Quels silencieux pour des applications industrielles à haute température ?

Les silencieux pour des applications industrielles à haute température sont des dispositifs de limitation du bruit souvent requis (en application de réglementations), tant pour la protection de travailleurs (il s'agit de préserver leurs capacités auditives: la directive 2003/10/CE du Parlement européen et du Conseil, du 6 février 2003, concernant les prescriptions minimales de sécurité et de santé, s'y rapporte) que pour la protection de l'environnement (il s'agit de préserver l'harmonie des paysages sonores, résultant de la superposition de sons naturels et des émissions de bruit liées aux activités humaines: l'Arrêté du 23/01/97 relatif à la limitation des bruits émis dans l'environnement par les installations classées pour la protection de l'environnement a, dans ce contexte, toute son importance).

Généralités se rapportant aux silencieux pour des applications industrielles à haute température

Dans le domaine des silencieux, deux catégories d'applications industrielle à haute température sont récurrentes:

• les réseaux aérauliques se rapportant à des procédés de combution (e.g. lignes d'échappement de moteurs thermiques et de turbines à gaz, cheminées industrielles en aval de processus variés - y compris l'incinération de déchets -; le dispositif de réduction du bruit est selon le cas, installé (en position horizontale, éventuellement combiné avec un Système de Réduction Catalytique - SCR- pour la dépollution des gaz) en amont de la cheminée ou bien (en position verticale) dans la cheminée (à moins qu'il ne constitue un ensemble silencieux+cheminée). Selon la performance requise, un seul silencieux est approprié à la satisafcation des objectifs ou bien deux silencieux sont requis. Leur installation - en série - n'est pas toujours à liaison directe:
  • pour ce qui concerne un système d'échappement pour moteur thermique, un silencieux primaire (e.g. réactif) pourra être installé en amont d'un dispositif de dépollution - étant alors utilisé pour le mélange avec le gaz de combustion d'un composé - e.g. de l'urée - approprié aux réactions chimiques basant la réduction des émissions polluantes, alors qu'un silencieux secondaire (e.g. à absorption) pourra être installé en aval
  • pour ce qui concerne un système d'échappement pour turbine à gaz de grande capacité, un silencieux primaire (e.g. dissipatif, dimensionné pour être performant en basse fréquence) pourra être installé (avec un flux gazeux horzizontal) en amont d'une cheminée alors qu'un silencieux secondaire (e.g. dissipatif, dimensionnnné pour être performant aux fréquences médium et aigues) sera intégré à la cheminée (donc: avec un flux gazeux vertical)
• les circuits de dépressurisation de vapeur (telle que produite par des chaudières e.g. les Générateurs de Vapeur à Récupération de Chaleur - GVRC -; le silencieux constitue souvent (éventuellement avec un dispositif pare pluie - coude ou chapeau -) le dernier composant du système (i.e. celui étant le plus en aval, permettant la mise à l'atmosphère du gaz originellement sous pression). Quels que soient les principes basant son effcicacité, un silencieux de décharge se présente toujours sous la forme d'un appareil unique (souvent: muti-étagé, mais avec une seule enveloppe - formant un tout -).

S'agissant des silencieux pour des applications industrielles à haute température, il sont généralement constitués d'une enveloppe extérieure double peau (le plus souvent avec la peau extérieure en acier non inoxydable et avec la peau intérieure en acier innoxydable) et d'un revêtement absorbant (assez souvent: en laine minérale) revêtu par un surfaçage (le plus souvent: un tissu de verre) ainsi que par une protection perforée (la plupart du temps: en acier inoxydable). Pour l'enveloppe extérieure, si requis: un thermolaquage assure généralement la meilleure protection possible contre la corrosion: jusqu'à C5 selon norme ISO 12944.

En termes de conception et de construction également:

