Ee Ia Util Compresseur-1

ADEME/DABEE/Département Industrie et Agriculture - 1 - 27/09/2006

DABEE Département Industrie et Agriculture

COMPRESSEURS D'AIR Sommaire : INTRODUCTION LES COMPRESSEURS ALTERNATIFS A PISTONS LES COMPRESSEURS A VIS LUBRIFIEES ET A PALETTES LES COMPRESSEURS A VIS EXEMPTS D'HUILE LES COMPRESSEURS CENTRIFUGES DEFINITIONS


INTRODUCTION

Le marché le plus important pour les compresseurs, dont la puissance est comprise entre 10 et 300 kW, est largement dominé par les compresseurs à vis lubrifiées (75 % des ventes) à cause de leur robustesse, de leur simplicité et de leur coût d’investissement un peu moins élevé. Il existe cependant, un nombre important d’autres technologies : pistons, membranes, palettes, spirales, centrifuge qui occupent des niches plus spécifiques du marché. Le choix entre les technologies avec injection ou exempt d’huile, aussi bien entre les mono-étagés ou les poly-étagés, constituent autant d’autres paramètres de choix. Dans chaque famille de compresseurs, il existe donc de multiples variantes. Le diagramme suivant illustre les grandes familles de compresseurs :

Choisir un compresseur performant

Le choix optimal de la technologie de compresseur doit prendre en compte les besoins spécifiques du process. Ce choix est important car il affecte directement l’efficacité énergétique du système, en jouant à la fois sur les performances du compresseur lui-même, mais aussi sur les autres éléments du réseau d’air.

Les spécifications d’achat doivent reprendre les éléments suivants : - Les informations sur le site et son passé. - Les besoins moyens, maximum (les pics) mais aussi minimum. - La plage de température ambiante sur le site de fonctionnement, ainsi que les niveaux de

pression attendus. - Les températures maximum attendues des fluides de refroidissement (air ou eau) sur le site. - L’altitude du site au dessus de la mer. - Les stratégies de régulation du compresseur en fonction du besoin.- La pression minimale

requise au point d’utilisation. - La qualité de l’air requise au point d’utilisation. - Le niveau de bruit maximum. - Le nombre d’heures d’utilisation par an.


L’équipementier doit apporter les informations suivantes avec son offre :

- La configuration de la machine. - Les conditions de pression et de température de l’air, d’humidité relative et de température de

refroidissement pour lesquelles le compresseur est conçu. - La quantité nominale d’air comprimé fournie en Nm³/h (sous les conditions moyennes de

température et de pression du site). - Le système de traitement de l’air associé. - La pression requise à la sortie du compresseur, en aval du système de traitement.- La puissance

à l’arbre du compresseur au fonctionnement nominal. - La spécification (rendement et puissance nominale) de l’ensemble des auxiliaires que sont les

systèmes de refroidissement, incluant les pompes, les ventilateurs, les moteurs électriques. - Le nombre d'étages de compression. - Les tolérances du débit en Nm³/h. - Les frais de maintenance pour 5 ou 10 ans. - La consommation spécifique (Cs) à pleine charge et à charges partielles.

Pour disposer de meilleurs éléments de choix, il faut tenir compte des caractéristiques de technologies de compresseur.


Caractéristiques des technologies de compresseurs Tableau 1

Compresseur Lubrification RefroidissementCapacité en m3/h

Consommation spécifique à

pleine charge (Wh/Nm3)

