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Compresseurs à air et systèmes

2020-08-12

Les dispositifs connexes essentiels d'un compresseur d'air qui contribuent à conditionner l'air comprimé selon les spécifications imposées.

a. Refroidisseurs de compresseurs d'air

Environ 80 pour cent de l'énergie électrique consommée par un compresseur est transformée en chaleur. Comme option d'un programme d'efficacité énergétique, la chaleur due à la compression peut être récupérée et utilisée pour chauffer de l'eau ou de l'air. La récupération de la chaleur des compresseurs d'air constitue une excellente possibilité d'efficacité énergétique dans bon nombre d'installations.

Refroidissement des compresseurs. Les compresseurs qui fonctionnent en permanence engendrent d'importantes quantités de chaleur attribuable au processus de compression. Cette chaleur doit être extraite à la fois du refroidisseur d'air de sortie et du refroidisseur d'huile. Les compresseurs sont normalement refroidis par air ou par eau.

Refroidisseurs intermédiaires. De nombreux compresseurs anciens à plusieurs étages sont équipés de refroidisseurs intermédiaires qui sont chargés d'éliminer, entre chaque étage, la chaleur de compression. Ces refroidisseurs doivent être nettoyés périodiquement afin d'assurer une capacité optimale de transfert de chaleur aux fin d'une meilleure efficacité énergétique.

Refroidisseurs de sortie. Ces refroidisseurs extraient la chaleur du lubrifiant et de l'air de refoulement du compresseur. Le refroidisseur d'air, installé en aval du dernier étage de compression, est refroidi par air ou par eau. Il est essentiel de veiller à son bon fonctionnement car la teneur en humidité de l'air dépend directement de la température de refoulement. Ces refroidisseurs d'air doivent être nettoyés régulièrement pour assurer une capacité optimale de transfert de chaleur aux fins d'une meilleure efficacité énergétique. Des températures supérieures à 38 °C provoquent généralement une surcharge des sécheurs d'air et entraînent des problèmes d'humidité. Les refroidisseurs réduisent la température de l'air de refoulement saturé et condensent la vapeur d'eau qui doit alors être séparée et vidangée du système. L'entretien du dispositif de purge est essentiel si l'on veut éviter que de l'eau libre ne pénètre dans les équipements de séchage avals. Pratiquement tous les systèmes d'air comprimé industriels sont équipés d'un type ou un autre de refroidisseurs de sortie.

Entrée d'air du compresseur. On admet en général, bien que cette idée fasse encore l'objet de débats dans l'industrie, que pour une efficacité énergétique maximale, l'air entrant dans le compresseur doit être le plus froid possible. Ceci tient au fait que l'air froid est plus dense que l'air chaud. Plus l'air d'entrée est froid, plus ses molécules le sont également, de sorte que davantage d'air est comprimé pour chaque tour du compresseur d'air. En outre, plus l'air d'entrée est froid, moins il y a nécessité de refroidissement intermédiaire et de refroidissement de sortie.

Un compresseur dont l'entrée d'air est alimentée par de l'air extérieur (au lieu de l'air très chaud existant dans une salle de compresseurs) a une meilleure efficacité énergétique. Lors de la conception des prises d'air extérieures, on devra prendre en compte la pression différentielle, le gel et les blocages par le givre en hiver, en vue d'optimiser les économies d'énergie. Qui plus est, les salles de compresseurs devront être aussi propres et fraîches qu'il est possible afin d'assurer un fonctionnement optimal des compresseurs.

b. Sécheurs d'air

L'air comprimé quittant le refroidisseur de sortie et le séparateur d'humidité d'un compresseur est en principe plus chaud que l'air ambiant et complètement saturé d'humidité. À mesure que l'air se refroidit, la vapeur se condense dans les canalisations d'air comprimé. Une quantité excessive d'humidité entraînée risque d'aboutir à des effets indésirables tels que corrosion des tuyauteries et contamination au point final d'utilisation. C'est cette raison qui justifie l'installation d'un sécheur d'air.

