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Comprendre les technologies de transmission de l'énergie pour les tours de refroidissement

Cherchez le juste équilibre entre le coût initial et le coût à vie

Par Jerome Jennings, Chef de produit mondial - Composants, Technologies de refroidissement SPX

Jerome Jennings, chef de produit mondial, SPX Cooling Technologies

Jerome Jennings, chef de produit mondial, SPX Cooling Technologies

Les tours de refroidissement peuvent utiliser plusieurs technologies de transmission de puissance, notamment un entraînement par engrenage, un entraînement par courroie, un entraînement direct et un entraînement à commutation électronique (EC).

Chacun a ses avantages et ses inconvénients. La sélection appropriée établit un juste équilibre entre les coûts initiaux et les coûts d’exploitation.

Aperçu des technologies de transmission de l'énergie disponibles

Les engrenages à engrenages offrent un coût modéré avec des coûts d'exploitation bas

Le mécanisme à engrenages est un système commun utilisé qui transmet de la puissance et qui est utilisé depuis des décennies. Un engrenage repose sur un engrenage interne qui engrène pour transmettre la puissance.

Dans une application de tour de refroidissement, la transmission à engrenages réduit la puissance du moteur à grande vitesse à la vitesse inférieure requise pour alimenter le ventilateur. Le moteur à induction est relativement petit car la boîte de vitesses multiplie le couple.

Les engrenages sont efficaces à tous les niveaux de puissance des tours de refroidissement. Leurs coquilles moulées épaisses contenant les dents de l'engrenage et le bain d'huile peuvent résister à la chaleur et à l'humidité élevées qui règnent à l'intérieur de la tour de refroidissement.

Les réducteurs nécessitent une puissance supplémentaire «à vide» pour surmonter le frottement des composants internes et la viscosité de l'huile. L’efficacité nette de la boîte de vitesses varie d’une application à l’autre, mais est généralement proche de 96%.

Transmission de puissance de la tour de refroidissement

La transmission à engrenages réduit la puissance à grande vitesse du moteur à la vitesse inférieure requise pour le ventilateur.

L'engrenage nécessite peu d'entretien. Par exemple, certaines boîtes de vitesses utilisant de l'huile synthétique ne nécessitent pas de vidange d'huile avant cinq ans, mais les propriétaires de tours de refroidissement et les sous-traitants doivent faire preuve de diligence lors de la recherche de fuites potentielles.

Un autre aspect positif de la transmission à engrenages est son fonctionnement direct en ligne. Un entraînement à fréquence variable (VFD) n'est pas requis, mais peut être inclus pour un contrôle supplémentaire de la vitesse du moteur et de la consommation d'énergie.

Les courroies offrent un premier coût réduit, mais un coût d'exploitation plus élevé

Les courroies ont été encore plus longtemps que les engrenages. Ils sont utilisés pour transmettre le mouvement d’un arbre à l’autre à l’aide d’une boucle en matériau souple qui court sur deux poulies (également appelées poulies) pour relier les arbres en rotation.

Cette technologie offre une transmission de puissance douce et efficace entre les arbres, même s'ils sont à une distance considérable.

Transmission de puissance de la tour de refroidissement

Les courroies transmettent le mouvement d'un arbre à l'autre à l'aide d'une boucle en matériau souple.

Dans une application de tour de refroidissement, la taille des gerbes détermine la vitesse; Des courroies de tailles différentes fournissent la réduction de vitesse requise. La plus petite poulie se connecte au moteur, tandis que la plus grande poulie est reliée à un arbre de soufflante.

Le rapport entre ces tailles dicte la réduction de vitesse. Les courroies correspondant aux exigences de longueur et de profil des poulies transmettent de la puissance.

Contrairement aux engrenages, les courroies d'entraînement sont exposées à l'environnement chaud et humide de la tour de refroidissement. Le coût initial d'un entraînement par courroie est faible, mais les coûts de maintenance courants augmentent avec le temps. Les poulies et autres composants se corrodent; les ceintures s'étirent et perdent de la tension.

Partant d’environ 95 pour cent d’efficacité, les transmissions par courroie peuvent atteindre des valeurs 90 basses ou même plus basses lorsque les courroies s’étirent et s’usent. L’entretien comprend le remplacement régulier de la courroie et la lubrification des roulements de l’arbre du ventilateur plusieurs fois par an, ce qui contribue à son coût d’exploitation plus long.

Les courroies d'entraînement sont souvent utilisées dans les tours de refroidissement nécessitant une puissance inférieure. À l'instar d'un engrenage, l'entraînement par courroie ne nécessite pas de VFD.

Les moteurs à entraînement direct nécessitent peu d'entretien, mais le coût initial est généralement beaucoup plus élevé que les autres solutions

Il existe plusieurs options d’entraînement direct dans lesquelles le moteur entraîne directement le ventilateur de la tour de refroidissement. Le moteur à entraînement direct offre une fiabilité avec des exigences de maintenance minimales.

Une option commune à entraînement direct utilise un moteur à aimant permanent. Il s’agit d’un type de moteur électrique à aimants permanents en terres rares intégré au rotor. L'utilisation de cette technologie a augmenté au cours de la dernière décennie et est maintenant largement utilisée dans les véhicules, les drones, les ordinateurs et de nombreuses autres applications nécessitant des moteurs puissants mais relativement compacts.