• s'agissant des silencieux à dissipation simples, il s'agit d'équipements d'insonorisation appartenant à la catégorie des silencieux dissipatifs pour lesquels le matériau d'absorption acoustique est disposé exclusivement sur la face intérieure de l'enveloppe extérieure. La plupart du temps, de tels silencieux ont une section circulaire et sont destinés à être insérés dans des réseaux constitués de conduits eux-mêmes à section circulaire (des silencieux à section rectangulaire, éventuellement carrée peuvent être envisagés dans certains cas et sont destinés à être insérés dans des réseaux constitués de conduits eux-mêmes à section rectangulaire ou éventuellement carrée). La performance acoustique de tels silencieux (perte d'insertion) est très dépendante de la fréquence considérée et est liée à la vitesse du fluide, à l'épaisseur du revêtement acoustique, sa nature (notamment: la résistance au passage de l'air du garnissage et de ses surfaçages éventuels), la dimension intérieure libre pour le passage du fluide, ainsi qu'à la longueur du silencieux. De tels silencieux se distinguent par une perte de pression totale faible puisqu'exclusivement dépendante de la rugosité des parois et de la longueur du silencieux (généralement négligeable si la vitesse de passage du fluide est suffisamment faible). De tels dispositifs sont souvent considérés:
  • pour l'insonorisation de cheminées industrielles, l'efficacité étant - bien sûr - croissante avec la longueur du revêtement absorbant les sons (donc, toutes choses égales par ailleurs: meilleure pour les cheminées de grande hauteur) mais décroissante avec le diamètre (lorsque les surfaces absorbantes en regard sont plus éloignées)
  • en tant que silencieux secondaires d'une ligne d'achappement de moteurs diesel ou à gaz (ce qui a été dit précédemment de la variation de l'efficacité en fonction des caratéristiques géométriques est là-aussi applicable
• s'agissant des silencieux à séparateurs (également appelés silencieux à baffles), il s'agit d'équipements d'insonorisation appartenant à la catégorie des silencieux dissipatifs pour lesquels le matériau d'absorption acoustique est tenu dans des cadres (généralement métalliques: en acier non inoxydable) formant des séparateurs entre lesquels circule le fluide. La plupart du temps, de tels silencieux ont une section rectangulaire et sont destinés à être insérés dans des réseaux constitués de conduits eux-mêmes à section rectangulaire (des silencieux à section circulaire, avec séparateur central de forme circulaire et le cas échéant avec un ou plusieurs séparateurs intermédiaires en forme d'anneaux peuvent être envisagés dans certains cas et sont destinés à être insérés dans des réseaux constitués de conduits eu-mêmes à section circulaire). La performance acoustique de tels silencieux (perte d'insertion) est très dépendante de la fréquence considérée et est liée à la vitesse du fluide, à l'épaisseur des séparateurs (baffles), leur nature (notamment: la résistance au passage de l'air du garnissage et de ses surfaçages éventuels), leur écartement, ainsi qu'à la longueur du silencieux. De tels silencieux génèrent une perte de pression totale principalement liée à l'épaisseur des séparateurs, à leur écartement, ainsi qu'à leur géométrie amont et aval ou encore à la longueur du silencieux.De tels dispositifs sont souvent considérés:
  • avec une forme cylindrique: pour des silencieux de turbines à gaz de petite capacité (i.e. avec une puissance de quelques MW), pour des silencieux secondaires de lignes d'échappement de moteurs à combustion interne, pour l'étage aval de silencieux pour évents de vapeur(saturée ou surchauffée)
  • avec une forme rectangulaire: pour des silencieux de turbines à gaz de grande capacité (i.e. avec une puissance de quelques dizaines ou quelques centaines de MW), pour des dispositifs d'atténuation du bruit d'installations de traitement des fumées d'usines d'incinération d'ordures ménagères
• s'agissant des silencieux réactifs (dont le principe de fonctionnement est basé sur des réflexions des ondes acoustiques dues à des discontinuités géométriques e.g. changements de section des conduits y compris lors du passage au travers de tôle perforées, changements de sens de circulation du flux gazeux) ils sont réalisés sous la forme de chambres connectées par des tubes (avec ou sans perforations) dont toutes les dimensions impactent la performance. En général, une enveloppe cylindrique (mais pouvant aussi être parallélépipédique e.g. lorsqu'il s'agit d'une installation en toiture d'un conteneur abritant un groupe électrogène) est compartimentée avec, selon le cas, une deux ou trois chambres (lorsque réalisée avec un matériau approprié, une isolation périphérique peut réduire la température de peau et limiter la transmission sonore au travers des parois du silencieux, qui est hautement indésirable). De tels dispositifs de réduction du bruit n'étant (principalement) efficaces qu'en basse fréquence, ils peuvent être complétés (parfois: avec une enveloppe commune, pour former un tout qui est un silencieux réactif/dissipatif) par un sous-ensemble (situé en val) constitué d'un revêtement absorbant les sons d'une part périphérique et d'autre part constituant un séparateur central).
• s'agissant des silencieux de décharge, la partie amont (appelée détendeur) est perforée (sous la forme d'un tube avec des trous percés dans sa paroi, ou sous la forme de structures - parfois: concentriques, pour un dispositif multi-étagé - spécialement usinées). Sous réserve de conditions thermodynamiques appropriées à un tel phénomnène, la vitesse du fluide y atteint la célérité du son - et un tel dispositif régule le débit massique -. Souvent, un tel dispositif de réduction de la puissance acoustique d'un jet est complété (dans la même enveloppe, constituant un seul appareil) par un module dissipatif (situé en val) avec un revêtement absorbant les sons:
  • possiblement sous la forme de viroles concentriques
  • possiblement sous la forme de séparateurs plus ou moins parallélépipédiques (à bords arrondis)

un évent de dépressurisation de vapeur est un cas fréquent pour lequel un silencieux pour application industrielle à haute température est requis