Les divers types de sécheurs d'air comprimé possèdent différentes caractéristiques de fonctionnement et permettent d'obtenir différents écarts de température par rapport au point de rosée (le point de rosée est la température à laquelle l'humidité se condense dans l'air).

Certaine utilisations finales exigent un air très sec, comme par exemple les systèmes de distribution d'air comprimé dans lesquels les tuyauteries sont exposées à des conditions hivernales. Pour éviter la formation de givre, on doit procéder au séchage de l'air à un point de rosée inférieur à la température ambiante.

La perte de charge type entre l'entrée et la sortie d'un sécheur d'air comprimé est de l'ordre de 3 à 5 psi. Certains sécheurs d'installations industrielles sont sous-dimensionnés et provoquent des pertes de charge encore plus élevées. Pour une efficacité énergétique constante, l'air ne devrait être séché qu'au point de rosée voulu et au moyen d'un sécheur de taille appropriée.

Les sécheurs d'air s'inscrivent dans trois grandes catégories : à réfrigération, à régénération et à membrane.

Sécheurs à réfrigération. Parmi les principaux types de sécheurs à réfrigération, on peut citer :

Sécheurs à réfrigération à fonctionnement continu (également appelés à détente directe). Ce type de sécheur d'air est le plus répandu en raison de son coût initial relativement faible. Il convient aux systèmes pouvant fonctionner à des points de rosée supérieurs à 2 °C. Le sécheur d'air abaisse le point de rosée de l'air à la température approximative de l'air sortant de l'évaporateur du frigorigène. Pour éviter le givrage à l'intérieur du sécheur, la température de l'évaporateur ne devrait pas descendre en dessous de 0 °C. Compte tenu du rendement du sécheur, on obtiendra en général un point de rosée d'air sous pression de 2 °C ou plus pour l'air quittant le sécheur.

Après que l'air ait d'abord traversé un échangeur de chaleur qui transfère la chaleur de l'air entrant à l'air sortant plus froid, le sécheur d'air abaisse le point de rosée de l'air jusqu'à la température approximative de l'air quittant l'évaporateur du frigorigène. Ceci provoque la condensation de la vapeur d'eau qui est ensuite éliminée dans le séparateur du sécheur. Pour éviter le givrage à l'intérieur du sécheur, la température de l'évaporateur est normalement réglée à l'aide d'un clapet de dérivation des gaz chauds qui oblige le frigorigène à contourner l'évaporateur. Cette dérivation maintient chargé le compresseur de frigorigène, forçant le sécheur à fonctionner à pratiquement sa pleine puissance même lorsque sa charge est faible, aboutissant ainsi à une efficacité médiocre en charge partielle.

On peut réaliser des économies d'énergie en mettant le sécheur d'air à l'arrêt pendant les heures où le compresseur est lui-même arrêté.

Sécheurs à réfrigération à fonctionnement cyclique (on dit également à masse thermique). Ces sécheurs ont les mêmes caractéristiques de point de rosée que les sécheurs à réfrigération à fonctionnement continu, mais au lieu d'un clapet de dérivation des gaz chauds pour commander la température de l'évaporateur, on utilise une masse thermique pour accumuler le froid. Ceci permet au compresseur de frigorigène de fonctionner en mode tout ou rien sans cycles superflus. Le sécheur à fonctionnement cyclique offre une très bonne marge de réglage effective en réaction aux diminutions de débit et du taux d'humidité, ce qui se traduit par une bonne efficacité à charge partielle.

Sécheurs à réfrigération à vitesse variable. Dans ce type de sécheur, la capacité de séchage est adaptée à la demande du système à l'aide de dispositifs électroniques, ce qui leur confère une bonne efficacité à charge partielle.

Sécheurs à régénération. Ce type de sécheur à adsorption fait appel à un matériau poreux pour sécher l'air. Lorsqu'il devient saturé, le matériau déshydratant doit être régénéré. Selon leur conception, les sécheurs régénérateurs emploient différentes méthodes de régénération. Ces sécheurs permettent d'éliminer l'humidité jusqu'à des seuils très inférieurs au point de congélation de l'eau ( 40 °F ou 0 °C, ou même moins). Toutefois, la consommation d'air de purge pour la régénération du sécheur risque de pénaliser fortement le système au niveau de l'énergie consommée.