Rendement à charge

partielle

Coût d’investissement

Coût de fonctionnement

Besoin de maintenance

Qualité de l’air

Installation

Pistons

Lubrifié

Lubrifié

Lubrifié

Exempt d’huile

Exempt d’huile

Exempt d’huile

Air

Air/Eau

Air/Eau

Air

Air/Eau

Air/Eau

7,2 – 87,5

87,5 – 875

875 – 3600

7,2 – 87,5

87,5 – 875

875 – 3600

142

118

100

153

130

112

Bon

Bon

Excellent

Bon

Bon

Excellent

Moyen

Moyen

Elevé

Moyen

Moyen

Elevé

Moyen

Moyen

Faible

Moyen

Moyen

Faible

Moyen

Moyen

Elevé

Elevé

Elevé

Elevé

Faible

Faible

Moyen

Elevé

Elevé

Elevé

Moyen

Moyen

Complexe

Moyen

Moyen

Complexe

Vis

Injection d’huile

Injection d’huile

Injection d’huile

Exempt d’huile

Exempt d’huile

Exempt d’huile

Air

Air

Air/Eau

Air

Air

Air/Eau

7,2 – 87,5

87,5 – 875

875 – 3600

87,5 – 875

875 – 3600

3600 - 7200

142

124

112

119

106

106

Faible

Bon (avec VEV)

Correct

Bon

Bon

Bon

Faible

Faible

Moyen

Elevé

Elevé

Elevé

Elevé

Elevé

Moyen

Moyen

Moyen

Faible

Moyen

Moyen

Moyen

Moyen

Moyen

Moyen

Moyen

Moyen

Moyen

Elevé

Elevé

Elevé

Simple

Simple

Simple

Simple

Simple

Simple

Palettes Injection d’huile

Injection d’huile

Air

Air

7,2 – 87,5

87,5 – 875

141

124

Faible

Correct

Faible

Faible

Elevé

Elevé

Faible

Moyen

Faible

Moyen

Simple

Simple

Centrifuge

Exempt d’huile

Exempt d’huile

Exempt d’huile

Eau

Eau

Eau

875 – 3600

3600 – 7200

plus de 7200

124

106

100

Bon

Excellent

Excellent

Moyen

Moyen

Elevé

Moyen

Moyen

Faible

Moyen

Faible

Faible

Elevé

Elevé

Elevé

Simple

Simple

Moyen


1- LES COMPRESSEURS ALTERNATIFS A PISTONS

- Les gros compresseurs à piston peuvent être les compresseurs les plus efficaces énergétiquement. La consommation spécifique des machines lubrifiées varie de 100 à 142 Wh/ Nm³, celle des machines exemptes d’huile de 112 à 153 Wh/Nm³ (cf. tableau 1 des caractéristiques des compresseurs).

- Le rendement énergétique décroît rapidement lorsque que la maintenance n’est pas régulièrement assurée.

- Les machines refroidies par eau sont plus efficaces énergétiquement que celles refroidies par air, à charge nominale mais également à charge partielle.

- Il permet d’atteindre des pressions élevées (supérieures à 14 bars)

1-1- Les types de régulation Les différents types de régulation (Voir le PDF « Régulation de l’air comprimé ») présents sur les compresseurs alternatifs à piston sont :

- La variation du volume d’air comprimé par les pistons (progressive par soulèvement des soupapes à l’aspiration, par paliers de soulèvement des soupapes 0-25-50-75-100 %, par adition d’un volume mort).

- En Tout ou Rien par une vanne à l’aspiration. - La VEV (Variation Electronique de Vitesse) est désormais un système de contrôle éprouvé

et approuvé pour son efficacité énergétique, sa souplesse et sa robustesse. Elle est intégrée de série sur les machines et permet, en plus d’autres avantages, des gains énergétiques importants.

1-2- Récupération d’énergie - La chaleur peut être récupérée de l’eau de refroidissement par un échangeur à plaque ou

à tube. - Sur les machines à refroidissement par air, le flux d’air généré par le ventilateur peut être

conduit vers le bâtiment pour le chauffage de celui-ci.

1-3- Description du fonctionnement - Machine simple action, un seul étage de compression :

1. Le piston descend. L’air atmosphérique est aspiré par mise en dépression de la chambre de compression, la soupape d’aspiration étant ouverte, celle de refoulement étant fermée.

