Design Engineer à IMI Climate Control (Pneumatex), a mis en œuvre les outils de simulation Ansys chez IMI Climate Control, en commençant par le développement de nouveaux séparateurs à Füllinsdorf. Avec le soutien de CADFEM, il a eu accès à de vastes connaissances en matière de simulation, utilisées pour élaborer rapidement de nouvelles méthodes internes. Le développement s'est accéléré grâce à une meilleure compréhension des phénomènes physiques et à des sprints de validation rapides. Pour diffuser ces méthodes en interne, il est souvent en contact avec des collègues ingénieurs à travers le monde, les instruisant sur la meilleure façon de démarrer rapidement avec la simulation dans leurs projets. Il est très satisfait des résultats, autant techniques qu’économiques.
André P. Zanoni, Lead design engineer, IMI Climate Control (Pneumatex)Nous sommes peut-être l'un des premiers dans l'industrie de la séparation des sédiments HVAC à adopter des outils de conception numérique couplé à la simulation. Les avantages sont considérables. Nous avons fortement réduit la durée du cycle de conception.
Les clients d'IMI Climate Control sont des planificateurs HVAC, des propriétaires de bâtiments, des installateurs et des professionnels de la maintenance. Les problèmes courants des clients aujourd'hui sont la consommation d'énergie dans les bâtiments, la durée de vie des systèmes et les temps d'arrêt. Pour améliorer les performances et la maintenance des systèmes, les séparateurs de saleté, de magnétite et d'air jouent un rôle important dans l'élimination des sédiments et des vecteurs de corrosion. Dans l'industrie du chauffage, de la ventilation et de la climatisation, les salissures sont généralement éliminées des systèmes hydroniques à l'aide de séparateurs gravitationnels. Un récipient dont la section est supérieure à celle du tuyau d'entrée ralentit le flux d'eau. En raison de la vitesse réduite, les particules de saleté précipitent dans le récipient. Les séparateurs gravitationnels sont généralement dotés d'inserts qui contribuent à décélérer davantage les particules de saleté. Bien qu'ils soient plus faciles à construire et malgré une perte de charge plus faible, les séparateurs gravitationnels perdent rapidement de leur efficacité lorsque la vitesse de l'eau augmente.
Pour faire face à l'augmentation des vitesses, l'IMI a développé des séparateurs de saletés hydrocycloniques. La force centrifuge pousse les particules vers la paroi du conteneur. Grâce au flux descendant et à la gravitation, les saletés sont éliminées de l'installation.
La principale difficulté consiste à concevoir une entrée et un détecteur de tourbillon axiaux l'un par rapport à l'autre. En général, les cyclones ont une sortie orthogonale à l'entrée. De plus, l'entrée est inclinée par rapport à la sortie, afin d'induire un tourbillon d'eau.
Une façon intéressante de concevoir un cyclone est de l'insérer, voir le Zeparo Cyclone. Cette méthode est efficace pour les tuyaux de petite taille, jusqu'à 2". Pour les tailles supérieures, la fabrication d'inserts devient plus difficile. Une façon de concevoir un cyclone pour les grandes tailles est d'ajouter un autre récipient au-dessus du détecteur de vortex finder.
Des solutions adaptées à chaque type de bâtiment et à chaque type de client
Bien que les informations techniques précises sur la fonction des séparateurs soient rares, les clients s'attendent à ce que les séparateurs fonctionnent correctement. L'un de nos objectifs est d'accroître la sensibilisation et l'expertise sur la fonction de séparation dans notre industrie et sur son fonctionnement précis, afin de fournir aux clients une base de connaissances plus approfondie pour la sélection des produits. Le développement des séparateurs dans l'industrie du génie climatique s'est traditionnellement appuyé sur le prototypage et les essais.
Or, avec l'augmentation des dimensions la production d'un prototype peut prendre plusieurs semaines, voire deux mois, auquel se rajoute les coûts de production. En cas de modifications paramétriques, les prototypes doivent être soit remis à neuf, soit fabriqués à neuf, ce qui augmente encore les délais et les coûts.
L'introduction d'outils de simulation a permis à IMI Climate Control d'accélérer le développement de nouvelles conceptions et d'itérer rapidement sur différentes versions. Début 2022, IMI Climate Control a mis en œuvre Ansys à l'échelle mondiale [5]. L'entreprise a immédiatement profité de cette opportunité pour utiliser Ansys lors de la conception des nouveaux séparateurs à Füllinsdorf, en Suisse. Elle a également pu influencer d'autres équipes d'ingénieurs IMI dans le monde entier pour qu'elles commencent à utiliser les outils par le biais de forums internes et d'un soutien basé sur des projets. (voir aussi). Par ailleurs, CADFEM qui est le partenaire d'IMI en matière de formation, d'assistance technique et d'installation, fournit une assistance globale aux ingénieurs de d'IMI Climate Engineering.
André P. Zanoni, Lead design engineer, IMI Climate Control (Pneumatex)Grâce au soutien de CADFEM, nous avons un accès rapide aux nouveaux outils, à la formation et à l'assistance pour les simulations les plus difficiles. De plus, la simulation apporte plus d'informations pour les processus de R&D et pour l'utilisateur final afin de mieux comprendre le fonctionnement de nos produits.
Pour développer des séparateurs de saletés de grande taille à l'aide d'un hydrocyclone, nous avons utilisé Ansys Fluent. Nous avons modélisé l'écoulement des particules et mesuré leur rétention à l'intérieur du séparateur. En ce qui concerne les tests en laboratoire, la chute de pression correspondait assez bien aux résultats de la simulation. Bien que la rétention des particules dans la simulation ait montré des erreurs allant jusqu'à 15 %, nous avons pu constater que les changements paramétriques dans les modèles de simulation avaient le même effet qu'en laboratoire. L'itération de la conception avec des tests de laboratoire purs peut être très spéculative jusqu'à ce que vous trouviez la bonne solution. Trouver la bonne solution prend cependant beaucoup de temps. La simulation nous a permis de comprendre en détail l'écoulement de l'eau, les zones de pression, le comportement des particules et de prendre des décisions objectives en matière de conception.
Avec la simulation, les études d'itération de la conception sont réalisées numériquement. Lorsque l'équipe s'est accordée sur la conception finale, nous passons au prototype final. Ce processus a permis d'éviter de longues, fastidieuses et coûteuses itérations avec des prototypes physiques. En plus, les ingénieurs de R&D ont acquis une compréhension claire de leur produit.
Tirer parti des simulations pour réduire les coûts, améliorer les capacités et augmenter la durée de vie.
IMI Climate Control veut être à l'avant-garde d'un monde plus vert grâce à des produits et des solutions innovants qui réduisent l'empreinte environnementale des systèmes CVC/HVAC et encouragent l'utilisation durable de l'énergie. La simulation est l'un des outils permettant de concrétiser cette vision. Il est essentiel de mettre au point des produits améliorant l'efficacité énergétique des systèmes CVC dans tous les types de bâtiments, afin de réduire leur empreinte carbone. C'est pourquoi les outils de simulation ont un excellent potentiel pour être utilisés dans diverses applications hydrauliques chez IMI Climate Control afin de réduire les pertes d'énergie liées à la dynamique des flux, au bruit et au poids. Il en résulte des séparateurs d'impuretés plus légers et plus efficaces, capables de mieux empêcher les particules dangereuses de se coincer dans les chaudières, les refroidisseurs et les vannes, dont les dimensions sont de plus en plus serrées. La durée de vie du système est améliorée et les temps d'arrêt réduits.