Il existe des dispositifs de régulation du point de rosée qui ajustent les besoins en énergie de régénération à la demande du système d'air comprimé. L'emploi de ces dispositifs permettra d'améliorer l'efficacité énergétique du sécheur.

Les principales catégories de sécheurs à régénération incluent :

Régénération sans chaleur. Ce type de sécheur fait appel à l'air séché déjà comprimé pour régénérer le matériau déshydratant. Un sécheur d'air sans chaleur non régulé va consommer en permanence entre 15 et 20 % de sa puissance nominale pour effectuer cette opération. Il en coûtera près de 3 à 4 kW par 100 pcm de puissance nominale du sécheur.

Régénération avec purge. Ce type de sécheur consomme un plus faible pourcentage (7 %) d'air déjà comprimé émanant du système et lui fait traverser des résistances chauffantes électriques. L'air réchauffé extrait de façon plus efficace l'humidité du matériau déshydratant du sécheur. Ce type de sécheur consomme près de 2,25 kW par 100 pcm de puissance nominale du sécheur.

Régénération avec purge par balayage. Dans ce type de sécheurs, une soufflante fait passer l'air ambiant réchauffé à travers le matériau déshydratant pour le régénérer. Vu que cette opération ne consomme aucun air comprimé, la puissance de sortie du compresseur reste entièrement utilisable par le système d'air comprimé. Au terme du cycle de chauffage, le refroidissement s'effectue par air comprimé. Ces appareils consomment environ 2,5 kW par 100 pcm de puissance nominale du sécheur. Lorsqu'elle est employée, la purge pour refroidissement consomme en outre 0,6 kW par 100 pcm de puissance nominale.

Sécheurs à membrane. Ces appareils utilisent une membrane semi-perméable pour séparer la vapeur d'eau du flux d'air. Ils ne comportent aucune pièce mobile. Pour le balayage de la membrane, ces sécheurs consomment près de 20 % de leur puissance nominale. L'air de balayage constitue une perte pour le système d'air comprimé. Ces sécheurs délivrent en sortie des points de rosée variables selon le débit d'air et la température.

Outre les coûts d'énergie et d'immobilisation de matériel, il faut tenir compte du fait que le séchage de l'air à -40°C coûte de 5 à 10 fois plus cher que le séchage à +2°C.

c. Filtres

Filtre d'admission d'air du compresseur. Un filtre d'admission d'air protège le compresseur contre les particules, insectes et matériaux végétaux qui se trouvent en suspension dans l'air.

Les filtres d'admission d'air doivent être périodiquement remplacés, notamment dans les zones où prédominent poussières et insectes. Un filtre d'entrée à pression différentielle élevée diminue la capacité de refoulement d'un compresseur d'air et réduit son efficacité.

Filtres à air comprimé. On doit généralement installer des filtres à air comprimé en aval du compresseur d'air pour éliminer les impuretés telles que particules, condensats et huile. De nombreux choix de méthodes de filtration existent qui dépendent de la propreté exigée pour l'air.

De façon générale, la pression différentielle dans un filtre est d'autant plus élevée que le filtre est plus fin. Les filtres à particules servant à éliminer les particules solides présentent la pression différentielle la plus faible.

Les filtres à coalescence employés pour éliminer l'huile et l'humidité ont généralement la pression différentielle la plus élevée. Des filtres à particules sont ordinairement utilisés immédiatement en aval d'un sécheur à adsorption pour éliminer les particules de matériau déshydratant.

La pression différentielle d'un filtre croît comme le carré de l'augmentation du débit qui le traverse. Cette différence de pression due au filtre augmente la consommation d'énergie du compresseur nécessaire pour obtenir une pression de sortie donnée.

