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© 1999
·
BOGE KOMPRESSOREN
Lechtermannshof 26
·
D-33739 Bielefeld
Auteur: Ulrich Bierbaum (Boge Kompressoren)
Günther Freitag (Sievert Druck + Service GmbH)
Réalisation: Sievert Druck + Service GmbH
ISBN original: 3-89646-016-1
Sommaire
Sommaire
1ère partie
Principes fondamentaux de l'air comprimé
Chapitre Page
1.1
L'histoire de l'air comprimé ................................................... 1
1.1.1
Les origines de l'air comprimé ............................................... 1
1.1.2
Les premières applications de l'air comprimé ........................ 2
1.2
Unités et formules ................................................................... 6
1.2.1
Unités de base ...................................................................... 6
1.2.2
Unités employées dans le domaine de l'air comprimé ........... 6
1.3
Qu'est-ce que l'air comprimé ? .............................................. 7
1.3.1
Composition de l'air ............................................................... 7
1.3.2
1.3.3
Propriétés de l'air comprimé .................................................. 7
Comportement de l'air comprimé ........................................... 7
1.4
Bases physiques ...................................................................... 8
1.4.1
Température .......................................................................... 9
1.4.2
Volume ................................................................................. 9
1.4.3
1.4.3
Pression ............................................................................. 10
Volume débité ..................................................................... 11
1.5
Air comprimé déplacé .......................................................... 13
1.5.1
Comportements du courant ................................................. 13
1.5.2
Types de flux ....................................................................... 13
2è partie
Domaines d'emploi de l'air comprimé
2.1
Avantages de l'air comprimé ............................................... 14
2.2
Plages de pression ................................................................ 17
2.3
Exemples d'applications de l'air comprimé ........................ 18
2.3.1
Tendre et serrer avec de l'air comprimé ............................... 18
2.3.2
Transporter avec de l'air comprimé ...................................... 18
2.3.3
2.3.4
2.3.5
2.3.6
2.3.7
Entraînement par air comprimé ........................................... 19
Peinture à l'air comprimé ..................................................... 19
Soufflage à l'air comprimé ................................................... 19
Vérifier et contrôler avec de l'air comprimé .......................... 20
Commander et régler avec de l'air comprimé ....................... 20
2.4
Exemples d'applications spécialisées ................................. 21
3è partie
Les compresseurs d'air
3.1
Compresseurs ........................................................................ 24
3.1.1
Compresseurs dynamiques (turbocompresseurs) ................ 24
3.1.2
Compresseurs volumétriques .............................................. 24
3.2
Types de compresseurs ......................................................... 25
3.2.1
Compresseurs standard ...................................................... 26
3.2.2
3.2.3
Compresseur à piston ......................................................... 27
Compresseur à diaphragme ................................................ 29
3.2.4
3.2.5
3.2.6
Compresseur à piston libre ................................................. 30
Compresseur à multicellulaire ............................................. 31
Compresseur à anneau liquide ............................................ 32
3.2.7
3.2.8
Compresseur à vis .............................................................. 33
Compresseur Roots ............................................................ 34
3.2.9
Compresseur axial .............................................................. 35
3.2.10
Compresseur radial ............................................................. 36
I
II
Sommaire
4è partie
Régulation des compresseurs
Chapitre Page
3.3
Compresseurs à pistons ........................................................ 37
3.3.1
Généralités ......................................................................... 37
3.3.2
3.3.3
3.3.4
Volume aspiré - Débit .......................................................... 38
Refroidissement .................................................................. 39
Réfrigérant .......................................................................... 40
3.3.5
3.3.6
3.3.7
Régulation des compresseurs à piston ............................... 40
Avantages des compresseurs à pistons .............................. 40
Modules d'un compresseur à piston .................................... 41
3.4
Compresseurs à vis ............................................................... 42
3.4.1
Généralités ......................................................................... 42
3.4.2
3.4.2
Compression ....................................................................... 42
Principe de fonctionnement ................................................. 43
3.4.3
3.4.4
3.4.5
Circuit de l'huile ................................................................... 44
Circuit de l'air ...................................................................... 45
Récupération de la chaleur .................................................. 46
3.4.6
3.4.7
3.4.8
Régulation de l'aspiration .................................................... 46
Avantages des compresseurs à vis ..................................... 46
Modules d'un compresseur à vis ......................................... 47
3.5
Modules équipant les compresseurs ................................... 48
3.5.1
Moteur d'entraînement ......................................................... 48
3.5.2
3.5.3
3.5.4
Courroies trapézoïdales ....................................................... 48
Système de tension de courroie .......................................... 48
Soupapes d'aspiration et de refoulement ............................. 49
3.5.5
3.5.6
Soupape de sécurité ........................................................... 49
Filtre d'aspiration ................................................................. 49
3.6
Lubrifiants et réfrigérants pour compresseurs .................... 50
4.1
Définitions de pression ......................................................... 51
4.2
Etats de fonctionnement ....................................................... 52
4.2.1
Arrêt ( L0 ) ........................................................................... 52
4.2.2
Marche à vide ( L1 ) ............................................................. 52
4.2.3
4.2.4
Charge partielle ................................................................... 53
Pleine charge ( L2 ) ............................................................ 53
4.3
Régulation des compresseurs .............................................. 54
4.3.1
Mode intermittent ................................................................ 54
4.3.2
4.3.3
4.3.4
Marche à vide ...................................................................... 54
Mode intermittent retardé .................................................... 55
Charge partielle ................................................................... 56
4.3.4.1
Régulation progressive ........................................................ 56
4.3.4.2
Réglage de la fréquence ...................................................... 56
4.4.
La commande ARS ............................................................... 57
4.4.1
Automatic ........................................................................... 58
4.4.2
4.4.3
4.4.4
Autotronic ........................................................................... 58
Ratiotronic .......................................................................... 59
Supertronic ......................................................................... 59
5è partie
Traitement de l'air comprimé
Sommaire
Chapitre Page
4.5
Régulation de plusieurs compresseurs ............................... 60
4.5.1
MCS 1 et MCS 2 ................................................................. 60
4.5.2
4.5.3
4.5.4
MCS 3 ................................................................................. 61
MCS 4 ................................................................................. 62
MCS 5 ................................................................................. 63
4.5.5
4.5.6
MCS 6 ................................................................................ 64
MCS 7 ................................................................................ 65
5.1
Pourquoi traiter l'air comprimé ? ........................................ 66
5.1.2
Planification ........................................................................ 67
5.1.3
Conséquences d'un mauvais traitement de l'air comprimé ... 68
5.1.3
Impuretés contenues dans l'air ............................................ 69
5.2
L'eau contenue dans l'air comprimé ................................... 70
5.2.1
Hunidité de l'air ................................................................... 70
5.2.2
Points de rosée ................................................................... 71
5.2.3
5.2.4
5.2.5
5.2.6
Teneur en eau de l'air .......................................................... 71
Quantité de condensat lors de la compression .................... 72
Exemple de calcul de la quantité de condensat .................. 73
Quantité de condensat qui se forme lors d'une lourde journée d'été ....................................................................... 74
5.2.7
5.2.8
Définition du point de rosée sous pression .......................... 75
Point de rosée sous pression après détente ....................... 76
5.3
Qualité de l'air comprimé ..................................................... 77
5.3.1
Classes de qualité selon la norme DIN ISO 8573-1 ............ 77
5.4
Méthodes de séchage ........................................................... 78
5.4.1
Conditions d'exploitation ..................................................... 79
5.4.2
5.4.3
5.4.4
Condensation par surcompression ...................................... 80
Condensation par séchage par réfrigération ......................... 81
Diffusion par séchage à diaphragme .................................... 82
5.4.5
5.4.6
Sorption par absorption ....................................................... 83
Sorption par adsorption ....................................................... 84
5.4.6.1
Régénération sans chaleur .................................................. 85
5.4.6.2
Régénération à chaud interne .............................................. 86
5.4.6.3
Régénération à chaleur externe ........................................... 87
5.4.6.4
Régénération par le vide ...................................................... 88
5.4.7
Emplacement du sécheur d'air comprimé par réfrigeration ... 89
5.4.7.1
Sécheur placé avant le réservoir d'air comprimé .................. 89
5.4.7.2
Sécheur placé après le réservoir d'air comprimé .................. 90
5.5
Filtre à air comprimé ............................................................ 91
5.5.1
Terminologie de base des filtres .......................................... 91
5.5.1.1
Pouvoir séparateur du filtre h [ % ] ....................................... 91
5.5.1.2
Chute de pression
∆p ......................................................... 92
5.5.1.3
Pression de service ............................................................. 92
5.5.2
Séparateur centrifuge .......................................................... 93
5.5.3
Préfiltre ............................................................................... 94
5.5.4
5.5.5
5.5.6
5.5.7
Filtre microporeux ............................................................... 95
Filtre à charbon actif ........................................................... 97
Adsorbeur à charbon actif ................................................... 98
Filtre stérile ......................................................................... 99
III
Sommaire
6è partie
Elimination du condensat
Chapitre Page
6.1
Condensat ............................................................................ 100
6.2
Evacuateur de condensat ................................................... 101
6.2.1
Evacuateur de condensat à soupape manuelle .................. 102
6.2.2
6.2.3
6.2.4
6.2.5
Evacuateur de condensat à commande à flotteur .............. 102
Evacuateur de condensat à électrovanne à ouverture synchronisée .................................................................... 103
Evacuateur de condensat à mesure de niveau électronique 104
Evacuateur de condensat à flotteur à niveau par mesure du niveau de remplissage .................................................. 105
6.3
Traitement du condensat .................................................... 106
6.3.1
Séparateur huile-eau ......................................................... 107
7è partie
Besoins en air comprimé
7.1
Consommation d'air des appareils pneumatiques ........... 108
7.1.1
Consommation d'air comprimé des buses ......................... 108
7.1.1.1
Consommation d'air comprimé des buses cylindriques ..... 109
7.1.1.2
Consommation d'air comprimé des pistolets à peinture ..... 110
7.1.1.3
Consommation d'air comprimé des buses de pulvérisation 111
7.1.2
7.1.3
Consommation d'air comprimé des vérins ......................... 112
Consommation d'air comprimé des outils .......................... 113
7.2
Détermination de la consommation d'air comprimé ....... 115
7.2.1
Durée de fonctionnement moyenne ................................... 115
7.2.2
Facteur de simultanéité ..................................................... 116
7.2.3
Définition des besoins en air comprimé ............................. 117
7.2.3.1
Consommateurs d'air comprimé automatiques .................. 117
7.2.3.2
Consommateurs d'air comprimé généraux ......................... 118
7.2.3.3
Consommation d'air comprimé totale ................................ 118
7.2.4
7.2.5
Suppléments pour pertes et réserves ................................ 119
Débit nécessaire DN ......................................................... 119
7.3
Pertes d'air comprimé ......................................................... 120
7.3.1
Frais provoqués par les pertes d'air comprimé ................... 120
7.3.2
Détermination du volume de fuite....................................... 121
7.3.2.1
Détermination des fuites en vidant le réservoir ................... 121
7.3.2.2
Détermination des fuites par mesure de la durée de fonctionnement ................................................................. 122
7.3.3
Limite des volumes de fuites ............................................. 123
7.3.4
7.3.5
Mesure à prendre pour limiter les pertes d'air comprimé .... 123
Remise en état d'un réseau d'air comprimé ....................... 124
8è partie
Détermination de la taille de la station de compresseurs
8.1
Le type de compresseur ..................................................... 125
8.1.1
Compresseurs à vis .......................................................... 125
8.1.2
Compresseurs à piston ..................................................... 125
8.2
Pression maximale pmax ................................................... 126
8.2.1
Facteurs influençant la pression d'arrêt pmax .................... 126
IV
Sommaire
Chapitre Page
8.3
Détermination du volume d'un réservoir d'air comprimé .. 127
8.3.1
Conseils relatifs au volume des réservoirs d'air comprimé 127
8.3.2
8.3.3
Série normalisée et pressions de service pour différentes tailles de réservoirs d'air comprimé .................................... 127
Volume du•e réservoir d'air comprimé d'un compresseur .. 128
8.4
Fréquence de démarrage du compresseur ...................... 129
8.4.1
Durée d'arrêt du compresseur ........................................... 129
8.4.2
8.4.3
Durée de fonctionnement du compresseur ........................ 129
Détermination du nombre de démarrages du moteur ......... 130
8.5
Exemples de configurations de compresseurs ................. 131
8.5.1
Exemple de calcul pour compresseurs à pistons .............. 131
8.5.1.1
Détermination de la pression maximale pmax ................... 131
8.5.1.2
Détermination de la taille du compresseur ......................... 132
8.5.1.3
Volume du réservoir d'air comprimé ................................... 132
8.5.1.4
Conception du compresseur .............................................. 133
8.5.1.5
Démarrages du moteur du compresseur ............................ 134
8.5.2
Exemples de calcul pour compresseurs à vis .................... 135
8.5.2.1
Exemple de calcul de la pression maximale pmax ............ 135
8.5.2.2
Détermination de la taille du compresseur ......................... 135
8.5.2.3
Dimensionnement du réservoir d'air comprimé ................... 136
8.5.2.4
Fréquence de démarrages du compresseur....................... 136
8.5.3
Résumé des critères de choix d'un compresseur .............. 137
8.6
Remarques relatives à la configuration du compresseur 138
8.6.1
Rendement et pression de travail ...................................... 138
8.6.2
Pression de service variable des consommateurs ............. 139
8.6.3
Systèmes composés de plusieurs compresseurs ............. 139
9è partie
Le réseau d'air comprimé
9.1
Le réservoir d'air comprimé ............................................... 140
9.1.1
Stockage de l'air comprimé ............................................... 140
9.1.2
9.1.3
9.1.4
Amortissement des pulsations .......................................... 140
Evacuation du condensat .................................................. 141
Exploitation des réservoirs d'air comprimé ......................... 141
9.1.5
9.1.6
Installation des réservoirs d'air comprimé .......................... 141
Prescriptions de sécurité appliquées aux réservoirs d'air comprimé .................................................................. 142
9.1.6.1
Division en groupes de contrôle ......................................... 142
9.1.6.2
Fabrication des réservoirs d'air comprimé .......................... 143
9.1.6.3
Devoir d'enregistrement et de surveillance ......................... 143
9.1.6.4
Experts et personnes spécialisées selon les § 31 et 32 des directives allemandes sur lesréservoirs d'air comprimé 143
9.1.6.5
Inspection des réservoirs d'air comprimé ........................... 144
9.1.6.6
Types d'inspections ........................................................... 146
9.1.6.7
Extraits supplémentaires de la directive relative aux réservoirs d'air comprimé ................................................... 146
9.1.7
Accessoires nécessaires sur le réservoir d'air comprimé ... 147
9.1.7.1
Soupape de sécurité ......................................................... 148
V
Sommaire
10è partie
Le local technique du compresseur
Chapitre Page
9.2
Le réseau de distribution .................................................... 149
9.2.1
Structure du réseau de distribution .................................... 149
9.2.1.1
La conduite principale ....................................................... 149
9.2.1.2
Le circuit de distribution - tuyauterie périphérique .............. 150
9.2.1.3
Le circuit de distribution - tuyauterie en dérivation ............. 151
9.2.1.4
La conduite de raccordement ............................................ 151
9.2.1.5
Raccordement à une conduite commune sur les installations multiples ....................................................... 152
9.3
Planification du réseau de distribution ............................. 153
9.3.1
Conseils de planification généraux .................................... 153
9.3.2
9.3.3
Réseau de distribution sans sécheur d'air comprimé ......... 154
Réseau de distribution avec sécheur d'air comprimé ......... 155
9.4
Chute de pression
∆
9.4.1
Type de flux ...................................................................... 156
9.4.2
9.4.3
Nombre de Reynolds Re ................................................... 156
Chutes de pression dans un réseau de conduites ............. 157
9.5
Dimensionnement des conduites ....................................... 158
9.5.1
Chute de pression maximale Dp ....................................... 158
9.5.2
Diamètre nominal des conduites - comparaison
[ DN – pouces ] ................................................................. 159
9.5.2
9.5.3
9.5.4
9.5.5
Longueur de tuyau équivalente .......................................... 160
Calcul du diamètre intérieur du tuyau di ............................ 161
Calcul graphique du diamètre intérieur du tuyau di ............ 162
Calcul du diamètre intérieur di au moyen d'un diagramme en colonnes .................................................... 163
9.6
Matériaux utilisés pour réaliser les conduites .................. 164
9.6.1
Tuyaux filetés .................................................................... 164
9.6.2
Tuyaux en acier sans soudures ........................................ 165
9.6.3
9.6.4
9.6.5
Tuyaux en acier inoxydable ............................................... 165
Tuyaux en cuivre ............................................................... 166
Tuyaux en matières synthétiques...................................... 167
9.7
Marquage des conduites .................................................... 168
10.1
Refroidissement du compresseur ....................................... 169
10.2
Installation du compresseur ............................................... 170
10.2.1
Remarques générales sur le local technique du
compresseur .................................................................... 170
10.2.2
Température ambiante admissible ..................................... 170
10.2.3
Règles de protection contre les incendies pour les locaux techniques de compresseurs ................................. 171
10.2.4
Elimination du condensat .................................................. 171
10.2.5
Conseils d'installation du compresseur ............................. 172
10.2.6
Encombrement d'un compresseur ..................................... 172
10.2.7
Conditions d'installation des réservoirs d'air comprimé ...... 173
VI
Sommaire
Chapitre Page
10.3
Ventilation de la station de compresseurs ......................... 174
10.3.1
Facteurs influençant le courant d'air de refroidissement
V
C
d'un compresseur ......................................................... 174
10.3.2
Définition des facteurs influençant le courant d'air de refroidissement V
C
d'un compresseur ................................ 175
10.3.3
Remarques générales relatives à la ventilation des locaux techniques de compresseurs ............................................ 176
10.3.4
Ventilation naturelle ........................................................... 177
10.3.4.1 Ouverture de sortie d'air nécessaire dans le cas d'une ventilation naturelle ........................................................... 177
10.3.5
Ventilation artificielle ......................................................... 178
10.3.5.1 Puissance de ventilation exigée pour la ventilation artificielle .......................................................................... 178
10.3.5.2 Ouverture d'entrée d'air nécessaire pour la ventilation artificielle .......................................................................... 179
10.3.5.3 Exemple de ventilation artificielle d'une station de compresseurs ................................................................... 180
10.3.6
Alimentation en air froid avec gainage d'entrée et de sortie 181
10.3.6.1 Gainage de l'admission d'air .............................................. 181
10.3.6.2 Evacuation de l'air par une gaine d'évacuation ................... 182
10.3.6.3 Courant d'air froid D
A
et section de canal A
C
avec gaine d'évacuation ...................................................................... 182
10.3.6.4 Remarques relatives à la ventilation par gaines ................. 183
10.3.6.5 Dimensionnement de l'ouverture d'entrée d'air en association avec une gaine d'évacuation ........................... 184
10.3.6.6 Variantes de ventilation canalisée...................................... 185
10.4
Exemples de plans d'installation ....................................... 186
10.4.1
Exemple d'installation d'un compresseur à vis ................... 186
10.4.2
Exemple d'installation d'un compresseur à piston ............. 187
11è partie
Récupération de la chaleur
11.1
Bilan thermique d'une station de compresseurs .............. 188
11.2
Chauffage des locaux ......................................................... 189
11.2.1
Chauffage des locaux par des conduites de chauffage ...... 189
11.2.2
Fonctionnement d'un chauffage de locaux ......................... 190
11.2.3
Rentabilité d'un chauffage de locaux .................................. 190
11.3
L'échangeur de chaleur Duotherm .................................... 191
11.3.1
Duotherm BPT .................................................................. 191
11.3.2
Duotherm BSW ................................................................. 192
11.3.3
Economies d'énergie réalisables ....................................... 193
11.4
Récupération de la chaleur : conclusion .......................... 194
12è partie
Le son
12.1
La nature du son ................................................................. 195
12.1.1
La perception du son ......................................................... 195
12.2
Terminologie de base en matière d'acoustique ............... 196
12.2.1
Pression acoustique ......................................................... 196
12.2.2
Niveau sonore ................................................................... 196
12.2.3
Intensité sonore ................................................................ 196
VII
Sommaire
13è partie
Coûts de l'air comprimé
14è partie
Certification CE
15è partie
Annexe
16è partie
Table de conversion
Chapitre Page
12.3
Perception du son par l'oreille humaine ............................ 197
12.3.1
Niveau d'intensité d'un son ................................................ 197
12.3.2
Niveau sonore pondéré dB (A) .......................................... 197
12.3.3
Comparaison des différentes intensités sonores ............... 198
12.4
Comportement du son ......................................................... 199
12.4.1
Distance par rapport à une source sonore ......................... 199
12.4.2
Réflexion et absorption ..................................................... 199
12.4.3
Amortissement du son ...................................................... 200
12.4.5
Propagation sonore dans les tuyaux et les conduites ........ 200
12.4.6
Niveau de pression acoustique de plusieurs sources sonores ............................................................................. 201
12.4.6.1 Niveau de pression acoustique de plusieurs sources sonores de niveaux identiques .......................................... 201
12.4.6.2 Niveau de pression acoustique de deux sources sonores de niveaux différents ............................................ 201
12.5
Effets du bruit ....................................................................... 202
12.6
Directives de protection contre le bruit ............................. 203
12.6.1
Règles de sécurité applicables par les entreprises générant du bruit (décembre 1974) .................................... 203
12.6.2
Règles de sécurité en vigueur pour les compresseurs (VGB 16)
(avril 1987) ........................................................................ 203
12.6.3
Directives natinales appliquées sur l'emplacements de travail (avril 1975) .......................................................... 203
12.6.4
Règlements administratifs généraux nationaux relatifs
au bruit (juillet 1984) ......................................................... 204
12.7
Mesure du bruit ................................................................... 205
12.8
Insonorisation des compresseurs ...................................... 205
13.1
Composition des coûts de l'air comprimé ......................... 206
13.1.1
Les coûts de l'air comprimé en pour-cent .......................... 206
13.2
Calcul de rentabilité des coûts d'énergie ........................... 207
14.1
Introduction .......................................................................... 208
14.1.1
Directive relatives aux machines commercialisées dans la CEE .............................................................................. 208
14.1.2
Domaines d'application ..................................................... 208
14.2
Mise en service des machines sur le marché ................... 209
14.2.1
Symbole CE ..................................................................... 209
14.2.2
Certificat de conformité CE ............................................... 210
14.2.3
Certificat de fournisseur CE .............................................. 212
A.1
Symboles ............................................................................. 214
A.1.1
Symboles de figures selon DIN 28004 ............................ 214
A.1.2
Signes de commutation selon ISO 1219 .......................... 216
16.1
Table de conversion ............................................................. 220
VIII
Principes fondamentaux de l’air comprimé
1.
1.1
Principes fondamentaux de l’air comprimé
L’histoire de l’air comprimé
Aux côtés du courant électrique, l’air comprimé est aujourd’hui le vecteur d’énergie le plus couramment utilisé dans le secteur de l’industrie et de l’artisanat. Mais, alors que l’on apprend dès l’enfance à se servir de l’électricité, la signification, les possibilités et les avantages offerts par l’air comprimé restent encore très méconnus.
Les connaissances acquises par l’homme sur l’air comprimé se sont développées parallèlement à celles réalisées dans les autres applications techniques. Au cours de son histoire, l’air comprimé n’a pu se développer que lorsque ses avantages
étaient supérieurs à ceux offerts par d’autres technologies. L’air comprimé a été utilisé de tous temps, et c’est donc la raison pour laquelle nombreux sont ceux qui se sont penchés sur son développement.
1.1.1
Les origines de l’air comprimé
Figure 1.1 :
Le premier compresseur - les poumons
Le premier compresseur - les poumons
De nombreux domaines d’utilisations techniques trouvent leur origine dans le berceau de l’humanité. Une des premières applications de l’air comprimé consista à souffler sur l’amadou utilisé pour allumer le feu, l’air étant comprimé dans les poumons pour y parvenir. On pourrait dire en quelque sorte que les poumons sont un compresseur naturel. La capacité et le rendement de ce compresseur sont particulièrement impressionnants. Les poumons humains sont en mesure de traiter 100 l/min. ou 6 m³ d’air par heure. Ils parviennent à générer une pression de 0,02 à 0,08 bar. En bonne santé, le compresseur humain reste imbattable du point de vue de sa fiabilité, ses frais de maintenance étant de surcroît inexistants.
Le développement des „poumons“
Les poumons se sont cependant avérés insuffisants lorsque l’homme commença, il y a plus de 5000 ans, à faire fondre des métaux purs tels que l’or, le cuivre, l’étain et le plomb. Il devint inévitable de développer la technologie de l’air comprimé lorsqu’il fallu plus tard fabriquer des métaux de qualité supérieure, tels que le fer, à partir de minerais. Des auxiliaires plus puissants que les poumons se montrèrent indispensables pour obtenir des températures supérieures à 1000°C . On commença par utiliser le vent soufflant sur les collines et les crêtes. Plus tard, les orfèvres égyptiens et sumériens se servirent d’un tuyau de soufflage au moyen duquel ils amenaient l’air directement dans le brasier, augmentant ainsi considérablement sa température.
Aujourd’hui encore, les orfèvres du monde entier utilisent un outil semblable. Il ne convient cependant que pour faire fondre de petites quantités de métal.
1
2
Principes fondamentaux de l’air comprimé
Le premier compresseur mécanique - le soufflet
Le premier compresseur mécanique, le soufflet actionné à la main, a vu le jour vers le milieu du troisième millénaire avant notre
ère. Les soufflets à pied, beaucoup plus puissants, firent leur apparition vers 1500 av. J. C. Ce progrès fut indispensable pour faire fondre l’alliage de zinc et d’étain servant à fabriquer le bronze. Cette découverte est illustrée sur les fresques qui ornent une ancienne tombe égyptienne. L’air comprimé, tel que nous le comprenons aujourd’hui, était né.
Figure 1.2:
Soufflet actionné au pied dans l’ancienne Egypte
1.1.2
Les premières applications de l’air comprimé
Les propriétés de l’air comprimé sont reconnues
L’orgue à eau
Le stockage et l’atténuation des pulsations
La première utilisation consciente de l’énergie contenue dans l’air nous est transmise par le grec Ktesibios (vers 285 à 222 av.
J. C.). Il construisit une orgue à eau et utilisa l’air comprimé pour
stocker
et réduire les vibrations.
La catapulte
Le stockage de l’énergie
Ktesibios se servit d’une propriété supplémentaire de l’air comprimé, le stockage de l’énergie, pour construire sa catapulte. Grâce à la tension générée avec l’air comprimé dans un cylindre, l’arme de cet inventeur grec était en mesure de lancer des projectiles.
Figure 1.3:
La catapulte de Ktesibios
Figure 1.4:
Les portes de temples de Héron
Les portes de temples
L’expansion et l’exécution du travail
Le mathématicien et mécanicien grec Héron, qui vivait à
Alexandrie au premier siècle de notre ère, découvrit un système permettant d’ouvrir automatiquement les portes d’un temple, à condition que le feu brûlât sur l’autel à l’intérieur du temple. Le secret résidait dans l’expansion de l’air chaud, faisant passer l’eau d’un réservoir dans un autre. Héron reconnu, inconsciemment il est vrai, qu’il était possible d’exécuter un travail en modifiant l’état de l’air.
Figure 1.5 :
L’ar comprimé : un amplificateur de forces
Principes fondamentaux de l’air comprimé
La loi de Blaise Pascal
L’amplification des forces
Ce n’est qu’à partir du XVII
è
siècle qu’un certain nombre de scientifiques se penchèrent sur les lois physiques applicables
à l’air comprimé. En 1663, Blaise Pascal publia les traités de la
Pesanteur de la masse de l’air, dans lesquels il décrivit les
phénomènes d’hydrostatique
s’appliquant également à la technologie de l’air comprimé. Il constata que la pression exercée par une seule personne à l’ouverture d’un réservoir d’eau fermé générait une pression centuplée sur une autre ouverture.
p
1 p
2
Figure 1.6 :
L’air comprimé : un moyen de transport
Le transport de corps dans des tuyaux
Le convoyage pneumatique
Poursuivant les travaux de Héron, le physicien français Denis
Papin décrivit en 1667 la possibilité de transporter des objets dans des tuyaux. Il exploitait la faible différence de pression régnant dans un tube. Ce faisant, il constata qu’une force était appliquée sur l’objet contenu dans le tube. Il venait de découvrir que des vitesses de travail élevées pouvaient être obtenues avec de l’air. Papin venait de poser le premier jalon sur la voie des
techniques de convoyage pneumatiques
.
Figure 1.7 :
Train équipé d’un frein pneumatique vers 1870
Le freinage pneumatique
La transmission des forces
Vers 1810, l’air comprimé constituait la force motrice des trains.
Westinghouse présenta le frein à surpression pneumatique en
1869, et le moto-freineur trois ans plus tard. Sur ces deux systèmes, les freins étaient serrés par surpression. C’est-àdire que l’effet de freinage maximum était obtenu grâce à une chute de pression, par éclatement d’un tuyau par exemple.
Ce fut la première utilisation du système de freinage à sécurité intégrée. Un système de freinage basé sur ce principe est aujourd’hui encore utilisé sur les systèmes de freinage des poids-lourds.
3
4
Principes fondamentaux de l’air comprimé
La poste pneumatique
Le convoyage avec de l’air comprimé
L’idée du train entraîné par de l’air comprimé ne fut pas abandonnée. A Londes, Latimer Clark s’associa à l’ingénieur
Rammel en 1863 pour réaliser un système de convoyage. Des petits chariots se déplaçant dans des tubes devaient transporter des sacs postaux et des paquets. Ce système était beaucoup plus souple que les lourds trains atmosphériques de 1810 et conduisit finalement à la création de la poste pneumatique.
Des réseaux de poste pneumatique furent ensuite créés à
Berlin, New York et Paris. Le réseau parisien atteint sa taille maximum en 1934, fort de 437 km. Aujourd’hui encore, la poste pneumatique est répandue dans de nombreuses entreprises industrielles.
Figure 1.8 :
Marteau perforateur pneumatique employé dans la construction des tunnels
Figure1.9 :
Station d’air comprimé à Paris en 1888
Les outils à air comprimé
Le transport de l’énergie
Lors de la construction du tunnel du Mont Cenis en 1857, cette nouvelle technologie servit à entraîner un marteau à air comprimé creusant la roche. A partir de 1861, on utilisa des marteaux à percussion à entraînement pneumatique alimentés en air comprimé par des compresseurs situés aux deux entrées du tunnel. Dans les deux cas, l’air comprimé était transporté sur de longues distances.
Lorsque les deux équipes du tunnel se rencontrèrent en 1871, plus de 7000 m de conduites avaient été posées de part et d’autre. Pour la première fois, la transportabilité de l’énergie
était démontrée et présentée à un large public comme étant un des avantages de l’air comprimé. Des outils pneumatiques de plus en plus performants et polyvalents furent développés à partir de ce moment.
Les réseaux d’air comprimé
La génération centrale de l’air comprimé et la transmission de signaux
Les expériences réalisées sur les réseaux de conduites d’air comprimé et le développement de compresseurs plus puissants permirent la création d’un réseau d’air comprimé dans les
égouts de Paris. En 1888, une station de compresseurs
centrale
développant 1 500 kW fut mise en service. En 1891, la puissance installée atteignait déjà 18 000 kW.
L’invention d’une horloge, dont l’aiguille des minutes était déclenchée toutes les soixante secondes par une impulsion venant de la station de compresseurs, témoignait des succès polyvalents obtenus par l’air comprimé. Il était non seulement possible de transporter l’énergie, mais on pouvait aussi transmettre des signaux sur les grandes distances du réseau
d’air comprimé
.
Le réseau d’air comprimé parisien a conservé son caractère unique jusqu’à ce jour. Il est encore en service.
Figure 1.10 :
Totaliseur à quatre niveaux et éléments de radiation muraux
Principes fondamentaux de l’air comprimé
Le traitement des signaux
L’air comprimé est utilisé pour transmettre et traiter des signaux
Dans les années 50, le grand débit de l’air comprimé fut utilisé aux USA pour transmettre et traiter des signaux. Les systèmes
pneumatiques basse pression,
également appelés systèmes
fluidiques ou pneumoniques (logique pneumatique),
permettaient d’intégrer des fonctions de commutation logiques sous forme d’éléments fluides dans un espace extrêmement réduit au moyen de pressions de 1,001 à 1,1 bar.
La grande fiabilité des éléments logiques fluides dans des conditions ambiantes extrêmes permettait de les utiliser dans les programmes spatiaux et de défense des USA et de l’URSS.
Leur résistance aux rayonnements électromagnétiques, provoqués par une explosion atomique en particulier, confèraient aux systèmes fluidiques des avantages techniques dans certains domaines sensibles.
Les systèmes électroniques et micro-électroniques ont cependant supplanté peu à peu les systèmes fluidiques dans le domaine du traitement des signaux et de l’informatique.
5
6
Unité
Force
Pression
Surface
Volume
Vitesse
Masse
Densité
Température
Travail
Puissance
Tension
Fréquence
Principes fondamentaux de l’air comprimé
1.2
1.2.1
Unités et formules
Unités de base
Les unités SI ( Système International d’unités) ont été agréées lors de la 14è conférence générale sur les poids et mesures.
Elles sont prescrites depuis le 16 octobre 1971.
Les unités de base sont des unités de mesure indépendantes définies qui constituent la base du système SI.
Unité de base
Longueur
Masse
Temps
Intensité (courant)
Température
Intensité lumineuse
Quantité de subst.
Formule
l m
I t
T
I n
Symbole
[ m ]
[ kg ]
[ s ]
[ A ]
[ K ]
[ cd ]
[ mol ]
Nom
Mètre
Kilogramme
Seconde
Ampère
Kelvin
Candela
Mole
1.2.2
Unités employées dans le domaine de l’air comprimé
En technique, on utilise des mesures dérivées de l’unité de base. Le tableau ci-dessous présente les unités les plus fréquemment utilisées dans le domaine de l’air comprimé.
Symbole formule
F p
A
V f
U
W
P
ρ
T v m
Symbole
[ N ]
[ Pa ]
[ bar ]
[ m
2
]
[ m
3
]
[ l ]
[ m / s ]
[ kg ]
[ t ]
[ kg / m 3 ]
[ °C ]
[ J ]
[ W ]
[ V ]
[ Hz ]
Nom
Newton
Pascal
Bar
Mètre carré
1 bar = 100 000 Pa
Mètre cube
Litre
1 m
3
= 1 000 l
Mètre par seconde
Kilogramme
Tonne
1 t = 1 000 kg
Kilogramme par mètre cube
Degré Celsius
Joule
Watt
Volt
Hertz
Principes fondamentaux de l’air comprimé
1.3
Qu’est-ce que l’air comprimé?
1.3.1
Composition de l’air
L’air contenu dans notre environnement, c’est-à-dire dans l’atmosphère, se compose de :
Azote
78%
Oxygène
21%
78 % d’azote
21 % d’oxygène
1 % d’autres gaz
( dioxyde de carbone et argon par exemple)
Autres gaz
1%
Figure 1.11:
Composition de l’air
1.3.2
Propriétés de l’air comprimé
Air comprimé
Energie de pression
Chaleur
L’air comprimé est de l’air atmosphérique compressé.
L’air comprimé est porteur d’énergie thermique.
L’air comprimé peut couvrir certaines distances (conduites), être stocké (réservoir d’air comprimé) et exécuter un travail
(décompression).
Figure 1.12:
Compression de l’air
1.3.3
Comportement de l’air comprimé
p p p p p
V p p p p p p p
T
Figure 1.13:
Air contenu dans un réservoir fermé
Comme tous les gaz, l’air est composé de molécules. Les molécules sont soudées entre elles grâce aux forces moléculaires. Si l’air est enfermé dans un réservoir (volume constant), ces molécules sont projetées sur les parois du réservoir et génèrent une pression p.
Plus la température est élevée, plus le déplacement des molécules d’air est rapide et plus la pression générée augmente.
Volume ( V ) = constant
Température ( T ) = augmente
Pression ( p ) = croissante
Indépendamment l’un de l’autre, les physiciens Boyle et Mariotte ont réalisé des expériences sur des volumes de gaz fermés et ont découvert la relation suivante :
Le volume de gaz est inversement proportionnel à la pression
(loi de Boyle-Mariotte ).
7
8
Principes fondamentaux de l’air comprimé
1.4
Bases physiques
Les conditions de l’air comprimé sont déterminées par les trois grandeurs d’état thermiques:
T = Température
V = Volume p = Pression p
××××× V
———— = constant
T
p
0
, T
0 p
1
, T
1
Chaleur
Volume constant
Compression isochore
Ce qui signifie:
Volume constant (isochore)
Pression et température variables
La pression croît si l’on augmente la température en conservant un volume constant.
p
0
—— = —— p
1
T
0
T
1 p
0
, V
0 p
1
, V
1
Température constante
Compression isotherme
Température constante ( isotherme)
Pression et volume variables
La pression augmente si l’on réduit le volume tout en maintenant la température constante.
p
0
××××× V
0
= p
1
××××× V
1
= constant
V
0
, T
0
V
1
, T
1
Chaleur
Pression constante
Compression isobare
Pression constante (isobare)
Volume et température variables
Le volume croît si l’on augmente la température en maintenant une pression constante.
V
0
V
1
T
0
—— = ——
T
1
1.4.1
Température
Principes fondamentaux de l’air comprimé
La température indique l’état thermique d’un corps. Elle est lue sur un thermomètre en degrés °C ou convertie en degrés Kelvin
(K).
T [ K ] = t [ °C ] + 273,15
0°C
Figure 1.14:
Indication de la température
1.4.2
Volume
Volume (V)
Volume normalisé + 8 % =
0°C
Volume
20 ° C
Volume V [ l, m
3
]
Etat comprimé à l’état détendu, air libre
Le volume est par exemple déterminé par les dimensions d’un cylindre. Il est mesuré en l ou m 3 à une température de 20 ° C et
à une pression de 1 bar.
Les valeurs indiquées dans la présente documentation se rapporteront toujours à de l’air comprimé à l’état détendu.
V
Cyl
d
2
×××××
π
= ————
××××× h
4
V
Cyl
= Volume d = Diamètre h = Hauteur
[m 3 ]
[m]
[m]
Volume normalisé V [Nl, Nm
3
]
Norm
Air comprimé à l’état détendu dans des conditions normalisées
Le volume normalisé se réfère à l’état physique spécifié dans la norme DIN 1343. Il est inférieur de 8% au volume à 20 ° C.
760 Torr = 1,01325 bar abs
273,15 K = 0 °C
= 101 325 Pa
Volume réel V [Vl, Vm
3
]
exp
Air comprimé à l’état compressé
Le volume réel se réfère aux conditions réelles. La température, l’air comprimé et l’humidité de l’air doivent être pris en compte en tant que points de référence.
lI faut toujours indiquer la pression lorsque l’on spécifie le volume réel. Ainsi, 1 m 3 à 7 bar s compressé à 7 bar volume d’origine.
s
signifie que 1 m 3 d’air détendu est
= 8 bar abs et n’occupe plus que 1/8 du
0 bar abs
8 bar abs
9
Principes fondamentaux de l’air comprimé
1.4.3
Pression Pression atmosphérique p
amb
[bar]
La pression atmosphérique est générée par le poids de la couche d’air qui nous entoure. Elle est indépendante de la densité et de la hauteur de l’atmosphère.
Au niveau de la mer, 1 013 mbar = 1,01325 bar
= 760 mm/Hg [Torr]
= 101 325 Pa
Sous des conditions constantes, la pression atmosphérique décroît au fur et à mesure que l’emplacement de mesure est
élevé.
Figure 1.15:
Pression atmosphérique
Surpression p
s
[ bar
s
]
La surpression est la pression mesurée au-dessus de la pression atmosphérique. Dans le domaine de l’air comprimé, la pression est généralement spécifiée en tant que surpression, en bar et sans l’index „ s“.
Surpression
Pression d’air barométrique
Vide partiel
Vide 100 % p amb p s p vid p abs
= Pression d’air atmosphérique
= Surpression
= Vide partiel
= Pression absolue
Figure 1.16:
Les différentes pressions
Pression absolue p
abs
[bar]
La pression absolue p
abs
atmosphérique p
amb
est la somme résultant de la pression
et de la surpression p
s
.
p
abs
= p
amb
+ p
s
La pression est exprimée en Pascal [Pa], conformément au
système SI
. En pratique, elle est cependant encore indiquée en „ bar “. L’ancienne désignation atm (1 atm = 0,981 bar) n’existe plus.
Force
Pression = ————
Surface
F p = ——
A
1 Newton
1 Pascal = ————
1 m
2
1 N
1 Pa = ——
1 m
2
1 bar = 10195 mm CE [colonne d’eau en mm]
10
Principes fondamentaux de l’air comprimé
1.4.3
Volume débité
Volume engendré
Puissance d’aspiration
Þ
Volume débité D [l/min., m³/min., m³/h]
Le débit est exprimé par le volume (l ou m³ ) par unité de temps
( minutes ou heures).
On différencie le volume engendré (puissance d’aspiration) et le volume débité (débit réel) d’un compresseur.
Volume débité
Débit réel
Û
Volume engendré V
eng
Puissance d’aspiration
[l/min., m³/min., m³/h]
Le volume engendré est une grandeur calculable sur les compresseurs à pistons. Il est le produit de la taille du piston
(cylindrée), de la vitesse de rotation du compresseur (nombre de courses) et du nombre de cylindres aspirants. Le volume engendré est indiqué en l/min., m
3
/min. ou en m
3
/h.
V
eng
= A
××××× c ××××× n ××××× z
Figure 1.17: h n
V eng
A z
= Volume engendré
= Surface du cylindre
= Course
= Nombre de courses
[ l / min .]
[ dm
[ dm]
2
]
[ tr/ min .]
(vitesse de rotation du compresseur)
= Nombre de cylindres aspirants
Figure 1.18:
Déplacement du piston
PMH
PMB
PMH = Point Mort Haut
PMB = Point Mort Bas
Débit D [ l/min, m³/min, m³/h ]
Contrairement au volume engendré, le volume débité n’est pas une valeur calculée, mais une valeur mesurée sur la conduite de refoulement d’un compresseur et soustraite des conditions d’aspiration. Le volume débité dépend de la pression finale relative aux conditions d’aspiration, de pression et de température.
Ainsi, lorsque l’on calcule les conditions d’aspiration, le volume débit mesuré doit être „détendu“ à la pression d’aspiration et
„refroidi“ à la température d’aspiration.
