VENTILATION DANS LES SILOS-TOURS CONVENTIONNELS À FOURRAGE

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1 VENTILATION DANS LES SILOS-TOURS CONVENTIONNELS À FOURRAGE A. Bahloul a, R. Gravel a, B. Roberge a et N. Goyer a M. Chavez b et M. Reggo b a Insttut de Recherche Robert-Sauvé en Santé et Sécurté du Traval b Département de Géne Mécanque, École Polytechnque de Montréal Le fourrage enslé dans des slos-tours conventonnels subt une fermentaton qu le rend plus dgestble et nourrssant pour le bétal. Or, ce processus génère des gaz toxques à des concentratons susceptbles de causer des ntoxcatons graves, entraînant parfos la mort. En rason de la défcence en oxygène et de la présence de ces gaz, l est dffcle de détermner le moment où l entrée dans un slo peut être sécurtare. La ventlaton demeure le melleur moyen d assurer la salubrté dans ces espaces clos. Dans un premer temps, une valdaton des smulatons numérques, en résolvant le système des équatons dfférentelles de conservaton des quanttés de mouvement et de masse (CFD), a été fate en comparant les résultats théorques avec ceux expérmentaux obtenus au laboratore de l IRSST dans un slo à échelle rédute à l ade de gaz traceurs sot le doxyde de carbone CO et l oxygène O. Les résultats théorques ont montré un très bon accord avec ceux expérmentaux. Ensute, les paramètres d utlsaton du système de ventlaton ont été étudés et ont perms d établr un modèle mathématque smple permettant de calculer le temps de ventlaton nécessare pour attendre une qualté d ar acceptable. Introducton Les slos sont consdérés dans le Règlement sur la santé et la sécurté du traval (RSST) [1] comme des espaces clos et ont été le ste d accdents graves et parfos mortels. Selon le programme canaden de survellance des blessures en mleu agrcole (PCBMA), 0 décès en moyenne par an se sont produts au Québec entre 1989 et 000. L ntoxcaton par des gaz toxques est une des causes d accdents dans les slos. Ces accdents ont été relés à une atmosphère défcente en oxygène (O ) qu est remplacé par le doxyde de carbone (CO ) ou encore, à la présence de gaz toxques dont le monoxyde d azote (NO) et le doxyde d azote (NO ). Ces gaz sont produts au cours du processus de fermentaton du fourrage [-4]. Pour sécurser l espace ntéreur des slos à fourrage, on dot fare appel à la ventlaton mécanque. La ventlaton mécanque utlsée usqu à présent est celle par soufflage forcé de l ar par l ouverture servant au remplssage du slo par le fourrage en utlsant un nstrument aratore [5-6]. Le fat que les gaz CO et NO soent plus lourds que l ar, de hautes concentratons se stueraent à la surface de l enslage. Dans ce cas, un tube flexble devrat être ntrodut usqu'à une hauteur de 6 m de la surface d enslage pour pouvor évacuer ces gaz toxques [7]. Les paramètres de ventlaton par soufflage ont été étudés par calcul et de façon expérmentale dans un slo à échelle rédute conçu au laboratore de l IRSST. Le temps mnmal de ventlaton avant l entrée dans l espace lbre du slo a été détermné en foncton des concentratons des gaz présents, de l espace lbre à ventler et du débt de ventlaton. Pour se fare, des smulatons numérques ont été menées en utlsant l outl commercal CFD Fluent. Ces calculs théorques ont été valdés par des tests expérmentaux effectués dans le slo à échelle rédute. Méthodologe Méthode numérque Par le bas du code commercal Fluent [8-9], la ventlaton dans un slo est smulée numérquement dans une confguraton trdmensonnelle en utlsant le doxyde de carbone et l oxygène comme traceurs. Ces Congrès AQHSST 008