Pour chaque augmentation de 2 psi de la pression différentielle dans un filtre, il faut compter une augmentation de 1 % des coûts en énergie. Si l'on double la capacité d'un filtre donné, la perte de pression à travers ce filtre va être réduite dans un rapport de 4 à 1, ce qui correspond à une économie d'énergie de 75 %. Du point de vue efficacité énergétique, on devra choisir avec soin les types de filtres car l'excès de filtration représente une perte d'énergie.

Pour les filtres à huile et à particules, n'employer que le niveau de filtration nécessaire à chaque application. La pression différentielle des filtres doit être soigneusement surveillée et les éléments de filtres remplacés selon les instructions du fabricant, où lorsque la différence de pression entraîne une consommation d'énergie excessive. La différence de pression devra être surveillée à l'aide d'indicateurs de pression différentielle précis.

Pour économiser de l'énergie, tenter de minimiser - lorsqu'il est possible - la chute de pression dans les filtres en installant des filtres du type éliminateurs de gouttelettes à faible pression différentielle, des filtres surdimensionnés, ou en employant des filtres montés en parallèle.

Il faut garder à l'esprit que des différentiels de pression de filtres trop élevés entraînent souvent une consommation plus élevée du compresseur en raison du fonctionnement en cycles courts de ce dernier.

Exemple 1 - Coût de filtres colmatés

Prenons par exemple un compresseur de 100 HP fonctionnant durant 2 quarts de travail et dont la pression de refoulement est fixée à 100 psi (lb/po²). Le coût annuel en électricité de ce compresseur s'élève à 32 330 $ (voir Figure 4). Si cet appareil devait fonctionner à une pression de 110 psi pour compenser un différentiel total de filtres de 10 psi, il en résulterait une perte d'énergie d'environ 5 % ou 1 615 $ annuellement. Dans la plupart des cas, une conception adéquate peut réduire la pression différentielle à moins de 1 psi.

d. Réservoirs et stockage de l'air comprimé

L'existence de réservoirs de stockage d'une capacité adéquate permet de préserver la qualité de l'air, la stabilité du système d'air comprimé, ainsi que son efficacité. Un stockage d'air approprié est une chose extrêmement importante dans un système où sont employés des compresseurs à vis.

Les réservoirs peuvent être du type primaire ou secondaire comme on va le voir ci-dessous.

Réservoirs d'air primaires

Un réservoir d'air primaire sert de stockage général pour le système et on l'installe habituellement à proximité des compresseurs d'air principaux. Il peut se trouver en amont et/ou en aval des équipements de nettoyage.

Dans les systèmes d'air comprimé, les réservoirs d'air primaires remplissent plusieurs fonctions importantes :

Ils amortissent les pulsations engendrées par les compresseurs à pistons.

Ils offrent un emplacement pour la décantation de l'eau libre et de l'huile contenues dans le flux d'air comprimé.

Ils alimentent les demandes de pointe à partir de l'air emmagasiné sans qu'il soit nécessaire de démarrer un compresseur supplémentaire.

Ils diminuent la fréquence des cycles à vide/en charge ou marche/arrêt assurant un fonctionnement plus efficace des compresseurs à vis et réduisant les démarrages de moteurs. La plupart des compresseurs à vis comportent un dispositif de protection interne interdisant plus de 4 à 6 démarrages par heure.

Ils ralentissent les variations de pression du système pour permettre une meilleure régulation des compresseurs et pour assurer des pressions plus stables dans le système d'air comprimé.

Une règle empirique applicable aux compresseurs à vis lubrifiés fonctionnant en mode à vide/en charge, établit que le volume des réservoirs doit être de 5 à 10 gallons US (20 à 40 litres) par pcnm de sortie de compresseur d'appoint. En termes de dimensionnement, d'autres facteurs entrent en ligne de compte : par exemple, la méthode de régulation de la capacité des compresseurs d'air et les délais de démarrage ces derniers.