Le volume débité est mesuré conformément aux spécifications indiquées dans les normes VDMA 4362, DIN 1945, ISO 1217 ou PN2 CPTC2 et exprimé en l/min., m 3 /min. ou m 3 /h. Le débit effectif, donc le débit réellement utilisable, est une valeur essentielle lors de la conception du compresseur. Les débits ne peuvent être comparés entre eux que s’ils ont été mesurés sous des conditions identiques. Il faut donc que la température d’aspiration, la pression d’aspiration, l’humidité relative et la pression de mesure correspondent.
11
Principes fondamentaux de l’air comprimé
Débit
20°C
Figure 1.19:
Volume normalisé
+ 8% =
Volume normalisé
0 ° C
Débit normalisé D
Norm
[Nl/min., Nm
3
/min., Nm
3
/h ]
Tout comme le volume débité, le débit normalisé est également
mesuré
.
Il ne correspond toutefois pas aux conditions d’aspiration, mais
à une valeur de comparaison théorique. Les valeurs théoriques sont les suivantes pour l’état normal physique :
Température = 273,15 K ( 0 °C )
Pression = 1,01325 bar ( 760 mm HG )
Densité de l’air = 1,294 kg/m
3
( air sec )
Débit réel V
Expt
[ Vl/min., Vm
3
/min., Vm
3
/h]
Le débit réel indique le débit effectif de l’air comprimé.
Pour pouvoir comparer le débit réel à d’autres débits, il faut
également spécifier la pression de l’air comprimé en plus de la valeur Vl/min., Vm
3
/min ou Vm
3
/h.
Figure 1.20:
Débit réel
1bar abs
8bar abs
12
1.5
Air comprimé déplacé
1.5.1
Comportement du courant
v
1
S
1
Figure 1.21:
Comportement du courant
S
2 v
2
Principes fondamentaux de l’air comprimé
Des lois différentes sont appliquées lorsque de l’air est en mouvement et lorsqu’il est stationnaire.
Le débit est calculé à partir de la surface et de la vitesse.
D = S
1
××××× v
1
= S
2
××××× v
2
S
1
—— = ——
S
2
v
2
v
1
D
A
1
, A
2 v
1
, v
2
= Débit
= Section
= Vitesse
Le théorème suivant découle de cette formule :
La vitesse du courant est inversement proportionnelle à la section.
1.5.2
Types de flux
ll existe différentes sortes de courants : les courants laminaires
(le cas idéal), ou turbulents (refoulements et tourbillons).
Flux laminaire (courant régulier)
Faible chute de pression
Faible transfert de chaleur
Figure 1.22:
Flux laminaire
Flux turbulent (courant tourbillonnaire)
Chute de pression élevée
Transfert de chaleur important
Figure 1.23:
Flux turbulent
13
Les compresseurs d'air
3.
les compresseurs d'air
Les compresseurs
sont des machines utilisées pour transporter ou comprimer des gaz à une pression quelconque.
Les ventilateurs
sont des turbo-machines qui véhiculent de l'air dont les propriétés se rapprochent de celles de l'air atmosphérique.
Les ventilateurs ne sont sujets qu'à de faibles fluctuations de densité et de température.
Les pompes à vide
sont des machines qui aspirent des gaz et des vapeurs pour générer un vide.
3.1
Compresseurs
3.1.1
Compresseurs dynamiques
( turbocompresseurs)
Les compresseurs dynamiques sont par exemple des turbocompresseurs sur lesquels des rotors munis de pales accélèrent le gaz à comprimer. Des systèmes de guidage fixes sur les pales convertissent l'énergie de vitesse en énergie de pression.
Les compresseurs dynamiques sont conseillés lorsque l'on est en présence de débits importants et de pressions de refoulement faibles.
3.1.2
Compresseurs volumétriques
Sur les compresseurs volumétriques, la chambre de compression est fermée lorsque l'air a été entièrement aspiré.
Le volume est réduit et l'air est comprimé en force.
Les compresseurs volumétriques sont conseillés dans le cas de faibles débits et de pressions
de refoulement importantes
.
24
3.2
Types de compresseurs
Les compresseurs d'air
Le tableau ci-dessous présente un aperçu des différents compresseurs en fonction de leur principe de fonctionnement.
Sur tous les appareils, on différencie les compresseurs fonctionnant sans huile et ceux lubrifiés par huile.
Compresseurs
Compresseurs volumétriques Turbocompresseurs
Compresseur axial Compresseur radial
avec manivelle
Compresseur
à piston oscillants sans manivelle
Compresseur à spirale
mono-axe rotatifs multi-axes
Compresseur multicellulaire
Compresseur
à vis
Compresseur à pist. plongeant
Compresseur à diaphragme
Compresseur à piston libre
Compresseur à crosse de pist.
Compresseur à anneau liquide
Compresseur
Roots
25
Compresseur multicellulaire
Compresseur à anneau liquide
Compresseur
à vis
Compresseur
Roots
Compresseur axial
Compresseur radial
Les compresseurs d'air
3.2.1
Compresseurs standard
Type
Compresseur à piston plongeant
Symbole
Le tableau ci-dessous présente les domaines de travail typiques de différents types de compresseurs standard.
Schéma fonct.
Pl. de pression
[bar]
10 (1 étage)
35 (2 étages)
Débit
[m
3
/ h]
120
600
Compresseur
à crosse de piston
Compresseur à diaphragme
Compresseur à piston libre
10 (1 étage)
35 (2 étages) faible utilisation plus limitée que le générateur à gaz
120
600 aucun
16 4500
10
22
1,6
10
10
750
1200
200000
200000
26
3.2.2
Compresseur à piston
Les compresseurs d'air
Les compresseurs à pistons aspirent l'air par déplacement ascendant et descendant du piston, le compriment, puis l'évacuent. Les soupapes d'aspiration et de pression contrôlent les processus.
La disposition de plusieurs étages de compression en série permet de générer différentes pressions, et différents débits sont obtenus si l'on utilise plusieurs cylindres.
Figure 3.1:
Symbole du compresseur à piston
Compresseur a piston plongeant
Dans le cas du compresseur à piston plongeant, le piston est relié directement au vilebrequin par la bielle.
Figure 3.2:
Schéma fonctionnel du compresseur à piston plongeant
Compresseur à crosse de piston
Le piston est entraîné par une bielle entraînée à son tour par la crosse de piston.
Crosse de
piston
Figure 3.3:
Schéma fonctionnel du compresseur à crosse de piston
Caractéristiques du compresseur à crosse de piston :
– rendement élevé
– pressions élevées
27
Les compresseurs d'air
Figure 3.4:
Compresseur à piston plongeant en V
La disposition des cylindres permet de différencier les compresseurs à pistons.
– Cylindres verticaux
Le piston et les segments de pistons ne sont soumis à aucune contrainte par le poids du piston.
Faible surface de base.
– Cylindres à plat.
Compresseurs multi-cylindres uniquement, de type Boxer.
Faibles forces de gravité. Cet avantage ne se remarque que dans le cas de puissances importantes.
– Compresseurs en V, en W ou en L.
Bon équilibrage de masse.
Encombrement faible.
Figure 3.5:
Compresseur à piston plongeant en W
Figure 3.6:
Compresseurs à crosse de piston
à plat, en L, en V, en W
28
3.2.3
Compresseur à diaphragme
Les compresseurs d'air
Le compresseur à diaphragme se range dans la catégorie des compresseurs volumétriques .
La compression est générée par une membrane élastique. Il ne s'agit plus d'un piston qui se déplace sur un plan linéaire entre deux positions de fin de course, mais d'une membrane sur laquelle sont appliquées des vibrations non linéaires. La membrane est fixée sur les bords et actionnée par la bielle de piston. La course de la bielle dépend de l'élasticité de la membrane.
Figure 3.7:
Symbole du compresseur à diaphragme
Caractéristiques :
– diamètre de cylindre important
– déplacement moindre
– économique dans le cas de faibles débits, de basses pressions et lorsqu'un vide est généré
Figure 3.8:
Schéma fonctionnel du compresseur à diaphragme
29
Les compresseurs d'air
3.2.4
Compresseur à piston libre
Le compresseur à piston libre entre dans la catégorie des compresseurs volumétriques.
Il s'agit d'un compresseur équipé d'un moteur diesel deux temps.
L'air comprimé agit sur les pistons qui se trouvent en position extérieure, les chasse vers l'intérieur et entraîne le compresseur.
L'air de combustion ainsi comprimé dans le cylindre moteur sépare les pistons lors de la combustion du carburant injecté.
L'air enfermé est comprimé. La plus grande partie de l'air comprimé est évacuée par une soupape de maintien de la pression lorsque l'air de purge nécessaire a été évacué. L'air restant chasse le piston vers l'arrière et un nouveau cycle débute. Les soupapes d'admission aspirent de l'air frais.
a b c d
= Orifice d'évacuation de l'air
= Orifice d'admission
= Admission du carburant
= Purge b c d a b
Figure 3.9:
Schéma fonctionnel d'un compresseur à piston libre
Caractéristiques :
– rendement élevé
– fonctionnement sans à-coups
– principe simple, mais rarement utilisé
En pratique, les déplacements du piston doivent être synchronisés. Il faut de plus prévoir d'importants systèmes de commande.
30
3.2.5
Compresseur multicellulaire
Figure 3.10:
Symbole du compresseur multicellulaire
Figure 3.11:
Schéma fonctionnel d'un compresseur multicellulaire
Les compresseurs d'air
Le compresseur multicellulaire (compresseur à lamelles ou compresseur rotatif à palettes) entre dans la catégorie des compresseurs volumétriques rotatifs.
Le carter et le piston rotatif constituent la chambre servant à aspirer et à comprimer l'air.
Un rotor cylindrique monté excentriquement tourne dans un boîtier hermétique. Le rotor (tambour) présente des fentes longitudinales radiales sur toute sa longueur. Des coulisseaux se déplacent dans le sens radial à l'intérieur des fentes.
Dès que le rotor toune à une certaine vitesse, les coulisseaux de travail sont plaqués sur la paroi intérieure du carter sous l'effet de la force centrifuge. La chambre de compression située entre le rotor et le carter est divisée en plusieurs cellules par les coulisseaux (chambres de travail).
Le montage excentrique du rotor permet d'agrandir ou de réduire le volume au cours d'une rotation.
Les chambres de compression sont lubrifiées par lubrification excédentaire ou par injection d'huile.
L'injection de grandes quantités d'huile dans la chambre de compression permet, outre l'effet de lubrification, de refroidir et d'isoler les coulisseaux par rapport aux paroies du boîtier. L'huile injectée peut être séparée du mélange air/huile à l'issue de la compression et être réintégrée dans le circuit de l'huile.
Caractéristiques :
– fonctionnement très silencieux
– transport de l'air sans à-coups et régulier
– faible encombrement et maintenance simple
– rendement moindre
– frais d'entretien élevés dus à l'usure des coulisseaux
31
Les compresseurs d'air
3.2.6
Compresseur à anneau liquide
Figure 3.12:
Symbole du compresseur à anneau liquide
Le compresseur à anneau liquide entre dans la catégorie des compresseurs volumétriques rotatifs.
Les pales radiales fixes de l'arbre monté excentriquement dans le carter soumettent le liquide obstruant à une rotation. Un anneau liquide se forme et isole les chambres situées entre les pales du carter.
Le contenu de la chambre se modifie lorsque l'arbre est en rotation, l'air étant ainsi aspiré, comprimé et transporté.
Le liquide utilisé est généralement de l'eau.
Caractéristiques :
– air sans huile (grâce au liquide utilisé)
– peu sensible aux impuretés et aux agressions chimiques
– un séparateur de liquide est nécessaire, car le liquide auxiliaire est pompé en continu dans la chambre de pression
– rendement moindre c d a b e
= Rotor
= Carter
= Orifice d'admission
= Orifice d'échappement
= Liquide
Figure 3.13:
Schéma fonctionnel d'un compresseur à anneau liquide
32
3.2.7
Compresseur à vis
Figure 3.14:
Symbole du compresseur à vis
Figure 3.15:
Schéma fonctionnel d'un compresseur à vis
Les compresseurs d'air
Le compresseur à vis entre dans la catégorie des compresseurs volumétriques rotatifs.
Deux rotors parallèles présentant des profils différents tournent en sens inverse dans un carter.
L'air aspiré par le cœur du compresseur à vis, c'est-à-dire par le bloc vis, est comprimé en continu jusqu'à la pression finale lors de son transport dans des chambres dont la taille ne cesse de diminuer, puis refoulé par les conduites de pression. Les chambres forment les parois du carter et les pales à engrenage des deux rotors.
Compresseur à vis sans huile
Sur le compresseur à vis compressant sans huile, l'air comprimé dans la chambre de compression n'entre pas en contact avec l'huile, un entraînement synchronisé assure la rotation des rotors sans que les surfaces des profils se touchent.
Compresseur à vis refroidis par injection d'huile
Sur le compresseur refroidi par injection d'huile, seul le rotor est entraîné. Le rotor secondaire tourne sans contact.
Caractéristiques :
– faible taille
– transport continu de l'air
– faible température de compression finale
( dans le cas du refroidissement par injection d'huile)
Figure 3.16:
Coupe d'un étage de compresseur à vis
33
Les compresseurs d'air
3.2.8
Compresseur Roots
Figure 3.17:
Symbole du compresseur Roots
Le compresseur Roots entre dans la catégorie des compresseurs volumétriques.
Deux pistons rotatifs symétriques tournent en sens inverse dans une chambre cylindrique. Un entraînement synchronisé leur permet de fonctionner sans se toucher.
L'air à comprimer est introduit dans le carter du compresseur par le côté aspiration. Il est emprisonné dans la chambre située entre les pales et le carter. Dès que le piston ouvre l'angle du côté aspiration, le gaz pénètre dans les conduites de pression et remplit la chambre de pression. Lorsque la pale poursuit sa rotation, le volume de la chambre de transport est exposé à une contre-pression et éjecté. La compression n'est pas constante. Le compresseur doit donc toujours lutter contre l'entière pression dynamique.
Caractéristiques :
– pas d'usure du piston rotatif et donc absence de graissage
– air sans huile
– sensible à la poussière et au sable
Figure 3.18:
Schéma foncionnel du compresseur Roots
34
3.2.9
Compresseur axial
Figure 3.19:
Symbole du turbocompresseur
Les compresseurs d'air
Les compresseurs axiaux sont des turbomachines. L'air s'écoule sur le plan axial en passant alternativement au travers d'un certain nombre de pales en rotation et stationnaires.
L'air est accéléré avant d'être comprimé. Les canaux des pales forment des conduites allant en s'élargissant, sous forme de diffuseurs, dans lesquelles l'énergie cinétique de l'air obtenue par la rotation est retardée et transformée en énergie de pression.
Caractéristiques :
– transport régulier
– air sans huile
– sensible aux variations de charge
– un débit minimum est exigé
Figure 3.20:
Schéma fonctionnel d'un compresseur axial
35
Les compresseurs d'air
3.2.10
Compresseur radial
Figure 3.21:
Symbole du turbocompresseur
Les compresseurs radiaux sont des turbomachines sur lesquelles l'air est amené au centre de la roue à aube en rotation.
L'air est projeté sur la périphérie sous l'action des forces centrifuges. La montée en pression est obtenue en faisant passer l'air accéléré au travers d'un diffuseur avant qu'il atteigne la pale suivante. L'énergie cinétique (énergie produite par la vitesse) se transforme en pression statique lors de ce processus.
Caractéristiques :
– transport régulier
– air sans huile
– sensible contre les changements de charge
– un débit minimum est exigé
Figure 3.22:
Schéma fonctionnel d'un compresseur radial
36
3.3
Compresseurs à piston
3.3.1 Généralités
Figure 3.23:
Compresseur à piston BOGE
Les compresseurs d'air
Les compresseurs à pistons fonctionnent selon le principe du refoulement. Le piston aspire l'air par la soupape d'aspiration lorsque le piston descend. La soupape se ferme dès que le piston remonte. L'air est comprimé et chassé par la soupape de refoulement. L'entraînement du piston peut être réalisé au moyen d'une transmission à manivelle, avec vilebrequin et bielles.
Les compresseurs à pistons peuvent se composer de un ou plusieurs cylindres et de un ou plusieurs étages.
On utilise les compresseurs à plusieurs cylindres pour générer des débits importants et les compresseurs à plusieurs étages lorsque des pressions élevées sont exigées.
Compression à un étage
La compression jusqu'à la pression finale est réalisée en une seule course de piston.
Compression à deux étages
L'air comprimé qui se trouve dans le premier étage (étage basse pression) est refroidi dans le radiateur auxiliaire, puis comprimé à la pression finale dans le deuxième étage
(cylindre haute pression).
Compresseur à action simple
Une opération de compression est réalisee à chaque rotation du vilebrequin.
Compresseur à action double
Deux opérations de compression sont réalisées à chaque rotation du vilebrequin.
Vitesses de piston
Sur les compresseurs, la vitesse de rotation du compresseur, ou celle du moteur, est d'ordre secondaire. La vitesse du piston représente un élément décisif pour analyser l'usure. Il est ainsi possible qu'un compresseur de grande cylindrée et à faible vitesse de rotation possède une vitesse de piston élevée. La vitesse de piston, mesurée en m/s, est extrêmement faible sur les compresseurs à pistons BOGE. Il en résulte une usure minimale.
Aspiration
Figure 3.24:
Principe de fonctionnement
Compression
37
38
Les compresseurs d'air
3.3.2 Volume aspiré - Débit
Volume engendré
Volume aspiré
Þ
Volume débité
Débit réel
Û
Volume aspiré - débit réel
Volume engendré - volume débité
Le volume aspiré (volume engendré) est une grandeur calculée sur les compresseurs à pistons. Elle est le produit de la cylindrée, de la vitesse de rotation du compresseur (nombre de courses) et du nombre de cylindres aspirants. Le volume engendré est exprimé en l/min., m 3 /min. ou en m 3 /h.
Le débit réel (volume débité) est mesuré selon la norme VDMA, feuillet 4362, DIN 1945, ISO 1217 ou selon PN2 PTC2.
Le rapport entre le débit réel et le volume aspiré est le rendement volumétrique.
Figure 3.25:
Volume engendré et débit
E = espace mort
C = course
R = ré-expansion
Figure 3.26:
Espace mort
Espace mort
L'espace mort est une valeur constructive. Il se trouve entre le point mort haut du piston et la partie inférieure de la soupape.
L'espace mort est le résultat
— des tolérances de fabrication
— des cavités dans les soupapes et les poches de soupapes
— des particularités de construction
Lorsque le piston se déplace vers le bas, l'air qui se trouve dans l'espace mort (ré-expension) est porté à la pression atmosphérique. Ce n'est qu'à cet instant que l'air extérieur est aspiré pendant que le piston poursuit sa descente.
La différence entre le volume aspiré et le débit réel est due au fait que la pression de l'air aspiré commence à chuter dès l'aspiration dans le filtre d'aspiration. Il se produit en outre des pertes causées par des fuites, l'air aspiré se réchauffe et une ré-expansion due à l'espace mort a également lieu.
Les compresseurs d'air
3.3.3 Refroidissement
Figure 3.27:
Guidage de l'air de refroidissement sur le compresseur à piston
Figure 3.28:
Radiateur auxiliaire représenté par un radiateur à ailettes à turbulences
Tous les processus de compression génèrent de la chaleur. Le degré d'échauffement dépend de la pression finale du compresseur. Plus cette dernière est élevée, plus la température de compression le sera également.
Le règlement de prévoyance contre les accidents stipule que la température de compression des compresseurs à chambres de compression lubrifiées à l'huile et compression à un étage, présentant une puissance moteur de 20 kW maximum et de 10 bar maximum, peut s'élever à 220°C.
Une température maximale de 200°C est autorisée lorsque les pressions et les puissances moteur sont plus élevées. Dans le cas d'une compression à plusieurs étages et de pressions supérieures à 10 bar, la température de compression finale ne doit pas dépasser 160°C.
La majeure partie de la chaleur de compression doit donc être
évacuée. Des températures d'air comprimé trop élevées représentent un danger, car une faible partie de l'huile utilisée pour le graissage pénètre sous forme d'huile résiduelle dans l'air comprimé lors de la compression. L'air risque donc de s'enflammer. Un incendie dans la conduite ou dans le compresseur serait toutefois le moindre des maux. A partir de certaines températures, le risque d'explosion est particulièrement
élevé, justement dans le cas de l'air comprimé, car, par rapport au volume, il présente une teneur en oxygène beaucoup plus importante que celle de l'air atmosphérique.
Un radiateur intermédiaire ou auxiliaire équipe chaque étage de compresseur pour générer un air comprimé aussi froid que possible.
La quantité de chaleur qu'il faut évacuer par refroidissement dépend du volume d'air et de la pression. Les compresseurs puissants sont équipés de deux ou trois cylindres, voire même davantage. Les cylindres sont montés de manière à être exposés au courant d'air du ventilateur. La surface des cylindres et des têtes de cylindres présente de larges ailettes afin d'optimiser l'évacuation de la chaleur. Le refroidissement intensif et les ailettes du compresseur restent cependant insuffisants pour obtenir une température d'air comprimé aussi faible que possible. L'air comprimé doit être également refroidi dans le radiateur intermédiaire, entre le premier et le deuxième étage, ou dans le radiateur auxiliaire, en aval du deuxième étage. Une compression sur plusieurs étages doit être réalisée si le refroidissement demeure insuffisant.
La prescription VBG 16 § 9 du règlement de prévoyance contre les accidents stipule en Allemagne qu'un refroidissement à 60 ou 80°C doit être obtenu au bout du dernier étage sur les compresseurs à pistons lubrifiés par huile. Une faible température de sortie de l'air comprimé présente l'avantage de fournir un air peu humide. Les composants ajoutés au compresseur (réservoir d'air comprimé, appareils de retraitement de l'air comprimé) peuvent être conçus pour résister à de faibles températures et sont donc meilleur marché. La température de sortie de l'air comprimé est de 10 à 15°C supérieure à l'air ambiant sur les compresseurs à pistons refroidis par air, selon la qualité du compresseur.
39
Les compresseurs d'air
3.3.4 Réfrigérant
Les compresseurs à pistons sont généralement des compresseurs refroidis par air. L'air de refroidissement présente l'avantage d'être disponible gratuitement et en quantité illimitée presque partout.
L'air de refroidissement est généré par un ventilateur qui dirige l'air de refroidissement sur le radiateur intermédiaire ou auxiliaire et sur le compresseur.
Du condensat se forme à l'intérieur du radiateur lorsque l'air est comprimé ou refroidi. Sous l'effet de la vitesse du courant, le condensat quitte le radiateur auxiliaire et pénètre dans le réseau de conduites ou dans le réservoir d'air comprimé.
3.3.5 Régulation des compresseurs à pistons
Figure 3.29:
Interrupteur manométrique
(pressostat)
Les compresseurs à pistons sont généralement régulés au moyen de pressostats. Ces derniers doivent être montés à l'endroit où l'air comprimé n'est plus agité. Ce sera par exemple sur le réservoir de pression et non sur la conduite située entre le compresseur et le réservoir.
Le pressostat arrête le compresseur lorsque la pression maximale est atteinte et le déclenche lorqu'il passe à 20% en dessous de la pression maximale. Le rapport est donc de 8 :10 bar ou de 12 :15 bar.
Un faible écart de pression de déclenchement est déconseillé.
Le compresseur démarre sinon trop souvent, l'usure du compresseur et du moteur étant ainsi accrue. La pression de déclenchement peut être réduite pour une pression d'arrêt égale.
De cette manière, le compresseur fonctionne sur des périodes plus longues, mais il s'arrête en même temps plus longtemps.
La pression de déclenchement réglée ne doit pas descendre en dessous de la pression minimale du réseau d'air comprimé.
Les compresseurs à pistons s'arrêtent dès que la pression maximale est atteinte (mode intermittent).
Les compresseurs à pistons sont par conséquent parfaitement adaptés en tant que machines à charge de pointe. Le compresseur ne se met en route que lorsqu'un besoin d'air important intervient et s'arrête aussitôt que la pression maximale est atteinte, réalisant ainsi une économie d'énergie de près de 30 %.
3.3.6 Avantages des compresseurs à pistons
— Presque tous les gaz techniques peuvent être comprimés
— Compression économique jusqu'à 40 bar
— Utilisable en tant que compresseur auxiliaire
— Commande simple
— Mode Start-Stop économique (sans marche à vide)
40
Les compresseurs d'air
3.3.7 Modules d'un compresseur à piston
Carter moteur
Radiateur
Pressostat
Soupape de sécurité
Evacuation du condensat
Raccord d'air comprimé
Figure 3.30:
Modules d'un compresseur à piston
Filtre d'aspiration
Moteur d'entraînement
41
Les compresseurs d'air
3.4
Compresseurs à vis
3.4.1 Généralités
Contrairement au compresseur à piston, le compresseur à vis est un type de compresseur relativement récent. Bien que son principe ait déjà été développé en 1878 par Heinrich Krigar à
Hannovre, sa construction n'a commencé qu'à l'issue de la seconde guerre mondiale. La société suédoise "Svenska Rotor
Maskiner" ( SRM ) développa le compresseur à vis pour en faire un appareil standard sur le plan technique.
Les compresseurs à vis fonctionnent selon le principe du refoulement. Deux rotors parallèles présentant des profils différents tournent en sens inverse dans un carter.
Figure 3.31:
Vue en coupe d'un compresseur à vis
3.4.2 Compression
Aspiration
Aspiration
Aspiration
Aspiration
Compression
Compression
Compression
Aspiration ( 1 )
L’air entre par l’orifice d’aspiration dans les spires des rotors ouvertes du côté aspiration.
Compression ( 2 ) + ( 3 )
la rotation progressive des rotors provoque la fermeture de l’orifice d’admission d’air, le volume est réduit et la pression monte.
L'huile est injectée lors de ce processus.
Evacuation ( 4 )
la compression est terminée, la pression finale est atteinte, le refoulement commence.
Compression
Figure 3.32:
Compression sur un compresseur à vis
42
L’air aspiré est compressé jusqu’au niveau de compression final dans des chambres dont le volume ne cesse de diminuer, suite
à la rotation des rotors. Il passe ensuite dans les conduites de refoulement. Les chambres sont formées par les parois du carter et les profils hélicoïdaux des rotors
Les compresseurs d'air
3.4.2 Principe de fonctionnement
11
10
9 8 1
12
6
2
4
3
7
5
Figure 3.33:
Schéma fonctionnel d'un compresseur à vis BOGE
1 = Filtre d'aspiration avec filtre microporeux en papier
2 = Régulateur d'aspiration multifonctions
3 = Injecteur d'huile
4 = Bloc vis
5 = Cuve mixte
6 = Cartouche séparatrice
7 = Clapet anti-retour à pression minimale
8 = Radiateur d'huile
9 = Radiateur auxiliaire parallèle au courant d'air de refroidissement
10 = Filtre microporeux
11 = Vanne thermostatique
12 = Ouverture de nettoyage
Les compresseurs à vis BOGE aspirent l'air ambiant via le filtre d'aspiration 1, équipé d'un filtre microporeux en papier, d'un dépoussiéreur à cyclone et d'un indicateur d'encrassement.
L'air purifié entre dans le bloc vis 4 après être passé dans le régulateur multifonctions 2. De l'huile refroidie 3 finement dosée est injectée en continu à 55 °C environ dans la chambre de compression. Elle absorbe la chaleur qui se produit lors de la compression et atteint une température de 85°C environ. Les directives CE sur les machines stipulent que la température finale de compression peut atteindre 110°C. La plus grande partie de l'huile est séparée de l'air comprimé dans la cuve mixte 5. Le séparateur d'huile 6 sépare le reste, de manière à ce que la teneur en huile résiduelle ne soit plus que de 1 à 3 mg/m 3 . L'air comprimé entre ensuite dans le radiateur auxiliaire d'air comprimé 9 via un clapet anti-retour à pression minimale
7,
où il est refroidi à une température supérieure de 8°C env.
seulement à celle de la température d'aspiration. Il entre ensuite dans le réseau d'air comprimé via la vanne d'arrêt montée en série chez BOGE.
L'huile, séparée dans le séparateur d'huile, est refroidie de 85°C
à 55°C dans un radiateur d'huile 8 généreusement dimensionné, passe dans un filtre à huile équipé d'un filtre microporeux 10.
La vanne thermostatique 11, également montée dans le circuit de l'huile, permet de ramener directement l'huile froide à l'étage de compression 4.
43
Les compresseurs d'air
3.4.3 Circuit de l'huile
5 6
L'huile injectée dans le bloc vis remplit les fonctions suivantes:
– évacuation de la chaleur de compression (refroidissement)
– étanchéité de l'espace situé entre les rotors, et entre les rotors et le carter
– lubrification des paliers
4
Figure 3.34:
Eléments composant le circuit de l'huile
1
2
3
1 = Réservoir d'air comprimé-huile (cuve mixte)
L'huile, séparée de l'air comprimé sous l'action de la force centrifuge, se dépose dans la cuve mixte.
La pression qui règne dans le système permet de transporter cette huile du réservoir dans le bloc vis.
2 = Clapet de réglage d'huile thermostatique
Le clapet de réglage d'huile thermostatique dirige l'huile, selon sa température, vers le radiateur ou vers une conduite de dérivation (lors de la phase de démarrage par exemple). L'huile conserve ainsi toujours une température de fonctionnement optimale.
3 = Radiateur d'huile
(refroidi par air ou par eau)
Le radiateur d'huile permet de refroidir l'huile à la température de fonctionnement.
4 = Filtre à huile
Le filtre à huile retient les impuretés contenues dans l'huile.
5 = Bloc vis
L'huile injectée revient dans la cuve mixte avec l'air comprimé.
Elle y est séparée sous l'action de la pesanteur.
6 = Conduite de drainage
L'huile résiduelle qui s'est déposée dans le séparateur d'huile est refoulée vers le bloc vis dans le circuit de l'huile par la conduite de drainage.
44
Les compresseurs d'air
3.4.4 Circuit de l'air
1 2
8 7 6
Figure 3.35:
Eléments composant le circuit de l'air
3 4 5
L'air aspiré est compressé jusqu'à la pression finale dans les chambres du bloc vis grâce aux rotors.
1 = Filtre d'aspiration
Le filtre d'aspiration nettoie l'air aspiré par le bloc vis.
2 = Régulateur d'aspiration
Le régulateur d'aspiration ouvre (marche en charge) ou ferme
(marche à vide, ralenti) la conduite d'aspiration indépendamment du mode de fonctionnement du compresseur.
3 = Bloc vis
Le bloc vis comprime l'air aspiré.
4 = Cuve mixte
L'air comprimé et l'huile sont séparés dans la cuve mixte sous l'action de la pesanteur.
5 = Séparateur d'huile
Le séparateur d'huile évacue l'huile résiduelle contenue dans l'air comprimé.
6 = Clapet anti-retour à pression minimale
Le clapet anti-retour à pression minimale ne s'ouvre que lorsque le système atteint une pression de 3,5 bar. Il provoque une rapide chute de la pression dans le système et assure la lubrification au cours de la phase de démarrage et de montée en pression. Lorsque le compresseur est arrêté, le clapet antiretour permet d'éviter que de l'air comprimé ne s'échappe du réseau.
7 = Radiateur auxiliaire d'air comprimé
(refroidi par air)
L'air comprimé est refroidi dans le radiateur auxiliaire d'air comprimé. Une grande partie de l'humidité contenue dans l'air passe à l'état liquide lors de cette opération.
8 = Clapet anti-retour
Le clapet anti-retour permet d'isoler le compresseur à vis du réseau.
45
Les compresseurs d'air
3.4.5 Récupération de la chaleur
Sur les compresseurs à vis refroidis par injection d'huile, l'huile absorbe près de 85% de la chaleur. La chaleur, extraite de l'huile dans un échangeur de chaleur, peut être utilisée pour chauffer l'eau non potable ou de chauffage.
L'eau entrant dans l'échangeur de chaleur en contre-courant est chauffée à une température de +70°C. La quantité d'eau chauffée dépend de la différence de température.
Figure 3.36:
Echangeur de chaleur DUOTHERM de BOGE
3.4.6 Régulation de l'aspiration
Le régulateur d'aspiration commande l'aspiration de l'air du compresseur à vis.
— Démarrage à vide lorsque le régulateur est fermé.
— Fermeture hermétique en marche à vide, à l'arrêt et lors d'un arrêt d'urgence.
Figure 3.37:
Réglage de l'aspiration au moyen d'une vanne de commande
3.4.7 Avantages des compresseurs à vis
— Lorsque de l'air comprimé est nécessaire en continu.
— Parfaits en tant que machines à charge de base.
— Economiques lorsque la durée de fonctionnement atteint
100%.
46
3.4.8 Modules d'un compresseur à vis
Commande Filtre d'aspiration Filtre à huile
Les compresseurs d'air
Radiateur air compriméhuile
Régulateur d'aspiration
Séparateur d'huile
Bloc vis
Filtre de l'air de ventilation
Figure 3.38:
Modules d'un compresseur à vis
Moteur Cuve mixte
47
Les compresseurs d'air
3.5
Modules équipant les compresseurs
3.5.1 Moteur d'entraînement
Les moteurs d’entraînement, les moteurs triphasés en particulier, fonctionnent généralement à un régime de 3000 t/min.
La vitesse de rotation appropriée pour le compresseur est obtenue grâce à une transmission par courroies trapézoïdales.
Les moteurs triphasés sont conformes à la classe de protection
IP 55 et à la classe d'isolation F, et représentent l'état actuel de la technique.
Figure 3.39:
Moteur d'entraînement avec courroies trapézoïdales et système de tension de courroies
3.5.2 Courroies trapézoïdales
Le compresseur est entraîné au moyen de courroies trapézoïdales.
Grâce au système d'entraînement patenté GM qui équipe les compresseurs à vis, les courroies ne nécessitent pratiquement aucune maintenance, leur durée de vie peut atteindre 25 000 heures de fonctionnement.
3.5.3 Système de tension de courroie
Le moteur des compresseurs à pistons est monté sur un système de tension de courroie. Pour tendre la courroie, le moteur est déplacé sur des guides parallèles au moyen d'une broche centrale. La courroie trapézoïdale peut tourner en toute liberté.
Les compresseurs à vis BOGE sont équipés du système
d'entraînement GM BOGE
. Grâce à ce système, il est inutile de retendre la courroie ou de l'ajuster lorsqu'elle est remplacée.
En cours de fonctionnement, la tension de la courroie est adaptée de manière optimale à chacune des phases de fonctionnement.
Figure 3.40:
Entraînement GM BOGE
48
3.5.4 Soupapes d'aspiration et de refoulement
Figure 3.41:
Soupape à languette ferax ® de BOGE
3.5.5 Soupape de sécurité
Les compresseurs d'air
La soupape à languette commande l’entrée et la sortie de l’air dans la chambre du cylindre du compresseur à piston.
Les soupapes à languette ferax ® de BOGE possèdent moins d'éléments que les soupapes traditionnelles. Elles fonctionnent sans frottement, présentent peu d'espaces morts et une résistance hydraulique moins importante. Il en résulte un débit plus élevé, des durées de vie des soupapes plus longues et un calaminage pratiquement nul. Le calaminage est dû aux impuretés qui se forment en présence de températures de compression élevées et qui se déposent sur les soupapes.
La soupape de sécurité doit évacuer le débit entier du compresseur à 1,1 fois la pression nominale du réservoir d’air comprimé.
Figure 3.42:
Soupape de sécurité sur le compresseur à vis
3.5.6 Filtre d'aspiration
Dépoussiéreur à Cartouche filtrante en cyclone papier
Evacuation automatique de la poussière
Figure 3.43:
Filtre d'aspiration et cartouche filtrante en papier
L’air à comprimer est aspiré hors de la chambre du compresseur via le filtre d’aspiration. Le filtre d’aspiration sépare les impuretés solides (particules de poussière) de l’air aspiré.
L’usure du compresseur est ainsi réduite à un minimum et le client dispose d’un air comprimé propre.
Dans les environnements poussiéreux (cimenteries par exemple), on utilise les cartouches filtrantes en papier, car elles possèdent un pouvoir de séparation plus élevé que les filtres à air de type humide traditionnels ou les filtres en mousse.
Il est possible de nettoyer les cartouches filtrantes sur les compresseurs de grande taille. Il est également possible de surveiller les différences de pression sur le filtre d'aspiration.
L'encrassement du filtre peut être ainsi identifié à temps.
49
Les compresseurs d'air
3.6
Lubrifiants et réfrigérants pour compresseurs
Figure 3.44:
Contrôle du niveau d'huile et sonde de niveau
Les huiles pour compresseurs sont conformes à la norme DIN
51506. Il est déconseillé d’utiliser des huiles HD pour lubrifier un compresseur, car elles ont tendance à s’émulsionner et perdent ainsi leur pouvoir lubrifiant.
Les huiles minérales et synthétiques sont autorisées. Dans des conditions d'exploitation normales, les huiles minérales ont une durée de vie de 2000 heures environ. Les huiles synthétiques peuvent être remplacées à plus longs intervalles.
Le niveau d'huile du compresseur doit être vérifié régulièrement.
La première vidange doit être réalisée à l'issue de la période de rodage (entre 300 et 500 heures de fonctionnement environ).
Le compresseur ne doit pas être mis en route si le niveau d'huile est insuffisant. Une marche d'essai sans huile, même de très courte durée (pour s'assurer par exemple du sens de rotation) peut détériorer l'appareil.
Le filtre à huile doit être nettoyé après chaque vidange et remplacé par un filtre neuf toutes les deux vidanges.
Les huiles pour compresseurs et le condensat des compresseurs lubrifiés à l'huile ne doivent pas être déversés dans les canalisations, mais éliminés en tant qu'huiles usagées.
Compresseur à piston
Les huiles à base synthétique permettent de porter la durée de fonctionnement du compresseur à 8000 heures.
Compresseur à vis
Les huiles à base semi-synthétique permettent de porter la durée de fonctionnement du compresseur à 9000 heures.
Des huiles USDA-H1 doivent être utilisées si l'air comprimé entre en contact avec des produits alimentaires.
50
Régulation des compresseurs
4.
4.1
Régulation des compresseurs
L’objectif de la régulation est de réduire la consommation d’énergie et l’usure et de maximiser la disponibilité.
Il existe différents types de régulation, en fonction du modèle et de la taille du compresseur et du domaine d’application :
– régulation de la pression finale de compression (pression réseau)
– régulation de la pression d’aspiration
– régulation du volume débité
– régulation de la puissance électrique absorbée du moteur du compresseur
– régulation de l’humidité en aval du compresseur
La régulation de la pression finale du compresseur représente le facteur de réglage le plus important.
Définitions de pressions
Pression réseau p
R
[bar
S
]
La pression réseau p
R
est la pression mesurée à la sortie du compresseur, après le clapet anti-retour. Il s’agit de la pression qui règne dans le réseau de conduites.
Pression théorique du réseau p
RT
[bar
S
]
La pression théorique du réseau p
RT
est la pression minimum qui doit être disponible dans le réseau.
Pression du système p
Syst
[bar
S
]
La pression du système p
Syst
est la pression qui règne au sein d’un compresseur à vis jusqu’au clapet anti-retour de pression minimale.
Pression de déclenchement p
min
[bar
s
]
La pression de déclenchement p
min
laquelle le compresseur est activé.
est la pression à partir de
La pression de déclenchement p
min
doit être au moins supérieure de 0,5 bar à la valeur théorique de la pression réseau p
R
.
Pression d’arrêt P
max
[bar
s
]
La pression d’arrêt p
max
est la pression à partir de laquelle le compresseur est désactivé.
Sur les compresseurs à pistons, la pression d’arrêt p
max
devrait excéder de 20% env. la pression de déclenchement (par ex. : pression de déclenchement de 8 bar et pression d’arrêt de 10 bar).
Sur les compresseurs à vis, la pression d’arrêt p
max
devrait excéder de 0,5 à 1 bar la pression de déclenchement (par ex. : pression de déclenchement de 9 bar et pression d’arrêt de
10 bar).
51
Régulation des compresseurs
4.2
Etats de fonctionnement
4.2.1
Arrêt ( L
0
)
L’état de fonctionnement représente la situation actuelle dans laquelle se trouve le compresseur. Les états de fonctionnement constituent la base de régulation des compresseurs.
Le compresseur est à l’arrêt, mais il est opérationnel. Il démarre automatiquement dès que de l’air comprimé est nécessaire.
4.2.2
Marche à vide (L
1
)
Le moteur du compresseur est en marche, mais l’air n’est pas comprimé. Le compresseur économise l’énergie en partie nécessaire pour la compression. Il passe immédiatement en mode Pleine charge dès que de l’air comprimé est nécessaire.
La marche à vide permet de réduire les cycles moteur et par conséquent de limiter l’usure.
On fait appel à différentes techniques pour contrôler la marche
à vide :
Commutation par circulation
La conduite d’aspiration est reliée directement à la conduite de refoulement. D’importantes pertes de pression surgissent, il est impératif de prévoir un clapet anti-retour.
Commutation par courant de retour
Les soupapes d’aspiration du compresseur ne sont pas fermées lors du processus de compression. L’air n’est pas comprimé et repart vers le côté aspiration.
La commutation par courant de retour est également appropriée pour délester le compresseur au démarrage, la décharge intervenant déjà dès la première course de travail.
Fermeture de la conduite d’aspiration
Une soupape ferme la conduite d’aspiration du compresseur.
Le débit aspiré est réduit à zéro. Il ne reste plus d’air à comprimer, les pertes restent par conséquent très faibles.
Fermeture de la conduite de pression
Une soupape ferme la conduite de pression du compresseur.
L’air comprimé ne peut pas être évacué. Aucun débit ne peut
être généré.
52
4.2.3
Charge partielle
4.2.4
Pleine charge ( L
2
)
Régulation des compresseurs
Le débit du compresseur est adapté aux différents besoins en air comprimé. La consommation d’énergie baisse lorsque le débit diminue. La pression du réseau p
R
est constante.
Plusieurs méthodes permettent de faire varier le débit. Dans certains cas, il est possible de les combiner entre elles :
Réglage de la vitesse de rotation
Le débit du compresseur est modifié en variant la vitesse de rotation du moteur. Cette application est utilisée en premier lieu sur les compresseurs équipés d’un moteur à explosion.
Sur les compresseurs à moteur électrique, la vitesse de rotation est généralement réglée au moyen d’un variateur de fréquence.
Le débit est réglé en continu de 40 à 100 %.
Réglage de la chambre de mise en circuit
(sur les compresseurs à pistons uniquement)
L’agrandissement de l’espace mort provoque une forte réexpansion de l’air comprimé. Le débit peut être réduit peu à peu si l’on ouvre plusieurs chambres de mise en circuit les unes après les autres. Il existe également des variantes qui permettent d’agrandir une chambre de mise en circuit en continu.