2. Le piston remonte. Les 2 soupapes sont fermées. L’air est comprimé. 3. Le piston remonte. La pression de la chambre de compression atteint la pression

désirée. La soupape de refoulement s’ouvre. Le piston chasse l’air comprimé. 4. Le piston redescend. Les 2 soupapes sont fermées.


- Machine double action, à deux étages : L’air, qui entre à pression atmosphérique, est comprimé dans le premier étage, puis refroidi avant d’être à nouveau comprimé dans un deuxième étage. Les deux côtés des cylindres de compression sont utilisés alternativement, multipliant par deux le volume d’air comprimé obtenu à chaque tour du moteur par rapport à une machine simple action.

2- LES COMPRESSEURS A VIS LUBRIFIEES ET A PALETTES

- Les compresseurs rotatifs lubrifiés ou à injection d'huile sont souvent moins efficaces que les machines exemptes d’huile, principalement dû au fait que ces machines sont à étage simple.

- Les machines à injection d’huile sont très fiables, ne demandent qu’une maintenance de routine et ont une longue durée de vie.

- L’énergie spécifique de compression se situe entre 112 et 142 Wh/Nm³ (cf. tableau 1 des caractéristiques des compresseurs).

- Filtrer l’huile injectée est moins efficace énergiquement qu’utiliser directement un compresseur exempt d’huile, pour produire de l’air de qualité standard.

- Ces machines sont souvent installées pour leur simplicité, leur facilité d'installation, la faible maintenance nécessaire, la faible place requise ainsi que leur bas niveau de bruit.

- Une inspection et un remplacement du bloc de compression sont nécessaires après 25 000 heures.

2-1- Les types de régulation - Les compresseurs rotatifs à injection d’huile peuvent être contrôlés à vitesse constante

soit en Tout ou Rien (fermeture d’une vanne à l’aspiration), soit par modulation (vanne bypass ou vanne progressive à l’aspiration).

- Pour des raisons d’efficacité, la modulation ne doit être utilisée qu’au dessus de 70 % de charge.

- Les machines sont souvent équipées des 2 types de contrôle et certains modèles passent automatiquement d’un mode de régulation à l’autre.

- La VEV (Variation Electronique de Vitesse) est désormais un système de contrôle éprouvé et approuvé pour son efficacité énergétique, sa souplesse et sa robustesse. Elle est intégrée de série sur les machines et permet des gains énergétiques importants, en plus de ses autres avantages.

2-2- La récupération d’énergie - La récupération d’énergie est souvent simple sur les compresseurs à vis.

La chaleur peut être récupérée à partir : - de l’eau de refroidissement par un échangeur à plaque ou à tube, - du refroidissement par air des machines par l’échangeur du circuit d’huile.

- Sur les machines à refroidissement par air, le flux d’air généré par le ventilateur peut être conduit vers le bâtiment pour le chauffage de celui-ci.


2-3- Description du fonctionnement - Compresseurs à vis à injection d’huile

- Capacité allant d’environ 90 à 3600 Nm³/h produit par un seul étage de compression. - Possibilité de délivrer une pression allant jusqu’à 14 bar. - L’injection d’huile sert au refroidissement ainsi qu’à créer l’étanchéité de la zone de

compression. - 75 % de la chaleur de la compression se retrouve généralement dans l’huile, le reste

étant perdu par refroidissement de l’air après la compression et par radiation.

Les compresseurs bi-étagés ont de meilleurs rendements (cf. schéma 1)

Les compresseurs à vis à injection d'huile fonctionnent avec deux rotors hélicoïdaux, un "mâle" et un"femelle" qui engrainent et tournent chacun dans un sens. Le dessin des rotors est fait de telle sorte que le volume de l’espace libre entre eux diminue le long de leurs axes. Cette diminution de volume comprime l’air emprisonné dans cet espace.

- Compresseur rotatif à palettes - Capacité allant de 90 à 900 Nm³/h pour un seul étage de compression. - Pour les petites tailles (jusqu’à 30kW), les compresseurs à palettes sont très discrets

du point de vu sonore comprimé.