L'emplacement du réservoir primaire peut avoir un impact notable sur le sécheur d'air. Les réservoirs situés en aval du sécheur d'air vont stocker d'importantes quantités d'air sec pour pouvoir répondre aux demandes de pointe. Au cas où se présente une demande soudaine dépassant la capacité du compresseur, l'air emmagasiné dans réservoir peut être utilisé directement et contribuer au maintien du débit et de la pression nécessaires. Par contre, si le réservoir primaire est situé en amont du sécheur d'air, le débit combiné du compresseur et du réservoir devra s'écouler en traversant le sécheur. Ce débit pourra, dans certains cas, dépasser la capacité du sécheur. C'est pour cela que le plus gros réservoir primaire devra être situé en aval du sécheur et des filtres.

Réservoirs d'air secondaires

Les réservoirs d'air secondaires (situés dans le système de distribution d'une installation ou aux points d'utilisation) assurent les services généraux suivants :

Protection des utilisations finales critiques contre les creux de pression temporaires du système.

Protection des utilisations finales multiples contre les gros utilisateurs occasionnels d'air comprimé.

Stabilité générale de la pression dans les systèmes dont les tuyauteries de distribution sont sous-dimensionnées.

De nombreuses installations industrielles possèdent des équipements situés à l'extrémité d'une longue tuyauterie d'air comprimé, ou des machines utilisant d'importantes quantités d'air comprimé pendant de courtes périodes. Cette situation provoque souvent de sévères fluctuations de pression localisées, nombre de points finals essentiels étant alors privés d'air comprimé. Il est possible de remédier à cette situation en installant un réservoir d'air secondaire convenablement conçu à proximité du point à demande intermittente élevée. Si la demande intermittente est de courte durée, l'air nécessaire peut provenir directement du réservoir de stockage plutôt que par le démarrage d'un compresseur complémentaire. Ainsi, en installant un limiteur de débit en amont du réservoir d'air secondaire, le réservoir de stockage peut être rempli à un débit réduit raisonnable de façon à ne pas entraver les autres utilisations finales sensibles ponctuelles.

Dans d'autres cas où une utilisation isolée à faible consommation et sensible à la pression est affectée par les fluctuations de pression locales, on pourra installer un réservoir de stockage correctement dimensionné, équipé d'un clapet de non-retour et qui retiendra l'air comprimé exclusivement pour cette utilisation. De cette façon, un équipement sensible pourra rester alimenté pendant une fluctuation éventuelle de pression.

En général, un réservoir d'environ 110 gallons US (415 litres) va stocker 1 pied cubique d'air comprimé par psi (lb/po²). La taille d'un réservoir pour une application donnée est tout simplement obtenue en multipliant par 110 le nombre de pieds cubes nécessaires, et en le divisant ensuite par la plage de pression d'utilisation.

Exemple 2 - Détermination de la taille d'un réservoir d'air

Une pince pneumatique qui consomme 2 pcm nécessite un réservoir de stockage d'air muni d'un clapet antiretour permettant de maintenir au minimum une pression de 85 psi pendant 2 minutes dans un système fonctionnant normalement sous 100 psi.

Pieds cubes nécessaires = 2 pcm × 2 minutes = 4 pieds cubes

Plage de pression (psi) pendant l'opération =100 - 85 = 15

Réservoir de stockage nécessaire 4 × 110/15 =29 gallons (US)

Exemple 3 - Dimensionnement d'un réservoir pour charge transitoire

Une vaste installation de décapage au jet de sable consommant 100 pcm fonctionne à raison de 1 minute toutes les 10 minutes. La décapeuse nécessite une pression de 80 psi et la pression du système d'air comprimé est de 100 psi. Sans réservoir secondaire, le système principal d'air comprimé doit fournir ce plein débit, souvent avec une pression différentielle importante dans le système. Une autre solution est d'employer un réservoir de stockage secondaire dont l'entrée est munie d'un étranglement ou d'un robinet à pointeau.

100 pcm x 1 minute = 100 pieds cubes

Plage de pression (psi) = 20

Réservoir de stockage nécessaire = 100 pieds cubes × 110/20 psi = 550 gallons (US)

Ce réservoir pourra être rempli pendant 10 minutes à un débit de 10 pcm, ce qui réduira la pression différentielle précédente dans le système par un facteur de 100.