Réglage du courant de retour
(sur les compresseurs à pistons uniquement)
Le débit du compresseur est réduit en ouvrant les soupapes d’aspiration au cours de la compression. La période d’ouverture des soupapes d’aspiration détermine la diminution du débit comprimé.
Un réglage de charge partielle de 25 à 100% du débit peut être réalisé. Le débit descend à zéro si la soupape d’aspiration reste ouverte pendant toute la durée de la compression.
Réglage de l’étranglement d’aspiration
Une soupape d’étranglement réglable est montée sur la conduite d’aspiration pour réduire le volume d’aspiration. Le réglage automatique est assuré par une soupape de pression asservie sur laquelle on applique la pression réseau. Si la pression réseau baisse, la soupape d’étranglement s’ouvre, le compresseur aspire davantage d’air et le débit augmente. Dès que la pression réseau s’est stabilisée, la soupape d’étranglement se referme et le compresseur fonctionne au ralenti
Le débit varie en continu de 0 à 100 %. Les besoins en énergie
électrique restent supérieurs à 70%.
Le compresseur fournit le débit maximum. La consommation d’énergie atteint son maximum.
53
Régulation des compresseurs
4.3
Régulation des compresseurs
4.3.1
Mode intermittent
Pression
La régulation d’un compresseur poursuit deux objectifs :
économiser l’énergie et limiter l’usure.
Pour atteindre ces objectifs, les 4 modes de fonctionnement des compresseurs sont combinés dans différents types de régulation. Le type de régulation retenu dépend des conditions marginales.
En mode intermittent, un interrupteur manométrique ou un manomètre de contact déclenchent le compresseur en fonction de la pression qui règne dans le réseau.
Le compresseur possède deux modes de fonctionnement :
Pleine charge ( L
2
)
et Arrêt ( L
0
)
.
Parmi tous les types de régulation, cette conception présente le meilleur bilan énérgétique. Elle est conseillée lorsqu’un réservoir d’air comprimé volumineux équipe le compresseur. Un volume de stockage important permet en outre de réduire le nombre de cycles moteur.
– La pression réseau p
R
.
monte jusqu’à la pression d’arrêt
p
max
Le compresseur passe en mode Arrêt (L
0
)
.
– La pression réseau p
R
.
chute jusqu’à la pression de déclenchement p
min
Le compresseur passe en mode Pleine charge (L
2
)
.
Rendement électrique
Figure 4.1 :
Schéma fonctionnel du mode intermittent
4.3.2
Marche à vide
Pression
Rendement électrique
Figure 4.2 :
Schéma fonctionnel du mode Marche à vide
Un interrupteur manométrique ou un manomètre de contact permettent de déclencher le compresseur en pleine charge ou de l’arrêter en fonction de la pression qui règne dans le réseau.
En Marche à vide (L
1
),
le moteur continue de tourner, mais le compresseur ne fournit pas d’air comprimé. Le compresseur ne consomme plus que 30% environ de l’énergie nécessaire lorsqu’il fonctionne en pleine charge.
Le fonctionnement continu du moteur minimise les démarrages du moteur qui, particulièrement sur les gros moteurs, provoquent une usure plus élevée.
Le mode Marche à vide est utilisé dans les réseaux d’air comprimé disposant d’un volume de stockage relativement faible, afin de ne pas dépasser le nombre de déclenchements autorisés du moteur d’entraînement.
– La pression du réseau p
R
.
monte jusqu’à la pression d’arrêt p
max
Le compresseur passe en mode Marche à vide (L
1
)
.
– La pression du réseau p
R
.
chute jusqu’à la pression de déclenchement p
min
Le compresseur passe en mode Pleine charge (L
2
)
.
54
Régulation des compresseurs
4.3.3
Mode intermittent retardé
Pression
1.
2.
Rendement électrique
Figure 4.3
Diagramme fonctionnel du mode intermittent retardé
Un pressostat, ou un manomètre de contact, est utilisé en association avec un élément temporel pour commander le compresseur en fonction de la pression du réseau.
Le compresseur exécute les modes de fonctionnement Pleine
charge (L
2
)
, Marche à vide (L
1
)
et Arrêt (L
0
)
. Les modes de fonctionnement sont reliés entre eux via l’élément temporel t
V
.
Le mode intermittent retardé conjugue les avantages du mode intermittent et ceux de la marche à vide. Il représente un juste milieu, avec une consommation d’énergie moindre qu’en marche
à vide.
Deux variantes de commutation sont utilisées pour le mode intermittent retardé :
1ère variante
– La pression reseau p
R
.
augmente jusqu’à la pression d’arrêt p
max.
Le compresseur passe en mode Marche à vide (L
1
)
.
– La pression réseau p
R
n’a pas atteint la pression de déclenchement p
min
à l’issue de la période t
V
Le compresseur passe en mode Arrêt (L
0
)
.
.
– La pression réseau p
R
.
descend sous la pression de déclenchement p
min
Le compresseur passe en mode Pleine charge (L
2
)
.
2è variante
– La pression réseau p
R
.
augmente jusqu’à la pression d’arrêt p
max.
Le compresseur passe en mode Marche à vide (L
1
)
.
– La pression réseau p
R
p
min
atteint la pression de déclenchement
avant l’issue de la période t
V
.
Le compresseur passe en mode Pleine charge (L
2
)
Il existe deux possibilités pour activer l’élément temporel t
V
:
1. L’élément temporel t
V
est mis en route (p
min
est démarré lorsque le compresseur
)
.
Il en résulte des périodes de marche à vide plus réduites et donc de plus faibles coûts en énergie que dans le cas de figure 2.
2. L’élément temporel t
V
(p
max
)
est atteinte.
est démarré lorsque la pression d’arrêt
55
Régulation des compresseurs
4.3.4
Charge partielle
Variation de la pression
Le volume débité par le compresseur est adapté au volume d’air comprimé nécessaire.
La pression du réseau p
R
reste en grande partie constante grâce au réglage de puissance variable. Les fluctuations de p
R
sont différentes selon la méthode de régulation de charge partielle employée.
La régulation de charge partielle est utilisée sur les systèmes disposant d’un volume de stockage limité et/ou lorsque les variations des consommateurs sont trop importantes. Le nombre de cycles diminue.
Variation du rendement électrique
Figure 4.4
Schéma fonctionnel du réglage de charge partielle
4.3.4.1
Régulation progressive
Courbe caractéristique de la régulation progressive
100%
90%
80%
70%
60%
50%
40%
30%
20%
10%
Zone non économique
Zone
économique
0%
0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100%
Débit [ % ]
Courbe idéale
Puissance absorbée au ralenti
Indépendamment de la commande ARS, BOGE propose en option une régulation progressive pour les compresseurs à vis refroidis par injection d’huile. Ce réglage intervient dans les processus du régulateur d’aspiration et fonctionne selon le principe de la modulation.
La régulation progressive de BOGE est définie en usine sur un refoulement compris entre 50 et 100% du débit. Si le débit chute en dessous de 50%, le compresseur ne fonctionne pas
économiquement. Selon le cycle de démarrages, le compresseur est arrêté ou continu de fonctionner à vide.
Figure 4.5 :
Corrélation entre le débit et la puissance nécessitée dans le cas de la régulation progressive.
4.3.4.2
Réglage de la fréquence
Le réglage de la fréquence permet de régler le débit entre 0%
(marche à vide) et la plage comprise entre 40 à 100 %, pour une puissance absorbée de 35 et 110 %. Le réglage de charge partielle est réalisé en modifiant la vitesse de rotation du moteur d’entraînement, commandé par un variateur de fréquence.
Le compresseur ne fonctionne pas économiquement si le débit chute en dessous de 40 %. Le compresseur est désactivé ou fonctionne à vide selon le cycle de démarrages. Le réglage de la fréquence fonctionne le plus économiquement sur les compresseurs à vis fonctionnant sans huile.
56
4.4.
La commande ARS
Régulation des compresseurs
Les compresseurs à vis BOGE et les compresseurs à pistons super insonorisés sont équipés de la commande moderne ARS
(Autotronic, Ratiotronic, Supertronic).
La commande ARS propose divers équipements et différentes fonctions.
ARS
est un concept de commande et de contrôle intégré poursuivant deux objectifs :
– économies d’énergie et par conséquent réduction des coûts de fonctionnement
– prolongation de la durée de vie du compresseur en limitant l’usure à un minimum
Sur les compresseurs à vis, la commande ARS est équipée d’un microcontrôleur autorisant le mode intermittent,
économique, en tenant compte des cycles moteur maxima admissibles. Les compresseurs à pistons fonctionnent uniquement en mode intermittent, plus économique.
Toutes les données programmées sont mémorisées dans un module de mémoire ( EEPROM ) qui peut être écrit et effacé de manière électronique. Les informations mémorisées sont ainsi toujours disponibles, même à la suite d’une coupure de courant.
Conception modulaire
La commande ARS se compose d’éléments standard qu’il est possible d’acquérir séparément. Les différents modules peuvent
être installés sans difficulté à posteriori. Les commandes sont ainsi adaptées de manière optimale aux souhaits et aux besoins des clients. Les commandes sont remplacées rapidement en cas de panne pour accroître la disponibilité du compresseur.
Les recherches de pannes longues et onéreuses réalisées par des spécialistes font désormais partie du passé.
57
Régulation des compresseurs
4.4.1
Automatic
Figure 4.6 :
La commande Automatic de BOGE pour compresseurs à pistons
La commande Automatic est destinée aux compresseurs à pistons super insonorisés. Elle offre les options suivantes :
– régulation intermittente économique via un pressostat manométrique
– affichage du mode de fonctionnement pleine charge
– affichage des heures de fonctionnement
– affichage de la pression réseau
– redémarrage automatique sans charge automatique à la suite d’une coupure de courant
– possibilité de raccorder plusieurs compresseurs via MCS
4.4.2
Autotronic
Figure 4.7 :
La commande Autotronic de BOGE pour compresseurs à pistons
Figure 4.8 :
La commande Autotronic de BOGE pour compresseurs à vis
Autotronic
est une unité de commande et de contrôle intelligente destinée aux compresseurs à vis et à pistons. Pour les compresseurs à pistons, elle offre les possibilités suivantes en plus de celles offertes par l’Automatic :
– panneau de commande clair doté d’un afficheur à 7 segments, diodes électroluminescentes et schéma fonctionnel
– affichage des modes de fonctionnement
– commande programmable
– protection des paramètres de programme importants par code
– mode Test intégré pour toutes les entrées et sorties
– affichage de tous les messages de dérangements et d’alerte importants (en option)
– mode de fonctionnement Marche à vide (en option)
– affichage des heures de marche à vide (en option)
Pour les compresseurs à vis, la commande Autotronic propose les fonctions supplémentaires suivantes :
– réglage dynamique Pleine charge-Marche à vide (cycle intermittent retardé)
– sélection automatique du meilleur mode de fonctionnement
– optimisation automatique des démarrages moteur
– affichage automatique en série des messages de dérangements et d’alerte importants
– affichage et contrôle de la température de compression finale
58
Régulation des compresseurs
4.4.3
Ratiotronic
Figure 4.9 :
La commande Ratiotronic de BOGE pour compresseurs à pistons
La commande Ratiotronic est une extension de la commande
Autotronic pour compresseurs à vis et à pistons. Elle offre les possibilités supplémentaires suivantes :
– affichage des messages de dérangements et d’alerte importants (en option)
– commande sur site et télécommandée
– affichage externe des données d’exploitation et des messages
Figure 4.10 :
La commande Ratiotronic de BOGE pour compresseurs à vis
4.4.4
Supertronic
Figure 4.11 :
La commande Supertronic de BOGE pour compresseurs à vis
La commande Supertronic est une unité de commande et de contrôle complexe pour les compresseurs à vis. Elle dispose de fonctions plus complètes que celles offertes par les autres commandes :
– écran à cristaux liquides affichant 4 x 20 caractères et affichage de texte en clair
– réglage de la pression réseau au clavier
– affichage détaillé et surveillance des données d’exploitation importantes
– surveillance détaillée du compresseur affichage des messages de dérangements et d’alerte sur l’écran à cristaux liquides.
– horloge en temps réel électronique intégrée, pour arrêter et déclencher le compresseur, commandée depuis le clavier.
– possibilité de régler tous les paramètres d’exploitation au clavier
– possibilité d’accéder à toutes les fonctions au moyen de quelques touches supplémentaires
59
Régulation des compresseurs
4.5
Régulation de plusieurs compresseurs
1.1
Un seul gros compresseur n’est pas idéal lorsque l’on est en présence d’une consommation très élevée et très fluctuante.
Un système combiné composé de plusieurs compresseurs représente une alternative. Une grande sécurité de fonctionnement et un rendement plus élevé sont des arguments qui parlent en faveur de cette solution.
Les entreprises très dépendantes de l’air comprimé peuvent assurer leur alimentation continue grâce à un système de compresseurs combiné. Si un compresseur tombe en panne, ou s’il faut effectuer des travaux de maintenance, les autres compresseurs assurent l’alimentation en air comprimé.
Il est plus facile d’adapter la consommation d’air comprimé en utilisant plusieurs petits compresseurs à la place d’un seul, plus puissant. Les frais de marche à vide d’un gros compresseur sont en outre plus élevés que ceux d’un groupe de petits compresseurs dont certains peuvent s’arrêter. On obtient de cette manière un rendement plus élevé.
Un groupe de compresseurs est supervisé grâce à une commande qui permet d’assurer un fonctionnement économique et de limiter l’usure au maximum.
4.5.1
MCS 1 et MCS 2
La commande MCS 1 permet de piloter 2 compresseurs de puissances identiques en charge de base et en charge de pointe. Les compresseurs sont utilisés alternativement, déclenchés et arrêtés par leur propre pressostat. La commande offre les fonctions suivantes :
– fonctionnement alternatif commandé par programmateur
– déclenchement et arrêt du compresseur décalé dans le temps sur l’ordre de la commande par étages de pression
– utilisation régulière des compresseurs
– pression constante dans toute la plage de pression
– différence de pression minimale Dp = 0,8 bar
Figure 4.12 :
La commande Master Control System 2 de BOGE
La commande MCS 2 est en mesure de piloter 3 compresseurs de puissances identiques en charge de base, en charge moyenne et en charge de pointe. Les compresseurs sont utilisés alternativement, déclenchés et arrêtés par leur propre pressostat. Outre la différence de pression plus importante, l’extension à 3 compresseurs représente la seule différence par rapport à la commande MCS 1. Elle offre sinon le même
équipement.
– Différence de démarrages minimale Dp = 1,1 bar
Figure 4.13 :
Schéma de connexion de la MCS 2 de BOGE
60
Régulation des compresseurs
4.5.2
MCS 3
Figure 4.14 :
La commande Master Control System 3 de BOGE
La commande MCS 3 permet de piloter 4, 8, ou 12 compresseurs de puissances identiques ou différentes au sein d’un système. Tous les compresseurs sont commandés par un capteur de pression commun situé sur le réservoir d’air comprimé.
La commande MCS 3 avec 0,5 bar offre un faible Dp. Une pression de déclenchement ou d’arrêt précise n’est pas assignée aux différents compresseurs. Tous les compresseurs fonctionnent dans la même plage de pression ( Dp = 0,5 bar ).
Les compresseurs commutent de manière dynamique en fonction des besoins et selon des valeurs de pression intermédiaires définies. La vitesse de chute ou de montée de pression est mesurée. Les compresseurs sont déclenchés et arrêtés en conséquence de manière dynamique.
Pression d’activation Compresseurs 1 à 12
Figure 4.15 :
Schéma de connexion de la MCS 3 de BOGE
Différence de pression
La commande propose les fonctions suivantes :
– réglage dynamique de la pression grâce à un microcontrôleur couplé à un régulateur de pression pour garantir une différence de pression minimale de 0,5 bar (pas de surpression ® économie d’énergie).
– calage des compresseurs par priorité sur une échelle pour assurer les différents besoins en air comprimé
– calage individuel de chaque compresseur à l’intérieur de groupes avec répartition de charge identique
– cycle alternatif de charge de base réglable
– rotation indépendante des compresseurs dans les groupes
– déclenchement et arrêt des compresseurs alterné sur ordre de la commande
– écran à cristaux liquides affichant 4 x 20 caractères et affichage de texte en clair
– possibilité de vérifier toutes les entrées et sorties via un menu test
– passage automatique sur pressostat des différents compresseurs en cas de coupure de courant
– sans la MCS 3, les différents compresseurs fonctionnent de manière autonome. Ils sont alors commandés par leur propre pressostat
61
Régulation des compresseurs
4.5.3
MCS 4
Figure 4.16 :
La commande Master Control System 4 de BOGE
La commande MCS 4 permet de piloter au maximum 8 compresseurs de puissances identiques ou différentes. Tous les compresseurs sont commandés par un capteur de pression commun situé sur le réservoir d’air comprimé.
Le compresseur le plus puissant, ou la combinaison de compresseurs la plus puissante, assure la charge de base. Le plus petit compresseur délivre les charges de pointe. Les compresseurs de taille identique fonctionnent alternativement en charge de base.
La commande MCS 4 analyse la consommation d’air comprimé en continu à partir des puissances des compresseurs préprogrammées. Elle choisit le compresseur le mieux adapté aux besoins.
Pression d’activation Compresseurs 1 à 8
Figure 4.17 :
Schéma de connexion de la MCS 4 de BOGE
Différence de pression
La commande dispose des fonctions suivantes :
– utilisation des différents compresseurs et des combinaisons de compresseurs en fonction des besoins
– utilisation des avantages des compresseurs à vis et à piston
– Dp de 0,5 bar (pas de surpression ® économie d’énergie).
– trois profils de pression différents par jour grâce au programme à minuterie permettant d’adapter la commande aux différents besoins en air comprimé
– déclenchement et arrêt alterné des compresseurs sur ordre de la commande
– écran à cristaux liquides affichant 2 x 20 caractères et affichage de texte en clair
– possibilité de vérifier toutes les entrées et sorties via un menu test
– passage automatique sur pressostat des différents compresseurs en cas de panne de courant
– sans la MCS 4, les différents compresseurs fonctionnent de manière autonome. Ils sont alors commandés par leur propre pressostat
– deux contacts secs à minuterie sont prévus pour des composants additionnels
62
Régulation des compresseurs
4.5.4
MCS 5
Figure 4.18 :
La commande Master Control System 5 de BOGE
La commande MCS 5 permet de piloter de 2 à 4, 8 ou 12 compresseurs de puissances identiques ou différentes équipés de régulation progressive. Tous les compresseurs sont commandés par un capteur de pression commun situé sur le réservoir d’air comprimé. Le compresseur de charge de pointe assure le débit en air comprimé par sa régulation progressive.
Lorsque les besoins en air comprimé diminuent, ce compresseur est arrêté et c’est au tour du compresseur le mieux adapté d’assurer le débit.
Les systèmes MCS 3 et MCS 5 se ressemblent, excepté le réglage de la régulation progressive.
Pression d’activation
Compresseurs 1 à 12
Figure 4.19 :
Schéma de connexion de la MCS 5 de BOGE
Différence de pression
La commande propose les fonctions suivantes :
– adaptation du débit en fonction des besoins en air comprimé grâce à un système de réglage de la puissance en continu du compresseur de charge de pointe
– fluctuations de pression minimales dans le réseau d’air comprimé
– réglage dynamique de la pression grâce à un microcontrôleur conjugué à un régulateur de pression pour garantir une différence de démarrages minimale de 0,5 bar (pas de surpression ® économie d’énergie).
– répartition variable des compresseurs en plusieurs niveaux pour assurer les différents besoins en air comprimé lors des quarts
– assignation individuelle des différents compresseurs dans les diverses plages de charge et utilisation uniforme des compresseurs
– cycle alternatif de charge de base réglable
– rotation indépendante des compresseurs dans les groupes de plages de charges
– déclenchement et arrêt des compresseurs décalé dans le temps sur l’ordre de la commande
– écran à cristaux liquides affichant de 4 x 20 caractères et affichage de texte en clair.
– possibilité de vérifier toutes les entrées et sorties via un menu test.
– commutation automatique sur le pressostat des différents compresseurs en cas de coupure de courant.
– sans la MCS 5, les différents compresseurs fonctionnent de manière autonome. Ils sont alors commandés par leur propre pressostat.
63
Régulation des compresseurs
4.5.5
MCS 6
Figure 4.20 :
La commande Master Control System 6 de BOGE
La commande MCS 6 permet de piloter de 2 à 4, 8 ou 12 compresseurs maximum de puissances identiques ou différentes au sein d’un système de compresseurs, en réglant la vitesse de rotation. Tous les compresseurs sont commandés par un capteur de pression commun situé sur le réservoir d’air comprimé. Le compresseur de charge de pointe commande la demande en air comprimé grâce à son système de régulation de fréquence de la vitesse de rotation.
Lorsque la demande en air comprimé baisse, ce compresseur est arrêté et le compresseur de charge moyenne assure la régulation grâce à son système de réglage de fréquence de la vitesse de rotation.
Les commandes MCS 3 et MCS 6 se ressemblent, à l’exception du système de réglage de fréquence de la vitesse de rotation.
Pression d’activation Compresseurs 1 à 12
Figure 4.21 :
Schéma de connexion de la MCS 6 de BOGE
Différence de pression
La commande propose les fonctions suivantes :
– adaptation du débit aux besoins en air comprimé grâce au système de réglage de fréquence de la vitesse de rotation du compresseur de charge de pointe
– fluctuations de pression minimales dans le réseau d’air comprimé
– réglage dynamique de la pression grâce à un microcontrôleur conjugué à un régulateur de pression pour garantir une différence de démarrages minimale de 0,5 bar (pas de surpression ® économie d’énergie).
– répartition variable des compresseurs en plusieurs niveaux pour assurer les différents besoins en air comprimé lors des quarts
– assignation individuelle des différents compresseurs dans les différentes plages de charge et utilisation uniforme des compresseurs
– cycle alternatif de charge de base réglable
– rotation indépendante des compresseurs dans les groupes de plages de charges
– déclenchement et arrêt des compresseurs décalé dans le temps sur l’ordre de la commande
– écran à cristaux liquides affichant 4 x 20 caractères et affichage de texte en clair
– possibilité de vérifier toutes les entrées et sorties via un menu test
– passage automatique sur le pressostat des différents compresseurs en cas de coupure de courant
– sans la MCS 6, les différents compresseurs fonctionnent de manière autonome Ils sont alors commandés par leur propre pressostat
64
Régulation des compresseurs
4.5.6
MCS 7
La commande MCS 7 permet de piloter, de régler et de surveiller une station d’air comprimé complète en association avec la commande Siemens S 5 ( S7 ) et le terminal d’opérateur OP 15.
Eléments de base :
– 8 compresseurs
– 2 sécheurs à air comprimé par réfrigération
– 2 sécheurs par adsorption
– 10 Bekomats
– 2 canaux de commutation sans potentiel pour commander les appareils additionnels
Figure 4.22 :
La commande Master Control System 7 de BOGE
Pression d’activation Compresseurs 1 à 12
Différence de pression
Figure 4.23 :
Schéma de connexion de la MCS 7 de BOGE
La MCS 7 est disponible en trois versions :
Version 1
La version 1 propose un programme logiciel étendu de la commande MCS 3. Elle permet de réaliser une régulation indépendante de la pression sur 8 à 12 compresseurs de tailles et de types identiques ou différents, selon des niveaux de priorité et des programmes à minuterie.
Version 2
La version 2 propose un programme logiciel étendu de la commande MCS 5. Elle permet de réaliser une régulation indépendante de la pression sur 8 à 12 compresseurs de tailles et de types identiques ou différents, avec un système de réglage de la puissance en continu.
Version 3
La version 3 propose un programme logiciel étendu de la commande MCS 6. Elle permet de réaliser une régulation indépendante de la pression sur 8 à 12 compresseurs de tailles et de types identiques ou différents, avec un système de réglage de la fréquence de vitesse de rotation.
La commande propose également les fonctions suivantes, en plus de celles offertes par la version de base :
– saisie de l’état de fonctionnement des compresseurs et des autres composants de la station de compresseurs
– stockage des messages de fonctionnement, de maintenance et de dérangements. La maintenance et la réparation des stations de compresseurs sont très simplifiées
– commande et surveillance des composants de retraitement de l’air comprimé et du réseau d’air comprimé
– accouplement BUS via Profibus (en option), et possibilité de raccordement à un système de commande centralisé
– visualisation de l’installation sur l’équipement de contrôle supérieur (en option). Il est ainsi possible d’appeler des informations détaillées sur l’ensemble de l’alimentation en air comprimé.
65
Traitement de l’air comprimé
5.
5.1
Traitement de l’air comprimé
Pourquoi traiter l’air comprimé ?
Les équipements de production modernes nécessitent de l’air comprimé. La multitude des applications s’étend de l’air de soufflage non traité à l’air comprimé absolument sec, sans huile et stérile.
Les impuretés présentes dans l’atmosphère sont généralement invisibles à l’oeil nu. Elles peuvent cependant avoir une influence néfaste sur le fonctionnement du réseau d’air comprimé et des outillages, ainsi que sur la qualité des produits.
1 m3 d’air atmosphérique renferme une multitude d’impuretés, comme par exemple :
– jusqu’à 180 millions de particules d’impuretés dont la taille varie de 0,01 à 100 µm
– 5 à 40 g/m³ d’eau sous forme d’humidité
– 0,01 à 0,03 mg/m 3 d’huile sous forme d’aérosols minéraux et d’huile sous forme d’hydrocarbures imbrûlés
– traces de métaux lourds tels que le plomb, le cadmium, le mercure, le fer
Les compresseurs aspirent l’air atmosphérique et le concentrent un grand nombre de fois. Lorsque la compression atteint 10 bar
(une surpression de 10 bar = 11 bar de pression absolue) la concentration des particules d’impuretés est multipliée par 11.
1 m
3
d’air comprimé peut contenir 2 milliards de particules d’impuretés. De l’huile de lubrification et des particules d’usure provenant du compresseur pénètrent en outre dans l’air comprimé.
Figure 5.1 :
Concentration des impuretés contenues dans l’air lors de la compression
Le traitement de l’air comprimé bien effectué présente des avantages :
– prolongement de la durée de vie des outillages raccordés
– qualité améliorée et constante des produits
– conduites d’air comprimé exemptes de condensat et de rouille
– dérangements moins fréquents
– conduites exemptes de collecteurs de condensat
– frais de maintenance moindres
– baisse des pertes de pression dues aux fuites et aux pertes de charge
– baisse de la consommation d’énergie grâce aux pertes de pression moins importantes
66
5.1.2
Planification
Traitement de l’air comprimé
BOGE conseille d’effectuer le traitement en fonction de la liste suivante pour les différentes applications de l’air comprimé.
Domaine d’application de l’air comprimé
Cl. de qualité
DIN ISO 8573-1
Air industriel en général
Air de soufflage
—
—
—
—
—
—
Sablage
Travaux de peinture
—
—
3
3
—
—
Air primaire
Air de convoyage
Pulvérisation de peinture simple
Sablage avec exigences
élevées 5
Outils à air comprimé 1
Air de réglage
Technique de mesure et de réglage
Pulvérisation de peinture
Conditionnement
Composants pneumatiques 1
1
1
1
1
Laboratoires dentaires
Laboratoires photo
1
1
5
5
5
Air respirable
Air instruments
Systèmes pneumatiques 1
Pulvérisation de peinture avec hautes exigences de 1 qualité
Technique des surfaces 1
1
1
Techniques médicales
Air primaire, exigences de qualité élevées
1
1
Industrie des produits alimentaires et denrées de 1 luxe
1-3
1-3
3-4
3-4
3-4
4
4
4
4
4
1-3
1-3
1-3
4
4
4
4
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
3
1
1
1
3
3
3
4
4
4
Brasseries
Laiteries
Industrie pharmaceutique
1
1
1
1
1
1
1-3
1-3
1-3
*) Il est possible de se passer du séparateur centrifuge sous certaines conditions.
Les classes de qualité sont expliquées à la page 77
67
Traitement de l’air comprimé
5.1.3
Conséquences d’un mauvais traitement de l’air comprimé
Les impuretés et l’eau contenues dans l’air atmosphérique qui restent dans l’air comprimé peuvent avoir des conséquences néfastes. Ceci concerne aussi bien le réseau de conduites que les outillages. Les produits peuvent également souffrir de la mauvaise qualité de l’air. Dans de nombreux domaines d’applications, l’emploi d’air comprimé mal traité peut s’avérer dangereux, voire nocif pour l’organisme.
Particules solides contenues dans l’air comprimé
– Usure des systèmes pneumatiques
La poussière et autres particules provoquent de l’usure.
Cette action est renforcée lorsque les particules forment une pâte abrasive en combinaison avec l’huile ou la graisse.
– Particules nocives pour l’organisme
– Particules agressives sur le plan chimique
Huile contenue dans l’air comprimé
– Huiles usagées dans les systèmes pneumatiques
Les huiles goudronneuses peuvent provoquer une réduction des diamètres et obstruer les conduites. Il en résulte une perte de charge plus élevée.
– Air comprimé sans huile
Dans les systèmes de convoyage pneumatiques, l’huile peut coller au produit à convoyer et provoquer des bouchons.
Dans l’industrie des produits alimentaires et des denrées de luxe, ainsi que dans l’industrie pharmaceutique, l’air comprimé doit rester sec pour des raisons hygiéniques.
Eau contenue dans l’air comprimé
– Corrosion dans les systèmes pneumatiques
De la rouille se forme dans les conduites et les éléments fonctionnels et provoque des fuites.
– Interruption du film de lubrifiant
Une interruption du film lubrifiant provoque des dommages sur le plan mécanique.
– Formation de réactions électriques
Des réactions électriques peuvent se produire lorsque différents métaux entrent en contact avec l’eau.
– Formation de glace dans le réseau d’air comprimé
A basse température, il peut arriver que l’eau gèle dans le réseau d’air comprimé, provoquant des dégâts, des réductions de diamètres et des blocages.
68
Traitement de l’air comprimé
5.1.3
Impuretés contenues dans l’air
L’air atmosphérique qui nous entoure contient des particules d’impureté invisibles à l’oeil nu. Ce chapitre fournit un aperçu général sur leur type, leur taille et leur concentration.
Concentration des particules dans l’air atmosphérique
A la campagne
Valeur limite
[mg/m³]
5 - 50
Valeur moyenne
[mg/m³]
15
En ville 10 - 100 30
Zone industrielle
Grands sites industriels
20 - 500
50 - 900
100
200
Diamètre des particules [µm]
69
Traitement de l’air comprimé
5.2
5.2.1
Eau contenue dans l’air comprimé
Humidité de l’air
L’air atmosphérique renferme une certaine quantité de vapeur.
Sa teneur, c’est-à-dire l’humidité de l’air, varie en fonction du temps et du site. A une certaine température, un certain volume d’air ne peut contenir qu’une quantité maximale de vapeur d’eau.
Toutefois, l’air atmosphérique ne renferme généralement pas la quantité maximale de vapeur d’eau.
Humidité maximale h
max
[g/m³]
L’humidité maximale h
max
(volume de saturation) représente la quantité maximale de vapeur d’eau contenue dans 1 m³ d’air à une certaine température. L’humidité maximale dépend de la température.
Humidité absolue h [g/m³]
L’humidité absolue h représente la quantité de vapeur d’eau réellement contenue dans 1m³ d’air.
Humidité relative
ϕ [%]
L’humidité relative de l’air ϕ absolue et l’humidité maximale.
Point de rosée [° C]
Figure 5.2 :
Humidité maximale en fonction du point de rosée ϕ
= h
——— x 100 % h
max
ϕ = humidité relative h = humidité absolue
[%]
[g / m³] h max
= humidité maximale [g / m³]
Du fait que l’humidité maximale h
max
dépend de la température, l’humidité change en fonction de la température, même lorsque l’humidité absolue reste constante. L’humidité relative passe à
100% dans le cas d’un refroidissement jusqu’au point de rosée.
70
Traitement de l’air comprimé
5.2.2
5.2.3
Points de rosée
Teneur en eau de l’air
Point de rosée atmosphérique [°C]
Le point de rosée atmosphérique est la température à laquelle l’air atmosphérique (1 bar abs formation d’eau.
) peut être refroidi sans qu’il y ait
Le point de rosée atmosphérique représente une importance mineure dans le système d’air comprimé.
Point de rosée sous pression [°C]
Le point de rosée sous pression est la température à laquelle l’air comprimé peut être refroidi sans qu’il y ait formation de condensat. Le point de rosée sous pression dépend de la pression de compression finale et baisse quand la pression diminue.
Le tableau suivant indique l’humidité maximale de l’air pour un point de rosée déterminé :
Pt. de Humid.
rosée maxima
Pt. de Humid.
rosée maxima
Pt. de Humid.
rosée maxima
Pt. de Humid.
rosée maxima
Pt. de Humid.
rosée maxima
Pt. de Humid.
rosée maxima
Pt. de Humid.
rosée maxima
[°C] [g/m³]
+100° 588,208
+99° 569,071
[°C] [g/m³]
+76° 248,840
+75° 239,351
+98° 550,375
+97° 532,125
+96° 514,401
+95° 497,209
+94° 480,394
+93° 464,119
+74° 230,142
+73° 221,212
+72° 212,648
+71° 204,286
+70° 196,213
+69° 188,429
+92° 448,308
+91° 432,885
+90° 417,935
+89° 403,380
+88° 389,225
+87° 375,471
+86° 362,124
+85° 340,186
+84° 336,660
+83° 324,469
+82° 311,616
+81° 301,186
+80° 290,017
+79° 279,278
+78° 268,806
+77° 258,827
+68° 180,855
+67° 173,575
+66° 166,507
+65° 159,654
+64° 153,103
+63° 146,771
+62° 140,659
+61° 134,684
+60° 129,020
+59° 123,495
+58° 118,199
+57° 113,130
+56° 108,200
+55° 103,453
+54° 98,883
+53° 94,483
[°C] [g/m³]
+52° 90,247
+51° 86,173
+50° 82,257
+49° 78,491
+48° 74,871
+47° 71,395
+46° 68,056
+45° 64,848
+44° 61,772
+43° 58,820
+42° 55,989
+41° 53,274
+40° 50,672
+39° 48,181
+38° 45,593
+37° 43,508
+36° 41,322
+35° 39,286
+34° 37,229
+33° 35,317
+32° 33,490
+31° 31,744
+30° 30,078
+29° 28,488
[°C] [g/m³]
+28° 26,970
+27° 25,524
+26° 24,143
+25° 22,830
+24° 21,578
[°C]
+4°
+3°
+2°
+1°
0°
+23° 20,386
+22° 19,252
+21° 18,191
+20° 17,148
+19° 16,172
+18° 15,246
-1°
-2°
-3°
-4°
-5°
+17° 14,367
+16° 13,531
+15° 12,739
+14° 11,987
-6°
-7°
-8°
-9°
-10°
-11°
+13° 11,276
+12° 10,600
+11°
+10°
9,961
9,356
+9°
+8°
8,784
8,234
+7°
+6°
+5°
7,732
7,246
6,790
-12°
-13°
-14°
-15°
-16°
-17°
-18°
1,800
1,650
1,510
1,380
1,270
1,150
1,050
2,984
2,751
2,537
2,339
2,156
1,960
4,487
4,135
3,889
3,513
3,238
[g/m³]
6,359
5,953
5,570
5,209
4,868
[°C]
-19°
-20°
-21°
-22°
-23°
-24°
-25°
-26°
-27°
-28°
-29°
-30°
-31°
-32°
-33°
-34°
-35°
-36°
-37°
-38°
-39°
-40°
-41°
-42°
[°C]
-43°
-44°
-45°
-46°
-47°
-48°
-49°
-50°
-51°
-52°
-53°
-54°
-55°
-56°
-57°
-58°
-59°
-60°
0,015
0,013
0,110
-65° 0,00640
-70° 0,00330
-75° 0,00130
0,030
0,027
0,024
0,021
0,019
0,017
-80° 0,00060
-85° 0,00025
-90° 0,00010
[g/m³]
0,083
0,075
0,067
0,060
0,054
0,048
0,043
0,038
0,034
0,220
0,198
0,178
0,160
0,144
0,130
0,410
0,370
0,330
0,301
0,271
0,244
0,117
0,104
0,093
[g/m³]
0,960
0,880
0,800
0,730
0,660
0,600
0,550
0,510
0,460
71
Traitement de l’air comprimé
5.2.4
Quantité de condensat lors de la compression
Figure 5.3 :
Une éponge humide est pressée
L’air contient toujours de l’eau sous forme de vapeur. L’air pouvant
être comprimé, contrairement à l’eau, le liquide qui se forme lors de la compression est le condensat. L’humidité maximale de l’air dépend de la température et du volume et non pas de la quantité.
On peut se représenter l’air atmosphérique sous la forme d’une
éponge. Elle peut absorber une certaine quantité d’eau au repos.
Si on la presse, une partie de l’eau s’écoule, mais ll reste de l’eau dans l’éponge, même si l’on exerce une pression très forte. L’air comprimé se comporte de manière analogue.
L’exemple suivant illustre la quantité de condensat m
c
attendue lorsque l’air est comprimé. L’exemple considère une lourde journée d’été, pour une température de 35°C et une humidité de l’air de 80 % .
m
c
V
1
x h
max 1
x j
1
= ——————
100
V
2
x h
max 1
100
x j
2
———————— m
c
6,5 x 39,286 x 80 0,59 x 39,286 x 100
= ————–———– ————–————–
100 100 m
c
m³ x g / m³ x % m³ x g / m³ x %
= ———————– ————————–
% % m
c
= 181,108 g
V
1
= 6,5 m³ p
1
= 0 bar s
= 1 bar abs
T = 35° C ϕ
1
= 80 % h max
=
V
2 m c
= 0,59 m³ p
2
= 10 bar s
= 11 bar abs
T = 35° C ϕ
2
= 100 %
39,286 g/ m³
Figure 5.4 :
Formation de condensat lors de la compression m c
= formation de condensat
V
1
V
2
= volume pour 0 bar s
= volume pour 10 bar s h max 1
= humidité maximale à 35°C j
1
= humidité relative de V
1 j
2
= humidité relative de V
2
[g]
[m³]
[m³]
[g/m³]
[%]
[%]
Du fait que l’on obtient uniquement de l’eau à partir de l’air comprimé, et que cette eau ne peut pas être stockée, l’humidité relative de l’air j de l’air comprimé s’élève à 100%.
Pour une compression de 6,5 m³ d’air à 10 bar de surpression, on obtient 181,108 g d’eau sous forme de condensat à température constante.
72
Traitement de l’air comprimé
5.2.5
Exemple de calcul de la quantité de condensat
Air atmosphérique
p
1
T
1 ϕ
1 h max 1
= 1 bar abs
= 3 3 ° C
= 80
= 35,317
% g / m ³
D
1
= 2 720 m³/h
Un exemple montre la quantité de condensat m
c
qui se produit réellement lors de la compression de l’air. Le condensat apparaît
à des moments différents et à plusieurs endroits de la station de compresseurs.
Nous allons calculer la quantité de condensat qui se forme dans un compresseur à vis délivrant un débit D = 2 720 m³/h à une pression de compression finale de p s
= 10,5 bar. Un réservoir d’air comprimé et un sécheur d’air comprimé par réfrigération
équipent le compresseur.
Dans ces conditions, l’air atmosphérique renferme une certaine quantité d’eau :
m
e
= D
1
x h
max 1
x
ϕ
1
/100 g/h = m³/h x g/m³ x %/% m
e
= 2 720 x 35,317 x 80/100 m
e
Compresseur
p
2
T
2 ϕ
2
= 11,5
= 40°
= 100 bar
C
% abs h max 2
= 50,672 g/m³
D
2
D
= –––––– = 236,5 Bm³/h
P
1
2
Lors de la compression elle-même, la température excède celle du point de rosée sous pression de l’air comprimé. Il n’y a donc pas formation d’humidité. Dans le radiateur auxiliaire du compresseur, l’air comprimé est refroidi à T
2
= 40°C. On assiste
à la formation de condensat, qui est entraîné dans le réservoir d’air comprimé. Le débit s’y calme et les gouttelettes d’eau se déposent. Un grand volume de condensat s’y amasse :
m
c1
= m
e
– ( D
2
x h
max 2
x
ϕ
2
/100 ) m
c1
= 76 849,79 – ( 236,5 x 50,672 x 100/100 ) m
c1
D = 236,5 m³/h
m c1
Sécheur d’air comprimé réfrigération
p
3
T
3 ϕ
3
=
=
=
11,5 bar
3°
100
C
% abs h max 3
= 5,953 g/m³ m c2
D
2
= 236,5 Bm³/h
Figure 5.5 :
Formation de condensat lors de la compression avec sécheur
Finalement, l’air comprimé contenu dans le sécheur d’air
comprimé par réfrigération m
c2
m
c2
est refroidi à une température correspondant à un point de rosée sous pression de 3°C. Le condensat se forme dans le sécheur et est évacué.
m
c2
= ( D
2
x h
max 2
) – ( D
2
x h
max 3
)
= ( 236,5 x 50,672 ) – ( 236,5 x 5,953 )
73
Traitement de l’air comprimé
Figure 5.6 :
Une quantité de condensat égale à 8 seaux de 10 l se forme en une heure.
L’addition des différents courants de condensat nous donne la quantité de condensat dont le dispositif de traitement devra venir à bout.
Quantité de condensat m
c
= m
c1
+ m
c2
Quantité de condensat m
c
= 75441,9 g/h
= 75,4 l/h
Dans le cas d’un travail en 3 x 8 et d’une utilisation à 100 %, le compresseur fonctionne 24 heures par jour. Si les conditions de base restent inchangées, on obtient le résultat suivant :
Quantité de condensat m
cJ
= 1810605,6 g/J
= 1810,6 l/J
D’où la quantité de condensat suivante par an :
Quantité de condensat m
cA
= 659 060 438 g/A
= 659 060 l/A
5.2.6
Quantité de condensat qui se forme lors d’une lourde journée d’été
La qualité de l’air comprimé doit rester identique, même si les
conditions de l’environnement
changent. C’est-à-dire que le point de rosée sous pression de l’air comprimé lors d’une lourde journée d’été à une température de 40°C et une humidité de l’air de 90 % doit être de 3°C.
= 2720 m³/h Débit D
1
Pression d’aspiration p
1
Temp. d’aspiration T
1
Humidité relative ϕ
1
Point de rosée sous pression T
3
=
=
=
=
1 bar
40°C
90 %
2°C abs
Dans ces conditions, on obtient une quantité de condensat beaucoup plus importante pour une qualité d’air comprimé égale.