2 Ventlaton dans les slos-tours conventonnels à fourrage smulatons consstent à résoudre les équatons dfférentelles de conservaton de masse et de quantté de mouvement. Le flude est consdéré ncompressble et newtonen. La convecton forcée est forte, elle prédomne alors les effets naturelles. La température est consdérée constante dans tout le domane. Le système d équatons régssant le problème est écrt sous la forme classque de l équaton de transport pour la proprété : H Ouverture à l atmosphère Tuyau de soufflage d ar H est la hauteur de l espace lbre du slo D est le damètre du slo ( ρ) + ( ρu ) = + S t x { x Γ x Source Transent Convecton Dffuson =1,, 3 Dans cette expresson, ρ représente la masse volumque du flude, Γ est le coeffcent de dffuson, S est un terme source et U est la composante de vtesse dans la drecton. Les équatons gouvernant le problème sont : Conservaton de la masse: ρ ρu + t x = 0 Conservaton de la quantté de mouvement: ρu + t ( ρu U ) x P = x Conservaton des espèces : x + x ( ) C ρu = c' C D ρμ x x U μ x + g ( ρ ρ ) où P, μ, C et D représentent respectvement la presson, la vscosté dynamque, la concentraton et la dffuson moléculare. Étant donné la force du soufflage pour évacuer les gaz concentrés à la surface d enslage, l écoulement résultant est turbulent. Le modèle k ε est chos comme modèle de turbulence dans cette étude. La confguraton étudée, ans que le mallage utlsé sont présentés à la fgure 1. 0 D Fgure 1 : Modèle numérque du mn slo Valdaton de la méthode numérque Le modèle de slo à échelle rédute, représentant l espace lbre d un slo réel rempl de fourrage, respecte les proportons de grandeur de l un des modèles de slo à fourrage utlsés par les producteurs québécos. Un slo à fourrage est fréquemment rempl de fourrage à 90 % de sa capacté. Afn de correspondre à la réalté, le mn slo respecte la proportonnalté hauteur, H, et damètre, D, (H et D représentent le 1/10 des longueurs réelles) de l espace lbre d un slo réel. Le débt rédut de ventlaton par soufflage est alors le 10-3 de celu utlsé en mleu agrcole. Le slo à échelle rédute est représenté à la fgure. Les gaz CO et O étaent utlsés comme gaz traceurs pour détermner le temps de ventlaton. En effet, à chaque test les concentratons ntales de ces gaz ont été austées en ntrodusant du CO et du N dans le slo. Le soufflage s effectuat par l entrée 3 au centre de la paro supéreure du mn slo à l ade d un tube flexble ntrodut usqu'à une hauteur de 6 cm de la base du slo expérmental. Durant la ventlaton, les gaz étaent évacués par l orfce. Les prélèvements des gaz ont été effectués à la base du slo à chaque 10 secondes et à un débt de 0, L/mn. Après les mesures, les gaz prélevés étaent réntroduts dans le slo pour mantenr l équlbre dans l espace nterne du slo. L nstrument à lecture drecte de marque ADC modèle LFG0 a été utlsé pour mesurer le CO et l O. L acquston des données se fasat drectement par ordnateur qu permettat la vsualsaton de l évoluton des gaz dans le slo au cours de la ventlaton. Le test état arrêté quand les concentratons des gaz mesurés se stablsaent aux concentratons de l ar extéreur. Congrès AQHSST 008

3 Ventlaton dans les slos-tours conventonnels à fourrage 5 : bombonne de gaz 4 3 : soufflage 1 : mn slo : évacuaton des gaz Fgure : Installaton expérmentale 1. Mn slo en béton. Ouverture du slo à l atmosphère 3. Tuyau ar de servce pour le soufflage 4. Mesure de concentraton CO et O 5. Bombonne CO En parallèle, des smulatons numérques étaent effectuées pus comparées avec les résultats expérmentaux. Fgure 3 : Comparason entres les résultats théorques et expérmentaux Étude paramétrque Une fos valdées, les smulatons numérque ont perms de mener un traval paramétrque. Son obectf état d établr un modèle analytque permettant de calculer faclement le temps nécessare de ventlaton pour une entrée sécurtare de l agrculteur dans un slo. Ce temps dépend de 4 paramètres qu sont : la talle de l espace lbre à ventler (H et D), du débt de ventlaton (Q), des concentratons ntales de l O et du CO (C O et C CO ). Des tests expérmentaux de ventlaton ont été effectués pour les paramètres de contrôle suvants : Q, le débt de ventlaton; H la hauteur de l espace lbre à ventler; C O la concentraton ntale de l oxygène et C CO, la concentraton ntale du doxyde de carbone. Δ t (mn) y = 0, x Δ t (mn) Résultats Comparason des données expérmentales et numérques La fgure 3 montre la varaton des concentratons des gaz CO et O en foncton du temps durant la ventlaton. Les smulatons numérques sont représentées par des lgnes et les données expérmentales par des ponts. Elle montre un très bon accord entre les calculs numérques et les mesures expérmentales. Le temps fnal de ventlaton état détermné dès que la concentraton en O attegnat 99 % de la concentraton de l ar extéreur. 30% CO 0% O Q = 0 l/mn Volume (l ) Fgure 4 : Temps de ventlaton en foncton du volume de l espace lbre du slo Congrès AQHSST 008

4 Ventlaton dans les slos-tours conventonnels à fourrage y = 547 x y = 1,0 x + 5,5933 Δ t (mn) 30% CO 0% O V = 18,4 l Δ t 1 * 30% CO V = 18,4 l Q = 0 l/mn Δ t * 1/Q (mn/l) Fgure 5 : Temps de ventlaton en foncton du débt de ventlaton Pour détermner un modèle analytque permettant de calculer de le temps de ventlaton, ce derner est détermné en foncton de l un des 4 paramètres en mantenant les autres paramètres constants. Le temps de ventlaton crot lnéarement avec le volume, V = л H D /4, de l espace dans le slo à ventler (vor Fgure 4). Il est nversement proportonnel au débt de ventlaton comme le montre la fgure 5. La fgure 6 montre une décrossance exponentelle du temps de ventlaton avec la concentraton ntale de l oxygène. ln (1%-C O ) 4 Q Fgure 7 : Δ t 1 * = en foncton de la π D H concentraton ntale de l O De ces fgures, à C CO = 30%, le temps de ventlaton t1 est modélsé comme sut: 1 Δ t (mn) πd H = 4Q [ 1, 0 ln (1% C Ο ) + 5, 5933] V = 18,4 l Q = 0 l/mn 30% CO V = 18,4 l Q = 0 l/mn % CO Fgure 8 : Temps de ventlaton en foncton de la concentraton ntale d O. % O Fgure 6 : Temps de ventlaton en foncton de la concentraton ntale d O La fgure 7 présente la varaton du temps, Δ t 1 *, normalsée par rapport à V/Q en foncton de ln (1%- C O ). La fgure montre une dépendance lnéare du temps normalsée par rapport à la varable ln (1%- C O ). Pour détermner le modèle fnal qu tent compte de la concentraton ntale du doxyde de carbone, le temps de ventlaton est détermné pour dfférentes concentraton de CO en mantenant V, Q et C O constants. La fgure 8 montre la varaton de en foncton des concentratons ntales de doxyde de carbone pour deux valeurs ntales de C O (0% et 10%). Les courbes montrent une crossance lnéare du temps de ventlaton en foncton de C O. En utlsant l expresson Congrès AQHSST 008