Le moteur à aimants permanents entraîne directement le ventilateur, éliminant ainsi un certain nombre de composants, notamment la boîte de vitesses, l'arbre de transmission, les paliers de coussinets d'oreiller et les accouplements. Cela élimine le besoin d'aligner les composants mécaniques, d'accélérer l'installation, de réduire les coûts d'installation et d'accroître l'efficacité du système.

Le coût initial est un inconvénient de l'option à aimant permanent: un entraînement direct avec un moteur à aimant permanent représente souvent le coût le plus élevé de toutes les options de transmission de puissance.

Pour les besoins en couple des applications de tours de refroidissement, les moteurs à aimants permanents deviennent plus lourds et plus hauts que les moteurs à induction standard, en raison de l'élimination de la transmission par engrenages.

Les moteurs à aimants permanents nécessitent un VFD pour fonctionner. Bien qu’un coût initial supplémentaire, le VFD permet aux opérateurs de contrôler la vitesse et de conserver l’énergie.

Transmission de puissance de la tour de refroidissement

Le moteur à aimant permanent entraîne directement le ventilateur, produisant un champ magnétique

Garantir un fonctionnement sûr est une préoccupation potentielle. Avec les autres options de transmission de puissance, lorsque le moteur est déconnecté, il n’est plus alimenté, ce qui rend le service sûr.

Le moteur à aimant permanent peut générer de l'électricité même lorsque l'alimentation est coupée, ce qui crée potentiellement une situation dangereuse. Si, par exemple, le ventilateur et l’arbre du ventilateur sont entraînés par le vent, l’électricité pourrait se déplacer jusqu’à l’intervention d’un technicien.

Un autre problème de sécurité est le champ magnétique produit, qui pourrait affecter toute personne portant un stimulateur cardiaque travaillant à proximité du moteur.

Un entraînement direct a généralement le coût de maintenance le plus bas sur toute sa durée de vie, car il n’est pas nécessaire de remplacer l’huile, aucun joint d’huile susceptible de s’user et aucun alignement de routine.

Une lubrification annuelle est recommandée. Les coûts initiaux peuvent être deux à trois fois plus élevés qu'une boîte de vitesses. En raison du coût initial élevé, la période de récupération peut aller jusqu'à dix ans ou plus.

Transmission de puissance de la tour de refroidissement

Le moteur à commutation électronique combine le moteur, le contrôleur et le ventilateur

Le moteur à commutation électronique (CE) à haut rendement est une technologie plus récente qui combine un petit moteur à courant continu et un variateur / variateur de vitesse dans un ensemble.

La partie rotor du moteur utilise généralement des aimants permanents aux terres rares et le contrôle de vitesse intégré élimine le besoin d'un VFD externe. Pour les applications de tour de refroidissement, le ventilateur, le carénage du ventilateur et la protection du ventilateur sont souvent intégrés afin de fournir un ensemble d’entraînement mécanique complet.

Ceci fournit un agencement simple et compact qui est facile à installer en usine et à remplacer sur le terrain si nécessaire.

Les tours de refroidissement qui utilisent des moteurs EC ont généralement une capacité et un encombrement réduits, avec une taille maximale d'application de 10 CV ou un diamètre de ventilateur d'un mètre. Comparés aux transmissions par courroie et autres moteurs de faible puissance (moins de 5 ch), les moteurs EC sont toujours plus efficaces.

Dans les applications de petite puissance, le moteur EC ne présente aucune perte de transmission de puissance, tandis que les autres moteurs et transmissions à courroie de faible puissance peuvent subir des pertes de transmission de 5-20%.

Étant donné que les moteurs EC utilisent des roulements étanches, la maintenance est quasi inexistante. L’utilisation de cette technologie pour les tours de refroidissement est nouvelle et ne se prête actuellement qu’à des ventilateurs de petit diamètre.

Le tableau 1 fournit une comparaison globale des technologies de transport d'énergie disponibles. Les transmissions par courroie ont un coût initial faible, mais un coût d'exploitation élevé. Les entraînements directs ont un coût initial élevé et un coût d'exploitation inférieur. Les engrenages se situent généralement entre les deux. Les moteurs EC offrent un faible coût d'exploitation, mais les tailles et les applications sont plus limitées.

Transmission de puissance de la tour de refroidissement

Choisir la bonne option est un exercice d'équilibre

Lors du choix parmi les technologies de transmission de l'énergie, les concepteurs de tours de refroidissement, les entrepreneurs et les propriétaires doivent évaluer les coûts tout au long du cycle de vie de la tour de refroidissement.

Des facteurs tels que l'efficacité énergétique, la facilité d'entretien, la fiabilité et la durée de vie doivent être mis en balance avec l'investissement initial, les coûts d'installation, la complexité opérationnelle et l'impact environnemental.

Les références

Regard sur les technologies d’entraînement des courroies, des chaînes et des engrenages, ingénierie de transmission de puissance, https://www.powertransmission.com/blog/a-look-at-belt-chain-and-gear-drive-technology/, récupéré 5 / 17 / 18

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