Spécificités du dimensionnement et de la construction de silencieux pour des applications industrielles à haute température

Le dimensionnement et la construction de silencieux pour des applications à haute température doivent tenir compte de nombreuses spécificités:

• les enjeux de performance:
  • en termes d'acoustique: les sources de bruit ont générallement très puissantes souvent au delà de 130 dB(A) ref. 1 pW et les objectifs de niveaux sonores à atteindre, même ordinairement requièrent des réductions du niveau de puissance acoustique dans un domaine fréquentiel très étendu (en basse, moyenne et haute fréquence), pouvant atteindre plusieurs dizaines de dB, ce qui est considérable
  • en termes d'aérodynamique: non seulement la perte de pression totale des dispositifs d'insonorisation que sont les silencieux ne doit pas nuire au bon fonctionnement de l'installation, mais - qui plus est - elle doit être aussi faible que possible lorsqu'elle impacte le rendement d'installations de production d'énergie, avec ce que cela implique sur le plan financier
• les enjeux de conception:
  • les débits en jeu sont souvent très élevés (plusieurs centaines de kg/s pour une turbine à combustion de grande capacité); la diminution de la densité du fluide induite par la haute température implique des débit volumiques très importants, et donc, même avec des équipements d'insonorisation de grande section, des vitesses importantes:
    • influant sur les conditions de propagation acoustique dans les parties internes des silencieux, avec ou sans présence de revêtements absorbant les sons
    • induisant un bruit propre significatif (dû à l'écoulement), qui ne doit pas obérer la performance d'ensemble du dispositif
    • impliquant des pertes de charge souvent indésirables
    • suceptibles de provoquer une érosion des revêtements absorbant les sons, s'ils ne sont pas protégés par des couches superficielles qui ne soivent pas trop s'opposer à la pénétration des sons, sous peine de dégrader la performance acoustique
  • (dans le cas de silencieux dissipatifs) la température a aussi un effet sur le comportement des matériaux susceptibles d'absorber les sons e.g. la résistance au passage de l'air est, aux conditions de service, bien différente de celle mesurée en laboratoire aux conditions ambiantes avec comme conséquence:
    • une diminution de la possibilité, pour le son de pénétrer dans les revêtements susceptibles de l'absorber (et cela est évidemment défavorable, notamment dans la cas de revêtements de forte épaisseur)
    • une augmentation de la complexité des calculs (e.g. dans le cas d'une cheminée avec un revêtement périphérique interne absorbant les sons, le gradient de température avec l'extérieur - qui doit faire l'objet de calculs itératifs - induit une variation de son comportement acoustique, qui rend le concept de matériau homogène, isotrope bien imparfait pour rendre compte de la réalité)
    • un accroissement de l'incertitude liée à la prévision des performances, qui requière des outils de simulation spécifiques: la prévision des performances acoustiques et aérauliques de silencieux dissipatifs pour des applications industrielles à haute température peut être effectuée avec le logiciel de simulation SILDIS^{® [1]}, ou avec des moyens de calculs alternatifs dont dispose également ITS ^{[2] [3] [4]}.



Silencieux constitué d'un séparateur unique avec bords amont et aval profilés - cartographie de la vitesse axiale (coupe longitudinale d'un conduit rectangulaire, résultat d'une simulation par ITS ^[2])


• les enjeux de résistance des matériaux et des assemblages (vis-à-vis de la tenue en température et aussi vis-à-vis des problématiques de dilatation des métaux). Dans certains cas, toutes les parties métalliques de silencieux dissipatifs pour des applications industrielles à haute température peuvent être réalisés en acier inoxydable (inox 304, inox 316, inox 321). Il est possible, lorsque requis, de construire des silencieux d'échappement pour moteur thermique avec des nuances d'acier telles que P265GH (1.0425), 16Mo3 (1.5415), AISI304 (1.4301/1.4307), AISI316 (1.4571/1.4404). La complexité du travail de calcul, d'étude, de fabrication et de contrôle de silencieux de dépressurisation est encore accrue lorsqu'ils sont soumis - quellequ'en soit la raison - aux règles applicables aux appareils à pression.

^[1] cf. logiciel de simulation SILDIS^®
[2] FEM : Acronyme anglais qui peut être traduit par « Méthode des Eléments Finis (MEF) »
^[3] BEM : Acronyme anglais qui peut être traduit par « Méthode des Eléments Frontières »
^[4] CFD : Acronyme anglais qui peut être traduit par « Dynamique ou Mécanique des Fluides Numérique (MFN) »