Le compresseur rotatif à palettes et sont utilisés dans des zones décentralisées pour une production locale d’air est composé d’un rotor monté excentré dans un cylindre. Lorsque le rotor tourne, le volume créé entre les palettes décroît de la zone d’aspiration à la zone de refoulement.


LES COMPRESSEURS POLY-ETAGES : PLUS DE PERFORMANCE

SCHEMA 1

Compresseurs mono-étagés / poly-étagés : comparaison de l'énergie dépensée

Le schéma indique les modes de compression de l’air. La surface ABCD représente l’énergie nécessaire pour comprimer l'air.

La surface la plus petite est celle qui est délimitée par la courbe de « compression isotherme », c’est à dire que l’air reste à température constante pendant sa compression. C’est la courbe théorique idéale de compression.

En pratique, elle n’est pas atteignable et l’air se réchauffe pendant sa compression. On essaye de s’en rapprocher en refroidissant les têtes de compression. On suit alors la courbe, du point B pour atteindre C1. La surface découpée sur le schéma est alors la plus importante et donc l’énergie dépensée également.

Une solution pour consommer moins d’énergie est de comprimer en plusieurs fois avec un refroidissement intermédiaire. En partant du point B, on arrive au point C2. Les compresseurs poly-étagés sont donc plus économes en énergie.

Dans les principales technologies de compresseurs, on retrouve des compresseurs poly-étagés.


3- LES COMPRESSEURS A VIS EXEMPTS D’HUILE

- Ces compresseurs sont souvent bi-étagés (Voir schéma 1 ci-dessus) pour des pressions requises entre 5 et 10,5 bar et possèdent donc un meilleur rendement que les machines lubrifiées à 1 seul étage de compression.

- Leur consommation spécifique (Cs) à pleine charge oscille entre 105 et 120 Wh/Nm³ (cf. tableau 1 des caractéristiques des compresseurs).

- Les machines refroidies par air sont disponibles jusqu’à 3500 Nm³/h et celles refroidies par eau jusqu’à 7000 Nm³/h.

- En dessous de 500 Nm³/h, les compresseurs à anneaux liquides, spirales et à piston rotatifs sont disponibles.

- Le prix d’achat est généralement plus élevé que celui de leurs homologues lubrifiés, mais ils ont une durée de vie très supérieure. Ils nécessitent une inspection et un remplacement des blocs de compression après 40 000 heures.

- Ces machines sont souvent utilisées lorsqu’une qualité d’air élevée est nécessaire.

3-1- Description du fonctionnement

Les rotors "mâle" et "femelle" sont mis en rotation par des engrenages (alors que pour les compresseurs à vis lubrifiée, c’est le rotor "mâle" lui même qui entraîne le rotor "femelle").

3-2- Les types de régulation

- Les compresseurs à vis exemptes d’huile peuvent être contrôlés à vitesse constante en Tout ou Rien (fermeture d’une vanne à l’aspiration). Pour les tailles plus importantes, il peut y avoir une association entre modulation et Tout ou Rien pour les fonctionnements à faible charge

- La VEV (Variation Electronique de Vitesse) est désormais un système de contrôle éprouvé et approuvé pour son efficacité énergétique, sa souplesse et sa robustesse. Elle est intégrée de série sur les machines et permet des gains énergétiques importants, en plus d’autres avantages.

3-3- La récupération d’énergie

Des modèles de compresseurs à vis exempts d’huile peuvent produire de l’eau chaude à une température supérieure à 90°C, assurant un refroidissement correcte du compresseur tout en récupérant l’énergie par de l’eau à haute température.


4- LES COMPRESSEURS CENTRIFUGES

- Les compresseurs centrifuges sont capables de fournir de 900 à 35 000 Nm³/h. On les retrouve dès que la capacité nécessaire dépasse 7000 Nm³/h, et au delà de 35 000 Nm³/h, ce sont les compresseurs à flux axiales qui prennent le relais.