Quantité de condensat m
c
= 122,6 l/h
Dans le cas d’un travail en 3 x 8 et d’une utilisation à 100 %, le compresseur fonctionne 24 heures par jour. Si les conditions de base restent inchangées, on obtient le résultat suivant :
Quantité de condensat m
cJ
= 2 943,3 l/J
D’où la quantité de condensat suivante par an :
Quantité de condensat m
cA
= 1 071 358 l/A
74
Traitement de l’air comprimé
5.2.7
Définition du point de rosée sous pression
Le point de rosée sous pression est la température à laquelle l’air comprimé peut être refroidi sans qu’il y ait formation de condensat. Le point de rosée sous pression dépend de la pression de compression finale. Il baisse en même temps que la pression.
Le diagramme suivant est utilisé pour définir le point de rosée sous pression de l’air comprimé à l’issue de la compression :
T e m p d’ as
é r a pi ra tio t u n r e
Exemple 2
P re ss io co m pr n fin al e es si de on
Exemple 1
Humidité relative ϕ [%]
Exemple 1
Air aspiré
– humidité relative ϕ = 70 %
– température d’aspiration T = 35°C
Air comprimé
– pression finale de compression p s
= 8 bar
73°C environ
Point de rosée sous pression [° C]
Exemple 2
Air aspiré
– humidité relative ϕ = 80 %
– température d’aspiration T = 35°C
Air comprimé
– pression finale de compression p s
= 10 bar
82°C environ
75
Traitement de l’air comprimé
5.2.8
Point de rosée sous pression après détente
Le point de rosée sous pression baisse lorsque l’air comprimé est détendu. Le diagramme suivant est utilisé pour définir le nouveau point de rosée sous pression et le point de rosée atmosphérique après la détente :
humidité max. [g/m³]
Exemple 1
su rp re ss io n
p s
[b ar
]
Exemple 2
Exemple 1
Air comprimé
– p s
= 35 bar de pression d’air
– point de rosée sous pression de 10°C
Air comprimé détendu
– p s
= 4 bar de pression d’air
de -23°C environ
Point de rosée atmosphérique [°C]
Exemple 2
Air comprimé
– p s
= 7 bar de pression d’air
– Point de rosée sous pression de 20°C
Air comprimé détendu
– air comprimé atmosphérique p s
= 0 bar
8°C environ
76
Traitement de l’air comprimé
5.3
Qualité de l’air comprimé
5.3.1
Classes de qualité selon la norme DIN ISO 8573-1
Les classes de qualité de l’air comprimé selon DIN ISO 8573-1 aident l’utilisateur à définir ses exigences et à choisir les composants nécessaires au traitement de l’air. La norme se base sur les spécifications des constructeurs fournissant des valeurs définies relatives à la pureté de l’air pour leurs dispositifs et machines.
La norme DIN ISO 8573-1 définit les classes de qualité de l’air comprimé quant à :
la teneur en huile
Définition de la quantité résiduelle en aérosols et hydrocarbures contenus dans l’air comprimé.
la taille et la densité des particules
Définition de la taille et de la concentration des particules solides qui restent dans l’air comprimé.
le point de rosée sous pression
Définition de la température à laquelle l’air comprimé est refroidi sans que la vapeur d’eau qu’il contient ne condense. Le point de rosée sous pression change en fonction de la pression d’air.
4
5
6
1
2
3
Classe Teneur en huile max.
[mg/ m³]
0,01
0,1
1
5
25
—
Poussière résiduelle max.
Taille particules Densité particules
[µm] [mg/ m³]
15
40
—
0,1
1
5
0,1
1
5
8
10
—
Eau résiduelle max
Eau résiduelle Pt. rosée s. pr.
[g/ m³] [°C]
0,003
0,117
0,88
5,953
7,732
9,356
-70
-40
-20
+3
+7
+10
77
Traitement de l’air comprimé
5.4
Méthodes de séchage
Le tableau ci-dessous présente les méthodes de séchage de l’air comprimé en fonction de leur principe de fonctionnement.
Une différence est toujours faite entre la condensation, la sorption et la diffusion.
La condensation
est la séparation de l’eau lors du passage en dessous du point de rosée.
La sorption
est le séchage par extraction de l’humidité.
La diffusion
est le séchage par transfert de molécules.
Méthodes de séchage de l’air comprimé
Condensation
Surcompression
Séchage par réfrigération
Diffusion
Séchage à diaphragme
Sorption
Absorption
Adsorption
Déshydratants solides
Déshydratants solubles
Déshydratants liquides
Régénération sans chaleur
Régénération à chaud int.
Régénération à chaud ext
Régénération par le vide
78
Traitement de l’air comprimé
5.4.1
Conditions d’exploitation
Le débit d’un sécheur se rapporte au taux d’aspiration de l’air durant la compression, réalisée par un compresseur, conforme aux spécifications PN2 CPTC2, ISO 1217 (DIN 1945, partie 1).
– Pression d’aspiration p = 0 bar s
– Température d’aspiration T
0
=^ 1 bar abs
= 293 K =
Les sécheurs sont conçus pour évoluer dans des conditions de fonctionnement précises, indiquées dans la norme
DIN ISO 7183. Les caractéristiques de puissance indiquées pour les sécheurs ne peuvent être appliquées que lorsque les conditions suivantes sont remplies :
– pression de fonctionnement p = 7 bar s
– température ambiante t
A
– température d’entrée t
En
=^ 8 bar abs
Il faut tenir compte des facteurs de conversion correspondants si un sécheur doit être utilisé dans des conditions différentes.
Ces facteurs diffèrent selon les méthodes de séchage.
Exemple de conception d’un sécheur d’air comprimé par réfrigération
Facteur de conversion de la pression de service et de la température ambiante :
Pression de service p [bar]
Facteur f
2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 14 16
0,62 0,72 0,81 0,89 0,94 1 1,04 1,06 1,09 1,1 1,12 1,15 1,17
Température ambiante t
A
[°C]
Facteur t
t
D p
A
= 45 m³/h
= 10 bar
= 40° C
⇒
⇒ f = 1,09 t = 0,79
25
1,00
30
0,92
35
0,85
40
0,79
43
0,75
Un sécheur d’air comprimé par réfrigération BOGE, modèle D8, présente un débit D de 45 m³/h. Il doit fonctionner à une température ambiante moyenne de t
A de service de p = 10 bar.
= 40° C et une pression
D
D
D
A
A
A
= D
×××××
f
×××××
t
= 45 m³/h
××××× 1,09 ××××× 0,79
= 38,75 m³/h
f t
D
D
A
= Débit adapté
= Débit
[m³/h]
[m³/h]
= Facteur de conversion pour p =10 bar s
= Facteur de conversion pour t
A
= 40°C
Le sécheur d’air comprimé par réfrigération présente un débit de 38,75 m³/h lorsque les conditions de service sont modifiées.
79
Traitement de l’air comprimé
5.4.2
Condensation par
surpression
Lors de la surpression, l’air est comprimé bien au-delà de la pression nécessaire, puis il est refroidi et détendu à la pression de service.
Pt. de rosée sous pres.
[°C]
Pression de service
[bar s
]
Volume débité
[m³/h]
Température d’entrée
[°C]
-70°C env.
Selon le compresseur selon le compresseur
–
Principe de fonctionnement
La quantité d’eau stockée par l’air diminue en raison de l’augmentation de la pression et de la réduction du volume qui en résulte. Une grande quantité de condensat se forme lorsque la précompression est effectuée à une pression plus élevée.
Ce condensat est évacué. L’humidité absolue de l’air diminue.
Lorsque l’air comprimé est détendu, l’humidité relative et le point de rosée sous pression baissent.
p = 1 bar m c p = 36 bar
Figure 5.7 :
Surpression et détente subséquente p = 4 bar
Exemple :
L’air est précomprimé à 36 bar. Le point de rosée sous pression est de 10°C. On assiste à une formation de condensat. Lorsque l’air comprimé est détendu à 4 bar, le nouveau point de rosée sous pression s’élève à -23°C env. (voir le chapitre 5.2.8,
exemple 1 ).
Caractéristiques
– Processus simple autorisant un débit continu
– Systèmes de refroidissement et de séchage inutiles
– Economique uniquement pour les petits débits
– Consommation d’énergie très élevée
80
Traitement de l’air comprimé
5.4.3
Condensation par
séchage par réfrigération
P. de rosée sous pres.
[ ° C ] jusque +2°C
Pres. de service
[ bar ] jusqu’à 210
Débit
[ m³/h ]
11 à 35000
Température d’entrée
[ ° C ] jusque+60°C
Lorsque la température baisse, l’air perd sa faculté de transporter l’eau. L’air comprimé peut être refroidi dans un sécheur d’air par réfrigération afin de réduire la teneur en humidité.
Lors du séchage par réfrigération, l’air comprimé est refroidi dans un échangeur de chaleur au moyen d’un refrigérant. La vapeur d’eau contenue dans l’air comprimé est évacuée sous forme de condensat. La quantité de condensat augmente plus la différence entre la température d’entrée et de sortie de l’air comprimé est élevée.
Air comprimé sec
Air compr. humide
1
3
4
2
Principe de fonctionnement
Le séchage par réfrigération se déroule en deux étapes pour améliorer l’efficacité du réfrigérant et l’utiliser de manière optimale.
1ère étape
L’air comprimé déjà refroidi par le sécheur par réfrigération refroidit le nouveau courant d’air dans un échangeur de chaleur air/air. 70% de la vapeur d’eau contenue dans l’air comprimé se transforme en condensat.
2è étape
L’air comprimé passe dans un échangeur de chaleur réfrigérant/ air, où il est refroidit à une température approchant le point de congélation. Le condensat qui se forme est évacué avant le réchauffement lors de la première étape de réfrigération .
6
5
4
1 = Echangeur de chaleur air/air
2 = Echangeur de chaleur air/réfrigérant
3 = Echangeur de chaleur régrigérant/air
4 = Evacuateur de condensat
5 = Compresseur frigorifique
6 = Vaporisateur
Figure 5.8 :
Schéma fonctionnel d’un sécheur d’air comprimé par réfrigération
Caractéristiques
– Rendement élevé
Le séchage par réfrigération est le procédé le plus
économique dans près de 90% de tous les cas d’applications.
– Séparation des impuretés
Près de 100% de toutes les particules solides et des gouttelettes d’eau dont la taille est supérieure à 3 µm sont séparées.
– Perte de pression moindre dans le sécheur
La chute de pression
∆ environ.
81
Traitement de l’air comprimé
5.4.4
Diffusion par séchage à diaphragme
Pt. rosée sous pr.
[ ° C ]
0 à -20 °C
Pression de service
[ bar ]
5 à 12,5
Débit
[ m³/h ]
11 à 130
Température d’entrée
[ ° C ]
2° à 60° C
Le principe du sécheur à diaphragme repose sur le fait que l’eau pénètre dans une fibre creuse dotée d’un revêtement spécial 20 000 fois plus rapidement que l’air.
Le sécheur à diaphragme se compose de plusieurs milliers de fibres creuses, constituées d’un matériau en plastique solide résistant à la température et à la pression. Leur surface interne est recouverte d’une deuxième couche plastique ultra fine
(inférieure à une longueur d’onde lumineuse). Les fibres creuses
(membranes) sont disposées dans un tube, l’extrémité du canal intérieur des fibres est ouverte.
Air humide
Air de rinçage humide
Courant interne
Eau
Principe de fonctionnement
L’air comprimé humide passe à l’intérieur des fibres creuses
(courant interne). Lors de cette opération, la vapeur d’eau contenue dans l’air comprimé est évacuée à l’extérieur au travers du manteau des fibres creuses. Un gradient de concentration de la vapeur d’eau entre l’intérieur et l’extérieur des fibres creuses est nécessaire.
Une certaine quantité d’air de rinçage est soutirée du volume principal sec du compresseur, puis détendue. L’humidité maximale de l’air dépendant du volume, l’humidité relative de l’air diminue. L’air de rinçage devient très sec. Le courant d’air de rinçage sec enrobe les fibres creuses et assure le gradient de concentration d’humidité suffisant. Le courant d’air de rinçage peut être évacué à l’air libre sans être filtré.
Air de rinçage sec
Air sec
Figure 5.9 :
Schéma de principe d’un sécheur à diaphragme
Caractéristiques
– Réduction de la pollution de l’air due aux impuretés
Un filtre capable de séparer les particules atteignant 0,01 µm doit toujours être monté en amont du sécheur à diaphragme.
S’il est installé directement en aval du compresseur, un séparateur centrifuge doit le précéder.
– Perte de pression moindre dans le sécheur
La chute de pression Dp due au sécheur est de 0,2 bar max.
– Construction compacte
Le sécheur peut être intégré dans un réseau de conduites.
– Absence de maintenance
Le sécheur ne contient pas de pièces mobiles.
– Pas de formation de condensat lors du séchage
– Aucuns frais supplémentaires en matière d’énergie
– Fonctionnement silencieux
– Sans CFC
– Absence de pièces mobiles
– Sans moteur
82
Traitement de l’air comprimé
5.4.5
P. de rosée sous pr.
[ ° C ]
Pression de service
[ bar ] selon la température d’entrée
Sorption par absorption
–
Débit
[ m³/h ]
–
Température d’entrée
[ ° C ]
Lors du séchage par absorption, la vapeur d’eau est évacuée par le biais d’une réaction chimique provoquée par un agent de séchage hygroscopique. Les propriétés d’absorption de l’agent de séchage diminuent avec le temps, il est donc nécessaire de le renouveler régulièrement.
On distingue trois types d’agents de séchage. Les agents de séchage solubles se liquéfient au fur et à mesure de l’absorption.
Les agents solides et liquides réagissent sans modifier leur
état physique en présence de vapeur d’eau.
jusque 30 °C
Solide
Déshydratant
Soluble Liquide
1
2
Craie déshydratée
Sel de magnésium hyperacidifié
Chlorure de lithium
Chlorure de calcium
Acide sulfurique
Acide phosphorique
Glycérine
Triéthylène glycole
1
3
4
1 = Filtre
2 = Déshydratant solide
3 = Couvercle
4 = Purge du condensat
Figure 5.10 :
Sécheur par absorption à déshydratant solide
Principe de fonctionnement
Lors de l’absorption, l’air comprimé traverse une couche de déshydratant de bas en haut. Il transmet une partie de sa vapeur d’eau au déshydratant. Un système de drainage évacue le condensat dans un réservoir. Le point de rosée sous pression est abaissé de 8 à 12 %.
Exemple
De l’air comprimé pénètre à une température de +30°C dans un sécheur fonctionnant avec du chlorure de calcium. On obtient dans ce cas un point de rosée sous pression oscillant entre 18 et 22 °C.
Caractéristiques
– Faible température d’entrée
Des températures élevées amollissent le déshydratant et le collent.
– Action très corrosive du déshydratant
L’air comprimé séché peut emporter du déshydratant dans le réseau d’air comprimé et y provoquer d’importants dégâts.
– Pas d’apport d’énergie auxiliaire
De par ses propriétés, le séchage par absorption occupe seulement une position marginale dans les techniques de l’air comprimé, comme par exemple dans le traitement de l’air destiné aux laboratoires.
83
Traitement de l’air comprimé
5.4.6
Sorption par adsorption
Le séchage par adsorption de l’air comprimé est une opération purement physique. L’humidité est liée au déshydratant par les forces d’adhésion (attraction moléculaire non équilibrée). La vapeur d’eau se dépose sur la surface intérieure et extérieure du produit d’adsorption, il se produit pas de liaison chimique.
L’agent d’adsorption présente une structure poreuse ouverte et une grande surface intérieure. Les agents d’adsorption les plus courants sont l’oxyde d’aluminium, le gel de silicate, le charbon actif et les filtres moléculaires. Divers agents d’adsorption sont utilisés pour les différents processus de régénération.
Agent d’adsorption Caractéristiques de l’agent d’adsorption *)
Pt. de rosée sous Température pres. réalisable d’entrée
[ ° C ] [ ° C ]
Température de régénération
[ ° C ]
Surface
[ m²/g ]
Gel de silicate (SiO
2
), brut
Gel de silicate (SiO
2
), sphérique
- 50
-50
+ 50
+ 50
120 à 180
120 à 180
500 à 800
200 à 300
Oxyde d’aluminium activé (Al
2
O
3
)
- 60 + 40 175 à 315 230 à 380
Filtres moléculaires
(Na, AlO
2
, SiO
2
)
- 90 + 140 200 à 350 750 à 800
*) Les propriétés de l’agent d’adsorption changent en fonction de la pression et de la température du gaz à sécher
A
B
Principe de fonctionnement
L’air comprimé humide passe dans le réservoir contenant l’agent d’adsorption durant le processus de séchage. La vapeur d’eau est liée et l’air comprimé est ainsi séché. Ce processus génère de la chaleur. Le produit d’adsorption doit être régénéré lorsque les forces d’adhésion sont compensées par les dépôts d’eau.
C’est-à-dire que l’eau doit être extraite de l’agent d’adsorption.
Pour cette raison, il faut que deux réservoirs de séchage montés en parallèle fonctionnent en continu. Le réservoir actif A sèche l’air comprimé alors que le réservoir inactif B réalise la régénération sans pression.
Les processus suivants sont principalement utilisés pour régénérer le produit d’adsorption :
– régénération sans chaleur
– régénération à chaud interne
– régénération à chaud externe
– régénération par le vide
84
Traitement de l’air comprimé
5.4.6.1
5
P. de rosée sous pres.
[ ° C ]
Pression de service
[ bar s
] jusque-70°C 4 - 16
Débit
[ m³/h ]
Température d’entrée
[ ° C ]
4 - 5600 jusque+ 60°C
Figure 5.11 :
Adsorbant au bout de 5 min. de séchage
2
A
Régénération sans chaleur
3 2
Air humide
Air de régénération
Air sec
4
B
1
1 = Soupapes de régulation et de distribution
2 = Soupape anti-retour
3 = Cache perforé
4 = Soupape d’échappement
5 = Préfiltre
6 = Filtre auxiliaire
Figure 5.12 :
Schéma fonctionnel d’un sécheur à adsorption à régénération sans chaleur
6
Dans le cas de la régénération sans chaleur, les périodes de séchage et de régénération sont de 5 min. environ. C’est la raison pour laquelle l’humidité se dépose uniquement sur la surface extérieure du déshydratant.
Les sécheurs à régénération sans chaleur fonctionnent selon le principe d’alternance de pression. La désorption (régénération) intervient sans apport de chaleur supplémentaire. Une partie du volume débité séché est dérivée. Ce courant partiel est détendu à une pression à peine supérieure à 1 bar et reste donc particulièrement sec. Cet air sec passe dans le réservoir de séchage à régénérer B. L’humidité contenue dans le déshydratant est récupérée au cours de cette opération, puis
évacuée à l’extérieur via une soupape d’échappement.
Caractéristiques
– Exploitation économique sur les petits systèmes générant de faibles débits.
– Conception simple du sécheur
– Possibilité d’utilisation à hautes températures ambiantes
– Faible volume de déshydratant
Temps de séchage et de régénération de 5 min. environ
– Frais d’exploitation élevés
L’air de régénération est extrait du système d’air comprimé et ne peut pas être réutilisé.
– Régénération sans apport d’énergie auxiliaire
– Le pourcentage d’air de régénération par rapport au débit du compresseur baisse lorsque la pression de compression finale est plus élevée.
Pression finale Pourcentage d’air de régération [%] de compres.
P. de rosée s. p.
P. de rosée s. p.
[ bar abs
] -25° à -40°C -40° à -100°C
5
7
10
15
20
25,83
17,22
11,49
7,39
5,46
27,14
18,1
12,07
7,77
5,47
Ces valeurs sont fixées sur le plan physique et il n’est pas possible de passer en dessous. Elles résultent de la corrélation entre l’humidité de l’air et la détente de l’air comprimé.
– Préfiltrage de l’air d’entrée
Un préfiltre libère dans une large mesure l’air comprimé des particules d’huile, des gouttes d’eau et des d’impuretés.
– Filtrage auxiliaire de l’air comprimé sec
Le déshydratant emporté hors du réservoir de séchage doit
être filtré de l’air comprimé.
85
Traitement de l’air comprimé
5.4.6.2
Régénération à chaud interne
P. de rosée sous pres.
[ ° C ]
Pression de service
[ bar ] jusque-40°C 2 à 16
Débit
[ m³/h ]
Température d’entrée
[ ° C ]
200 à 5600 jusque+ 50°C
Lors de la régénération à chaud, les périodes de séchage et de régénération durent environ 6 à 8 heures. Pendant la longue période de séchage, l’humidité se dépose sur les parois internes et externes de l’adsorbant. Pour inverser ce processus, il suffit d’importer de la chaleur de l’extérieur. Dès que la température de régénération de l’adsorbant est dépassée, grâce
à l’apport de chaleur, l’énergie qui se crée en surface permet de surmonter les forces d’adhésion et l’eau s’évapore. L’humidité est évacuée grâce à un faible courant d’air de régénération.
La température de régénération dépend du point de rosée sous pression de l’air de régénération. Plus elle est basse, plus la température de régénération du sécheur le sera également.
4
2
3
5
Figure 5.13 :
Adsorbant consécutif à un séchage de
6 à 8 heures
A
Air comprimé sec
B
9
Dans le cas de la régénération interne, la chaleur est transférée directement sur l’adsorbant grâce à un système de chauffage installé dans le réservoir de chauffage. Elle se déroule en deux temps :
1er temps
Le réservoir de séchage B est lentement chauffé, grâce au système de chauffage interne, à la température de régénération nécessaire. L’humidité se détache de l’adsorbant dès que la température de régénération est dépassée. Sous l’effet d’une légère surpression, 2 à 3% environ du courant d’air comprimé sec sortent du compresseur pour passer dans le réservoir de séchage B via une conduite de dérivation. Ce courant d’air de régénération absorbe la vapeur d’eau et la transporte à l’air libre via une soupape d’échappement.
2è temps
Dans le temps de refroidissement, la température de service baisse pour atteindre celle du lit de séchage. Une deuxième conduite de dérivation s’ouvre à cet effet. 5% environ du débit du compresseur traversent alors le réservoir de séchage B. A cet instant, le chauffage interne n’est plus opérationnel.
8
1
6
7
Air de régénération
Air humide
1 = Soupape de régulation et de distribution
2 = Soupape anti-retour
3 = Dérivation avec cache perforé 1er temps
4 = Dérivation avec cache perforé 2è temps
5 = Chauffage
6 = Soupape d’arrêt
7 = Soupape d’échappement
8 = Préfiltre
9 = Filtre auxiliaire
Figure 5.14 :
Schéma fonctionnel du sécheur par adsorption à régénération à chaud interne
Caractéristiques
– Economique dans le cas de débits importants
– Conception simple du sécheur
– Une quantité réduite d’air comprimé sec est nécessaire pour régénérer le sécheur.
– Préfiltrage de l’air d’entrée
Un préfiltre libère dans une large mesure l’air comprimé des particules d’huile, des gouttes d’eau et des impuretés.
– Filtrage auxiliaire de l’air comprimé sec
Le déshydratant emporté hors du réservoir de séchage doit
être filtré de l’air comprimé.
86
Traitement de l’air comprimé
5.4.6.3
Régénération à chaleur externe
P. de rosée sous pres.
[ ° C ]
Pression de service
[ bar ] jusque-40°C 2 à 16
Débit
[ m³/h ]
500
à 15000
Température d’entrée
[ ° C ] jusque+
50°C
Lors de la régénération à chaud, les périodes de séchage et de régénération oscillent entre 6 et 8 heures. Pendant la longue période de séchage, l’humidité se dépose sur les parois internes et externes de l’adsorbant. Pour inverser ce processus, il faut amener de la chaleur de l’extérieur. Dès que la température de régénération de l’adsorbant est dépassée, grâce à l’apport de chaleur, l’énergie qui se crée en surface permet de surmonter les forces d’adhésion et l’eau s’évapore. L’humidité est évacuée grâce à un faible courant d’air de régénération.
La température de régénération dépend du point de rosée sous pression de l’air de régénération. Plus elle est basse, plus la température de régénération du sécheur le sera également.
Figure 5.15 :
Adsorbant au bout de 6 à 8 heures de séchage
7
4
5
2
A
3 Air comprimé sec
B
9
8
Air de régénération
1 6
Air compr. humide
1 = Soupape de régulation et distribution inf.
2 = Soupape de régulation et distribution sup.
3 = Dérivation avec cache perforé, 3è temps
4 = Registre de tirage
5 = Ventilateur
6 = Soupape d’arrêt
7 = Soupape antiretour
8 = Préfiltre
9 = Filtre auxiliaire
Figure 5.16 :
Schéma fonctionnel d’un sécheur par adsorption à régénération à chaleur externe
La régénération externe, au cours de laquelle l’air ambiant est aspiré par un ventilateur et chauffé dans un registre de tirage, se déroule en trois temps :
1er temps
Le réservoir de séchage B est chauffé lentement par un courant d’air chaud à la température de régénération nécessaire. Lorsque cette température est atteinte, l’eau se détache de l’adsorbant.
Le ventilateur continue de pomper de l’air de régénération chaud dans le réservoir de séchage B. Ce courant d’air de régénération absorbe la vapeur d’eau et la transporte à l’air libre via une soupape d’échappement.
2è temps
Dans le temps de refroidissement, la température de service baisse pour atteindre celle du réservoir de séchage B. Pour ce faire, le registre de tirage du ventilateur est désactivé et de l’air ambiant froid est amené dans le réservoir de séchage.
3è temps
A l’issue du refroidissement, l’air comprimé sec et détendu quitte le compresseur par le réservoir de séchage afin que l’air ambiant ne provoque pas d’humidité dans le sécheur.
Caractéristiques
– Economique dans le cas de débits importants
– Des températures de régénération élevées permettent d’obtenir un point de rosée sous pression bas.
– Faible consommation d’air comprimé supplémentaire
Seule une faible partie de l’air de régénération est prélevée dans le système d’air comprimé.
– Préfiltrage de l’air d’entrée
Un préfiltre libère l’air comprimé dans une large mesure des particules d’huile, des gouttes d’eau et des impuretés.
– Filtrage auxiliaire de l’air comprimé sec
Le déshydratant emporté hors du réservoir de séchage doit
être filtré de l’air comprimé.
87
Traitement de l’air comprimé
5.4.6.4
Régénération par le vide
P. de rosée sous pres.
[ ° C ]
Pression de service
[ bar ] jusque-80°C 4 à 16 bar
Débit
[ m³/h ]
400
à 7400
Température d’entrée
[ ° C ] jusque
+ 40° C
La régénération par le vide est une variante de la régénération
à chaud externe. Tout comme pour la régénération à chaud, les périodes de régénération oscillent entre 6 et 8 heures. Pendant la longue période de séchage, l’humidité se dépose sur les parois internes et externes de l’adsorbant. Pour inverser ce processus, il faut amener de la chaleur de l’extérieur. Dès que la température de régénération de l’adsorbant est dépassée, grâce à l’apport de chaleur, l’énergie qui se crée en surface permet de surmonter les forces d’adhésion et l’eau s’évapore.
L’humidité est évacuée grâce à un faible courant d’air de régénération.
La température de régénération dépend du point de rosée sous pression de l’air de régénération. Plus elle est basse, plus la température de régénération du sécheur le sera également.
Figure 5.17 :
Adsorbant au bout de 6 à 8 heures de séchage
5
6
3
A
2
Air comprimé sec
B
8
7
Air de régénération
1 4
Air compr. humide
1 = Soupape de régulation et distribution inf.
2 = Soupape de régulation et distribution sup.
3 = Soupape d’arrêt
4 = Registre de tirage
5 = Ventilateur
6 = Silencieux
7 = Préfiltre
8 = Filtre auxiliaire
Figure 5.18 :
Schéma fonctionnel d’un sécheur par adsorption à régénération par le vide
Lors de la régénération par le vide, l’air ambiant est aspiré par surpression dans le réservoir de séchage. Ce courant d’air est chauffé extérieurement. La régénération par le vide se déroule en deux temps.
1er temps
Une pompe à vide aspire l’air ambiant. Ce courant d’air est chauffé dans un registre de tirage et aspiré dans le réservoir de séchage. Lorsque la température de régénération est atteinte, l’eau se détache de l’adsorbant. Le courant d’air de régénération absorbe la vapeur d’eau et l’évacue à l’air libre via une soupape d’échappement.
2è temps
Dans la phase de refroidissement, la température de service baisse pour atteindre la température du réservoir de séchage.
Pour ce faire, le registre de tirage est désactivé et l’air ambiant froid est aspiré dans le réservoir de séchage.
Caractéristiques
– Economique dans le cas de débits importants
– Pas de consommation d’air comprimé supplémentaire
La régénération n’exige aucun prélèvement d’air comprimé dans le système.
– Longue durée de vie du déshydratant
Le déshydratant est soumis à une faible contrainte thermique.
– Economies d’énergie grâce à une faible température de régénération
– Préfiltrage de l’air d’entrée
Un préfiltre libère dans une large mesure l’air comprimé des particules d’huile, des gouttes d’eau et des impuretés.
– Filtrage auxiliaire de l’air comprimé sec
Le déshydratant emporté hors du réservoir de séchage doit
être filtré de l’air comprimé.
88
5.4.7
Emplacement du sécheur d’air comprimé par réfrigération
Traitement de l’air comprimé
Il existe deux possibilités pour intégrer le sécheur d’air comprimé par réfrigération dans une station d’air comprimé : il est placé avant ou après le réservoir d’air comprimé. Il n’est pas possible de le spécifier de manière catégorique, car les deux variantes présentent des avantages et des désavantages dans des cas d’applications précis.
5.4.7.1
Sécheur placé avant le réservoir d’air comprimé
Avantages :
– Air sec dans le réservoir d’air comprimé
Il ne se forme pas de condensat dans le réservoir d’air comprimé.
– Qualité de l’air comprimé constante
Le point de rosée sous pression de l’air comprimé reste constant, même lorsque de l’air comprimé est nécessité subitement et en grande quantité.
Figure 5.19 :
Sécheur installé avant le réservoir d’air comprimé
Désavantages :
– Grandes dimensions du sécheur
Le sécheur doit être conçu en fonction du débit réel délivré par le compresseur installé. Le sécheur est souvent surdimensionné lorsque la consommation est faible.
– Séchage d’air comprimé pulsé
De par leur conception, les compresseurs à pistons en particulier fournissent de l’air pulsé. Le sécheur est exposé
à une contrainte élevée.
– Haute température d’entrée de l’air comprimé
L’air comprimé vient directement du radiateur auxiliaire du compresseur.
– Il n’est pas possible de sécher un courant d’air partiel.
– Quantité de condensat élevée
Tout le condensat pénètre dans le sécheur.
– Sur les systèmes composés de plusieurs compresseurs, chacun des compresseurs doit être accompagné d’un sécheur.
Conclusion
Il est rarement conseillé d’installer le sécheur en amont du réservoir d’air comprimé. Ce cas de figure est cependant conseillé si le compresseur doit souvent faire face à des pics de consommation soudains, sans que la qualité de l’air n’en souffre.
89
Traitement de l’air comprimé
5.4.7.2
Sécheur placé après le réservoir d’air comprimé
Figure 5.20 :
Sécheur monté après le réservoir d’air comprimé
Avantages :
– Dimensionnement sur mesure du sécheur
Le sécheur peut être dimensionné en fonction de la consommation d’air comprimé réelle, ou en fonction du débit d’air comprimé à sécher.
– Séchage d’un débit détendu
– Faible température d’entrée de l’air comprimé
L’air comprimé peut continuer à refroidir dans le réservoir d’air comprimé.
– Faibles quantités de condensat
Les gouttes de condensat qui se forment sont collectées dans le réservoir d’air comprimé et ne perturbent pas le reste du système.
Désavantages :
– Condensat dans le réservoir d’air comprimé
L’humidité qui règne dans le réservoir d’air comprimé représente une source de corrosion.
– Surcharge du sécheur
Les contraintes exercées sur le sécheur sont élevées lorsque de l’air comprimé est nécessité subitement et en grande quantité. Le point de rosée sous pression de l’air comprimé augmente.
Conclusion
Dans la majorité des cas, BOGE conseille d’installer le sécheur en aval du réservoir d’air comprimé. Sur le plan économique, les arguments parlent en faveur de cette configuration. Un sécheur de moindres dimensions peut être généralement utilisé.
Les capacités sont mieux utilisées.
90
Traitement de l’air comprimé
5.5
Filtres à air comprimé
5.5.1
Terminologie de base des filtres
Il est nécessaire de définir certaines grandeurs et certains facteurs avant de considérer les filtres de manière plus détaillée.
5.5.1.1 Pouvoir séparateur du filtre
η [ % ]
Air comprimé non filtré
( C
1
)
Figure 5.21 :
Préfiltre BOGE, série V
η = 99,99 % par rapport à 3 µm
Air pur
(C
2
)
Le pouvoir séparateur
η indique la différence de concentration de particules d’impuretés en amont et en aval du filtre. On parle également de „l’efficacité“ du filtre. Le pouvoir séparateur du filtre
η est par conséquent une grandeur qui reflète l’efficacité du filtre. La taille de grain minimale [µm] qui peut être séparée par le filtre doit toujours être indiquée.
ηη
C
C
1
2
×××××
100
C
1
= Concentration de particules d’impuretés
avant
le filtre.
C
2
= Concentration de particules d’impuretés
après
le filtre.
η = Pouvoir séparateur du filtre
[%]
La concentration est généralement mesurée proportionnellement
à l’unité de volume [g/m³] de l’air comprimé. Lorsque la concentration est faible, on la définit généralement en comptant les particules par unité de volume [Z/cm³]. Le comptage des particules par unité de volume est la méthode la plus fréquemment utilisée pour définir le pouvoir séparateur des filtres hautes performances. Mesurer le poids proportionnellement à l’unité de volume avec une précision suffisante exigerait la mise en oeuvre de moyens disproportionnés par rapport aux résultats obtenus.
Exemple
Une concentration de particules de C
1
= 30 mg/m³ est mesurée dans l’air comprimé avant le filtrage. Après le filtrage, l’air pur renferme encore une concentration de particules de
C
2
= 0,003 mg/m³ pour une taille des particules supérieure à
3 µm.
ηη
30
η = 100 – ——–– ××××× 100
0,003
Le pouvoir séparateur du filtre est de 99,99 % par rapport à
3 µm.
91
Traitement de l’air comprimé
5.5.1.2 Chute de pression
∆p
Figure 5.22 :
Filtre conventionnel et appareil de mesure
∆p
La chute de pression
∆ courant en amont et en aval du filtre. La chute de pression l’amoncellement des particules de poussière et d’impuretés.
–
∆
0
est la chute de pression relevée sur les nouveaux
éléments de filtre. Selon le type de filtre, elle oscille entre
0,02 et 0,2 bar.
– La limite acceptable économiquement pour la chute de pression
∆
Un appareil de mesure de la différence de pression équipe la majorité des filtres afin de capter la chute de pression.
Si la chute de pression ∆ nécessaire de nettoyer le filtre ou de remplacer l’élément filtrant.
5.5.1.3 Pression de service
Le débit maximum d’un filtre se réfère toujours à la pression normalisée p s
= 7 bar. Lorsque la pression change, le débit maximum du filtre change également. La modification du débit peut être déterminée aisément au moyen du facteur de conversion correspondant f.
Pression [bar
s
]
Facteur f
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
0,25 0,38 0,5 0,65 0,75 0,88 1 1,13 1,25 1,38 1,5 1,63 1,75 1,88 2
D
7 p s
= 300 m³/h
= 10 bar
⇒ f = 1,38
Exemple
Un préfiltre BOGE V50, dont la capacité nominale est de
300 m³/h à la pression normalisée p
à p s
= 10 bar.
s
= 7 bar devrait fonctionner
D
D
D
10
10
10
= D
7
×××××
f
= 300 m³/h
×××××
1,38
= 414 m³/h
D
10 f
D
7
= rendement réel pour p s
= 10 bar
= rendement réel pour p s
= 7 bar
= facteur de conversion pour p s
= 10 bar
[m³/h]
[m³/h]
Pour une pression de p s
= 10 bar, les performances réelles nominales du filtre sont de 414 m³/h.
92
Traitement de l’air comprimé
5.5.2
Séparateur centrifuge
Différence de pression
∆p [ bar ]
Degré de séparation
[ % ]
Taille des particules
[ µm ]
Teneur en huile rés.
[ mg/m³ ]
> 0,05 bar 95 % > 50 µm sans influence
A sa sortie du compresseur, l’air comprimé contient de l’eau sous forme de vapeur, ainsi que des gouttelettes de condensat.
Ces gouttelettes, qui se produisent lors de la compression, sont dues à la diminution de la faculté de stockage de l’air lors de la réduction du volume.
Cette eau se dépose normalement dans le réservoir de stockage, car l’air comprimé se détend. Le condensat est évacué
à partir de là.
Air pur
1 = Cartouche tourbillonnaire
2 = Surface de rebondissement
3 = Collecteur
4 = Purgeur de condensat
Figure 5.23 :
Séparateur centrifuge
2
3
4
1
Entrée de l’air comprimé
Principe de fonctionnement
Le séparateur centrifuge fonctionne selon le principe de l’inertie de masse. Il se compose d’une cartouche tourbillonnaire et d’un réservoir de récupération. La cartouche est conçue de manière à ce que l’air comprimé soit soumis à un mouvement giratoire. Les éléments solides et liquides contenus dans l’air sont projetés sur les parois intérieures du réservoir, sous l’effet de leur propre masse. Les particules d’impureté lourdes et les gouttelettes d’eau sont ainsi éliminées. Les impuretés séparées s’écoulent le long d’une surface de rebondissement et parviennent dans le collecteur. La surface de rebondissement permet également d’éviter que le courant d’air ne remporte le liquide séparé.
Le condensat est retiré du collecteur automatiquement ou manuellement afin d’être éliminé ou traité.
Caractéristiques
– Séparation pratiquement complète des gouttelettes d’eau
– Filtrage des particules de poussière et d’impureté lourdes
– La capacité de filtrage du séparateur centrifuge dépend de la vitesse de courant de l’air. Plus elle est rapide, plus la capacité de séparation est élevée. La perte de pression dans le séparateur augmente cependant avec la vitesse du courant.
Domaines d’applications
– Réservoir d’air comprimé inutile dans le réseau
– Grandes distances entre le compresseur et le réservoir
Lorsque le réservoir d’air comprimé est très éloigné du compresseur, il est judicieux d’installer un séparateur centrifuge aussitôt après le compresseur. Il permet d’éviter les „transports d’eau“ inutiles dans les conduites.
– Lignes montantes entre le réservoir d’air comprimé et le compresseur. La conduite reliant le compresseur et le réservoir d’air comprimé est verticale. Lorsque le compresseur s’arrête, l’eau de condensation retourne dans le compresseur. Dans ce cas, il est judicieux d’installer un séparateur centrifuge juste après le compresseur.
93
Traitement de l’air comprimé
5.5.3
Préfiltre
Différence de pression
∆p [ bar ]
Degré de séparation
[ % ]
Taille des particules
[ µm ]
> 0,03 bar 99,99 % > 3 µm
Teneur en huile rés.
[ mg/m³ ] sans influence
Les préfiltres permettent de séparer les impuretés solides présentant une taille de 3 µm environ, mais filtrent mal l’huile et l’humidité. Les préfiltres assistent les filtres hautes performances et les sécheurs lorsque l’air est très poussiéreux.
Il est possible de renoncer à l’utilisation d’un filtre plus fin si la qualité de l’air comprimé exigée n’est pas très élevée.
Figure 5.24 :
Mécanisme de filtrage des filtres de surface
Principe de fonctionnement
Les préfiltres fonctionnent selon le principe de la filtration de surface. En fait, ce ne sont que des passoires. La taille des pores correspond à celle des particules qui peuvent être filtrées.
Les impuretés restent à l’extérieur des éléments du filtre. Les matériaux les plus couramment utilisés pour les éléments filtrants sont les suivants :
– bronze fritté
– polyéthylène à haute densité moléculaire
– céramique frittée
– bronze ou fil de cuivre (filtrage grossier)
– Inserts de papier en cellulose pliés
L’air passe dans les éléments filtrants de l’extérieur vers l’intérieur. Un sens de courant inverse provoquerait une agglomération des particules séparées à l’intérieur des éléments filtrants. L’amoncellement des matières solides annihilerait l’efficacité du filtre.
Caractéristiques
– Le filtre peut être régénéré.
Il est possible de nettoyer les éléments filtrants, car la séparation des particules effectuée dans le préfiltre intervient uniquement à la surface de l’élément.
Figure 5.25 :
Préfiltre BOGE, série V
94
Traitement de l’air comprimé
5.5.4
Filtre microporeux
Différence de pression
∆p [ bar ]
Degré de séparation
[ % ]
Taille des particules
[ µm ]
Teneur en huile rés.
[ mg/m³ ]
> 0,1 bar 99,9999 % > 0,01 µm > 0,01
Les filtres microporeux sont utilisés lorsque l’on a besoin d’air comprimé de très grande qualité. Ils permettent d’obtenir un air comprimé exempt d’huile et de réduire la teneur en huile résiduelle dans l’air comprimé à 0,01 mg/m³. Ils filtrent les particules d’impuretés avec un degré de séparation de
99,9999 % par rapport à 0,01 µm.
Figure 5.26 :
Mécanisme de filtrage des filtres à lit profond
Principe de fonctionnement
Les filtres microporeux, également appelés filtres à coalescence ou hautes performances, sont des filtres à lit profond. Ils filtrent le condensat huileux contenu dans l’eau sous forme de gouttelettes fines et ultra fines de l’air comprimé.
Le filtre à lit profond est un filtre constitué d’une multitude de fibres extrêmement fines. Ces fibres forment un maillage aléatoire et, par conséquent, une structure poreuse. Les fibres sont parcourues par un système de canaux présentant la forme d’un labyrinthe. Les canaux sont en partie plus larges que la taille des particules à séparer. La séparation des particules intervient tout le long du chemin parcouru par l’air comprimé dans l’élément filtrant.
M a t i è r e filtrante
Les filtres microporeux sont équipés d’un élément filtrant plissé.
La surface effective du filtre est ainsi accrue de près d’un tiers par rapport aux filtres enroulés. La chute de pression
∆ par ce fait largement réduite. Certains avantages en résultent :
– débit plus important
– pertes d’énergie moindres
– durée de vie plus longue
Figure 5.27 :
Matière filtrante pliée et enroulée
L’air passe dans le filtre à lit profond de l’intérieur vers l’extérieur. La phase liquide d’huile et d’eau se dépose sur le feutre du filtre lors du passage de l’air. Le courant d’air transporte alors le condensat et les gouttes de plus en plus grosses vers l’extérieur du filtre. Une partie du condensat sort ainsi du filtre.