5 Ventlaton dans les slos-tours conventonnels à fourrage 4 Q de Δ t1 le temps normalsé Δ t * (= π D H ln( 1% C ) ) est obtenu pus tracé à la fgure 9 O en foncton de C O. Les deux courbes sont ramenées en une seule courbe lnéare. % CO 4 Q Fgure 9 : Δ t * = ln(1% CO ) π D H foncton de la concentraton ntale d O. De la fgure 9, le modèle général est établ : Modèle fnal : πd H Δ t = 4Q [ ln( 1% C ) + 0,86C + 5,] O CO Pour un slo-tour réel, le modèle est valde en respectant les untés suvantes : : temps de ventlaton, [mn]. D : damètre du slo-tour, [m]. H : hauteur du slo-tour, [m] V = 18,4 l Q = 0 l/mn Q : débt de l ar de soufflage, [m 3 /mn] en bonne estmaton du temps de ventlaton nécessare pour rendre l espace nterne du slo sécurtare. Tableau 1 : Calculs des temps de ventlaton L/mn Expérmentaux Numérques Modèle mn 56 mn 58 mn 0 6 mn 8 mn 9 mn mn 14 mn 16 mn Pour H=0,645m, D=0,6m, C O =10% et C CO =5% Conclusons En résumé, le slo à l échelle rédute conçu au laboratore de l IRSST a perms de mener des tests de ventlaton par soufflage. La technque des gaz traceurs, en utlsant l oxygène et le doxyde de carbone, a perms de détermner le temps de ventlaton nécessare pour rendre l espace nterne du slo sécurtare. Ces mesures ont valdé les smulatons numérques utlsant le code commercal Fluent. Ce derner a perms de mener une étude de ventlaton approfonde en tenant compte de dfférents paramètres de contrôle du problème. Cette étude a perms d établr un modèle smple permettant de calculer le temps nécessare de ventlaton avant toute nterventon de l agrculteur dans l espace nterne du slo. Ce modèle a été valdé expérmentalement au laboratore et numérquement à l ade du code de calcul Fluent. Il sera ntéressant de le valder sur le terran. Le modèle permet d estmer avec précson le temps de ventlaton avant l entrée dans le slo. Rappelons que les slos sont des espaces clos et qu ls dovent être ventlés en tout temps lorsque des travaux y sont fats. C O : concentraton O ntale, [%] C CO : concentraton CO ntale, [%] Pour valder le modèle, des tests expérmentaux de ventlaton sont reconduts au laboratore. Pour des paramètres varables, les temps de ventlaton trouvés sont comparés à ceux calculés par le modèle et aux calculs numérques. Le tableau 1 montre un exemple de comparason des résultats. Les résultats obtenus sont en très bon accord. En effet le modèle donne une Congrès AQHSST 008

6 Ventlaton dans les slos-tours conventonnels à fourrage Références [1] Gouvernement du Québec. Règlement sur la santé et la sécurté du traval. Gazette offcelle du Québec, Décret , 001. [] A. G. Meerng M.G. Courtn, S. F. Spoelstra, G. Pahlow, H. Hong, R. E. Subden et E. Zmmer, Fermentaton knetcs and toxc gas producton of slage. Tran. Am. Soc. Agrc. Eng., 31(), , [3] B. M. Paragon, Bonnes pratques de fabrcaton de l enslage pour une melleure maîtrse des rsques santares. afssa, 1-118, 004. [4] Jang, S., Barber E.M., Merng, A.G., and Jofret, J.C Toxc gas producton and slo ventlaton. Canadan Agrcultural Engneerng. 151 [5] E. M Berber and M. J. Zulak, Effectveness of slage blowers for clearng gases from tower slos, Dept. of Agrcultural Engneerng-Unversty of Saskatchewan, [6] J. A. Groves and P. A. Ellwood, Gases n forage tower slos, Ann. Occup. Hyg., Vol 33, No 4, pp , [7] NIOSH Face Program, tml. [8] Fluent Inc. Fluent User Manual, 005. [9] Fluent Inc. Gambt..3. User Manual, 005 Congrès AQHSST 008

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