Pour les installations connaissant de fortes fluctuations de la demande ou ayant une pression d'air insuffisante (habituellement à l'extrémité des tuyauteries d'air), on devrait évaluer le besoin d'un ou de plusieurs réservoirs d'air situés à des emplacements stratégiques dans le système de distribution d'air comprimé.

e. Séparateurs et purgeurs

Les séparateurs d'eau sont des appareils qui éliminent les liquides entraînés par l'air. On les installe en aval des refroidisseurs de sortie pour extraire l'humidité condensée. Les séparateurs d'eau ne doivent pas être confondus avec les séparateurs d'huile que l'on emploie dans les compresseurs rotatifs à vis lubrifiés pour récupérer le lubrifiant dans l'air comprimé de refoulement.

Tous les séparateurs, filtres, sécheurs et réservoirs doivent être équipés de dispositifs de purge destinés à évacuer les condensats liquides du système d'air comprimé. Des dispositifs de purge défectueux peuvent laisser s'écouler vers l'aval des bouchons d'humidité risquant de surcharger le sécheur d'air et d'obstruer les équipements finals. Des dispositifs de purge mal conçus ou médiocrement entretenus peuvent entraîner des pertes importantes d'air comprimé.

Pour une installation fonctionnant sur deux quarts de travail (4 250 heures par an), le remplacement d'un purgeur manuel qui laisse fuir en permanence 5 pcm d'air comprimé permettra d'économiser annuellement 425 $ environ.

Il existe quatre grandes méthodes de purge des condensats :

Purgeurs automatiques à dépression avec réservoirs. C'est la méthode la plus efficace, car seuls les condensats sont évacués. Ces purgeurs sont en principe simples à tester et à entretenir. Du fait que les condensats s'écoulent normalement par gravité, la configuration de l'installation est cruciale pour éviter la formation de bouchons d'air.

Robinets électromagnétiques à commande électrique. S'ils sont réglés pour une purge à la teneur maximale en humidité, ces types de purgeurs vont gaspiller de l'air durant les périodes de faible teneur en humidité. Le robinet électromagnétique s'ouvre pendant un temps déterminé en fonction d'un intervalle réglé à l'avance. Dans certaines circonstances, la durée pendant laquelle le robinet est ouvert est insuffisante pour vidanger de façon appropriée les condensats.

Purgeurs mécaniques à flotteur. Ces types de purgeurs sont ordinairement difficiles à tester au niveau de leur fonctionnement et aussi à entretenir. Ils présentent souvent des points de fuite. Lorsqu'ils fonctionnent correctement, ces purgeurs ne perdent pas d'air, mais ils exigent en général beaucoup d'entretien car ils sont souvent bloqués par les sédiments.

Purgeurs manuels. Les robinets manuels de vidange des condensats sont en principe montés dans des endroits prédisposés aux problèmes d'humidité. N'étant pas automatiques, ces robinets sont dans bien des cas laissés légèrement ouverts, ce qui occasionne des fuites d'air comprimé en permanence. Ces purgeurs sont à éviter.

f. Tuyauteries

Les tuyauteries acheminent l'air comprimé depuis la salle des compresseurs jusqu'aux appareils et procédés d'utilisation finale. La plupart des systèmes d'air comprimé font appel à des tuyauteries en acier au carbone qui sont sujettes à la corrosion. C'est pourquoi nombre de systèmes d'air comprimé doivent être équipés d'un sécheur d'air permettant de maitriser le niveau d'humidité de l'air. Un système de tuyauteries sous-dimensionnées dans la salle des compresseurs ou dans le réseau de distribution va provoquer une perte de pression notable entre le système de production d'air comprimé et les utilisations finales. Si l'on veut maintenir en aval une pression constante donnée, cette différence de pression va nécessiter une élévation de la pression de refoulement des compresseurs et, par suite, un accroissement de leur consommation d'énergie pouvant atteindre 1 % par 2

Source: Gouvernement du Canada


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