Le condensat s’amoncelle dans le collecteur du filtre sous l’effet de la force centrifuge.
La durée de vie des filtres augmente, car le condensat filtré ne surcharge plus l’élément dans ce sens de courant.
Figure 5.28 :
Microfiltre BOGE, série F
95
Traitement de l’air comprimé
Air comprimé non filtré
Agent filtrant
Mécanismes de filtrage
Trois mécanismes différents opèrent ensemble afin de séparer les fines particules de l’air.
– Contact direct
Les particules de grande taille et les gouttes d’eau entrent en contact direct avec les fibres du filtre.
– Impact
Les particules et les gouttes rencontrent les fibres du filtre disposées de manière aléatoire. Elles sont déviées de la voie du courant sous l’effet du choc et absorbées par la fibre suivante.
– Diffusion
Les particules fines et extrêmement fines se coalisent dans le champ de courant et forment des particules de plus en plus grosses (mouvement moléculaire de Brown). Ces particules sont alors filtrées.
Air comprimé technique sans huile et propre
Figure 5.29
Mécanismes du filtrage de lit profond
Le borosilicate sous forme de fibres de verre est le matériau le plus utilisé dans la fabrication des filtres hautes performances.
Il est utilisé pour les filtres à lit profond. On trouve également
– des fibres métalliques.
– des fibres synthétiques.
Caractéristiques
– Séparation de l’huile dans la phase liquide
Des hydrocarbures se trouvent dans l’air comprimé. Ils présentent deux états physiques :
- gazeux sous forme de vapeur d’huile
- liquides sous forme de gouttes
Les gouttes d’huile sont filtrées à pratiquement 100% par un filtre hautes performances. La vapeur d’huile ne peut pas
être filtrée.
– Faibles températures de fonctionnement
Le degré de séparation du filtre diminue lorsque la température de fonctionnement augmente. Une partie des gouttes d’huile s’évapore et traverse le filtre. Lorsque la température passe de +20° à +30°C, un volume d’huile 5 fois supérieur traverse le filtre.
– Possibilité de recyclage
Les matériaux utilisés ont été choisis en considérant les aspects écologiques.
96
Traitement de l’air comprimé
5.5.5
Filtre à charbon actif
Différence de pression
∆p [ bar ]
Degré de séparation
[ % ]
Taille des particules
[ µm ]
Teneur en huile rés.
[ mg/m³ ]
> 0,02 bar 99,9999 0,01 > 0,005
A la sortie du filtre hautes performance et du sécheur, l’air comprimé technique sans huile contient encore des hydrocarbures et diverses substances olfactives et gustatives.
Dans de nombreuses applications, ces restes contenus dans l’air comprimé peuvent entraver la production, provoquer une baisse de la qualité et une gêne au niveau des odeurs.
Un filtre à charbon actif extrait les vapeurs d’hydrocarbures de l’air comprimé. La teneur en huile résiduelle peut être réduite à
0,005 mg/m³. La qualité de l’air comprimé est meilleure que celle exigée par la norme DIN 3188 pour l’air respirable. Les gouttelettes d’huile condensées sont séparées par le filtre raccordé (filtre microporeux BOGE, série F).
Principe de fonctionnement
Le filtrage de l’air comprimé par adsorption est un processus purement physique. Les hydrocarbures sont liés au charbon actif sous l’effet des forces d’adhésion (attraction moléculaire non équilibrée). Aucune liaison chimique n’intervient lors de ce processus.
L’air comprimé sec et préfiltré passe dans un filtre à charbon actif plissé. Cet élément filtrant ressemble à un filtre microporeux. L’air comprimé le traverse également de l’intérieur vers l’extérieur.
Figure 5.30 :
Combinaison de filtres BOGE, séries AF
Filtre à charbon actif combiné à un filtre microporeux
Caractéristiques
– Préfiltrage
Un filtre hautes performances et un sécheur doivent toujours
être montés en amont du filtre à charbon actif. L’air impur détruit l’adsorbant et diminue l’effet de filtrage.
– Pas de régénération
La charge de charbon actif ne peut pas se régénérer. Il faut la remplacer en fonction de son degré de saturation.
– Durée de vie
L’élément filtrant d’un filtre à charbon actif doit être remplacé au bout de 300 à 400 heures de fonctionnement.
Domaines d’applications
– Industrie alimentaire et des denrées de luxe
– Industrie pharmaceutique
– Industrie chimique
– Traitement des surfaces
– Techniques médicales
97
Traitement de l’air comprimé
5.5.6
Adsorbeur à charbon actif
Différence de pression
∆p [ bar ]
Degré de séparation
[ % ]
Taille des particules
[ µm ]
> 0,1 bar – –
Teneur en huile rés.
[ mg/m³ ]
> 0,003
Préfiltre Filtre aux.
A la sortie du filtre hautes performance et du sécheur, l’air comprimé technique sans huile contient encore des hydrocarbures et diverses substances olfactives et gustatives.Dans de nombreuses applications ces restes contenus dans l’air comprimé peuvent entraver la production, provoquer une baisse de la qualité et une gêne au niveau des odeurs.
Un filtre à charbon actif extrait les vapeurs d’hydrocarbures de l’air comprimé. La teneur en huile résiduelle peut être réduite à
0,003 mg/m³. La qualité de l’air comprimé est meilleure que celle exigée par la norme DIN 3188 pour l’air respirable. Les gouttelettes d’huile condensées sont séparées par le filtre raccordé (filtre microporeux BOGE, série F).
Figure 5.31 :
Schéma fonctionnel d’un adsorbeur à charbon actif BOGE de type DC
Principe de fonctionnement
Le filtrage de l’air comprimé par adsorption est un processus purement physique. Les hydrocarbures sont liés au charbon actif sous l’effet des forces d’adhésion (attraction moléculaire non équilibrée). Aucune liaison chimique n’intervient lors de ce processus.
L’air comprimé sec et filtré est dirigé via un diffuseur vers un lit de charbon actif pilé. Le diffuseur répartit l’air comprimé régulièrement au dessus du lit de charbon actif. On obtient ainsi de longues périodes de contact et une utilisation optimale de l’adsorbant. Après être passé dans le lit d’adsorbant, l’air comprimé parvient dans un collecteur de sortie et quitte l’adsorbeur à charbon actif.
Caractéristiques
– Préfiltrage
Un filtre hautes performances et un sécheur doivent toujours
être montés en amont du filtre à charbon actif. L’air impur détruit l’adsorbant et diminue l’effet de filtration.
– Filtrage auxiliaire
Pour des raisons de sécurité, il est conseillé de monter un filtre hautes performances en aval de l’adsorbeur. L’air comprimé détache les particules de poussière de charbon les plus fines (inférieures à 1 µm) du lit de charbon actif.
– Pas de régénération
La charge de charbon actif ne peut pas se régénérer. Il faut la remplacer en fonction de son degré de saturation.
– Durée de vie élevée
La charge du filtre à charbon actif doit être remplacée au bout de 8000 à 10 000 heures de fonctionnement.
Domaines d’applications
– Les domaines d’applications sont identiques à ceux du filtre à charbon actif.
98
Traitement de l’air comprimé
5.5.7
Filtre stérile
Différence de pression
∆p [ bar ]
Degré de séparation
[ % ]
Taille des particules
[ µm ]
Teneur en huile rés.
[ mg/m³ ]
> 0,09 bar 99,9999 0,01 –
Les organismes vivants, tels que les bactéries, les bactériophages et les virus sont à l’origine de graves problèmes sanitaires dans de nombreux domaines. Les filtres stériles génèrent un air comprimé stérile à 100%, exempt de germes.
Principe de fonctionnement
Le courant d’air préfiltré passe de l’extérieur vers l’intérieur à travers un élément filtrant composé de deux étages de filtrage.
Les micro-organismes atteignant une taille de 1 µm sont retenus dans le préfiltre. Le deuxième étage se compose d’un feutre en microfibres de borosilicate tridimensionnel, neutre sur le plan chimique et biologique. Les organismes résiduels y sont filtrés.
Les éléments filtrants sont fixés dans une cage en acier.
Les filtres peuvent être nettoyés et stérilisés 100 fois en les exposant à un jet de vapeur portée à une température de
+200° C. La vapeur peut être appliquée des deux côtés du filtre.
Il est également possible de stériliser le filtre par différentes méthodes
– eau chaude
– air chaud
– gaz (oxyde d’éthylène, formaldéhyde)
– H
2
O
2
Figure 5.31 :
Filtre stérile BOGE, série ST
Caractéristiques
– Matériau en acier inoxydable
Tous les éléments métalliques du filtre sont réalisés en acier inoxydable de qualité supérieure. Cet acier, qui n’offre aucune substance nutritive aux micro-organismes, ne se corrode et ne se décompose pas.
– Résistant
L’agent filtrant est inactif, il résiste aux produits chimiques et aux températures élevées. Les bactéries sont dans l’incapacité de se développer ou de le traverser.
– Distance de contact courte et stérile
Il est conseillé d’installer le filtre stérile directement sur le consommateur final.
Domaines d’applications
– Industrie alimentaire et des denrées de luxe
– Industrie pharmaceutique
– Industrie chimique
– Industrie de l’emballage
– Techniques médicales
99
Elimination du condensat
6.
6.1
Elimination du condensat
Condensat
Le condensat se compose principalememt d’eau, véhiculée par l’air aspiré par le compresseur et qui se forme lors de la compression. Le condensat contient également un grand nombre d’impuretés.
– Aérosols minéraux et hydrocarbures imbrûlés contenus dans l’air aspiré
– Poussière et particules d’impuretés présentes dans l’air comprimé sous les formes les plus diverses
– Huile utilisée pour le refroidissement et la lubrification du compresseur
– Rouille, produits d’usure, restes de produits isolants et perles de soudure émaillant le réseau de conduites
Le condensat est, de par sa haute teneur en produits nocifs, particulièrement dangereux pour l’environnement et doit donc
être éliminé conformément aux règlements en vigueur. Les huiles minérales contenues dans le condensat sont difficilement biodégradables, leur influence a une action néfaste sur l’alimentation en oxygène et la putréfaction des boues dans les stations de traitement des eaux. L’efficacité du processus de traitement est réduite et favorise la croissance des risques sur le plan écologique et sanitaire.
Les différents systèmes d’air comprimé ne produisent pas tous un condensat identique. Le condensat présente des caractéristiques différentes selon les conditions de l’environnement et le type de compresseur. Considérons par exemple
– les compresseurs lubrifiés par huile.
Sur les compresseurs de ce type, l’huile lave une partie des produits agressifs et solides contenus dans l’air comprimé dans la chambre de compression. Par conséquent, les systèmes lubrifiés par huile génèrent habituellement un condensat présentant un pH neutre.
– les compresseurs lubrifiés sans huile.
Sur ces systèmes, la majorité des substances nocives est
évacuée avec le condensat. Pour cette raison, le condensat présente un pH acide. Il n’est pas rare de constater des pH compris entre 4 et 5.
La consistance du condensat change également en fonction des conditions marginales. Le condensat a généralement la consistance de l’eau. Dans certains cas exceptionnels, il pourra
également se présenter sous forme de pâte.
100
Elimination du condensat
6.2
Evacuateur de condensat
Le condensat qui se forme à l’intérieur du système d’air comprimé doit être évacué pour ne pas être emporté par le flux d’air et entrer de cette manière dans le réseau de conduites.
Les évacuateurs de condensat sont des appareils onéreux, car les réservoirs de récupération du condensat sont sous pression.
Il faut donc que l’évacuation du condensat soit contrôlée si l’on tient à éviter toute perte de pression inutile.
Il faut en outre tenir compte du fait que la formation du condensat est irrégulière. Le volume de condensat change en fonction de la température et de l’humidité de l’air aspiré par le compresseur.
Les différents types d’évacuateurs sont présentés dans le tableau ci-dessous en fonction de leur mode de fonctionnement.
Types d’évacuateurs de condensat
Manuels Automatiques
Soupape manuelle Evacuateur de condensat à commande
à flotteur
Evacuateur de cond.
à électrovanne à ouverture synchronisée
Evacuateur de condensat à mesure du niveau
Capteur de mesure
électronique
Flotteur de niveau
Lorsque l’on choisit un évacuateur de condensat, quel qu’il soit, il faut toujours tenir compte du condensat en présence et d’autres conditions marginales. Certains domaines d’applications exigent que les évacuateurs de condensat présentent des formes particulières :
– condensat très agressif
– condensat sous forme de pâte
– environnement présentant des risques d’explosions
– réseau basse pression et sous-pression
– réseau haute pression et très haute pression
Les évacuateurs de condensat exigent un système de chauffage lorsque les températures descendent en dessous de zéro degré, afin d’éviter que l’eau contenue dans le condensat ne gèle.
101
Elimination du condensat
6.2.1
Evacuateur de condensat
à soupape manuelle
Le condensat est collecté dans un réservoir prévu à cet effet.
Le personnel chargé de la maintenance et de l’exploitation doit vérifier régulièrement le niveau de remplissage du réservoir. Le condensat sera éventuellement vidangé par l’orifice situé au fond du réservoir.
Caractéristiques
– Construction simple et économique
– Connexion électrique inutile
– Pas de fonction d’alarme
– Vérification régulière nécessaire
Le condensat doit être vidangé régulièrement.
6.2.2
Evacuateur de condensat
à commande à flotteur
4
Un flotteur se trouve dans le réservoir de condensat. Il commande une soupape d’échappement située au fond du réservoir.
Lorsque le niveau du réservoir dépasse un repère défini, la soupape d’échappement s’ouvre. La surpression qui règne dans le système permet d’évacuer le condensat à l’extérieur. Dès que le niveau repasse en dessous du repère de niveau minima, la soupape se referme automatiquement avant que de l’air ne s’échappe.
Le condensat est maintenant séparé de l’air comprimé et peut
être introduit dans le système de traitement.
1
2
1 = Entrée
2 = Sortie
3 = Bouchon de vidange
4 = Orifice de purge
Figure 6.1 :
Evacuateur de condensat à commande à flotteur
3
Caractéristiques
– Construction simple et économique
– Pas de connexion électrique nécessaire
Idéal dans les environnements à risques d’explosions
– Pas de purge de l’air comprimé
– Susceptible de tomber en panne
Les pièces mobiles du système peuvent se résinifier, coller ou corroder au contact direct du condensat.
– Maintenance régulière nécessaire
La fragilité du système exige une maintenance régulière.
– Pas de signal d’alarme extérieur
– Peu souple
Les soupapes du flotteur doivent être spécialement adaptées aux besoins du condensat.
102
6.2.3
Evacuateur de condensat à
électrovanne à ouverture synchronisée
Figure 6.2 :
Soupape de purge électromagnétique
Elimination du condensat
Le condensat est collecté dans un réservoir prévu à cet effet.
Une électrovanne équipée d’une minuterie ouvre à des intervalles définis et réguliers (1,5 à 30 min.) l’orifice de purge situé au fond du réservoir. Elle le referme au bout de 0,4 à 10 secondes d’ouverture. Le condensat est évacué sous l’effet de la pression du système.
La soupape de purge est raccordée au système d’évacuation du condensat par une conduite.
Remarque
Pour éviter toute formation de condensat dans les conduites, il faut évacuer la totalité du condensat. Les périodes d’ouverture de l’électrovanne, réglables en fonction des cas, permettent de garantir une évacuation parfaite du condensat.
En été, il se forme davantage de condensat qu’en hiver, en raison de l’humidité élevée. Si les périodes et les intervalles d’ouverture sont adaptés à des conditions estivales, les basses températures seront à l’origine de grandes pertes de pression, car l’electrovanne restera ouverte trop longtemps, une grande quantité d’air comprimé étant évacuée en même temps que le condensat.
Pour minimiser les pertes de pression, les cycles d’ouverture de l’électrovanne doivent être toujours adaptés aux conditions climatiques en présence.
Le temps n’étant pas toujours constant, il n’est donc pas possible d’optimiser les intervalles et les périodes d’ouverture de manière à éviter totalement les pertes d’air comprimé : il restera du condensat dans le système d’air comprimé ou de l’air comprimé sera évacué.
Caractéristiques
– Grande sécurité de fonctionnement
Le système fonctionne en toute fiabilité, même lorsque le condensat pose des problèmes.
– Connexion électrique nécessaire
– Pas de signal d’erreur externe
– Pas de fonction d’alarme
– L’électrovanne fonctionne lorsque la station de pression est activée, même si de l’air comprimé n’est pas nécessité (le week-end par exemple).
103
Elimination du condensat
6.2.4
Evacuateur de condensat à mesure de niveau électronique
1
Ni2
Ni1
3
4
5
Fonctionnement
Le condensat est collecté dans un réservoir prévu à cet effet.
Dès que le détecteur de niveau capacitif Ni2 annonce que le niveau de remplissage maximum est atteint, une électrovanne ouvre une conduite pilote. La pression est relâchée sur le diaphragme de la soupape et la conduite d’évacuation est ouverte. La surpression qui règne dans le boîtier comprime le condensat dans la conduite d’évacuation pour l’expédier au système de traitement.
Dès que le niveau atteint le détecteur de niveau Ni1, le système
électronique ferme l’électrovanne. Le diaphragme de la soupape est fermé avant que l’air ne s’échappe.
2
6
2
Ni2
Ni1
1 = Conduite d’entrée
2 = Collecteur
3 = Conduite pilote
4 = Electrovanne
5 = Diaphragme de soupape
6 = Détecteur de niveau
7 = Siège de soupape
8 = Conduite d’évacuation
Figure 6.3 :
Evacuateur de condensat à mesure de niveau
électronique
7
8
Caractéristiques
– Grande sécurité de fonctionnement
Le système fonctionne parfaitement, même en présence de condensats problématiques.
– Section importante
Les impuretés grossières et les grumeaux sont évacués sans difficulté.
– Pas de pertes de pression
– Connexion électrique nécessaire
– Domaines d’applications flexibles
Le système s’adapte automatiquement aux conditions d’exploitation en présence (par ex. viscosité différente du condensat et variations de pression).
– Fonction d’alarme
Si un dérangement intervient lors de l’évacuation du condensat, le mode Alarme se déclenche au bout de 60 secondes. L’électrovanne ouvre alors le diaphragme de la soupape à intervalles déterminés.
– Signal d’erreur externe
Une diode lumineuse rouge clignote et un signal sans potentiel est activé.
– Grande gamme de performances
104
Elimination du condensat
6.2.5
7
Evacuateur de condensat à flotteur à niveau par mesure du niveau de remplissage
3
2
6
5
4
3
1
1
2
1 = Collecteur
2 = Flotteur de niveau
3 = Guide
4 = Conduite verticale
5 = Diaphragme de soupape
6 = Electrovanne
7 = Conduite pilote
Figure 6.4 :
Evacuateur de condensat à flotteur à niveau par mesure du niveau du remplissage
Le condensat est récupéré dans le collecteur de l’évacuateur de condensat. Un flotteur repose sur le condensat et se déplace le long du guide qui équipe le collecteur. Sur ce guide, trois contacts saisissent le niveau de remplissage dans le collecteur de manière électronique. Dès que le flotteur atteint le contact
2
, la commande électrique ouvre une électrovanne. La pression est relâchée sur le diaphragme de la soupape via une conduite pilote et la conduite d’évacuation est ouverte. La pression qui règne dans le système éjecte le condensat hors de l’évacuateur de condensat via une conduite verticale.
Le niveau de condensat dans le collecteur baisse et la commande ferme la sortie avant que de l’air comprimé ne s’échappe au bout d’une période préréglée t. Si le niveau de condensat n’atteint pas le contact 1 au bout de la période t, l’ouverture de purge est ouverte à intervalles réguliers, puis refermée à l’issue de périodes d’ouverture définies. Il est ainsi garanti que le réservoir de condensat est entièrement vidé.
Lorsque le niveau de condensat atteint le contact 3, la commande déclenche l’alarme. Les intervalles de commutation et les périodes d’ouverture restent inchangés.
Caractéristiques
– Cycles de nettoyage variables en fonction du temps
Le condensat ne sèche pas, même à l’issue de périodes d’arrêt prolongées.
– Pas de pertes de pression
– Connexion électrique nécessaire
105
Elimination du condensat
6.3
Traitement du condensat
Le condensat produit par les compresseurs lubrifiés par huile contient, selon les saisons, une quantité d’huile comprise entre
200 et 1000 mg/l. C’est-à-dire que le condensat se compose environ de 99% d’eau et de 1% d’huile seulement. La loi considère cependant ce condensat comme une eau usée contenant de l’huile. En tant que telle, il est interdit de l’évacuer dans les égouts. Le § 7 de la loi sur le régime des eaux (en
Allemagne) fixe les exigences appliquées en matière de propreté des eaux résiduelles. Elle prescrit que la teneur en substances nuisibles contenues dans les eaux usées soit maintenue au seuil aussi bas que les „règles techniques généralement reconnues“ le permettent. Ces règles ont été définies par le gouvernement allemand dans le cadre des règlements généraux administratifs.
Selon l’ATV (association de technique des eaux à but non lucratif), fiche de travail A 115, la teneur maximale en huile résiduelle dans l’eau est actuellement de 20 mg/l. Les autorités locales ont cependant le dernier mot à ce sujet. Dans certains cas, les valeurs constatées restent largement en dessous de
20 mg/l d’huile résiduelle.
Cela signifie que le condensat doit être éliminé ou traité de manière appropriée.
Elimination
L’élimination du condensat par une entreprise spécialisée est relativement sûre, mais compliquée et très onéreuse. Les frais d’élimination s’élèvent généralement à 500 DM par m³ de condensat. Les frais à engager pour les réservoirs homologués et les conduites viennent s’y greffer.
Traitement sur site
En raison du pourcentage d’eau élevé présent dans le condensat huileux, il est toujours préférable de le traiter sur site. L’eau ainsi traitée peut être évacuée dans les égouts. L’huile séparée est éliminée en même temps que l’huile usagée.
Les séparateurs de liquides légers spécifiés dans la norme
DIN 1999, et les séparateurs centrifuge simples ne permettent pas d’obtenir les valeurs limites prescrites par le législateur.
Les séparateurs huile-eau sont des appareils parfaitement adaptés pour effectuer un traitement conforme à la législation.
106
Elimination du condensat
6.3.1
1 2
Séparateur huile-eau
4 5 6 8 9
Le séparateur huile-eau est parfaitement adapté pour traiter le condensat qui se forme lors de la compression dans les compresseurs à vis refroidis par injection d’huile, ainsi que dans les compresseurs à pistons à 1 et 2 étages.
Le séparateur huile-eau sépare sans difficulté le condensat produit par les compresseurs à pistons et à vis, à condition que l’huile ne forme pas une émulsion.
huile
3 7 10
1 = Entrée du condensat
2 = Chambre de décharge de pression
3 = Réservoir de récupération d’impuretés
4 = Tuyau de trop-plein
5 = Détecteur de niveau
6 = Préfiltre
7 = Filtre par adsorption
8 = Trop-plein d’eau
9 = Trop-plein d’huile réglable en hauteur
10 = Vanne de prélèvement d’échantillons
Figure 6.5:
Schéma fonctionnel d’un séparateur huile-eau
Fonctionnement
Le condensat huileux est amené dans la chambre de décharge de pression du séparateur huile-eau. La surpression qui se forme ne provoque pas de tourbillon dans le réservoir de séparation.
Les impuretés transportées par le condensat s’amassent dans le collecteur d’impuretés enlevable.
En raison de sa faible densité spécifique, l’huile remonte à la surface du réservoir de séparation. Elle est amenée dans le réservoir de récupération d’huile par le biais d’un trop-plein d’huile réglable en hauteur, et est ainsi disponible pour le traitement.
Le condensat pré-nettoyé passe dans un préfiltre qui retient les dernière gouttelettes d’huile. Finalement, un filtre d’adsorption lie les dernières particules d’huile.
Remarque
Tous les systèmes de séparation huile-eau sont des installations de traitement des eaux qui doivent faire l’objet d’une homologation officielle. Le séparateur huile-eau devrait porter le symbole de modèle type afin d’éviter une procédure d’homologation longue et coûteuse. Il suffit alors de l’enregistrer auprès de l’administraion compétente.
Caractéristiques
– Contrôle hebdomadaire du filtre
Un échantillon de condensat est comparé à un liquide de référence. Il est nécessaire de remplacer le filtre lorsque la limite d’opacité admissible est atteinte.
– Pas de séparation des émulsions huile-eau
Ces émulsions stables doivent être soumises à un traitement spécial dans un système de séparation des émulsions.
Figure 6.6 :
Séparateur huile-eau
107
Besoins en air comprimé
7.
Besoins en air comprimé
La première étape de la conception d’une station de compresseurs et du réseau de conduites correspondant consiste
à déterminer la consommation d’air, et par conséquent le débit que devra déliver le compresseur.
La consommation totale est le premier facteur à déterminer pour dimensionner une station de compresseurs. La consommation d’air comprimé des différents consommateurs est additionnée et adaptée aux conditions d’exploitation grâce
à différents multiplicateurs. Le compresseur peut être alors choisi en fonction du débit déterminé.
On procède de la même manière pour dimensionner les conduites. Le type et le nombre de consommateurs raccordés
à un faisceau de conduites est tout d’abord déterminé. La consommation d’air comprimé des différents appareils est additionnée et corrigée grâce aux multiplicateurs correspondants.
La section du réseau de distribution peut être dimensionnée sur la base de ces résultats.
Il faut également tenir compte des pertes de pression lorsque l’on définit la consommation d’air comprimé.
7.1
7.1.1
Consommation d’air comprimé des appareils pneumatiques
Consommation d’air comprimé des buses
Il est souvent difficile de déterminer la consommation d’air totale en raison du manque d’informations disponibles sur certains appareils. Dans ce chapitre, les valeurs relatives à la consommation d’air des différents composants seront fournies
à titre indicatif.
Les informations données sur la consommation d’air comprimé des différents appareils sont des valeurs moyennes. Veuillez considérer les indications de consommation fournies par les constructeurs pour effectuer des calculs exacts.
Les buses présentent diverses formes adaptées à différentes utilisations. Leur consommation n’est donc pas uniforme et dépend de plusieurs facteurs :
– diamètre de la buse
Plus le diamètre de la buse est important, plus la consommation d’air comprimé est élevée.
– pression de travail de la buse
Plus la pression de travail est élevée, plus la consommation d’air comprimé est importante.
– forme de la buse
Une buse présentant un orifice de passage cylindrique simple consomme beaucoup moins qu’une buse conique ou de
Laval (buse d’expansion).
– qualité de surface de l’ouverture d’échappement
Il est possible d’évacuer davantage d’air comprimé lorsque la qualité de surface est très élevée (surface très lisse, sans rayures ni aspérités).
– vaporisation ou soufflage
La consommation d’air comprimé augmente si l’air est utilisé comme moyen de transport (peinture, sable, etc.).
108
Besoins en air comprimé
7.1.1.1
Consommation d’air comprimé des buses cylindriques
Les buses à ouverture cylindrique simples (pistolet à air par exemple) génèrent des tourbillons et des turbulences importantes lorsque l’air comprimé est éjecté. La vitesse d’écoulement de l’air comprimé est ainsi réduite. La consommation d’air comprimé est comparativement faible.
Figure 7.1 :
Pistolet à air
Le tableau suivant fournit des valeurs de référence relatives à la consommation d’air comprimé des buses cylindriques en fonction de la pression de travail et du diamètre de buse :
buses
[mm] 2 3 4
Pression de travail [bar]
5 6 7 8
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
8
25
10
35
60 75
105 145
175 225
230 370
12
45
95
180
280
400
15
55
110
220
325
465
18
65
130
250
380
540
22
75
150
290
430
710
28
85
170
330
480
790
Les consommations d’air indiquées dans le tableau sont exprimées en l/min
.
109
Besoins en air comprimé
7.1.1.2
Consommation d’air comprimé des pistolets à peinture
Figure7.2 :
Pistolet à peinture avec réservoir
La peinture appliquée au moyen d’un pistolet à peinture doit
être régulière et ne pas produire de gouttes. C’est pourquoi les buses des pistolets à peinture sont conçues pour un débit à expansion sans turbulences à vitesse de sortie élevée. La consommation d’air comprimé est par conséquent largement supérieure à celle constatée sur les buses cylindriques.
La consistance et la quantité de peinture à appliquer détermine la pression de travail et le diamètre des buses du pistolet à peinture. Ces deux valeurs influencent dans une large mesure la consommation d’air comprimé.
Les pistolets à peinture sont équipés de différentes buses. Elles peuvent être plates, larges et rondes. Les diverses formes de buses influencent l’application de la peinture. Elles se différencient également au niveau de la consommation d’air comprimé. La forme du jet peut être réglée sur la majorité des pistolets à peinture.
Le tableau suivant fournit des valeurs de référence relatives à la consommation d’air comprimé des pistolets à peinture en fonction de la pression de travail, du diamètre de buse et de la puissance du jet :
buses
[ mm ]
1,5
1,8
2,0
2,5
3,0
0,5
0,8
1,0
1,2
2
100 115
110 130
125 150
140 165
160 180
175 200
185 210
210 230
230 250
3
Pression de travail [ bar ]
Jet plat et large
4 5 6
135
155
175
185
200
220
235
260
290
160
180
200
210
225
250
265
300
330
260
280
295
340
375
185
225
240
250
Les consommations d’air indiquées dans le tableau sont exprimées en l/min ..
7
–
–
–
–
–
–
–
–
–
8
–
–
–
–
–
–
–
–
–
buses
[ mm ]
0,5
0,8
1,0
1,2
1,5
2
75 90
85 100
95 115
110 125
120 140
3
Pression de travail [ bar ]
Jet rond
4 5 6
105
120
135
150
155
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
7
–
–
–
–
–
Les consommations d’air indiquées dans le tableau sont exprimées en l/min ..
8
–
–
–
–
–
110
7.1.1.3
Consommation d’air comprimé des buses de pulvérisation
Besoins en air comprimé
Lors de la vaporisation, le produit à vaporiser doit arriver sur la pièce avec une grande énergie cinétique, c’est-à-dire à grande vitesse. Ceci représente une condition pour obtenir l’effet de travail souhaité.
Les buses sont donc conçues pour résister à des vitesses de sortie de l’air comprimé très élevées. Il en résulte une consommation d’air comprimé comparativement élevée.
Le tableau suivant fournit des valeurs de référence relatives à la consommation d’air comprimé des buses de pulvérisation en fonction de la pression de travail et du diamètre de buse :
buses
[mm] 2 3
Pression de travail [bar
s
]
4 5 6 7 8
3,0
4,0
5,0
6,0
300 380
450 570
470
700
570 700
840 1000
640 840 1050 1270 1500
920 1250 1600 1950 2200
1800 2250 2800 3350 4000
–
–
–
–
–
8,0
10,0
2500 3200 4000 4800 6000 – –
Les consommations d’air indiquées dans le tableau sont exprimées en l/min
.
–
–
–
–
–
111
Besoins en air comprimé
7.1.2
Consommation d’air comprimé des vérins
Les vérins à air comprimé sont surtout utilisés dans le secteur de l’automatisation. Deux types de vérins permettent de déterminer la consommation d’air comprimé :
– les vérins à action simple utilisent uniquement l’air comprimé pour exécuter le déplacement exigé par le cycle de travail.
Le cycle de retour est assuré par une force extérieure ou par un ressort.
– les vérins à action double se servent de l’air comprimé pour exécuter un déplacement dans les deux sens. Une force est exercée pour les deux courses. La consommation d’air comprimé est deux fois plus élevée.
La consommation d’air comprimé q pour les cylindres à air comprimé est calculée au moyen de la formule suivante :
q = d
2
× π
————
4
××××× H ××××× p ××××× a ××××× b
Figure 7.3 :
Système de serrage avec vérin pneumatique q = Consommation d’air comprimé (1 bar abs
et 20°C) [l/min] d = Diamètre du piston [dm]
H = Longueur de la course du piston (course) [dm] p = Pression de service [bar abs
] a = Cycles de travail par minute [1/min] b =
1
: vérins à action simple
2
: vérins à action double d
H
= 100 mm
= 130 mm p = 7 bar abs a = 47 b = 1
^= 1 dm
^^= 1,3 dm
Exemple
Un vérin à action simple dont le piston présente un diamètre de
100 mm doit fonctionner à une pression de service de 7 bar abs
.
La course du piston est de 120 mm, 47 cycles de travail sont exécutés par minute.
1
2
´ p q = ———— ´ 1,3 ´ 7 ´ 47 ´ 1
4 q = ca. 336 l/min
Ce vérin à air comprimé consomme approximativement 336
litres
d’air comprimé par minute.
112
7.1.3
Consommation d’air comprimé des outils
Figure 7.4 :
Tournevis à percussion pneumatique
Appareil
Pression de travail 6 bar
s
Perceuse
Tournevis
Tournevis à percussion
Besoins en air comprimé
Dans l’industrie et l’artisanat, les outils à air comprimé font partie des consommateurs d’air comprimé les plus utilisés. Ils sont présents presque partout en grand nombre.
Ils nécessitent généralement une pression de 6 bar. Selon leur domaine d’emploi et leur puissance, d’autres pressions de travail seront utilisées. Dans ce cas, la consommation d’air comprimé diverge également des valeurs indiquées dans le tableau.
Le tableau suivant fournit des valeurs à titre indicatif relatives
à la consommation d’air comprimé de certains consommateurs.
Elles peuvent diverger des données fournies par les constructeurs, car il s’agit uniquement de valeurs moyennes.
forets jusqu’à 4 mm
∅
4 à 10 mm
∅
10 à 32 mm
∅
Consommation d’air
[l/min.]
200
200
à 450
450 à 1750
M3
M4 à M5
M6 à M8
180
250
420
M10 à M24 200 à 1000
Ponceuse d’angles
Ponceuse à vibrations
Ponceuse à bande
300 à 700
1 /
4
feuille
1 /
3
feuille
1 /
2
feuille
250
300
400
300 à 400
Meuleuse portative
Agrafeuse, machine à agrafer
Pinces de serrage 6 à 8 mm
∅
8 à 20 mm
∅
300 à 1000
1500 à 3000
10 à 60
113
Besoins en air comprimé
Appareil
Pression de travail 6 bar
Cloueur
Scie sauteuse (bois)
Ciseau à plastique et textiles
Cisaille à tôles
Biseauteuse (bois et plastique)
Chanfreineuse (phases des points de soudure)
Machine à décaper la rouille
Dérouilleur à aiguilles
Marteau universel léger
Marteau à river, marteau burineur et marteau à mater
Marteau piqueur et marteau de démolition léger
Marteau piqueur et marteau de démolition lourd
Marteau-bêche
Marteau perforateur
Pilon (fonderies)
Pilon (béton et terre)
Agitateur (intérieur et extérieur)
Consommation d’air
[ l/min ]
50 à 300
300
250 à 350
400 à
250 à
900
400
2500 à 3000
250 à 350
100 à 250
150 à
200 à
380
700
650 à 1500
– 3000
900 à 1500
500 à 3000
400 à 1200
750 à 1100
500 à 2500
114
Besoins en air comprimé
7.2
7.2.1
On
Détermination de la consommation d’air comprimé
Durée de fonctionnement moyenne
Il ne suffit pas d’additionner la consommation d’air comprimé des différents consommateurs d’air pour déterminer les besoins d’un réseau d’air comprimé. Il faut également tenir compte de certains facteurs qui influencent la consommation d’air comprimé.
La majorité des appareils pneumatiques, tels que par exemple les outils, les pistolets à peinture et les pistolets de soufflage, ne sont pas utilisés en continu. Ils sont déclenchés et arrêtés en fonction des besoins. Il est donc important de déterminer la durée de fonctionnement DF moyenne pour obtenir une estimation exacte des besoins en air comprimé.
La formule suivante permet de définir la durée de fonctionnement DF moyenne :
T
u
DF = ——— x 100 %
T
r
DF = durée de fonctionnement moyenne
T
T r u
= Temps d’utilisation
= Temps de référence
[%]
[min.]
[min.]
Exemple
Un tournevis semi-automatique fonctionne environ 25 minutes en une heure.
DF =
DF =
25
——— x 100 %
60
41,6 %
Off
La durée de fonctionnement DF du tournevis est de 41,6 %.
T
E
T
R
= 25
= 60 min.
min.
Figure 7.5
Durée de fonctionnement moyenne
La durée de fonctionnement DF de certains consommateurs d’air courants est indiquée dans le tableau ci-dessous. Les valeurs se basent sur des valeurs empiriques générales et peuvent fortement diverger dans des cas d’utilisation spéciaux.
Consommateur d’air
Perceuse
Ponceuse
Marteau piqueur
Pilon
Machine à mouler
Pistolet de soufflage
Machine à équiper les plaques imprimées
Durée de fonct. moyenne
30 %
40 %
30 %
15 %
20 %
10 %
75 %
115
Besoins en air comprimé
7.2.2
Facteur de simultanéité
Figure 7.6 :
Alimentation de plusieurs consommateurs par un réseau d’air comprimé
Le facteur de simultanéité f est une valeur empirique basée sur l’expérience acquise dans le domaine des appareils pneumatiques qui ne sont pas utilisés simultanément. Le facteur de simultanéité f est un multiplicateur qui permet d’adapter la consommation théorique absorbée par un certain nombre de consommateur aux conditions réelles.
Le tableau ci-dessous fournit des valeurs généralement reconnues pour le facteur de simultanéité f :
Nombre de consommateurs Facteur de simultanéité f
3
4
1
2
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
1,00
0,94
0,89
0,86
0,83
0,80
0,77
0,75
0,73
0,71
0,69
0,68
0,67
0,66
0,64
Le facteur de simultanéité est appliqué aux appareils pneumatiques suivants :
– buses non automatiques décrites au chapitre 7.1.2
– outils pneumatiques non automatiques décrits au
chapitre 7.1.3
– machines-outils, automates de production et machines similaires, lorsqu’aucun autre équipement n’est spécifié.
116
7.2.3
Définition des besoins en air comprimé
Besoins en air comprimé
On sépare les consommateurs en deux groupes pour déterminer l’ensemble de la consommation d’un réseau d’air comprimé :
– consommateurs d’air comprimé automatiques
– consommateurs d’air comprimé généraux
7.2.3.1
Consommateurs d’air comprimé automatiques
Le groupe de consommateurs comprend les vérins pneumatiques automatiques, les machines à fonctionnement continu et les cycles de travail prolongés nécessitant de l’air comprimé. Leur consommation individuelle q doit être considérée dans le calcul des besoins.
Consommateurs d’air comprimé automatiques
Vérin à air comprimé automatique
Machine de chantier
Pression de Quantité travail
[bar s
] Q [unités]
Consom.
individuelle q [l/min.]
6
5
2
1
336
310
Q x q
[l/min.]
672
310
Total T
Q
d’air comprimé exigé par tous les consommateurs automatiques [l/min.]
117
Besoins en air comprimé
7.2.3.2
Consommateurs d’air comprimé généraux
Consommateurs d’air généraux
Pistolet à peinture
∅ 1,5 mm
Pistolet de soufflage
∅ 1,0 mm
Tournevis à percusion M10
Perceuse jusqu’à
∅ 20 mm
Ponceuse d’angles
La plupart des cycles de travail ne durent qu’un certain temps.
Une durée de fonctionnement DF moyenne peut être déterminée pour ces opérations. De plus, ces consommateurs ne sont généralement pas utilisés simultanément.
La durée de fonctionnement DF moyenne et le facteur de simultanéité f sont utilisés pour les consommateurs généraux en tant que multiplicateurs réducteurs lors du calcul.
Pression de Durée de travail fonction.
[bar s
] DF [%]
3
6
6
6
6
40
10
20
30
40
Quantité
Q [unités]
Consom.
individuelle q [l/min.]
Q x q x DU / 100
[l/min.]
1
3
3
1
2
180
65
200
700
500
72
19,5
120
210
400
Total T de la consommation d’air des consommateurs généraux
Facteur de simultanéité f
Consommation d’air T
f
des consommateurs généraux T
f
= f x T
[l/min.]
[l/min.]
ΣΣ
821,5
0,71
583,3
7.2.3.3
Consommation d’air comprimé totale
La consommation totale d’air comprimé théorique T est la somme de la consommation des appareils automatiques et généraux.
T = T
Q
+ T
f
T = 982 + 583,3
T = 1565,3 l/min. = 1,57 m³/min.
La consommation totale d’air comprimé ne peut cependant pas
être considérée pour dimensionner le compresseur et les canalisations. Pour ce faire, il faut également tenir compte de certains facteurs supplémentaires.
118
7.2.4
Suppléments pour pertes et réserves
Suppléments
Pertes
Réserves
Marges d’erreurs
[ % ]
5 à 25
10 à 100
5 à 15
7.2.5
Débit nécessaire D
N
T = 1826 l/min p = 5 r = 10 m = 15
%
%
%
Besoins en air comprimé
Divers facteurs doivent être également pris en compte pour calculer le débit réel nécessité par un compresseur à partir de la consommation totale d’un cer tain nombre de consommateurs.
Pertes p [ % ]
Les pertes p dues aux fuites et au frottement surgissent dans toutes les sections du système d’air comprimé. Sur les systèmes d’air comprimé neufs, 5% du débit total sont mis au compte des pertes. Avec l’âge, les pertes dues aux fuites et au frottement augmentent généralement dans le système d’air comprimé. On peut ainsi constater des pertes atteignant 25% sur les réseaux âgés.
Réserves r [ % ]
Un système d’air comprimé est dimensionné en fonction de la consommation d’air comprimé estimée au moment de l’installation. L’expérience démontre que, la consommation ne cessant d’augmenter, il est conseillé de tenir compte des extensions du réseau à moyen et long terme pour dimensionner le compresseur et la conduite principale. Une extension ultérieure provoquera sinon des frais inutiles. En fonction des perspectives, il faudra prévoir une réserve r de 100%.
Marge d’erreurs m [ % ]
La consommation d’air comprimé estimée n’est pas toujours exacte, malgré un calcul préalable soigneux. Il est rarement possible de déterminer une valeur exacte en raison de conditions marginales généralement obscures. Si l’envergure du système d’air comprimé est insuffisante, il faudra l’agrandir plus tard en engageant des frais (périodes d’arrêt). Il est conseillé de compter avec une marge d’erreur m de 5 à 15%.
Pour calculer le débit nécessaire D
N
, on ajoute 5% pour les pertes, 10% pour les réserves et 15% pour la marge d’erreurs
à la consommation totale déterminée T.
D
N
T x ( 100 + p + r + m )
= ———————————
100
D
N
D
N
1565 x ( 100 + 5 + 10 + 15 )
= —————————————
100
= 2035 l/min. = 2,04 m³/min.
Le débit D
N
nécessaire pour alimenter correctement les consommateurs d’air représente approximativement 2035 l/min.