- Ils sont particulièrement adaptés et efficaces énergétiquement lorsque la demande est relativement constante et élevée.

- Leur consommation spécifique à pleine charge oscille entre 100 et 125 Wh/Nm³ (cf. tableau 1 ci-dessus des caractéristiques des compresseurs).

- Ils sont pour la plupart refroidis par eau et composés de 2,3 ou 4 étages de compression. (Voir schéma 1 ci-dessus)

- En général, que ce soit à charge nominale ou à charge partielle, plus ils ont d’étages de compression, plus, pour une même demande, leur efficacité énergétique est élevée.

- Les conditions extérieures, telles que la température ambiante, ont une influence significative sur le rendement énergétique et la plage de contrôle de ce type de compresseur.

- Lorsque le bruit est un critère de choix, ces machines sont bien adaptées. - Etant donné que les compresseurs centrifuges sont intrinsèquement exempts d’huile, l’air

délivré est de grande qualité et il n’y pas présence de pulsations au refoulement. - Pour une machine bien étudiée et utilisée, les coûts de maintenance sont relativement peu

élevés.

4-1- Les types de régulation

- La régulation (Voir le PDF « Régulation de l’air comprimé ») (par modulation (vanne by-pass entre le refoulement et l’aspiration) peut être utilisée pour réduire le débit jusqu’à 70 %.

- Pour les installations où la demande est parfois inférieure à 70 %, les machines peuvent utiliser la régulation en Tout ou Rien avec la fermeture ou l’ouverture d’une vanne à l’aspiration.

- Certaines configurations utilisent une vanne à l’aspiration pour réguler, puis une mise à l’atmosphère du refoulement en deçà d’une certaine demande (entre 55 et 70 % du débit nominal). Deux types de vannes existent :

- Une vanne à l’aspiration induisant une perte de charge, moins efficace énergétiquement et permettant une plus faible zone de réglage.

- Une vanne à l’aspiration à volets inclinés modifiant les conditions d’aspiration et d’écoulement au niveau de la roue du compresseur, plus efficace énergétiquement et permettant une plus grande plage de régulation.

4-2- Récupération d’énergie

- La chaleur peut être récupérée sur le circuit d’eau de refroidissement par un échangeur à plaque ou à tube.

- Afin de maintenir le compresseur à un rendement maximal, les refroidisseurs internes entre les étages de compressions doivent être alimentés par une eau la plus froide et de la meilleure qualité possible.


4-3- Description du fonctionnement

Le compresseur centrifuge est une machine tournante dans laquelle la roue (impulseur) accélère progressivement l’air. Cette vitesse est transformée en énergie de pression par le diffuseur qui est une pièce fixe, puis refoulée. L’accélération de l’air peut être due à l’action d’un ou plusieurs impulseurs.

DEFINITIONS

Normaux mètre cube (Nm3) Débit réel ramené aux conditions normatives 0°C et 1 bar absolu

Cs : Consommation Spécifique (Wh/Nm3) La consommation spécifique représente l'énergie nécessaire pour fournir le débit réel. Elle doit être exprimée par le rapport entre l'énergie électrique absorbée par le compresseur et le débit d'air réellement délivré après sa bride de sortie.

VEV (Variateur Electronique de Vitesse.) De technologies différentes en fonction des types de moteurs électriques auxquels ils sont associés, les variateurs électroniques de vitesse permettent de contrôler et de piloter ces moteurs en vitesse ou en couple quelque soit la charge. Aujourd'hui, sur les moteurs les plus répandus dans l'industrie que sont les moteurs asynchrones, ce sont des convertisseurs de fréquences qui sont principalement utilisés, avec des fonctions de pilotage de plus en plus recherchées associées grâce à l'électronique. Ils permettent des gains énergétiques importants et sont très souple d’utilisation.

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