Cette valeur constitue la base du dimensionnement du compresseur et de la conduite principale.
119
Besoins en air comprimé
7.3
Pertes d’air comprimé
La perte d’air comprimé est l’air consommé dans le réseau de distribution sans qu’aucun travail ne soit exécuté. Dans les cas les plus défavorables, ces pertes peuvent atteindre 25% du débit total du compresseur.
Les origines des pertes sont nombreuses :
– soupapes non étanches
– raccords à vis et à brides non étanches
– soudures et points de soudure non étanches
– tuyaux et raccords de tuyaux défectueux
– électrovannes défectueuses
– évacuateurs à flotteur bloqués
– sécheurs, filtres et équipements de maintenance mal installés
– conduites corrodées
7.3.1
Frais provoqués par les pertes d’air comprimé
Dans un réseau de distribution, les fuites agissent à la manière de buses par lesquelles l’air comprimé s’échappe à grande vitesse. Ces fuites représentent des consommateurs continus, car de l’air comprimé s’échappe 24 heures sur 24. L’énergie nécessaire pour compenser les pertes d’air comprimé est considérable. Les pertes ne provoquent pas de préjudices physiques, mais les frais qui en résultent ont une influence néfaste sur l’efficacité du système pneumatique.
Un exemple permet de démontrer l’importance de ces frais supplémentaires :
75 l/min. = 4,5 m³/h s’échappent d’un réseau délivrant 8 bar par un orifice de 1 mm de diamètre. Le moteur doit délivrer une puissance de 0,6 kW pour générer ce débit. A 0,25 DM par kWh, on obtiendra, selon le rendement du moteur et pour 8000 heures de fonctionnement, des frais supplémentaires de 1350 DM environ par an.
Fuite
∅
d’orifice
[mm] Taille
2
3
4
5
1
1,5
Quantité d’air qui s’échappe à 8 bar s
[l/min.]
75
150
260
600
1100
1700
Pertes
Energie Pécun.
[kW] [DM/A ]
0,6
1,3
2,0
4,4
8,8
13,2
1350
2900
4300
10200
20300
31100
120
Besoins en air comprimé
7.3.2
Détermination du volume de fuite
Le premier pas à effectuer pour minimiser les pertes d’air comprimé est de déterminer le volume de fuite V
F
procédés sont utilisés pour ce faire :
.
Deux
7.3.2.1
Détermination des fuites en vidant le réservoir
La manière la plus simple utilisée pour déterminer le volume de fuite V
F
consiste à vider le réservoir d’air comprimé.
La conduite d’alimentation du réservoir d’air comprimé est fermée. Tous les consommateurs d’air comprimé reliés au réseau doivent être arrêtés. La pression du réservoir p
D
en raison de la fuite à la pression p
F
baisse
. La période t est mesurée.
La formule suivante permet de calculer approximativement le volume de fuite V
F
:
V
R p
D p
F
= 1000
= 8
= 7 t = 2 l bar bar min.
V
R
p p
D
F
V
F
V
F
V
R
x ( p t
D
- p
F
)
= ———————
V
F
= Volume de fuite [l/min.]
V
R
= Volume du réservoir [l] p
D p
F
=
=
Pression de départ du réservoir [bar
Pression finale du réservoir t = Période mesurée
[bar s s
]
]
[min.]
Exemple
Un réservoir d’air comprimé installé dans un important système de conduites possède un volume 1000 l. La pression du réservoir descend de 8 à 7 bar s en 2 minutes.
V
F
=
V
F
=
1000 x ( 8 - 7 )
———————
2
500 l/min
Le volume de fuite du système d’air comprimé représente environ
500 l/min
.
Remarque
Cette méthode ne peut être employée que pour les systèmes d’air comprimé dans lesquels le volume du réseau de conduites n’excède par 10% de celui du réservoir. La mesure est sinon trop imprécise.
121
Besoins en air comprimé
7.3.2.2
Détermination des fuites par mesure de la durée de fonctionnement
[Temps]
La deuxième méthode permettant de déterminer le volume de fuite V
F
consiste à mesurer la durée de fonctionnement du compresseur. Cette méthode ne peut être employée que sur les compresseurs qui fonctionnent de manière intermittente ou en marche à vide.
Tous les consommateurs branchés sur le réseau sont arrêtés.
La fuite provoque une consommation d’air comprimé et la pression baisse. Le compresseur doit compenser ce volume de fuite.
Une période de fonctionnement totale
ΣΣ t du compresseur est mesurée sur une période T. Pour obtenir un résultat réaliste, la période de mesure T doit comprendre au moins 5 démarrages du compresseur.
La formule suivante permet de déterminer approximativement le volume de fuite V
F
:
V
F
D
××××× Σ
= ———————
T
[Temps]
m³/min x s x 1000 l l/min = —————————— s x m³
D = 1,65 m³/min
Σ t = 30 s
T = 180 s
V
F
= Volume de fuite
D = Débit du compresseur
[l/min.]
[m³/min.]
Σ t = Durée de fonct. totale du compresseur [s]
Σ t = t
1
+ t
2
+ t
3
+ t
4
+ t
5
T = Durée de la mesure [s]
Exemple
Un compresseur délivrant un débit réel D de 1,65 m³/min.
déclenche cinq démarrages pendant une durée
T
= 180 secondes. La durée de fonctionnement totale
ΣΣ t est de 30 secondes au cours de la durée de mesure T .
V
F
V
F
1,65 ´ 30 ´ 1000
= ———–————
180
= 275 l/min
Le volume de fuite du système d’air comprimé est de 275 l/min.
environ
.
122
7.3.3
Limite des volumes de fuites
Besoins en air comprimé
Les pertes d’air comprimé sont malheureusement inévitables dans la majorité des systèmes pneumatiques. Les frais supplémentaires dus aux fuites réduisent grandement l’efficacité du système d’air comprimé. Les mesures qu’il est possible d’adopter pour limiter ces pertes provoquent également des frais. Ces coûts dépasseront cependant un jour les économies réalisées sur le plan de la réduction des pertes d’air comprimé.
L’objectif sera donc de stabiliser les pertes d’air comprimé à un niveau acceptable.
On en déduit les volumes de fuites acceptables sur le plan
économique suivants :
– max. 5 % sur les petits réseaux
– max. 7 % sur les réseaux moyens
– max. 10 % sur les gros réseaux
– max. 13 - 15 % sur les très gros réseaux par ex. fonderies, aciéries, chantiers navals, etc.
7.3.4
Mesures à prendre pour limiter les pertes d’air comprimé
Il doit être demandé aux employés de signaler les fuites et les dommages constatés sur le réseau auprès des services responsables. Ces dommages doivent être réparés immédiatement. Une remise en état du réseau d’air comprimé sera généralement inutile s’il est entretenu régulièrement. Les pertes d’air comprimé resteront dans un cadre acceptable.
Fuites
Il est généralement relativement facile de repérer les fuites.
L’air qui s’échappe devient audible dès que la fuite prend certaines dimensions.
Il est difficile de trouver les petites et très petites fuites. Il n’est généralement pas possible de les localiser à l’oreille. Dans ce cas, un produit de test de l’étanchéité ou de l’eau savonneuse sont appliqué sur les raccords, les dérivations, les vannes, etc. Des bulles se forment aussitôt aux endroits qui ne sont pas étanches.
123
Besoins en air comprimé
7.3.5
Remise en état d’un réseau d’air comprimé
Si les fuites qui sévissent dans un réseau d’air comprimé dépassent excessivement les valeurs spécifées dans le
chapitre 7.3.3
, il faut envisager de remettre le réseau en état.
Il est nécessaire d’adopter les mesures énumérées ci-dessous pour limiter les pertes d’air comprimé lorsque le réseau est remis en état.
– Serrer et refaire l’étanchéité des raccords non étanches.
– Remplacer les soupapes et les coulisseaux non
étanches.
– Remplacer les tuyaux et les raccords de tuyaux non
étanches.
– Souder les points de fuites sur les conduites.
– Moderniser les évacuateurs de condensat.
Remplacer les évacuateurs à flotteur mécaniques et les
électrovannes commandées par minuterie par des
évacuateurs de condensat à réglage de niveau.
– Moderniser le traitement de l’air comprimé.
Libérer l’air comprimé des impuretés nuisibles telles que l’eau, l’huile et la poussière.
– Vérifier les électrovannes.
Installer si possible des vannes à fermeture normale.
– Purger ou remplacer les conduites âgées.
Le diamètre intérieur des tuyaux anciens est souvent réduit en raison des dépôts, provoquant une chute de pression.
– Vérifier les accouplements et les raccords de tuyaux.
Les réductions de section provoquent des chutes de pression.
– Réduction intermittente du réseau.
Isoler les sections inutilisées des gros réseaux au moyen de robinets-vannes.
124
Détermination de la taille de la station de compresseurs
8.
8.1
Détermination de la taille de la station de compresseurs
Le type de compresseur
Lorsque l’on installe une station de compresseurs, la première décision à prendre consiste à choisir le type de compresseur.
Les compresseurs à vis ou à pistons représentent le bon choix dans la majorité des domaines d’applications.
8.1.1
Compresseurs à vis
Figure 8.1
Compresseur à vis BOGE, série S
8.1.2
Compresseurs à pistons
Les compresseurs à vis sont particulièrement conseillés dans certains domaines d’applications.
– Longue durée de fonctionnement DF
Les compresseurs à vis sont particulièrement indiqués lorsque l’on est en présence d’une consommation d’air continue sans charges de pointe importantes (DF = 100 %).
Ils sont particulièrement appropriés en tant qu’équipement de charge de base dans des systèmes de compresseurs.
– Débits élevés
Le compresseur à vis est la variante la plus économique lorsque des débits importants sont demandés.
– Débit exempt de pulsations
La compression régulière des compresseurs à vis permet de les utiliser pour alimenter des consommateurs sensibles.
– Les compresseurs à vis fonctionnent économiquement à des pression de compression finale de 5 à 14 bar.
Les étages de pressions maximales p pour les
max
compresseurs à vis sont généralement de 8, 10 et 13 bar.
Les compresseurs à pistons ont également leurs domaines d’applications spéciaux. Ils complètent parfaitement ceux des compresseurs à vis.
– Besoins intermittents
Les compresseurs à pistons sont appropriés pour une consommation d’air comprimé fluctuante et présentant des pics de charge. Ils peuvent être utilisés en tant qu’équipement de charge de pointe dans un système de compresseurs.
Les compresseurs à pistons représentent le bon choix lorsque les charges varient fréquemment.
– Faibles débits
Les compresseurs à pistons fonctionnent plus
économiquement que les compresseurs à vis lorsque de faibles débits sont nécessités.
– Les compresseurs à pistons peuvent compresser à des pression finales élevées.
Les étages de pressions maximales p
max
des compresseurs
à pistons sont généralement de 8, 10, 15, 30 et 35 bar.
Figure 8.2 :
Compresseur à piston BOGE sur cuve horizontale
125
Détermination de la taille de la station de compresseurs
8.2
8.2.1
Pression maximale p
Facteurs influençant la pression d’arrêt p
max
P
R
max
P
RT
Pression
Figure 8.3 :
Comportement de la pression dans le réservoir d’air comprimé
Lorsque l’on a déterminé la taille d’un compresseur équipé d’un réservoir d’air et d’un dispositif de traitement de l’air comprimé, l’étape suivante consiste à définir la pression maximale p
max
.
La conception (p
max
- p
min
)
de la commande du compresseur, la pression de travail maximale des consommateurs d’air comprimé et la somme des pertes de pression dans le réseau sont les éléments de base permettant de calculer la pression maximale (pression d’arrêt p
max
).
La pression du réservoir, qui oscille entre p
min
et p
max
, doit toujours être plus élevée que la pression de travail des consommateurs. Des pertes de pression interviennent toujours dans un système d’air comprimé. Il faut donc tenir compte des pertes de pression causées par les différents composants du système.
On considèrera les valeurs suivantes pour déterminer la pression d’arrêt p
max
:
– Réseaux d’air comprimé normaux
≤≤≤≤≤ 0,1 bar
Le réseau d’air comprimé devrait être conçu de manière à ce que la somme des pertes de pression
∆ du réseau de conduites n’excède pas 0,1.
– Grands réseaux d’air comprimé
≤≤≤≤≤ 0,5 bar
Dans le cas des réseaux d’air comprimé largement ramifiés, dans les mines, les carrières ou les grands chantiers par exemple, une chute de pression
∆ admissible.
– Traitement de l’air par un sécheur
Sécheur d’air comprimé à diaphragme avec filtre
≤≤≤≤≤ 0,6 bar
Sécheur d’air comprimé par réfrigération
≤≤≤≤≤ 0,2 bar
Sécheur d’air comprimé par adsorption avec filtre
≤≤≤≤≤ 0,8 bar
– Traitement de l’air comprimé par filtre et séparateur.
Séparateur centrifuge
≤≤≤≤≤ 0,05 bar
Filtre en général
≤≤≤≤≤ 0,6 bar
La chute de pression
∆p due au filtre augmente en cours d’utilisation en raison de l’encrassement. La limite de remplacement du filtre est indiquée.
– Conception du compresseur
Compresseurs à vis
Compresseurs à pistons
0,5 - 1 bar p
max
- 20 %
– Réserves
Il se produit toujours des pertes de pression imprévisibles dans le système d’air comprimé en cours de service. Il est par conséquent conseillé de planifier des réserves de pression suffisantes afin d’éviter les pertes de rendement.
126
Détermination de la taille de la station de compresseurs
8.3
Détermination du volume d’un réservoir d’air comprimé
Les réservoirs d’air comprimé sont utilisés pour stocker l’air comprimé, amortir les pulsations et évacuer le condensat qui se forme dans le système d’air comprimé. Le réservoir d’air comprimé doit être correctement dimensionné afin de remplir parfaitement sa fonction de stockage de l’air comprimé.
8.3.1
Conseils relatifs au volume des réservoirs d’air comprimé
8.3.2
Série normalisée et pressions de service pour différentes tailles de réservoirs d’air comprimé
Figure 8.4 :
Réservoir d’air comprimé vertical
Le volume du réservoir d’air comprimé V
R
est déterminé en premier lieu grâce à des valeurs déterminées en pratique. BOGE conseille les rapports suivants entre le débit du compresseur
D [l/min.]
et le volume du réservoir V
R
[l]
:
– Compresseurs à pistons
V
R
= D
Un fonctionnement intermittent sera préféré en raison des propriétés du compresseur.
– Compresseurs à vis
V
R
=
D
/
3
Un fonctionnement régulier sera préféré en raison des propriétés du compresseur.
Lorsque le volume du réservoir d’air comprimé a été déterminé, il faut définir, sur les compresseurs à pistons, la conception du compresseur, qui résulte de la durée de fonctionnement du compresseur et des périodes d’arrêt. On obtient ainsi le nombre de démarrages du moteur du compresseur.
Les réservoirs d’air comprimé sont répartis en différentes classes de volumes. Il est conseillé de toujours choisir un réservoir normalisé afin d’éviter les coûts inutiles d’un modèle fabriqué sur mesure.
Pour des raisons de sécurité, la pression maximale du réservoir doit toujours être au moins supérieure de 1 bar à la compression maximale du compresseur. Un compresseur développant 10 bar sera par exemple équipé d’un réservoir d’air comprimé supportant
11 bar.
Le tableau ci-dessous indique les tailles de réservoirs d’air comprimé disponibles pour les différentes pressions de service.
Vol. du réservoir
750
1000
1500
2000
3000
5000
18
30
50
80
150
250
350
500
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Pression de service jusqu’à d’air comprimé [l] 11 [bar] 16 [bar]
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
36 [bar]
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
127
Détermination de la taille de la station de compresseurs
8.3.3
Volume du réservoir d’air comprimé d’un compresseur
Le volume de stockage optimal du réservoir d’air comprimé d’un compresseur peut être défini de manière très précise au moyen d’une formule.
La formule est idéale lorsque de longues périodes d’arrêt sont planifiées en mode intermittent. Le volume du réseau d’air comprimé peut être partiellement incorporé dans le volume du réservoir.
V
R
D
××××× 60 ××××× [
DN
/
D
- (
DN
/
D
)² ]
= ——————————
DC
×
max
- p
min
)
D
V
R
Figure 8.5 :
Compresseur et réservoir d’air comprimé
D
N
V
R
= Volume du réservoir d’air comprimé
D = Débit du compresseur
[m³]
[m³/min.]
D
N
= Débit nécessité
DC = Démarrages moteur admissibles/ h
(voir le chapitre 8.4.3)
[m³/min.]
[1/h] p max
= Pression d’arrêt du compresseur [bar s
] p min.
= Pres. de déclenchement du compr.
[bar s
]
Après avoir considéré tous les facteurs présentant une influence, il est conseillé de vérifier la taille du réservoir déterminée en fonction du nombre de démarrages du moteur du compresseur.
Il est évident qu’un compresseur démarrera et s’arrêtera plus souvent si le volume du réservoir V
R
est faible. Le moteur est davantage sollicité. Au contraire, si le volume du réservoir V
R
est important et le débit reste constant, le moteur du compresseur démarrera moins souvent. Il sera ménagé.
Une formule simple permet de déterminer le volume du réservoir d’air comprimé
Compresseur à piston
V
R
D
××××× 15
= —-—-—-
DC
×
Compresseur à vis
V
R
D
××××× 5
= —-—-—-
DC
×
15 ou 5
V
R
= Volume du réservoir d’air comprimé
D = Débit du compresseur
[m³]
[m³/min.]
= Facteur constant
DC = Démarrages moteur admissibles/ h
(voir le chapitre 8.4.3)
∆p = Différence de pression ON/OFF
[1/h]
128
Détermination de la taille de la station de compresseurs
8.4
Fréquence de démarrage du compresseur
8.4.1
Durée d’arrêt du compresseur
8.4.2
Durée de fonctionnement du compresseur
La fréquence de démarrage moteur est une valeur importante dans un système d’air comprimé. Elle est déterminée pour vérifier si le réservoir d’air comprimé a été bien dimensionné du point de vue du débit et de la consommation d’air. Pour ce faire, on calcule la durée de fonctionnement du compresseur t
D
période d’arrêt t
A
somme de ces deux valeurs.
et sa
, la fréquence de démarrage résulte de la
Lors de la période d’arrêt t
A
du compresseur, les besoins en air comprimé sont couverts par le volume d’air contenu dans le réservoir d’air comprimé. La pression baisse dans le réservoir d’air comprimé, de la pression d’arrêt p
max
déclenchement p
à la pression de
min
. Le compresseur ne délivre pas d’air comprimé pendant cette période.
La formule suivante permet de calculer la période d’arrêt t
S
compresseur :
du
t
A
=
V
R
××××× ( p
max
- p
———————
D
N
)
t
A
V
R
D
N
= Période d’arrêt du compresseur
= Volume du réservoir d’air comprimé
= Débit nécessité
[min.]
[l]
[l/min.] p max p min
= Pression d’arrêt du compresseur [bar s
]
= Pres. de déclenchement du compr.
[bar s
]
La chute de pression dans le réservoir d’air comprimé est compensée dès que le compresseur se met en route.
Simultanément, les besoins en air comprimé courants sont couverts. Le débit D est plus élevé que la consommation d’air comprimé D
N
. La pression remonte à p
max
dans le réservoir d’air comprimé.
La formule suivante est utilisée pour calculer la durée de fonctionnement t
D
du compresseur :
t
D
=
V
R
××××× ( p
max
- p
————–———
)
( D - D
N
)
t
D
= Durée de fonct. du compresseur
V
R
D
N
= Volume du réservoir d’air comprimé
= Débit nécessité
D = Débit du compresseur
[min.]
[l]
[l/min.]
[l/min.] p max p min
= Pression d’arrêt du compresseur [bar s
]
= Pres. de déclenchement du compr.
[bar s
]
129
Détermination de la taille de la station de compresseurs
8.4.3
Détermination du nombre de démarrages du moteur
Le nombre maximum de démarrages moteur dépend de la puissance du moteur d’entraînement, qui subira des dommages si le nombre maximum de démarrages est excédé.
Pour calculer le nombre de démarrages DC du compresseur, la durée de fonctionnent t
D
du compresseur et sa durée d’arrêt t
A
sont additionnées, la durée de référence (60 minutes généralement) est ensuite divisée par le résultat.
Si le résultat obtenu excède le nombre de démarrages admissibles DC, il faut prévoir un réservoir d’air comprimé de plus grandes dimensions.
Une deuxième possibilité consiste à élargir la plage de pression
(p
max
- p
min
)
.
60
DC = ———— t
S
+ t
L
t
D t
A
DC = Démarrages [1/h]
= Durée de fonctionnement du compr.
[min.]
= Durée d’arrêt du compresseur [min.]
Le tableau ci-dessous indique le nombre de démarrages moteurs admissibles applicables à un moteur électrique sur une durée d’une heure et en fonction de la puissance du moteur.
Puissance du moteur
[kW]
4 à 7,5
11 à 22
30 à 55
65 à 90
110 à 160
200 à 250
Démarrages moteur admis./h z
[1/h]
30
25
20
15
10
5
130
Détermination de la taille de la station de compresseurs
8.5
8.5.1
Exemples de configurations de compresseurs
Exemples de calcul pour compresseurs à pistons
Au chapitre 7.2.5, un débit nécessité de D
N
= 2035 l/min.
a été déterminé pour toute une série de consommateurs. La pression de travail maximale nécessitée s’élève à 6 bar s
dans cet exemple. Un compresseur à piston est dimensionné pour ce cas d’application.
8.5.1.1
Calcul de la pression maximale p
max
La pression maximale p
max
du système d’air comprimé doit être calculée. En partant de la pression de travail de tous les consommateurs, il faut tenir compte de tous les composants présents dans le système d’air comprimé :
– Pression de travail maximale dans le système
– Réseau d’air comprimé Pertes de pression
– Filtre Pertes de pression
– Sécheur par réfrigération Pertes de pression
Pression minimale dans le réservoir
6 bar
0,6 bar s
0,1 bar
0,2 bar
————
6,9 bar
s
La pression de déclenchement p
min
supérieure à cette pression.
doit toujours être
Figure 8.6 :
Station de compresseurs comprenant un compresseur à piston, un réservoir d’air comprimé, un sécheur d’air comprimé par réfrigération et un filtre
– Plage de pression du compresseur à piston
La pression d’arrêt p
max
est au moins de env. 2 bar
–––––––
8,9 bar
s
Pression maximale du compresseur
(pression d’arrêt du compresseur)
10 bar
s
131
Détermination de la taille de la station de compresseurs
8.5.1.2
Détermination de la taille du compresseur
Les compresseurs à pistons sont conçus de manière à disposer de réserves de l’ordre de 40% environ. Ces réserves sont prévues pour faire face à d’éventuelles extensions de service et utiliser le compresseur en mode intermittent. Le mode intermittent cause une usure moindre.
La durée de fonctionnement DF d’un compresseur à piston est de 60%. Les compresseurs à pistons BOGE sont conçus pour une DF de 100% = marche continue. Pour calculer la taille du compresseur, il faudra par conséquent diviser le débit nécessité
D
N
par 0,6 afin d’obtenir le débit minimum D
min
délivré par le compresseur à piston.
Figure 8.7 :
Compresseur à piston BOGE, type RM 3650-213
D
min
= D
N
/ 0,6
D
min
= 2035 / 0,6
D
min
= 3392 l/min
Le choix effectué est le suivant :
Compresseur à piston de type RM 4150-213
Pression maximale p
Débit D
max
:
: 10 bar
3350 l/min.
Puissance du moteur : 30 kW
⇒ z = 20
8.5.1.3
Volume du réservoir d’air comprimé
Le volume du réservoir d’air comprimé doit être déterminé conformément aux recommandations de BOGE, débit du compresseur D = volume du réservoir d’air comprimé V
R
. Il faut
également tenir compte des différentes tailles de réservoirs d’air comprimé standard.
D = 3350 l/min.
⇒
V
R
= 3000 l
132
Détermination de la taille de la station de compresseurs
8.5.1.4
Conception du compresseur
V
R p max p min
D
N
=
=
=
=
3000 l
10
8 bar s bar s
2035 l/min.
V
R p max p min
D
D
N
=
=
=
=
=
3000 l
10
8 bar s bar s
3650 l/min.
2035 l/min.
Lorsque le volume du réservoir d’air comprimé a été défini, il est nécessaire de déterminer les périodes de fonctionnement et les périodes d’arrêt afin de vérifier le nombre de démarrages moteur DC.
La formule suivante permet de calculer les périodes d’arrêt t
A
du compresseur :
t t t
A
A
A
=
V
××××× ( p
- p
———––———
)
D
N
3000
××××× ( 10 - 8 )
= ————————
2035
= 2,95 min.
t
A
V
R
= Durée d’arrêt du compresseur
= Volume du réservoir d’air comprimé
[min.]
[l]
D
N p max p min
= Débit nécessité
= Pression d’arrêt du compresseur
[l/min.]
[bar s
]
= Pres. de déclenchement du compr.
[bar s
]
La formule suivante permet de calculer la durée de fonctionnement t
D
:
t t
D
D
=
V
R
××××× ( p
max
- p
————–———
)
( D - D
N
)
3000
××××× ( 10 - 8 )
= —————–———
( 3350 - 2035 ) t
D
= 4,56 min.
t
D
= Durée de fonctionnement du compr.
V
R
D
N
= Volume du réservoir d’air comprimé
= Débit nécessité
D = Débit du compresseur
[min.]
[l]
[l/min.]
[l/min.] p max p min
= Pression d’arrêt du compresseur [bar s
]
= Pres. de déclenchement du compr.
[bar s
]
133
Détermination de la taille de la station de compresseurs
8.5.1.5
Démarrages du moteur du compresseur
Le nombre de démarrages du moteur est calculé à partir de la durée de fonctionnement du compresseur et de sa durée d’arrêt, et comparé au nombre de démarrages admissibles.
t
A t
D
=
=
2,95 min
4,56 min
Puissance moteur 22 kW
⇒ z = 25
DC =
60
———— t
S
+ t
L
60
DC = ———–——
2,95 + 4,56
DC = 8
t
D t
A
DC = Démarrages moteur [1/h]
= Durée de fonctionnement du compr.
[min.]
= Durée d’arrêt du compresseur [min.]
8 démarrages du moteur par heure restent largement en dessous de la valeur admissible pour un moteur de 30 kW
( DC = 20). La taille du réservoir d’air comprimé a été bien choisie.
Ses dimensions pourraient même être réduites en raison des grandes réserves de démarrages moteur.
Remarque
Si la consommation d’air comprimé n’est pas définie de manière exacte, on peut considérer, lors du calcul du nombre de démarrages moteur, que la consommation représente 50% du débit du compresseur. Dans ce cas, les périodes de fonctionnement et d’arrêt du compresseur sont identiques. Il en résulte un nombre maximum de démarrages moteur.
134
Détermination de la taille de la station de compresseurs
8.5.2
8.5.2.1
Exemples de calcul pour
compresseurs à vis
Exemple de calcul de la pression maximale p
max
Figure 8.8 :
Station de compresseurs comprenant un compresseur à vis, un sécheur d’air comprimé par réfrigération, un réservoir d’air comprimé et un filtre
Dans le chapitre 7.2.5, le débit nécessité D
N
= 2,04 m³/min. a
été calculé pour un certain nombre de consommateurs. La pression de travail maximale nécessitée s’élève dans cet exemple à 6 bar s
. Un compresseur à vis est dimensionné pour ce cas d’application.
La pression maximale du compresseur p
max
du système d’air comprimé doit être calculée. Partant de la pression de travail des consommateurs, il faudra tenir compte de tous les consommateurs raccordés au système d’air comprimé :
– Pression de travail maximale dans le système
– Réseau d’air comprimé
6 bar s
Perte de pression 0,1 bar
– Filtre Perte de pression 0,6 bar
– Sécheur d’air par réfrigération Perte de pression 0,2 bar
————
Pression minimale dans le réservoir
La pression de déclenchement p
min
être supérieure à cette pression.
doit toujours
– Plage de pression du compresseur à vis
6,9 bar
s
La pression d’arrêt p
max
est au moins
Pression maximale du compresseur
(pression d’arrêt du compresseur)
1 bar
–––––––
7,9 bar
s
8 bar
s
8.5.2.2
Détermination de la taille du compresseur
Figure 8.9 :
Compresseur à vis BOGE
La durée de fonctionnement optimale DF d’un compresseur à vis est de 100%. C’est-à-dire que le débit nécessité D
N
est
égal au débit minimum D
min
du compresseur..
D
N
= 2,04 m³/min. = D
min
= 2 m³/min. env.
On choisira :
Compresseur à vis de type S 21
Pression max. p
Débit
max
D
:
Puissance moteur :
: 8 bar
2,42 m³/min.
15 kW
⇒ z = 25
135
Détermination de la taille de la station de compresseurs
8.5.2.3
Dimensionnement du réservoir d’air comprimé
D = 2,42 m³/min
D
N
= 2,04
DN
/
D
= 0,843 m³/min
DC = 25 1/h p max
= 9 p min
= 8 bar s bar s
Le volume du réservoir d’air comprimé est calculé au moyen de la formule suivante pour les compresseurs à vis. Il faut tenir compte des différentes tailles de réservoirs d’air comprimé standard lors du choix.
V
R
D
××××× 60 ××××× [
DC
×
DN
/
D max
- (
- p
DN min
/
D
)² ]
= ——————————
)
V
R
=
2,42
××××× 60 ××××× [ 0,843 - 0,843² ]
——————————————
25
×
V
R
= 0,77 m³
Volume du réservoir d’air compr. choisi:
V
R
= 0,75 m³ = 750 l
D
V
R
D
N
V
B
= Volume du réservoir d’air comprimé [m³]
D = Débit de tous les compresseurs [m³/min.]
D
N
= Débit nécessité
DC = Démarrages moteur admissibles
[m³/min.]
[1/h] p max
= Pression d’arrêt du compresseur [bar s
] p min
= Pres. de déclenchement du compr.
[bar s
] Figure 8.10 :
Compresseur et réservoir d’air comprimé
8.5.2.4
Fréquence de démarrages du compresseur
Le volume du réservoir d’air comprimé peut être également déterminé conformément aux recommandations BOGE : débit du compresseur par rapport au volume du réservoir d’air comprimé V
R
= D/3
.
D = 2,46 m³/min.
⇒
V
R
= 0,82 m³
Il est inutile de contrôler la fréquence de démarrages et le nombre de démarrages moteur max. admissibles sur les compresseurs à vis BOGE, car le microcontrôleur qui équipe la commande ARS de BOGE interdit tout dépassement du nombre de démarrages moteurs admissibles.
136
Détermination de la taille de la station de compresseurs
8.5.3
Résumé des critères de choix d’un compresseur
Si une entreprise attend une consommation fluctuante et planifie un agrandissement ultérieur, il faudra prévoir un compresseur qui puisse fonctionner en régime intermittent. Un compresseur
à piston est tout indiqué dans ce cas. Si le compresseur doit couvrir des besoins en air comprimé constants, il sera par contre conseillé d’utiliser un compresseur à vis.
Ces deux types de compresseurs sont disponibles en version entièrement insonorisée, prêts à être branchés.
Le choix du système approprié ne devrait pas être lié à des questions financières, car le prix d’achat est rapidement amorti lorsque des frais d’exploitation courants sont économisés. Les frais d’exploitation courants ne sont pas seulement les frais
énergétiques nécessaires pour générer l’air comprimé, mais aussi les frais de marche à vide.
Les compresseurs à pistons fonctionnent en mode intermittent.
Ils ne possèdent pas de ralenti. Les compresseurs à vis, de par leur conception réduite et leur réservoir d’air comprimé de dimensions relativement faibles, doivent passer automatiquement au ralenti afin d’éviter de nombreux démarrages du moteur.
La commande ARS favorise toujours le mode intermittent et des périodes de marche à vide réduites au minimum.
137
Détermination de la taille de la station de compresseurs
8.6
8.6.1
Remarques relatives à la configuration du compresseur
Rendement et pression de travail
Il est conseillé de toujours respecter la pression de travail des consommateurs d’air comprimé. Le rendement de ces derniers diminue de manière disproportionnée lorsque la pression du réseau p
R
descend au dessous de la pression de travail.
Dans le tableau ci-dessous, l’exemple d’un outil pneumatique et d’un marteau perforateur conventionnels montre que la pression de travail dépend du rendement :
Figure 8.11 :
Tournevis à percussion à entraînement pneumatique
Figure 8.12 :
Marteau piqueur sans vanne
Figure 8.13 :
Système de serrage pneumatique
Pression réelle
[bar] au raccord
7
6
5
4
Rendement relatif
[%]
Outil Marteau
Consom. d’air comprimé relative
[%]
Outil Marteau
120
100
77
55
130
100
77
53
115
100
83
64
120
100
77
56
Exemple
Un vérin pneumatique illustre bien les conséquences résultant d’une pression réseau trop faible.
La pression de travail nécessaire n’est plus appliquée sur le vérin pneumatique d’un système de serrage. La force de serrage du vérin diminue et la pièce n’est plus maintenue avec suffisamment de force.
En cours d’usinage sur la machine outil, la pièce se détache du système de serrage. Il en résulte une destruction de la pièce qui risque même de blesser l’opérateur.
138
Détermination de la taille de la station de compresseurs
8.6.2
Pression de travail variable des consommateurs
8.6.3
Systèmes composés de plusieurs compresseurs
Figure 8.14 :
Schéma d’un système composé de plusieurs compresseurs
Lorsque la pression de travail des différents consommateurs presente de fortes variations, il est nécessaire d’en rechercher la cause.
Certains consommateurs exigeant peu d’air comprimé nécessitent une pression de travail beaucoup plus élevée que d’autres.
Dans ce cas, il est conseillé d’installer une deuxième station de compresseurs, de moindres dimensions, possédant son propre réseau d’air comprimé et une pression d’arrêt p
max
élevée.
plus
La surcompression inutile du volume débité principal du système d’air comprimé provoque des frais très élevés. Ces coûts supplémentaires justifient généralement l’installation d’un deuxième réseau d’air comprimé. Le réseau séparé est généralement amorti rapidement grâce à la réduction des frais d’exploitation.
L’installation d’un compresseur de grandes dimensions est avantageuse lorsque la consommation d’air comprimé est élevée et sujette à d’importantes variations. Un système composé de plusieurs compresseurs représente une alternative. Une grande sécurité d’exploitation et un rendement élevé parlent en sa faveur.
Un ou plusieurs compresseurs couvrent les besoins de base continus en air comprimé (charge de base). Si les besoins augmentent, d’autres compresseurs se déclenchent à leur tour
(charge moyenne et charge de pointe) jusqu’à ce que le débit couvre à nouveau les besoins. Lorsque ces derniers diminuent, les compresseurs sont arrêtés les uns après les autres.
Les configurations de compresseurs (débit) formant un système de compresseurs sont si variées qu’il est est impossible de formuler des conseils généraux. La configuration choisie dépend du comportement de pression de tous les consommateurs raccordés au réseau.
Avantages
– Sécurité de fonctionnement
Les entreprises largement dépendantes de l’air comprimé sont en mesure d’assurer leur consommation à tout moment grâce à un système de compresseurs. Si un compresseur tombe en panne, ou s’il est nécessaire d’effectuer des travaux de maintenance, les autres compresseurs se chargent d’assurer l’alimentation.
– Economie
Plusieurs petits compresseurs parviennent mieux à adapter la consommation d’air comprimé qu’un seul gros compresseur. Les économies réalisées sont substantielles.
En mode intermittent, les frais de marche à vide importants d’un gros compresseur sont remplacés par les faibles coûts du compresseur de service du système.
139
Le réseau d’air comprimé
9.
9.1
Le réseau d’air comprimé
Le réservoir d’air comprimé
9.1.1
Stockage de l’air comprimé
Figure 9.1 :
Réservoir d’air comprimé horizontal
La taille des réservoirs d’air comprimé est déterminée par le débit du compresseur, le système de régulation et la consommation d’air comprimé. Les réservoirs d’air comprimé remplissent différentes fonctions au sein du réseau d’air comprimé.
Le compresseur accumule un volume de stockage dans le réservoir. La consommation d’air comprimé peut être partiellement couverte grâce à ce volume. Le compresseur ne délivre pas d’air comprimé pendant ce temps. Il reste en disponibilité sans consommer de courant. De plus, les différents prélèvements d’air comprimé dans le réseau sont compensés et les consommations de pointe sont assurées. Le moteur se met plus rarement en route, son usure étant ainsi réduite.
Plusieurs réservoirs d’air comprimé seront éventuellement nécessaires pour accumuler un volume de stockage suffisant.
Les très gros réseaux d’air comprimé disposent généralement d’un volume de stockage suffisant. Dans ce cas, il est possible de choisir des réservoirs d’air comprimé de moindres dimensions.
9.1.2
Amortissement des pulsations
Le débit pulsant généré par les compresseurs à pistons est dû
à leur mode de fonctionnement spécial. Ces variations de pression ont une influence négative sur le fonctionnement des différents consommateurs. Les équipements de régulation et les dispositifs de mesure en particulier réagissent à un débit pulsant en entraînant des dysfonctionnements. Le réservoir d’air comprimé est utilisé pour compenser ces fluctuations de pression.
Ce phénomène est moins fréquent sur les compresseurs à vis car ils génèrent un débit presque régulier.
140
Le réseau d’air comprimé
9.1.3
Evacuation du condensat
Figure 9.2 :
Réservoir d’air comprimé vertical
9.1.4
Exploitation des réservoirs d’air comprimé
9.1.5
Installation des réservoirs d’air comprimé
La compression provoque la transformation de l’humidité contenue dans l’air sous forme de gouttes d’eau (condensat).
Cette eau est généralement transportée par le volume débité dans le réservoir d’air comprimé. L’air comprimé y est stocké.
La chaleur, transmise à l’environnement plus froid via la grande surface du réservoir d’air comprimé
,
permet à l’air comprimé de refroidir. La plus grande partie du condensat s’amasse sur les parois du réservoir. Le condensat est récupéré au fond du réservoir et évacué grâce aux évacuateurs de condensat appropriés.
Les réservoirs d’air comprimé vidés sporadiquement peuvent rouiller sous l’action du condensat. Il faudra galvaniser entièrement le réservoir d’air comprimé pour lui permettre de résister à la corrosion. Si le condensat est évacué régulièrement, il n’est pas absolument nécessaire de galvaniser le réservoir.
La galvanisation est indiquée lorsque le condensat contient une concentration élevée en éléments agressifs.
Les réservoirs d’air comprimé ne doivent être utilisés en continu qu’avec des compresseurs fonctionnant en mode intermittent.
Les variations de pression
∆p ne doivent pas excéder 20 % de la pression de service maximale (pression maximale du compresseur de 10 bar,
∆p = 2 bar). Dans le cas de variations plus importantes, des ruptures de fatigue peuvent se produire sur les points de soudure à plus ou moins longue échéance. Le réservoir d’air comprimé doit être alors spécialement conçu pour résister à une charge pulsatoire.
Il est conseillé d’installer le réservoir d’air comprimé dans un endroit frais. Le condensat s’amasse davantage dans le réservoir sans passer par le réseau d’air comprimé, et donc dans le système de traitement de l’air comprimé.
Les réservoirs d’air comprimé doivent être installés de manière
à être accessibles pour effectuer les contrôles réguliers. Il faut en outre que la plaque du constructeur soit visible.
Il est conseillé de poser le réservoir d’air comprimé sur son propre socle en laissant un espace suffisant pour les révisions.
Il faut également tenir compte du fait que la fondation est soumise à une contrainte plus importante lors des essais de pression, quand le réservoir est rempli d’eau.
Les réservoirs d’air comprimé doivent être installés de manière
à ce que personne ne soit mis en danger. Respecter les zones et écartements de sécurité nécessaires.
Les réservoirs d’air comprimé et leurs équipements doivent être protégés contre les interventions mécaniques extérieures (les véhicules par exemple), afin d’éviter toute détérioration pouvant avoir des conséquences dangereuses sur les employés ou de tierces personnes.
141
Le réseau d’air comprimé
9.1.6
9.1.6.1
Prescriptions de sécurité appliquées aux réservoirs d’air comprimé
Division en groupes de contrôle
Les réservoirs d’air comprimé sont soumis aux directives relatives aux réservoirs sous pression, aux règlements techniques concernant les réservoirs d’air comprimé et aux règles stipulées dans la norme DIN EN. Ces prescriptions relatives à la prévoyance contre les accidents sont prescrites par la législation, il est donc impératif de les respecter. L’exploitant d’un réservoir d’air comprimé a le devoir de s’informer régulièrement sur les règles de prévention contre les accident les plus récentes.
Respecter particulièrement les points suivants extraits du règlement de prévoyance contre les accidents :
Les réservoirs d’air comprimés sont répertoriés en groupes selon le § 8 des directives sur les réservoirs d’air comprimé.
( 1 ) Les réservoirs d’air comprimé sont divisés en groupes en fonction de leur pression de service admissible p en bar et du contenu de la chambre de pression l en litres (le produit du contenu de pression p ξξξξξ l). Dans le cas de plusieurs chambres de pression séparées les unes des autres, le produit est défini pour chacune des chambres de pression.
G ro up e
II p
×××××
l
=
20
G ro up e
III
G ro up e
IV p
×××××
l
=
20
0
G ro up e
I p
×××××
l
=
10
00
G ro up e
II
Volume de la chambre de pression l [dm³]
Figure 9.3 :
Diagramme illustant les différents groupes de réservoirs d’air comprimé
Groupe I : réservoirs d’air comprimé prévus pour une pression de service admissible p de 25 bar max., le contenu de pression p
ξξξξξ l n’excédant pas 200.
Groupe III : réservoirs d’air comprimé prévus pour une pression de service admissible p de 1 bar max., le produit de contenu de pression p
ξξξξξ l excèdant 200 sans dépasser 1000 ( p > 1 bar et 200 < p
ξ l ≤ 1000 ).
Groupe IV : réservoirs d’air comprimé prévus pour une pression de service admissible p de 1 bar max., le produit de contenu de pression p
ξξξξξ l excédant 1000 ( p >
1 bar et p
ξ l > 1000 ).
142
Le réseau d’air comprimé
9.1.6.2
9.1.6.3
Fabrication des réservoirs d’air comprimé
Devoir d’enregistrement et de surveillamce
9.1.6.4
Experts et personnes spécialisées selon les § 31 et 32 des directives allemandes sur les réservoirs d’air
Les „réservoirs d’air comprimé simples non ionisés“ prévus pour une pression de service comprise entre 0,5 et 30 bar de surpression, un produit de contenu de pression p
××××× l atteignant
10 000, (réservoir jusqu’à 750 l, 11 bar ou 500 l, 16 bar ) et un manteau cylindrique avec deux embases sont fabriqués conformément à la directive européenne 87/404 CEE. Ils sont accompagnés du sigle CE et d’une plaque de réservoir. Ils peuvent donc être utilisés dans tout l’espace européen sans
égards supplémentaires relatifs aux prescriptions nationales.
Les réservoirs d’air comprimé dont le produit de contenu de pression p
××××× l excède 10 000 doivent être fabriqués conformément aux prescriptions nationales.
Le règlement de prévention contre les accidents stipule que les réservoirs d’air comprimé doivent être soumis à des contrôles, effectués par des experts ou des agents spécialisés, sur le site d’installation avant d’être mis en service (TRB 531, § 6 ), et
à intervalles réguliers après la mise en service. Les réservoirs d’air comprimé doivent être enregistrés auprès des autorités des services techniques sur présentation du certificat de réservoir d’air comprimé fourni.
La première vérification a déjà eu lieu en usine avant la livraison.
Tous les réservoirs sont soumis à un test de pression hydraulique avec de l’eau lorsque le modèle est enregistré. Les réservoirs individuels, pour lesquels aucun modèle n’est enregistré, doivent
être contrôlés en présence d’un expert.
Les experts sont définis dans le § 31 des directives allemandes sur les réservoirs d’air comprimé. Ce sont
– les employés des services techniques.
– les employés des instituts officiels de test de matériaux.
– les experts détachés par les caisses de prévoyance contre les accidents.
Les experts définis dans le § 32 des directives allemandes sur les réservoirs d’air comprimé sont ceux qui,
– en raison de leur formation, de leurs connaissances et de l’expérience acquise au cours de leur activité professionnelle, sont en mesure de garantir un contrôle effectué correctement.
– possèdent les qualifications requises.
– ne sont soumis à aucunes pressions ou directives extérieures pendant l’exercice de leurs fonctions.
– disposent de leur propre équipement de contrôle si nécessaire.
– sont en mesure de certifier à l’appui des documents appropriés qu’ils ont suivi une formation officielle ou reconnue par l’état et certifient qu’il remplissent les conditions
énoncées sous le premier point.
L’expert doit pouvoir être en mesure de démontrer ses capacités sur demande de l’autorité compétente.
143
Le réseau d’air comprimé
9.1.6.5
Inspection des réservoirs d’air comprimé
L’inspection avant la mise en service et les vérifications à intervalles réguliers des réservoirs d’air comprimé sont soumises
à la juridiction nationale. Dans le § 9 des directives relatives aux réservoirs d’air comprimé, l’inspection doit être effectuée avant la mise en service. Le § 10 règle les inspections périodiques.
Inspection avant la mise en service, § 9
( 1 ) Un réservoir d’air comprimé faisant partie des groupes
III
, IV et VII ne peut être mis en service que lorsqu’il a été vérifié par un expert, et que ce dernier a certifié que le réservoir est en parfait état de service.
( 2 ) Un réservoir d’air comprimé faisant partie du groupe I, s’il est utilisé pour stocker des gaz, des vapeurs ou des liquides combustibles, caustiques ou toxiques, ou du groupe II, ne peut être mis en service que s’il satisfait aux conditions suivantes :
1. le fabricant a soumis le réservoir d’air comprimé à un essai de pression et délivré le certificat spécifiant que le réservoir a été fabriqué correctement et que le résultat de l’essai de pression confirme qu’il satisfait aux exigences demandées.
2. un expert a soumis le réservoir d’air comprimé à un essai de réception et certifié qu’il satisfait aux exigences demandées dans le cadre de cet essai.
( 3 ) L’inspection initiale comprend l’inspection préliminaire, l’inspection de construction et un test de pression. L’inspection finale comprend le test de service, le contrôle des équipements et la vérification de l’installation.
144
Le réseau d’air comprimé
Inspections périodiques, § 10
( 1 ) Les inspections périodiques stipulées dans le paragraphe
4 doivent être réalisées par des experts sur les réservoirs d’air comprimé faisant partie des groupes IV et VII.
( 2 ) Un réservoir d’air comprimé faisant partie du groupe I, s’il n’est pas utilisé pour stocker des gaz, des vapeurs ou les liquides inflammables, caustiques ou toxiques, et des groupes
II, III
et IV doit être vérifié périodiquement à des intervalles définis par l’exploitant, sur la base des expériences réalisées en fonction du mode d’exploitation et du milieu.
( 3 ) Les inspections périodiques consistent à effectuer des tests internes et des essais de pression. Si le réservoir est exposé à un échauffement (flamme, gaz d’échappement, source
électrique), l’inspection périodique est accompagnée d’essais externes, généralement sur les réservoirs d’air comprimé en service. Les essais internes spécifiés dans la phrase 1 doivent
être accompagnés ou remplacés par d’autres essais appropriés s’il n’est pas possible d’effectuer la totalité des essais internes. Les essais de pression cités dans la phrase 1 doivent être remplacés par des essais non destructifs s’il n’est pas possible de les réaliser en raison du type de réservoir d’air comprimé, ou si son mode de fonctionnement les rend inutiles.
( 4 ) Les essais internes sur les réservoirs d’air comprimé faisant partie des groupes IV et VII doivent être répétés tous les cinq ans, les essais de pression tous les dix ans, les tests externes tous les deux ans. L’autorité de contrôle a la liberté de
1. prolonger ces périodes au cas par cas si la sécurité est garantie par d’autres moyens, ou
2. de raccourcir ces périodes au cas par cas pour assurer la sécurité des employés ou de tierces personnes.
( 10 ) Un réservoir d’air comprimé faisant partie des groupes
IV
ou VII ne peut être utilisé à l’issue de la période d’expiration des essais périodiques que si les essais sont effectués dans les délais impartis, et si l’expert a confirmé, à l’appui des résultats de l’essai, que le réservoir d’air comprimé satisfait aux exigences demandées.
( 11 ) Si l’expert constate que le réservoir d’air comprimé ne se trouve pas en parfait état, il est demandé à l’autorité responsable de prendre une décision.
145
Le réseau d’air comprimé
9.1.6.6
Types d’inspections
9.1.6.7
Extraits suplémentaires de la directive relative aux réservoirs d’air comprimé
Les tests réguliers, réalisés aux frais des exploitants, sont effectués de la manière suivante par des experts ou des professionnels :
Test interne (tous les 5 ans)
Le réservoir d’air comprimé est coupé du réseau et n’est plus sous pression. L’ouverture d’inspection est ouverte et l’intérieur du réservoir est soigneusement nettoyé. Les parois métalliques doivent être parfaitement propres. L’expert vérifie l’état intérieur du réservoir et certifie qu’il est en parfait état.
Test de pression (tous les 10 ans)
Le réservoir d’air comprimé est coupé du réseau et n’est plus sous pression. Les accessoires de tuyauterie sont dévissés et les ouvertures sont refermées avec des bouchons. Le réservoir d’air comprimé est entièrement rempli d’eau, la pompe à main est raccordée pour le test de pression. Le réservoir d’air comprimé est ensuite porté à la pression de service au moyen de la pompe à main, son étanchéité est vérifiée par l’expert.
Exploitation des réservoirs d’air comprimé, § 13
( 1 ) L’exploitant d’un réservoir d’air comprimé doit s’assurer que le réservoir reste toujours en parfait état de fonctionnement.
Il faut en outre qu’il l’utilise correctement, qu’il le contrôle, le soumette aux opérations de maintenance et d’entretien et prenne les mesures de protection appropriée.
Justificatif d’inspection et liste des réservoirs d’air comprimé, § 14
( 1 ) La plaquette de l’inspection initiale doit être apposée en
évidence sur les réservoirs d’air comprimé.
( 2 ) Lorsqu’un réservoir d’air comprimé faisant partie des
groupes IV
ou VII est utilisé, il faut ouvrir un cahier contenant le récapitulatif détaillé des contrôles périodiques et
éventuellement des essais extraordinaires effectués par les experts. Les certificats délivrés par les experts lors de l’inspection initiale et de l’inspection finale, ainsi que les documents correspondants (croquis, attestations sur les matériaux et traitement thermique), doivent accompagner le cahier ou le dossier de contrôle.
146
9.1.7
Accessoires nécessaires sur le réservoir d’air comprimé
4 1
6
5
8
3
9
7 2 10
1 = Pressostat
2 = Soupape anti-retour ou robinet d’arrêt à boisseau
3 = Soupape de sécurité
4 = Bride de contrôle
5 = Manomètre
6 = Robinet d’arrêt à boisseau
7 = Evacuation du condensat
8 = Support des accessoires de tuyauterie
9 = Ouverture de contrôle
10 = Tuyau haute pression
Figure 9.4 :
Réservoir d’air comprimé et accessoires de tuyauterie
Le réseau d’air comprimé
Le réservoir d’air comprimé ne se compose pas uniquement du réservoir en acier. Un certain nombre d’accessoires de tuyauterie sont nécessaires pour assurer son fonctionnement et garantir la sécurité exigée.
– Pressostat
Il permet de commander le compresseur.
– Soupape anti-retour
Il faut toujours installer une soupape anti-retour dans la conduite d’alimentation reliant le compresseur au réservoir d’air comprimé. Sur les compresseurs à pistons, elle permet d’éviter le refoulement de l’air comprimé dans le compresseur lors des arrêts. Sur les compresseurs à vis, la soupape anti-retour est intégrée dans le système.
– Soupape de sécurité
L’installation d’une soupape de sécurité sur le réservoir d’air comprimé est prescrite par la loi. Lorsque la pression intérieure du réservoir p
R
(pression réseau) excède la pression nominale de 10%, la soupape de sécurité est ouverte pour
évacuer la surpression.
– Bride de contrôle
Le service technique raccorde un manomètre étalonné sur la bride de contrôle.
– Manomètre
Le manomètre indique la pression qui règne à l’intérieur du réservoir.
– Robinet de fermeture à boisseau
Ce robinet isole le réservoir d’air comprimé du réseau d’air comprimé ou du compresseur.
– Evacuation du condensat
Du condensat se produit dans le réservoir d’air comprimé. Il faut donc qu’une ouverture appropriée soit disponible pour l’évacuer.
– Ouverture de contrôle
L’ouverture de contrôle peut se présenter sous la forme d’un manchon, d’une bride à trou d’homme ou d’un regard de visite. Elle permet de vérifier et de nettoyer l’intérieur du réservoir. La taille minimum de l’ouverture d’inspection est prescrite par la loi.
– Tuyau haute pression
Le tuyau souple à haute pression relie le réservoir d’air comprimé au compresseur. Il est utilisé à la place d’un tuyau rigide pour que les éventuelles vibrations produites par le compresseur ne soient pas transmises au réseau d’air comprimé, ou pour compenser les écarts de mesure lors du raccordement au réseau d’air comprimé.
Le pressostat, le tuyau souple haute pression et la soupape antiretour ne sont pas des accessoires typiques aux réservoirs d’air comprimé. Il est cependant judicieux de les monter sur le réservoir.
147
Le réseau d’air comprimé
9.1.7.1
Soupape de sécurité
Figure 9.5 :
Soupape de sécurité sur la cuve mixte air comprimé/huile d’un compresseur à vis lubrifié par injection d’huile
L’installation d’une soupape de sécurité sur le réservoir d’air comprimé est prescrite par la loi.
Lorsque la pression p
R
(pression réseau) qui règne à l’intérieur du réservoir atteind la pression de service maximale du réservoir d’air comprimé (par ex. pression maximale du compresseur de
10 bar, pression de service du réservoir 11 bar), la soupape de sécurité doit s’ouvrir lentement.
Dès que la pression du réseau atteint 1,1 fois la pression nominale (par ex. pression du réservoir 11 bar, soupape de sécurité
12,1 bar), la soupape de sécurité doit s’ouvrir entièrement et
évacuer la pression. Il faut s’assurer que la section de l’orifice d’évacuation de la soupape de sécurité soit dimensionnée de manière à ce que le débit complet de tous les compresseurs raccordés puisse être évacué sans que la pression continue à monter dans le réservoir.
Le nombre de compresseurs augmente si un réseau d’air comprimé existant est agrandi ultérieurement. Dans ce cas, il ne faut pas omettre de modifier la soupape de sécurité en conséquence. Si la soupape de sécurité n’est plus en mesure d’évacuer le débit total des compresseurs, la pression de service augmente dans le réservoir d’air comprimé. Dans le pire des cas, le réservoir d’air comprimé explosera.
Figure 9.6 :
Symbole de la soupape de sécurité
Inspection de sécurité
Il est nécessaire de vérifier si la soupape de sécurité est bien dimensionnée lorsqu’une station de compresseurs est agrandie.
Le réservoir d’air comprimé est coupé du secteur. Les manomètres sont pontés de manière à ce que les compresseurs ne puissent plus être arrêtés automatiquement.
La pression du réservoir monte jusqu’à ce que la soupape de sécurité se déclenche. Il ne faut pas que la pression du réservoir dépasse 1,1 fois la valeur limite (par ex. pression du réservoir de 11 bar, soupape de sécurité de 12,1 bar). Si cela se produit, la soupape de sécurité présente des dimensions insuffisantes et doit être remplacée.
148
Le réseau de distribution
9.2
Le réseau de distribution
Un système d’alimentation en air comprimé central nécessite un réseau de distribution qui soit en mesure d’alimenter les différents consommateurs en air comprimé. Le réseau doit remplir certaines conditions pour garantir le fonctionnement fiable et économique des consommateurs :
– Débit suffisant
Chaque consommateur du réseau de distribution doit disposer à tout moment de la quantité d’air nécessaire à son fonctionnement.
– Pression de travail suffisante
La pression de travail nécessaire au fonctionnement des consommateurs du réseau doit être disponible à tout moment.
– Qualité de l’air comprimé
La qualité d’air requise doit être fournie à tout instant à chacun des consommateurs du réseau.
– Faible chute de pression
La chute de pression dans le réseau de distribution doit rester aussi faible que possible pour des raisons
économiques.
– Sécurité de fonctionnement
L’alimentation en air comprimé doit être assurée avec le plus de sécurité possible. Il ne faut pas que tout le réseau soit immobilisé si une conduite se rompt, lors des opérations de répartions ou de maintenance.
– Prescriptions de sécurité
Les prescriptions de sécurité en vigueur sur le site d’exploitation doivent être respectées afin d’éviter les accidents et les demandes de recours qui en résulteraient.
9.2.1
Structure du réseau de distribution
Un réseau de distribution se compose de plusieurs sections de tuyaux. Il est ainsi possible d’établir une liaison optimale entre le compresseur et les consommateurs.
9.2.1.1
La conduite principale
Réservoir d’air
La conduite principale raccorde la station de compresseurs au système de traitement de l’air et au réservoir d’air comprimé.
Les conduites de distribution sont raccordées à la conduite principale. Cette dernière est dimensionnée de manière à ce que le débit total de la station de compresseurs puisse être délivré, aujourd’hui et demain, avec un minimum de chutes de pression.
La chute de pression
∆ pas excéder 0,04 bar.
Evacuateur de condensat
Sécheur Conduite principale
Compresseur
Figure 9.7 :
Conduite principale d’un réseau d’air comprimé
149
Le réseau de distribution
9.2.1.2
Le circuit de distribution tuyauterie périphérique
3 5
Les conduites de distribution sont posées dans toute l’entreprise et transportent l’air comprimé à proximité des consommateurs.
Elles devraient si possible se présenter sous la forme d’une conduite périphérique, qui permet d’accroître le rendement et la sécurité de fonctionnement du réseau de distribution.
La chute de pression
∆p dans les conduites de distribution ne devrait pas excéder 0,03 bar.
7 Conduite de raccordement
2
4
6
Conduite principale
1
1 = Compresseur
2 = Soupape d’arrêt
3 = Réservoir d’air comprimé
4 = Evacuateur de condensat
5 = Soupape de sécurité
6 = Sécheur d’air comprimé
7 = Raccordements d’air comprimé
Figure 9.8 :
Alimentation en air comprimé via un circuit périphérique
Circuit périphérique
Un circuit périphérique forme un anneau de distribution fermé. Il est possible d’isoler différentes sections du réseau de conduites sans interrompre l’alimentation en air comprimé d’autres zones.
L’alimentation en air comprimé de la majorité des consommateurs est assurée, même dans le cas de travaux de maintenance, de réparations ou d’extensions.
Lorsque l’alimentation en air comprimé est assurée par une distribution périphérique, la distance parcourue par l’air comprimé est moins importante que dans le cas des conduites de dérivation. La chute de pression
∆ périphérique permet d’utiliser deux fois moins de tuyaux et de diviser le débit par deux.
150
9.2.1.3
Le circuit de distribution tuyauterie en dérivation
3 5
Le réseau de distribution
Le circuit de distribution est posé dans toute l’entreprise et transporte l’air comprimé à proximité des consommateurs. Il peut se présenter sous la forme de tuyauteries en dérivation.
La chute de pression
∆ devrait pas excéder 0,03 bar.
7
Conduite de raccordement
2
4
6
Conduite principale
Tuyauterie en dérivation
1
1 = Compresseur à vis
2 = Soupape d’arrêt
3 = Réservoir d’air comprimé
4 = Evacuateur de condensat
5 = Soupape de sécurité
6 = Sécheur d’air comprimé
7 = Raccords d’air comprimé
Figure 9.9 :
Alimentation en air via une tuyauterie en dérivation
9.2.1.4
La conduite de raccordement
Les tuyauteries en dérivation partent du circuit de distribution ou principal et débouchent sur le consommateur. Les consommateurs situés à l’écart des autres peuvent être ainsi alimentés. Il est également possible de réaliser l’ensemble de la distribution avec des tuyauteries en dérivation. L’avantage de cette solution réside dans l’économie de matériau par rapport aux circuits périphériques. Elle a cependant le désavantage de présenter des dimensions plus importantes que celles de la distribution périphérique et d’être souvent sujette à des pertes de pression substancielles. Les tuyauteries en dérivation doivent toujours être séparées du réseau par une soupape d’arrêt. Ceci simplifie les réparations, la maintenance et autres travaux.
Les conduites de raccordement partent des conduites de distribution et alimentent les consommateurs en air comprimé.
Ces derniers exigeant diverses pressions, il faut généralement installer une unité de maintenance dotée d’un régulateur de pression. La pression du réseau est réduite à la pression de travail du consommateur grâce au régulateur de pression. Les unités de maintenance (filtre, séparateur, régulateur et huileur) sont inutiles si l’air comprimé est traité.
La chute de pression
∆ ne devrait pas excéder 0,03 bar.
Remarque :
les tuyaux DN 25 (1") sont conseillés pour les conduites de raccordement dans les applications industrielles.
Cette taille ne cause aucun désavantage du point de vue des coûts et garantit une parfaite alimentation en air dans la majorité des cas. Les consommateurs nécessitant jusqu’à 1800 l/min.
peuvent être alimentés sans pertes de pressions notables jusqu’à une longueur de conduite atteignant 10 m.
151
Le réseau de distribution
9.2.1.5
Raccordement à une conduite commune sur les installations multiples
Les points suivants doivent être respectés lorsque plusieurs compresseurs sont raccordés à une conduite commune.
Air comprimé Condensat
5 4 4 3
5
6
1 1
1 3 2
1 = Compresseur à vis
2 = Séparateur d’eau
3 = Evacuateur de condensat
4 = Conduite de raccordement
5 = Conduite commune
Figure 9.10 :
Conduites communes
1 2
1 = Compresseur à vis
2 = Compresseur à piston
3 = Conduite de raccordement
4 = Conduite commune
7
5 = Vase d’expansion
6 = Silencieux de purge
7 = Séparateur huile/eau
Conduite d’air comprimé et de condensat commune
1. Conduite commune avec gradient.
La conduite commune doit être posée dans le sens du courant avec un gradient de 1,5 à 2 ‰ environ.
2. Conduite de raccordement venant du haut.
La conduite de raccordement doit être reliée à la conduite commune à partir du haut.
Conduites d’air comprimé communes
3. Séparateur d’eau sur de longues conduites ascendantes.
Lorsque de longues conduites montent vers la conduite commune, il faut installer un séparateur d’eau à drainage automatique après le compresseur afin de récupérer le condensat qui est refoulé.
Conduites de purge communes
Les points 1 et 2 s’appliquent aussi si des conduites de purge sont intégrées dans les conduites communes.
Dans le cas des conduites de purge communes, il faut
également prévoir un vase d’expansion doté d’un silencieux de purge.
152
Le réseau de distribution
9.3
Planification des réseaux de distribution
9.3.1
Conseils de planification généraux
Il est conseillé de poser les conduites d’air comprimé en ligne droite. Si les angles sont indispensables, éviter les raccords coudés ou en T. Les courbes larges et les pièces en Y sont plus favorables sur le plan du flux et occasionnent une moindre chute de pression
∆ modifications de sections importantes en raison des grandes chutes de pression qu’elles provoquent.
Figure 9.11 :
Conditions de flux défavorables : tube en T et coudé
Figure 9.12 :
Conditions de flux favorables, tube en Y et courbe
Séparer les principaux réseaux de distribution en plusieurs sections, dotées chacune d’une soupape d’arrêt. Il est très important de pouvoir isoler certaines parties du réseau, en particulier pour effectuer des contrôles, des réparations ou des transformations.
Dans les grands réseaux, il sera parfois avantageux d’installer une deuxième station de compresseurs qui alimentera le réseau de distribution à partir d’une zone différente, l’air comprimé parcourant ainsi de courtes distances. La chute de pression
∆p est moins importante.
Les conduites principales et les grosses conduites de distribution doivent être soudées au moyen de points en V. On évite ainsi les bords acérés et les perles de soudure à l’intérieur des tuyaux.
La résistance de flux est réduite dans le tuyau et on évite toute contrainte superflue sur les filtres et les outils par les résidus de soudure.
153
Le réseau de distribution
9.3.2
Réseau de distribution sans sécheur d’air comprimé
Conduites présentant une pente de 1,5 à 2 % mal bien
Figure 9.13 :
Exemple de pose correcte d’un réseau de distribution
L’humidité contenue dans l’air se transforme en goutelettes d’eau
(condensat) suite à la compression. Si l’air comprimé n’est pas traité dans un sécheur d’air comprimé, la totalité du réseau de conduites contiendra de l’eau.
Il faut donc respecter certaines règles lorsque l’on installe le réseau afin d’éviter d’éventuelles détériorations sur les consommateurs d’air comprimé.
– Gradients de température
Les conduites d’air comprimé doivent être posées de manière
à ce qu’il ne puisse pas se produire de refroidissement dans l’écoulement du flux. L’air comprimé doit se réchauffer lentement. Lorsque l’on est en présence d’une humidité absolue constante, l’humidité relative baisse. Le condensat ne peut plus se former.
– Conduites avec pente
Les conduites doivent être posées dans le sens du flux avec une pente de 1,5 à 2 ‰ environ. L’eau condensée dans les conduites s’écoule ainsi vers le point le plus bas du réseau.
– Conduite principale verticale
La conduite principale qui se trouve directement derrière le réservoir d’air comprimé devrait s’élever verticalement. Le condensat qui se forme lors du refroidissement peut ainsi revenir dans le réservoir d’air comprimé.
– Evacuateur de condensat
Il faut installer des évacuateurs de condensat à l’endroit le plus bas du réservoir d’air comprimé afin d’évacuer le condensat.
– Conduites de raccordement
Les conduites de raccordement doivent être posées verticalement dans le sens du flux. Le tuyau doit rester aussi droit que possible afin d’éviter les pertes de charge inutiles.
– Accessoires de tuyauterie
Il est conseillé de toujours disposer d’un ensemble d’accessoires comprenant un filtre, un séparateur d’eau et un réducteur de pression. Selon le cas d’application, il faudra
également prévoir un huileur d’air comprimé.
154
9.3.3
Réseau d’air comprimé avec sécheur d’air comprimé
Le réseau de distribution
Il est possible de se dispenser des mesures à prendre pour le condensat dans le réseau lorsqu’un sécheur d’air comprimé
équipé du filtre approprié est installé dans le réseau d’air comprimé.
– Conduites
Il est possible de monter les conduites horizontalement, car il ne se forme pratiquement pas d’eau dans le réseau d’air comprimé. Il est inutile de prendre des mesures spéciales relatives à la pose des conduites.
– Evacuateur de condensat
Les évacuateurs de condensat sont montés uniquement sur les filtres, le réservoir d’air comprimé et le sécheur d’air comprimé.
– Conduites de raccordement
Les conduites de raccordement peuvent être raccordées verticalement vers le bas au moyen de raccords en T.
– Accessoires de tuyauterie
Il suffit d’installer des réducteurs de pression sur les consommateurs. Il faudra également prévoir un huileur d’air comprimé selon le cas d’application.
L’installation du réseau d’air comprimé devient ainsi bien moins onéreuse. L’économie réalisée justifie souvent l’acquisition d’un sécheur d’air comprimé.
155
Le réseau de distribution
9.4
9.4.1
Chute de pression
Type de flux
∆
Toute conduite d’air comprimé oppose une résistance à l’air comprimé. Cette résistance est le frottement interne qui se produit lors du passage d’un produit liquide ou gazeux. Elle résulte de l’effet dynamique entre les molécules (viscosité) du produit entre elles et les parois de la conduite. Cet effet provoque une perte de pression dans les conduites.
Indépendamment du frottement interne, le type de flux influence la chute de pression dans les conduites. Le déplacement de l’air peut intervenir de différentes manières.
v max
Flux laminaire
Le flux laminaire est un courant en couches régulier. Les molécules contenues dans l’air comprimé se déplacent en couches parallèles, les unes par rapport aux autres. Ce type de flux présente deux propriétés principales :
– faible chute de pression
– faible transfert de chaleur
Figure 9.14 :
Développement du courant et de la vitesse dans un flux laminaire v max
Figure 9.15 :
Représentation du courant et de la vitesse dans un flux turbulent
Flux turbulent
Le flux turbulent est un courant tourbillonnaire irrégulier. Des déplacements additionnels sans cesse changeants se superposent constamment sur tous les points du courant axial. Un petit tourbillon se forme sous l’action mutuelle des voies de courant. Ce type de flux présente deux propriétés principales:
– chute de pression élevée
– transfert de chaleur important
9.4.2
Nombre de Reynolds Re
Le nombre de Reynolds Re permet de définir le type de flux. Il représente le critère du flux laminaire et turbulent. Le nombre de Reynolds Re est influencé par différents facteurs :
– viscosité cinématique de l’air comprimé
– vitesse moyenne de l’air comprimé
– diamètre intérieur du tuyau
Dans un tuyau, le flux reste laminaire jusqu’à ce que le nombre de Reynolds critique Re
crit
soit dépassé. Le flux passe alors dans un état turbulent irrégulier.
Remarque
Normalement, les grandes vitesses de flux provoquant le dépassement de Re
crit
ne se produisent pas dans un réseau d’air comprimé. Le flux dominant dans le réseau est laminaire.
Un flux turbulent se produit uniquement aux endroits où l’on observe des perturbations de courant massives.
La vitesse de flux de l’air comprimé dans les conduites est normalement de 2 à 3 m/s, et ne doit pas excéder 20 m/s, car il se produit sinon des bruits de courant et un flux turbulent.
156
Le réseau de distribution
9.4.3
Chutes de pression dans un réseau
Toute modification dans la pose de la conduite gène le flux de l’air comprimé à l’intérieur de la conduite. Le flux laminaire est perturbé et on constate une importante perte de pression.
Chute de pression
Figure 9.16 :
Chute de pression dans un réseau
Longueur [ m ]
L’importance de la chute de pression est influencée par différents facteurs et diverses circonstances inhérentes au réseau d’air comprimé :
– longueur de tuyau
– diamètre intérieur du tuyau
– pression dans le réseau de distribution
– branchements et coudes
– étranglements et évasements
– soupapes
– accessoires de tuyauterie et raccords
– filtres et sécheurs
– points de fuites
– qualité de surface des conduites
Il faut tenir compte de ces facteurs lorsque les réseaux d’air comprimés sont planifiés, d’importantes pertes de pression pouvant sinon se produire.
157
Le réseau de distribution
9.5
Dimensionnement des conduites
Une importance capitale doit être accordée au bon dimensionnement des conduites d’un réseau, dans un intérêt purement économique. Les sections de conduites trop faibles provoquent des pertes de pression élevées. Ces pertes de pression doivent être compensées par une compression plus
élevée afin de garantir les performances des consommateurs.
Les facteurs principaux qui influencent le diamètre intérieur de tuyau optimal d
i
sont les suivants :
– débit D
Le passage d’air maximum est considéré pour déterminer le d
i
. Une perte de pression élevée se fera ressentir davantage lorsque les besoins en air sont au maximum.
– Longueur des conduites
La longueur des conduites doit être déterminée aussi précisément que possible. Les accessoires de tuyauterie et les coudes de tuyaux sont inévitables dans un réseaux de conduites. Il faut en tenir compte en planifiant une longueur de tuyau équivalente dans le calcul de la longueur totale des conduites.
– Pression de service
On part de la pression de déclenchement du compresseur
p
max
pour déterminer le d
i
. Lorsque la pression est au maximum, la chute de pression
∆
9.5.1
Chute de pression maximale
∆p
La chute de pression ∆ développant une pression maximale p
max
de 8 bar s
ou plus ne devrait pas descendre en dessous d’un certain niveau sur son chemin jusqu’au consommateur :
– réseau de conduites
Les valeurs suivantes sont conseillées pour les différentes sections du réseau de conduites :
– conduite principale
– conduite de distribution
– conduite de raccordement
Dans le cas des réseaux de conduites fournissant des pressions maximales moindres (par ex. 3 bar s
), une perte de pression de
0,1 bar représente une perte de pression bien plus élevée que dans un réseau de conduites de 8 bar s
. Une valeur différente est conseillée dans ce cas pour le réseau de conduites dans son ensemble :
– réseau de conduites
∆p ≤≤≤≤≤ 1,5 % p
max
158
Le réseau de distribution
9.5.2
Diamètre nominal des conduites comparaison [DN – pouces]
Les tuyaux filetés de poids moyen en acier de construction universel ( DIN 17100 ), tels que ceux fréquemment utilisés pour les réseaux de conduites, sont conformes à la norme DIN 2440.
Cette norme prescrit certains étagements du diamètre nominal interne d
i
et différentes nomenclatures. C’est la raison pour laquelle les accessoires de tuyauterie et les tuyaux ne sont disponibles que dans les tailles correspondantes.
Les étagements de diamètres nominaux sont également applicables pour d’autres matériaux et standards de tuyaux.
Il est impératif de respecter les diamètres nominaux normalisés lors du dimensionnement des conduites. D’autres diamètres nominaux sont réalisés uniquement sur demande et sont donc particulièrement onéreux.
Le tableau ci-dessous présente les diamètres nominaux normalisés en DN (Diamètre Nominal) en mm et en pouces, et les valeurs limites les plus importantes pour les tuyaux conformes à la norme DIN 2440 :
Diamètre nominal du tuyau selon DIN 2440
[pouces] [DN]
4"
5"
6"
1/8"
1/4"
3/8"
1/2"
3/4"
1"
1 1/4"
1 1/2"
2"
2 1/2"
3"
32
40
50
15
20
25
65
80
6
8
10
100
125
150
Diamètre extérieur
[mm]
10,2
13,5
17,2
21,3
26,9
33,7
42,4
48,3
60,3
76,1
88,9
114,3
139,7
165,1
Diamètre intérieur
[mm]
6,2
8,8
12,5
16,0
21,6
27,2
35,9
41,8
53,0
68,8
80,8
105,3
130,0
155,4
Section intérieure
[cm²]
0,30
0,61
1,22
2,00
3,67
5,82
10,15
13,80
22,10
37,20
50,70
87,00
133,50
190,00
Epaisseur de paroi
[mm]
2,00
2,35
2,35
2,65
2,65
3,25
3,25
3,25
3,65
3,65
4,05
4,50
4,85
4,85
159
Le réseau de distribution
9.5.2
Longueur de tuyau équivalente
Accessoires de tuyauterie
Un des facteurs essentiels utilisés pour dimensionner le diamètre intérieur de tuyau d
i
est la longueur du tuyau. Les conduites ne se composent pas uniquement de tuyaux rectilignes dont la résistance au courant peut être calculée rapidement. Les coudes de tuyaux, les soupapes et autres accessoires de tuyauterie augmentent sensiblement la résistance du flux dans les conduites. Il est donc indispensable de déterminer la longueur de tuyau L en tenant compte des accessoires de tuyauterie et des coudes de tuyaux.
Pour simplifier, les résistances au flux des différents accessoires de tuyauterie et des coudes de tuyaux sont converties en longueurs de tuyaux équivalentes.
Le tableau ci-dessous indique la longueur de tuyau équivalente en fonction du diamètre nominal du tuyau et de l’accessoire de tuyauterie :
Longueur de tuyau équivalente [m]
Diamètre nominal des tuyaux et accessoires [DN]
DN 25 DN 40 DN 50 DN 80 DN 100 DN 125 DN 150
Soupape d’arrêt
Soupape à diaphragme
Coulisseau d’arrêt
Coude de 90°
Arc de 90° R = d
Arc de 90° R = 2d
Pièce en T
Réducteur D = 2d
8
1,2
0,3
1,5
0,3
0,15
2
0,5
10
2,0
0,5
2,5
0,5
0,25
3
0,7
15
3,0
0,7
3,5
0,6
0,3
4
1,0
25
4,5
1,0
5
1,0
0,5
7
2,0
30
6
1,5
7
1,5
0,8
10
2,5
50
8
2,0
10
2,0
1,0
15
3,5
15
2,5
1,5
20
4,0
60
10
2,5
Ces valeurs doivent être ajoutées à la longueur de tuyau réelle afin d’obtenir la longueur de tuyau L effective.
Remarque
Lorsque l’on commence à planifier un réseau de distribution, il n’existe généralement aucune information complète sur les accessoires de tuyauterie et les coudes de tuyaux. Pour cette raison, on calcule la longueur de tuyau L réelle en multipliant la longueur de tuyau rectiligne par 1,6.
160
9.5.3
Calcul du diamètre intérieur du tuyau d
i
Le réseau de distribution
Le dimensionnement du diamètre intérieur de tuyau peut être calculé approximativement au moyen de la formule cidessous. Elle est basée sur la pression de service maximale
p
max
(pression d’arrêt du compresseur), le volume débité maximum D (débit nécessaire D
N
) et la longueur de tuyau L.
D = 2 p max
= 8 m³/min. = 0,033 m³/s
L = 200 m
∆p =
0,1 bar bar abs
d
i
=
5
1,6
×
3
××××× D
1,85
××××× L
——————————
10
10
× ∆p ××××× p
max
d i
= Diamètre intérieur de la conduite
D = Débit total
L = Longueur de tuyau réelle
∆p = Perte de pression à obtenir p max
= Pression d’arrêt du compreseur
[m]
[m³/s]
[m]
[bar]
[bar abs
]
Exemple
Le diamètre intérieur de tuyau d
i
d’une conduite de raccordement d’air comprimé, pour laquelle on souhaite obtenir une perte de pression
∆ au moyen de la formule d’approximation. La pression de service maximale p de 8 bar abs
max
(pression d’arrêt du compresseur) est
. Un débit D de 2 m³/min. s’écoule dans une conduite de 200 m env.
d
i
=
5
1,6
×
3
××××× 0,033
1,85
××××× 200
————————————
10
10
d
i
= 0,037 m = 37 mm
Diamètre nominal choisi : DN 40
Le diamètre intérieur des tuyaux fait l’objet d’une normalisation de tailles. On trouve rarement un diamètre nominal qui corresponde exactement au diamètre intérieur calculé. Dans ce cas, on choisit le diamètre nominal normalisé qui s’en rapproche le plus.
161
Le réseau de distribution
9.5.4
Calcul graphique du diamètre intérieur du tuyau d
i
Le diamètre intérieur du tuyau d
i
peut être calculé de manière simple et rapide en utilisant un graphique coté. Les facteurs d’influence essentiels restent les mêmes, que l’on utilise la méthode de calcul ou la méthode graphique.
La lecture commence à l’intersection entre le débit D et la pression de service p
max
. On suit ensuite les lignes imprimées en gras dans le sens de la flèche sur l’exemple.
Longueur du tuyau L [m]
162
Chute de pression
∆
Press. de service p
max
[bar
abs
]
Exemple
Débit
Longueur de tuyau réelle
D
L
= 2 m³/min.
= 200 m
Chute de pression
Pression de service
∆p
= 0,1 p max
= 8 bar bar abs
Diamètre intérieur de tuyau d
i
=
Le diamètre nominal de tuyau sera DN 40
38 mm env.
9.5.5
Calcul du diamètre intérieur du tuyau d
i
au moyen d’un diagramme en colonnes
Le réseau de distribution
La troisième méthode, qui est également la plus simple, utilisée pour déterminer le diamètre intérieur du tuyau d
i
est le diagramme en colonnes. Cette méthode présente cependant des possibilités très limitées. Le diagramme en colonnes ne peut être employé que si deux conditions sont remplies :
– pression maximale p
max
dans le réseau de 8 bar s
.
– chute de pression souhaitée
∆
L’utilisation du diagramme en colonnes est des plus simples.
On note le débit maximum D défini et la longueur de tuyau réelle et on se reporte à la ligne ou à la colonne correspondante dans le diagramme. A l’intersection, on peut lire le diamètre nominal de tuyau correspondant.
Exemple
Chute de pression
Pression de service
Longueur de tuyau réelle
Débit
∆p
= 0,1 p max
L
D
= 8 bar bar s
= 200 m
= 2000 l/min.
Le diamètre nominal du tuyau sera DN 40
163
Le réseau de distribution
9.6
Matériaux utilisés pour réaliser les conduites
9.6.1
Tuyaux filetés
Les conduites qui constituent un réseau sont généralement en acier, en métal non ferreux ou en plastique. Il faut qu’elles remplissent différents critères, qui limitent le choix des matériaux pour certaines applications.
– Protection contre la corrosion
La question de la résistance à la corrosion est de premier ordre si l’air comprimé n’est pas séché dans un dispositif de traitement. Il ne faut pas que les tuyaux rouillent avec le temps.
– Température de service maximale
Certains matériaux manquent de résistance à hautes températures et deviennent poreux à basses températures.
– Pression de service maximale
La pression de service maximale baisse lorsque la contrainte thermique augmente.
– Faible chute de pression
Une grande qualité de surface à l’intérieur du tuyau permet de limiter les pertes de pression.
– Montage économique
Les frais de montage peuvent être réduits grâce à un grand nombre de pièces moulées, un montage rapide et simple et des matériaux bon marché.
Les tuyaux filetés selon DIN 2440, DIN 2441 et DIN 2442 (modèles mi-lourds et lourds) en acier sont des matériaux courants dans les réseaux de conduites d’air comprimé. Ils sont particulièrement utilisés pour les conduites de distribution et de raccordement de petites et moyennes dimensions. Les tuyaux filetés sont toujours utilisés lorsque les exigences posées à l’air comprimé sont très élevées. Ils sont disponibles en métal noir et galvanisé.
– Dimensions DN 6 - DN 150
– Pression de service admissible
– Température de service maximale max. 10 à 80 bar s
120°C
Avantages
Les tuyaux filetés se caractérisent par un montage bon marché et rapide. Un grand nombre de pièces préfabriquées et d’accessoires de tuyauterie sont disponibles à peu de frais.
Les raccords peuvent être ré-utilisés après avoir été démontés.
Désavantages
Les tuyaux filetés présentent une résistance au flux plus élevée et les raccords ont tendance à fuir avec le temps. La pose exige l’intervention d’un installateur expérimenté. Les tuyaux filetés non galvanisés ne doivent pas être utilisés dans les réseaux dépourvus de système de séchage de l’air, car ils rouillent.
164
9.6.2
Tuyau en acier sans soudure
9.6.3
Tuyaux en acier inoxydable
Le réseau de distribution
Les tuyaux en acier doux sans soudure selon DIN 2448 sont principalement utilisés pour les conduites principales et de distribution présentant des diamètres moyens ou gros. Ils sont disponibles en noir et galvanisés.
– Dimensions 10,2 à 558,8 mm
– Pression de service admissible
– Température de service maximale max. 12,5 à 25 bar x
120°C
Avantages
Les tuyaux en acier doux sont disponibles dans des tailles atteignant 558,8 mm. Ils sont parfaitement étanches à l’air s’ils sont installés correctement. Les fuites sont ainsi pratiquement exclues. Les tuyaux sont bon marché, il existe un grand nombre de pièce préfabriquées.
Désavantages
La pose des tuyaux en acier doux sans soudure exige l’intervention d’un installateur expérimenté, car les tuyaux doivent
être soudés ou bridés. Les tuyaux en acier doux non galvanisés ne doivent pas être utilisés dans les réseaux d’air comprimé dépourvus de sécheurs d’air comprimé, car ils rouillent.
Les tuyaux en acier inoxydable selon DIN 2462 et DIN 2463 ne sont utilisés que dans les réseaux d’air comprimé qui doivent délivrer un air d’excellente qualité. Ils sont souvent employés dans les sections „humides“ de réseaux conventionnels, entre le compresseur et le sécheur.
– Dimensions
– Pression de service admissible
– Pression de service maximale
6 à 273 mm max. 80 bar s
ou sup.
120°C
Avantages
Les tuyaux en acier inoxydable résistent parfaitement à la corrosion et présentent une faible résistance au flux (faible chute de pression). Ils sont absolument étanches à l’air s’ils sont installés correctement. Les fuites sont ainsi pratiquement exclues.
Désavantages
La pose des tuyaux en acier inoxydable exige l’intervention d’un installateur expérimenté, car les tuyaux doivent être soudés ou bridés. Les tuyaux sont très chers, il existe peu de pièces préfabriquées.
165
Le réseau de distribution
9.6.4
Tuyaux en cuivre
Les tuyaux en cuivre selon DIN 1786 et DIN 1754 sont utilisés pour les conduites de contrôle et de réglage de petites et moyennes dimensions. Les tuyaux sans soudure sont disponibles en modèles durs, semi-durs et tendres.
– Dimensions tendres 6 à 22 mm semi-durs 6 à 54 mm durs 54 à 131 mm
– Pression de service admissible
– Température de service maximale max. 16 à 140 bar s
100°C
Avantages
Les tuyaux en cuivre sont disponibles en grandes longueurs, ils peuvent être pliés et travaillés facilement dans le cas de petits diamètres. On peut ainsi poser des sections plus importantes dans un réseau d’un seul tenant. Le nombre de raccords est réduit, le risque de fuites également.
Les tuyaux en cuivre résistent à la corrosion. Ils accusent une chute de pression moins importante en raison de leur parois intérieures plus lisses.
Désavantages
Les tuyaux en cuivre doivent être posés par un installateur expérimenté car les tuyaux sont généralement soudés avec des robinetteries. Les raccords ne peuvent plus être démontés.
Le matériau est cher, mais de nombreuses pièces préfabriquées sont disponibles, car les tuyaux en cuivre sont également utilisés dans le domaine du sanitaire.
Il faut tenir compte de l’expansion thermique du cuivre dans le cas des conduites de grandes dimensions. Le coefficient de dilatation thermique est plus important que celui de l’acier.
Lorsque l’air comprimé est humide, les particules de cuivre peuvent provoquer la production locale d’éléments galvaniques dans les tuyaux qui les suivent. Des piqûres de corrosion en résultent, il peut également arriver qu’il se forme du vitriol de cuivre.
166
Le réseau de distribution
9.6.5
Tuyaux en matières synthétiques
Figure 9.17:
Exemple de pièces et accessoires de tuyauterie en matière synthétique
Plusieurs fabricants commercialisent des tuyaux en matières synthétiques constitués de différents matériaux pour les systèmes de tuyauteries. Il existe également des tuyaux en polyamide, qui supportent des pressions importantes, et des tuyaux en polyéthylène, prévus pour les sections de grandes dimensions. On dispose donc de tuyaux en plastique appropriés
à presque tous les domaines d’applications et proposant les propriétés correspondantes. Il est par conséquent difficile de fournir des informations présentant un caractère général sur les dimensions, la pression et la température de service.
Avantages
Tous les types de revêtements de protection sont inutiles, car les tuyaux en plastique ne rouillent pas. Leur poids, 85% plus léger que l’acier, simplifie le montage et les supports de tuyaux sont meilleur marché.
La surface intérieure est très lisse. La résistance au flux est faible (faible chute de pression) et les dépôts tels que le calcaire, la rouille et la calamine n’ont aucune chance de s’incruster.
Les tuyaux en plastique sont généralement inoffensifs sur le plan toxique et hygiénique.
Il existe un grand nombre de pièces préfabriquées et d’accessoires pour les tuyauteries en matières synthétiques, en PVC ou en matériaux similaires. Le montage est très simple. Les éléments de tuyaux sont emboîtés les uns dans les autres et isolés au moyen d’une colle spéciale. Il n’est pas utile de posséder de connaissances particulières pour effectuer le montage. Les pertes de pression et les fuites sont généralement très faibles dans les conduites en matières synthétiques.
Désavantages
Les tuyauteries en PVC bon marché acceptent une pression de service maximale de 12,5 bar à 25°C. Il faut particulièrement tenir compte du fait que, dans le cas de ces tuyaux, la pression de service maximale diminue grandement lorsque la température augmente. Il est donc déconseillé de les installer dans les zones chaudes d’une station de compresseurs, il faut aussi les protéger contre les rayons du soleil.
Les tuyaux en matières synthétiques ont un coefficient de dilatation thermique important, mais leur résistance mécanique n’est pas particulièrement élevée.
Tous les plastiques ne résistent pas à certains condensats et types d’huiles. Il faut donc vérifier auparavant la composition du condensat dans le réseau d’air comprimé.
Les tuyaux en matières synthétiques pour hautes pressions ou de grand diamètre ne sont pas fabriqués en grandes quantités. Ils sont donc onéreux et le nombre de pièces préfabriquées est restreint. Il faut faire appel à un soudeur de plastiques expérimenté pour réaliser le montage de ces tuyaux.
167
Le réseau de distribution
9.7
Marquage des conduites
Produit
Air
Eau
Liquide combustible
Gaz
Vapeur d’eau
Acide
Lessive
Oxygène
Identificateur de groupe
3
1
8
4/5
2
6
7
0
Les conduites de tuyaux doivent être identifiées clairement en fonction du type de produit qu’elles transportent, conformément
à la législation en vigueur et à la norme DIN 2403. Une identification claire simplifie également l’entretien, la planification des extensions et la lutte contre les incendies.
L’identification a pour but d’attirer l’attention sur les dangers, afin d’éviter les accidents et les préjudices physiques. De plus, une identification correcte permet de repérer plus facilement les conduites dans le cas de réseaux compliqués. C’est la raison pour laquelle il faut également toujours indiquer le sens du courant du produit.
La norme DIN 2403 définit les critères d’identification, composés de groupes de chiffres et de couleurs.
Couleur
gris vert marron jaune rouge orange violet bleu
Code de couleur
RAL 7001
RAL 6018
RAL 8001
RAL 1013
RAL 3003
RAL 2000
RAL 4001
RAL 5015
Air comprimé
Figure 9.18:
Panneau indicateur et texte en clair
Figure 9.19:
Panneau indicateur avec identificateurs
Les marquages en couleur et les textes doivent figurer à des endroits précis :
– marquage au début de la conduite
– marquage à la fin de la conduite
– marquage aux embranchements
– marquage aux passages de murs
– marquage sur les accessoires et les distributeurs
– identification en couleur sur le parcours de la conduite au moyen d’anneaux de couleur ou de bandes peintes sur toute sa longueur
Panneaux d’identification
Sens du courant
Couleur correspondant au code de couleur du produit
Numéro de sous-groupe (différents réseaux de conduites)
Numéro de groupe du produit
168
10.
Le local technique du compresseur
Le local technique du compresseur
Le local dans lequel le compresseur est installé doit satisfaire
à certaines conditions afin que le bon fonctionnement de l’installation soit garanti. Pour pouvoir interpréter l’importance d’un emplacement bien planifié et bien réalisé, il faut savoir que près des 2/3 de tous les dérangements de compresseurs résultent d’une mauvaise installation, d’une aération insuffisante et d’une maintenance mal faite.
Il faut en outre respecter les règlements généraux relatifs à la prévention des accidents et à la protection de l’environnement.
10.1
Refroidissement du compresseur
9 %:
échauffement du moteur
100 %:
électricité absorbée dans le réseau
75 %: radiateur d’huile
4 %: chaleur rés.
dans l’air compr.
13 %: radiateur aux. d’air comprimé
1 %: dissipation thermique
95 % de l’énergie absorbée est
évacuée par le réfrigérant
(eau/air)
Figure 10.1 :
Répartition de la chaleur dans un compresseur à vis refroidi par injection d’huile
Lorsque l’on planifie une station de compresseurs, il faut considérer qu’une grande quantité de chaleur est générée par le compresseur lors de la compression. Selon le premier principe de la thermodynamique, la totalité de l’énergie électrique consommée par le compresseur est convertie en chaleur.
Si cette chaleur n’est pas correctement évacuée, il se produit un bouchon de chaleur dans le compresseur. Si la température qui règne à l’intérieur du compresseur reste excessive trop longtemps, des dommages mécaniques se produiront dans l’étage du compresseur et dans le moteur d’entraînement.
L’alimentation en air ou en eau de refroidissement peut être réalisée de deux manières différentes.
– Refroidissement par air
Le refroidissement par air est largement répandu sur tous les types de compresseurs. La ventilation du local technique du compresseur revêt dans ce cas une importance essentielle. Elle doit être étudiée et réalisée avec grand soin. Des problèmes thermiques sont sinon préprogrammés sur le compresseur.
– Refroidissement par eau
Le refroidissement par eau peut s’avérer nécessaire sur les gros compresseurs, lorsque le système de refroidissement par air n’est pas en mesure d’évacuer entièrement la chaleur.
Le refroidissement par eau pose des exigences moins sévères à la salle du compresseur.
Les exigences et prescriptions en vigueur pour les locaux techniques de compresseurs refroidis par air seront traitées dans ce chapitre. Tous les points s’appliquent également aux compresseurs refroidis par eau, à l’exception des remarques relatives à la ventilation.
169
Le local technique du compresseur
10.2
Installation du compresseur
10.2.1
Remarques générales sur la salle du compresseur
K o m p r e s s o r e n
K o m p r e s s o r e n
Certaines conditions doivent être respectées lorsqu’un compresseur et les éléments qui composent une station de compresseurs sont installés. Des dérangements ou des pannes se produiront si elles ne sont pas observées. Il faut en outre respecter les règlements de prévoyance contre les accidents et les règles de protection de l’environnement.
Le local technique du compresseur doit être propre, sans poussière, sèche et fraîche. Eviter les rayonnements directs du soleil. Il est conseillé d’installer le local technique du compresseur dans une pièce située au nord du bâtiment ou dans une cave bien ventilée.
Ne pas installer des tuyauteries ou des matériels dégageant de la chaleur dans le local technique du compresseur. Il est nécessaire de bien les isoler si leur présence est inévitable.
Un accès aisé et un éclairage suffisant doivent être garantis pour que les services techniques puissent effectuer la maintenance et les habituels contrôles périodiques des réservoirs d’air comprimé.
Le local technique du compresseur doit toujours disposer d’une ventilation suffisante pour éviter tout dépassement des températures ambiantes admissibles.
Figure 10.2 :
Station de compresseur composée de 2 compresseurs à vis, d’un sécheur d’air comprimé par réfrigération, d’un réservoir d’air comprimé et d’un séparateur huile/eau.
10.2.2
Température ambiante admissible
Les compresseurs fonctionnent de manière optimale à une température ambiante de +20° à +25°C. Les températures suivantes sont prescrites pour les compresseurs à vis :
– +5°C minimum. Lorsque la température ambiante descend en dessous de +5°C, les conduites et soupapes peuvent geler, causant des dommages sur le compresseur. Les compresseurs à vis s’arrêtent automatiquement lorsque la température passe en dessous de la température finale de compression admissible.
Un système de protection additionnel contre le gel autorise des températures ambiantes de l’ordre de -10°C.
– +40°C, ou +35°C maximum pour les compresseurs à pistons insonorisés. Lorsque la température ambiante dépasse la valeur maximale, il peut arriver que la température de sortie de l’air comprimé excède la valeur maximale prescrite par le législateur. La qualité de l’air comprimé se dégrade, les
éléments du compresseur sont exposés à des contraintes plus élevées et les intervalles de maintenance sont raccourcis. Les compresseurs à vis s’arrêtent automatiquement lorsque la température de compression finale est dépassée.
170
Le local technique du compresseur
10.2.3
Règles de protection contre les incendies pour les locaux techniques des compresseurs
10.2.4
Elimination du condensat
Les règles suivantes sont appliquées pour les locaux abritant les compresseurs refroidis par injection d’huile.
– Le local doit être équipé d’une protection spéciale contre les incendies s’il abrite un compresseur dont la puissance
excède 40 kW
.
– Les compresseurs dont la puissance dépasse 100 kW doivent être installés dans un local protégé contre le feu.
Exigences demandées aux locaux techniques de compresseurs protégés contre le feu :
– les murs, les plafonds et les sols doivent présenter au moins la classe de protection incendie F30.
– ne pas stocker de produits inflammables dans le local technique du compresseur.
– le sol, autour du compresseur, doit être constitué d’un matériau ignifuge.
– il ne faut pas que des fuites d’huile puissent se répandre sur le sol.
– aucun matériau inflammable ne doit se trouver dans un périmètre de trois mètres au moins autour du compresseur.
– des éléments inflammables, tels que des faisceaux de câbles ne doivent pas passer sur le compresseur.
L’air aspiré contient de l’eau sous forme de vapeur, il s’agit du condensat généré lors de la compression. Ce condensat contient de l’huile qu’il est interdit de déverser dans les égouts sans traitement préalable.
Il est impératif de respecter les prescriptions de traitement des eaux usées en vigueur sur le site d’exploitation.
BOGE conseille l’ÖWAMAT pour traiter le condensat. L’eau nettoyée peut être évacuée dans le système de canalisations urbain. L’huile, récupérée dans un réservoir, doit être remise aux entreprises de traitement compétentes.
171
Le local technique du compresseur
10.2.5
Conseils d’installation du compresseur
Il est nécessaire d’observer certaines règles générales en matière de ventilation lorsque l’on installe un compresseur.
– Un sol industriel sans fondation est suffisant pour installer un compresseur ou un réservoir d’air comprimé. Il est généralement inutile de mettre en oeuvre des éléments de fixation spéciaux.
– Il est dans tous les cas conseillé de monter le compresseur sur un support élastique afin d’éviter toute transmission de vibrations à la fondation et une répercussion du bruit du compresseur sur d’autres parties du bâtiment.
– Le raccordement du compresseur au réseau de conduites doit être réalisé au moyen d’un tuyau haute pression BOGE de 0,5 m de long environ. La transmission des vibrations du compresseur au réseau d’air comprimé est ainsi évitée et les écarts de montage dus à la pose des conduites sont compensés.
– Si le site d’installation est très poussiéreux, le compresseur doit être équipé de filtres d’aspiration en papier. L’usure du compresseur est ainsi minimisée.
– Le compresseur ne doit en aucun cas être recouvert de capots ou de boîtiers. Ces mesures provoquent toujours des problèmes thermiques. Le capot de protection antibruit
BOGE, étudié spécialement pour chaque type de compresseur, fait exception à cette règle.
10.2.6
Aération
Montage le long du mur
Montage e n angle
A l i m .
en air
Encombrement d’un compresseur
Face exploitation
Connex.
en air compr.
Un compresseur présente un certain encombrement, dépendant de sa construction et de son type. Un espace minimum défini doit être ainsi respecté tout autour du compresseur.
– Il faut installer le compresseur de manière à ce qu’il soit parfaitement accessible pour effectuer les opérations de manutention et de maintenance.
– Pour assurer le refroidissement d’un compresseur, il faut respecter un certain écartement entre le ventilateur ou le radiateur et le mur ou les accessoires les plus proches.
L’efficacité du ventilateur ou du radiateur en souffrent sinon et le refroidissement nécessaire n’est plus garanti.
– Lorsque plusieurs compresseurs sont installés les uns à côté des autres, l’air de refroidissement échauffé par un compresseur ne doit pas être aspiré par un autre.
Figure 10.3 :
Encombrement d’un compresseur à vis insonorisé de type S 21 - S 30
L’écartement minimum par rapport aux murs et aux appareils et accessoires voisins varie selon les types et les modèles de compresseurs. Il est spécifié dans les instructions de service des différents appareils.
172
10.2.7
Conditions d’installation des réservoirs d’air comprimé
Le local technique du compresseur
Certaines règles de prévention contre les accidents doivent être respectées lorsqu’un réservoir d’air comprimé est installé.
– Protéger le réservoir d’air comprimé contre tout risque de détérioration d’origine mécanique (chute d’objets, etc.).
– Le réservoir d’air comprimé et ses équipements doivent pouvoir être commandés en toute sécurité à une distance suffisante.
– Respecter les zones et espacements de sécurité.
– Le réservoir d’air comprimé doit reposer sur une assise stable. Il ne faut pas qu’il puisse bouger ou basculer sous l’action de forces extérieures. Le poids supplémentaire lors de l’essai de pression devra être également considéré ! Une fondation renforcée sera éventuellement nécessaire pour les réservoirs d’air comprimé de grandes dimensions.
– La plaque du constructeur doit être parfaitement lisible.
– Les réservoirs d’air comprimé doivent être bien protégés contre la corrosion.
– Les réservoirs verticaux sont transportés horizontalement dans la salle des compresseurs et placés sur deux pieds. Il faut donc tenir compte de la diagonale du réservoir (hauteur de redressement) lorsque la hauteur du réservoir est mesurée. Si elle est inférieure à la hauteur de la pièce, le réservoir ne pourra pas être installé.
173
Le local technique du compresseur
10.3
Ventilation de la station de compresseurs
10.3.1
Facteurs influençant le courant d’air de refroidissement V
C
d’un compresseur
Un courant d’air de refroidissement V
C
suffisant représente une condition essentielle pour le fonctionnement d’un compresseur refroidi par air. La chaleur générée par le compresseur doit pouvoir
être évacuée à tout moment de manière fiable. Il existe trois possibilités de ventilation en fonction du type et du modèle de compresseur.
– Ventilation naturelle
Ventilation par les entrées et les sorties d’air situées sur les parois latérales ou au plafond, sans l’assistance d’un ventilateur.
– Ventilation artificielle
Ventilation par les entrées et les sorties d’air situées sur les parois latérales et au plafond, assistée d’un ventilateur.
– Canaux d’entrée et de sortie de l’air
Ventilation au moyen des gaines appropriées, généralement avec l’assistance d’un ventilateur aspirant.
– Sur les compresseurs refroidis par eau, la chaleur principale est évacuée par l’eau de refroidissement. La chaleur résiduelle (irradiée par le moteur) doit être évacuée par l’air de refroidissement.
Un compresseur génère une certaine quantité de chaleur en fonction de sa puissance. Sur les compresseurs refroidis par air, cette chaleur doit être évacuée par un courant d’air de refroidissement V
C
.
L’importance du courant d’air de refroidissement V
C
est influencée par plusieurs facteurs qui viennent d’ajouter à la puissance d’entraînement du compresseur.
– Chaleur de transmission
Une partie de la chaleur générée est évacuée par les murs de la salle du compresseur (y compris les portes et les fenêtres) sous forme de chaleur de transmission. La constitution des murs, du plafond, du sol, des portes et des fenêtres influencent grandement le courant d’air de refroidissement V
C
.
– Température ambiante
Plus la température de la salle du compresseur est élevée, plus les besoins en air de refroidissement seront importants.
– Gradient de température
Plus la différence de température
∆t entre la température extérieure et la température intérieure est élevée, plus les besoins en air de refroidissement seront faibles.
– Hauteur et surface de la pièce
Plus les dimensions de la pièce sont importantes, plus la chaleur générée se répartit. Il en résulte une réduction des besoins en air de refroidissement.
174
Le local technique du compresseur
10.3.2
Définition des facteurs influençant le courant d’air de refroidissement
V
C
d’un compresseur
Pour obtenir des valeurs de courant d’air de refroidissement V
C
à caractère général, les conditions marginales suivantes, qui influencent le volume d’air de refroidissement V
C
sont déterminées.
nécessaire,
– Température ambiante
– Gradient de température
∆
35°C = 308 K
10 K
– Epaisseur de mur 25 cm
Les murs d’enceinte sont des murs en brique, homogènes, sans portes ni fenêtres.
– Hauteur et dimensions de la pièce.
On considère une hauteur de murs de trois mètres, la pièce présentant une surface inférieure à 50 m².
Les conditions marginales déterminées partent des températures de l’environnement les plus défavorables pour le compresseur. Ces conditions étant généralement plus favorales dans la salle du compresseur, les valeurs ainsi déterminées peuvent donc être appliquées pour le volume d’air de refroidissement V
C
.
Si le volume d’air de refroidissement conseillé V
C
est assuré pour le compresseur, aucun problème thermique ne surgira.
175
Le local technique du compresseur
10.3.3
Informations générales relatives
à la ventilation des locaux techniques de compresseurs
Ce chapitre développe les conditions les plus importantes auxquelles un local renfermant un ou plusieurs compresseurs refroidis par air doit satisfaire sur le plan de la ventilation. Ces conditions se basent sur les exigences spécifiées dans la fiche de spécifications VDMA 4363 „Ventilation des locaux techniques de compresseurs refroidis par air“.
Figure 10.4 :
Disposition des ouvertures d’entrée et de sortie de l’air
Evacuation de l’air
éventuellement avec un ventilateur
Entrée de l’air par les f e n ê t r e s
Figure 10.5 :
Local contenant trois compresseurs insonorisés
– L’air chaud monte. Pour qu’il soit possible d’obtenir un
échange de chaleur efficace, il faut que les ouvertures d’entrée de l’air froid soient disposées à proximité du sol et que les ouvertures de sortie d’air se trouvent au plafond ou dans la
partie supérieure
d’un mur latéral.
– Le compresseur doit être installé à proximité de l’ouverture d’entrée d’air A
in
de manière à ce qu’il aspire l’air pour la compression et l’air froid pour la ventilation directement à partir de l’ouverture d’entrée d’air A
in
.
– Le compresseur doit être installé de manière à ce qu’il ne puisse pas réaspirer l’air chaud qu’il a évacué.
– Les ouvertures ou les gaines d’aspiration du compresseur doivent être disposées de sorte que des mélanges dangereux
(par exemple des produits explosifs ou instables sur le plan chimique) ne puissent pas être aspirés.
– Le volume d’air évacué par le compresseur devrait s’écouler au-dessus du réservoir d’air comprimé (si disponible) vers l’ouverture de sortie de l’air A
out
. Les accessoires installés dans le local technique du compresseur doivent être disposés en conséquence.
– Des volets réglables doivent être installés dans les ouvertures d’entrée d’air A
in
L’apport d’air froid venant de l’extérieur peut être ainsi réduit et la température ne descend pas au dessous du seuil minimum en hiver. Si cette mesure n’est pas suffisante, le compresseur devra être équipé de son propre système de chauffage. BOGE fournit les accessoires nécessaires pour ce faire.
– Lorsque plusieurs compresseurs sont installés dans une pièce, il faut s’assurer qu’ils ne s’influencent pas mutuellement sur le plan thermique. Si un compresseur aspire l’air évacué par un autre compresseur, un réchauffement de l’appareil en résulte. La ventilation doit couvrir la totalité des besoins en air ventilé de tous les compresseurs. La condition idéale consisterait à ce que chaque compresseur dispose de sa propre ouverture d’entrée d’air, adaptée à sa taille.
176
10.3.4
Ventilation naturelle
10.3.4.1 Ouverture de sortie d’air nécessaire dans le cas d’une ventilation naturelle
A
in
C
Figure 10.6 :
Ventilation naturelle d’un local contenant un compresseur à vis BOGE
A
out
Le local technique du compresseur
La ventilation naturelle consiste à commander la circulation de l’air par une ouverture d’entrée d’air A
in
d’air A
out
et une ouverture de sortie
situées dans les parois latérales du local. L’échange de chaleur est réalisé sous l’action unique de la circulation naturelle de l’air, car l’air chaud monte. Pour permettre une ventilation suffisante, il faut que l’ouverture d’entrée d’air se trouve aussi bas que possible en dessous de l’ouverture de sortie d’air.
Cette méthode de ventilation a fait ses preuves pour les compresseurs développant jusqu’à 22 kW. Des problèmes de ventilation pourront se produire sur les petits compresseurs en fonction des conditions ambiantes qui règnent dans le local technique du compresseur.
Un courant d’air de refroidissement V
C
suffisant ne peut être obtenu que si les ouvertures d’entrée et de sortie de l’air sont bien dimensionnées.
Les valeurs indiquées dans le tableau ci-dessous se basent sur les exigences énoncées dans la fiche de spécifications
VDMA 4363 „Ventilation des locaux techniques de compresseurs refroidis par air“.
Puissance Volume d’air froid Ouvertures d’air d’entraînécessaire de ventil. nécessaire nement P V
C
A
in
et A
out
[ kW ] [ m³/h ] [ m² ]
3,0
4,0
5,5
7,5
11,0
15,0
18,5
22,0
1350
1800
2270
3025
3700
4900
6000
7000
0,20
0,25
0,30
0,40
0,50
0,65
0,75
0,90
Il faudrait en principe que l’ouverture d’entrée d’air A
in
sortie d’air A
out
et de
soient de dimensions identiques. Le volume d’air de refroidissement doit passer par les deux ouvertures. Si l’on considère que des volets, des grilles et autres obstacles obtruent les ouvertures d’entrée d’air, leur taille devrait être de
20% supérieure à celle de l’ouverture de sortie d’air A
out
. Il est probable que la température ambiante admissible soit sinon dépassée.
Remarque
Lorsque le volume d’air de refroidissement V
C
est défini pour la station de compresseurs, il faut également tenir compte des besoins en air ventilé exigés par le sécheur d’air comprimé ou le sécheur par adsorption à régénération avec chaleur.
177
Le local technique du compresseur
10.3.5
Ventilation artificielle
A
in
D
V
Ventilateur
Figure 10.7 :
Ventilation artificielle d’un local renfermant un compresseur à vis BOGE
Dans de nombreux cas, la ventilation naturelle du local technique du compresseur ne suffit pas. Le courant d’air de refroidissement est insuffisant en raison de conditions de construction et/ou de la grande puissance du compresseur installé. Dans ces cas, l’air chaud doit être évacué à l’aide d’un ventilateur.
La ventilation artificielle accélère la vitesse de flux de l’air froid dans la salle du compresseur et garantit le volume nécessaire grâce à la ventilation forcée. On obtient des réserves plus importantes lorsque la température extérieure est élevée.
L’ouverture d’entrée de l’air doit être adaptée à la puissance du ventilateur.
Pour des raisons économiques, la mise en service du ou des ventilateurs doit être assurée par un thermostat en fonction de la température qui règne dans la pièce. Plus la température est
élevée, plus le ventilateur est sollicité.
10.3.5.1 Puissance de ventilation exigée pour la ventilation artificielle
Le volume d’air de refroidissement nécessaire V
C
résulte, comme dans le cas de la ventilation naturelle, de la puissance du compresseur installé. La chaleur générée par le compresseur doit être évacuée de manière fiable. Le débit du ventilateur D
V
est supérieur de 15% environ à la quantité d’air de refroidissement nécessaire V
C
. Une ventilation parfaite est ainsi également assurée en plein été.
Les valeurs indiquées dans le tableau ci-dessous se basent sur les exigences énoncées dans la fiche de spécifications
VDMA 4363 „Ventilation des locaux techniques de compresseurs refroidis par air“.
Puissance
d’entraînement
P
[ kW ]
37,0
45,0
55,0
65,0
75,0
90,0
110,0
132,0
4,0
5,5
7,5
11,0
15,0
18,5
22,0
30,0
160,0
200,0
250,0
Débit de ventilateur nécessaire
D
V
[ m³/h ]
11000
14000
17000
20000
23000
28000
34000
40000
1800
2270
3025
3700
4900
6000
7000
9500
50000
62000
70000
178
10.3.5.2 Ouverture d’entrée d’air nécessaire pour la ventilation artificielle
Le local technique du compresseur
Dans le cas de la ventilation artificielle, l’extracteur d’air détermine la taille de l’ouverture de sortie de l’air.
L’ouverture nécessaire pour un extracteur d’air est généralement de dimensions beaucoup plus réduites que celle nécessaire pour la ventilation naturelle.
La taille de l’ouverture d’entrée d’air A
in
dépend du débit du ventilateur D
V
et de la vitesse maximum de l’air v l’ouverture d’entrée.
S
dans
Il est conseillé d’effectuer le calcul avec une vitesse d’air de
v
S
= 3 m/s
. Si, pour des raisons de construction, il n’est pas possible de réaliser des ouvertures de sortie d’air aux dimensions souhaitées, une vitesse d’air de v
S
admissible.
= 5 m/s
est également
La formule suivante permet de calculer la taille minimale de l’ouverture d’entrée d’air :
A
in
=
D
V
—————
3600
S
m³/h m² = ———————
3600 s/h
××××× m/s
A in
D
V v
S
= Section min. de l’ouverture d’entrée
= Débit du ventilateur
= Vitesse maximale de l’air
[m³]
[m³/h]
[m/s]
Remarque
Quand on choisit un extracteur d’air, il faut considérer que le volume d’air froid est soumis aux mêmes lois physiques que celles qui régissent l’air comprimé. Lorsque l’air froid s’écoule dans les canaux et ouvertures, la pression dynamique
∆ de pression) augmente quand la vitesse du flux augmente. Un ventilateur peut uniquement supporter une pression dynamique inférieure à sa pression superficielle. Si la pression dynamique est supérieure à la pression superficielle, aucun débit ne peut
être généré.
La pression dynamique maximale est déterminée à partir de la forme et de la taille des ouvertures d’entrée et de sortie et des canaux correspondants (si disponibles). Il faut également tenir compte de la vitesse de l’air.
simples ne disposant pas de dérivations défavorables (pose des gainages).
179
Le local technique du compresseur
10.3.5.3 Exemple de ventilation artificielle d’une station de compresseurs
Un compresseur à vis de type S 21 doit fonctionner avec un sécheur d’air comprimé par réfrigération D 27 dans un local de dimensions réduites. Les conditions de construction rendent toute ventilation naturelle impossible. Il est nécessaire de réaliser une ventilation artificielle assurée par un ventilateur.
R 1
R 1
Figure 10.8 :
Station de compresseurs composée d’un compresseur à vis, d’un sécheur d’air comprimé par réfrigération et d’un réservoir d’air comprimé
Compresseur à vis BOGE de type S 21
Débit réel D : 2,42 m³/min.
Puissance moteur : 15kW
Air de refroidissement nécessité D
V1
: 4900 m³/h
(Cf. page 178 )
Sécheur d’air comprimé par réfrigération de type D 27
Débit réel D : 2,66 m³/min.
Air de refr. nécessité D
V2
: 770 m³/min.
(voir fiche technique)
Il faut additionner les deux volumes d’air froid pour obtenir la puissance de ventilateur qu’il sera nécessaire d’installer dans le local technique du compresseur.
Puissance du ventilateur D
Vtot
: 5670 m³/h
L’ouverture d’entrée d’air est calculée à partir de la puissance du ventilateur D
Vtot
v
S
= 3 m/s
:
et de la vitesse de courant maximale
A
in
=
A
A
in in
=
=
D
Vtot
—————
3600
××××× v
S
5670
—————
3600
××××× 3
0,525 m²
A in
= Surface min. de l’ouverture d’entrée
D
Vtot
= Débit du ventilateur v
S
= Vitesse d’air maximale
[m³]
[m³/h]
[m/s]
Il faudra installer un ventilateur développant 5670 m³/h dans le local technique du compresseur (tenir compte de la pression dynamique des ouvertures lors du choix du ventilateur).
L’ouverture d’entrée d’air A
in
devra mesurer au moins 0,525 m².
180
Le local technique du compresseur
10.3.6
Alimentation en air froid avec gainage d’entrée et de sortie
Figure 10.9 :
Passage de l’air froid dans un compresseur à vis
BOGE de la série S 21 - S 150
L’alimentation en air de refroidissement par le gainage d’entrée et de sortie d’air représente une solution élégante pour résoudre les problèmes thermiques dans la salle du compresseur.
Les compresseurs insonorisés permettent de réaliser une ventilation canalisée. L’air de refroidissement passe au dessus du compresseur, puis il est focalisé avant d’être évacué. Les compresseurs à vis BOGE sont équipés d’un ventilateur d’air de refroidissement générant une pression superficielle de 60 Pa env. (colonne d’eau de 6 mm env.). Il est donc en mesure d’expulser l’air de sortie par un gainage de 5 m de longueur approximativement et présentant la section de gainage conseillée.
Les gainages peuvent être raccordés sans difficulté aux ouvertures du capot d’insonorisation. Il n’est généralement pas nécessaire d’installer un ventilateur par évacuation d’air supplémentaire dans le gainage.
Les gainages d’air froid évacuent l’air de refroidissement à l’extérieur. Ils peuvent être aussi utilisés pour assurer le chauffage en hiver, en installant un dispositif de clapets approprié. Il est conseillé de récupérer une partie de l’air de réfrigération chaud dans le local technique du compresseur si ce dernier n’est pas chauffé en hiver.
10.3.6.1 Gainage de l’admission d’air
Il est également possible d’alimenter le compresseur en air froid au moyen d’un gainage. Un canal d’air d’alimentation réduit cependant le débit d’aspiration (pression dynamique) et se répercute négativement sur le rendement du compresseur. Une canalisation d’air sera donc uniquement conseillée dans les cas suivants énoncés ci-dessous.
– Environnement impur
L’air aspiré sur le site du compresseur contient un grand nombre de particules, de la poussière, des impuretés chimiques ou présente une humidité élevée. Dans ces conditions, il est conseillé d’aspirer l’air directement à l’extérieur ou dans une zone propre du bâtiment.
– Température ambiante élevée
La température sur le site d’exploitation du compresseur est beaucoup plus élevée que dans les pièces voisines ou en dehors du bâtiment. Ceci se produit lorsque toutes sortes de machines chauffent dans le local technique du compresseur.
181
Le local technique du compresseur
10.3.6.2 Evacuation de l’air par gaine
A
in
d’évacuation
A
C
V
•
A
Les locaux techniques de compresseurs contenant des unités individuelles peuvent être généralement refroidis au moyen d’un extracteur d’air ou par ventilation naturelle. Si plusieurs compresseurs sont installés dans la même pièce, il est toujours conseillé d’utiliser des conduites d’air de refroidissement.
Grâce à ces gaines, la pièce est moins chauffée par la chaleur dégagée par les compresseurs.
La différence de température
∆ représente approximativement 20 K. La vitesse de l’air dans la gaine d’évacuation ne devrait pas excéder 6 m/s. La section du canal est donc largement inférieure à celle pratiquée dans le mur pour la ventilation naturelle ou artificielle.
Figure 10.10 :
Evacuation de l’air dans une pièce contenant un compresseur à vis BOGE par une gaine d’évacuation de l’air froid à l’extérieur
10.3.6.3 Volume d’air froid nécessaire D
A
et section de canal A
C
d’évacuation
avec gaine
Les valeurs spécifiées dans le tableau ci-dessous pour le volume d’air de refroidissement nécessaire D
A
avec gaine se basent sur les exigences énoncées dans la fiche de spécifications
VDMA 4363 „Ventilation des locaux techniques de compresseurs refroidis par air“. On suppose une augmentation de la température de l’air de refroidissement de Dt = 20 K.
Le calcul utilisé pour définir la section de canal nécessaire A
C
se base sur une pression dynamique maximum de 50 Pa
(colonne d’eau de 5 mm) dans le canal. Ceci représente environ
5 m dans une gaine d’évacuation rectiligne sans modifications de direction ni réducteurs ou éléments rapportés pour une vitesse d’air de 4 à 6 m/s.
Puissance d’entraînement
P
[ kW ]
37,0
45,0
55,0
65,0
75,0
90,0
110,0
132,0
4,0
5,5
7,5
11,0
15,0
18,5
22,0
30,0
160,0
200,0
250,0
Volume d’air froid nécessaire avec gaine d’évacuation
D
A
[ m³/h ]
6500
6500
8000
8600
9200
16000
16000
24400
800
1000
1300
1700
2900
4500
4500
4500
24400
27800
33600
Section de canal nécessaire
A
C
[ m² ]
0,41
0,48
0,59
0,64
0,68
0,85
1,11
1,24
0,08
0,10
0,13
0,13
0,15
0,23
0,26
0,33
1,61
2,06
2,49
182
10.3.6.4 Remarques relatives à la ventilation par gaines
Le local technique du compresseur
Dans les gainages, tous les objets tels que les dérivations, les filtres, les clapets de volets, les coudes et les silencieux provoquent un accroissement de la résistance hydraulique et freinent ainsi l’écoulement de l’air. Si la gaine contient de nombreux obstacles sur une grande longueur, la section de gaine libre recommandée devra être vérifiée par un spécialiste.
Certaines mesures de protection contre les incendies sont prescrites pour éviter la propagation des incendies par les gaines de ventilation. La norme DIN 4102, partie 6, exige le montage de clapets de protection incendie à fermeture automatique lorsque les gaines de ventilation traversent un mur.
La pression dynamique peut être supérieure à 50 Pa (5 mm WS) lorsque le gainage présente un tracé défavorable ou qu’il est très long. Dans ce cas, il est possible que le ventilateur d’air de refroidissement d’un compresseur à vis ne puisse plus surmonter la pression dynamique qui règne dans la gaine. Cela signifie que le volume d’air de refroidissement s’immobilise, interrompant ainsi le refroidissement entier du compresseur. Dans ce cas, il faut prévoir un ventilateur d’appoint supplémentaire.
Les clapets d’alimentation et d’évacuation d’air ainsi que les ventilateurs doivent, pour des raisons économiques, être commandés via un thermostat situé dans la salle du compresseur.
Ne jamais monter directement les gaines d’air de refroidissement sur la structure du compresseur. Utiliser toujours des compensateurs qui permettent d’éviter les tensions et la transmission des vibrations.
Un gainage d’air de refroidissement revêtu d’un matériau isolant transmet moins de chaleur à son environnement et amortit ainsi les bruits supplémentaires, évacués hors du compresseur en même temps que l’air de refroidissement.
Généralement, BOGE conseille de confier la conception des gainages et l’exécution des travaux à une entreprise spécialisée.
Dans le cas des installations composées de plusieurs compresseurs, il faut que chaque compresseur dispose de sa propre gaine d’alimentation et d’évacuation d’air.
Lorsqu’une gaine commune est utilisée pour plusieurs compresseurs, il faut prévoir des clapets anti-retour à déclenchement automatique pour éviter que l’air de refroidissement chaud ne passe sur un compresseur à l’arrêt et ne réchauffe l’air d’alimentation.
183
Le local technique du compresseur
10.3.6.5 Dimensionnement de l’ouverture d’entrée d’air en association avec une gaine de sortie de l’air
La taille de l’ouverture d’entrée d’air A
in
de refroidissement D
A
v
S
dans l’ouverture elle-même.
dépend du volume d’air
et de la vitesse d’écoulement maximale
Il est conseillé d’effectuer le calcul avec une vitesse d’air de
v
S
= 3 m/s
. Si, pour des raisons de constuction, il n’est pas possible de réaliser des ouvertures d’entrée d’air aux dimensions souhaitées, une vitesse d’air de v
S
admissible.
= 5 m/s
est également
La formule suivante permet de calculer l’ouverture d’entrée d’air minimale :
A
in
=
D
A
—————
3600
S
m³/h m² = ———————
3600 s/h
××××× m/s
A in
D
A v
S
= Surface min. de l’ouverture de sortie [m²]
= Volume d’air froid dans la gaine de sortie
= Vitesse de courant maximale
[m³/h]
[m/s]
184
Le local technique du compresseur
10.3.6.6 Variantes de ventilation canalisée
Air chaud
L’air chaud est évacué directement à l’extérieur par la gaine. Il est conseillé de choisir cette possibilité lorsque des températures élevées règnent dans le local technique du compresseur.
Figure 10.11 :
Evacuation de l’air à l’extérieur via un gainage
Air chaud
Mode „Eté“
Air chaud
Mode „Hiver“
Figure 10.12 :
Gaine d’évacuation avec clapet de circulation
La gaine d’évacuation transporte l’air de refroidissement chaud directement à l’extérieur. Lorsqu’il fait froid dans la salle du compresseur, l’air ambiant est mélangé à l’air chaud au moyen d’un clapet de circulation. La ventilation de circulation permet de protéger l’installation contre le gel lorsque les températures extérieures sont inférieures à zéro degré. Un chauffage auxiliaire est également conseillé pour protéger le compresseur contre le gel dans la phase de démarrage.
Cette méthode exige également la réalisation d’une ouverture de sortie d’air dimensionnée en fonction du volume à évacuer, en plus de la gaine de sortie d’air.
Air chaud
Mode „Hiver“
Air chaud
Mode „Eté“
Entrée d e l’air
Figure 10.13 :
Utilisation de l’air froid réchauffé pour le chauffage
En hiver, les gaines permettent de véhiculer l’air chaud produit par le compresseur pour chauffer complètement ou partiellement les différentes pièces d’un bâtiment. Lorsque les températures sont élevées (en été), le gaine d’évacuation expulse l’air chaud directement à l’extérieur.
Dans le cas de cette méthode, l’air d’alimentation est généralement aspiré à partir des pièces chauffées, de l’air tempéré étant ainsi aspiré en quantité suffisante, même lorsque la température ambiante est basse. De cette manière, le compresseur fonctionne toujours au-dessus de la température minimale.
Afin de limiter la poussière et le bruit dans les pièces chauffées, il est conseillé de monter un filtre et un silencieux dans la gaine de sortie de l’air.
185
Le local technique du compresseur
10.4
Exemples de plans d’installation
10.4.1
Exemple d’installation d’un compresseur à vis
A i r d ' é v a c u a t i o n
R é s e r v o i r d ' a i r c o m p r i m é
F i l t r e
S o r t i e d e l ' a i r c o m p r i m é
E t r a n g l e m e n t
S é p a r a t e u r
h u i l e - e a u
E v a c u a t e u r d e c o n d e n s a t
E a u H u i l e
C o n d u i t e d ' é v a c u a t i o n d u c o n d e n s a t
A r r i v é e d ' a i r
C ô t é d e c o m m a n d e
E c a r t e m e n t d e s é c u r i t é a v e c V D E 0 1 0 0
T u y a u H P
C o m p r e s s e u r à v i s S é c h e u r d ' a i r c o m p r i m é p a r r é f r i g é r a t i o n
186
Le local technique du compresseur
10.4.2
Exemple d’installation d’un compresseur à piston
E s p a c e d e m a i n t e n a n c e
C o m p r e s s e u r à p i s t o n
S C L 1 1 6 0 - 2 5
K o m p r e s s o r e nK o m p r e s s o r e nK o m p r e s s o r e nK o m p r e s s o r e n
R é s e r v o i r d ' a i r c o m p r i m é
1 0 0 0 l
F i l t r e m i c r o p o r e u x
F 3 0
F i l t r e à c h a r b o n a c t i f
A 3 0
S o r t i e d e l ' a i r c o m p r i m é
G 3 / 4
Séperateur huile/eau
Ö l - W a s s e r - T r e n n e r
Ö w a m a t 2
B y p a s s
E a u
H u i l e
K o m p r e s s o r e nK o m p r e s s o r e nK o m p r e s s o r e nK o m p r e s s o r e n
S é c h e u r d ' a i r c o m p r i m é p a r r é f r i g é r a t i o n
D 1 2 a v e c B e k o m a t 2
E v a c a t e u r d e c o n d e n s a t B e k o m a t 2
A i r d ' a l i m . n é c e s s a i r e 0 , 4 m
T u y a u H P
80
1 2 0 0
8 0 0
C ô t é d e c o m m a n d e
7 8 0
E s p a c e d e m a i n t e n a n c e
8 0 0
E s p a c e d e m a i n t e n a n c e
8 0 0 3 6 0 3 0 0
E c a r t e m e n t d e s é c u r i t é
6 0 0
C o n d u i t e d ' é v a c u a t i o n d u c o n d e n s a t
187
Récupération de la chaleur
11.
Récupération de la chaleur
Les coûts de l’énergie sont de plus en plus élevés, et l’environnement prend une place de plus en plus importante dans les consciences. Ces considérations ont incité de nombreux utilisateurs de compresseurs à se servir de l’énorme potentiel thermique offert par les compresseurs. Ils se sont adressés aux fabricants de compresseurs, qui ont à leur tour développé des systèmes de récupération de la chaleur efficaces.
Depuis, la chaleur développée par les compresseurs est récupérée pour assurer le chauffage des locaux et chauffer l’eau non potable et de chauffage.
11.1
Bilan thermique d’une station de compresseurs
9 %:
échauffement du moteur
100 %:
électricité absorbée dans le réseau
75 %: radiateur d’huile
4 %: chaleur rés.
dans l’air comprimé
13 %: radiateur aux. d’air comprimé
1 %: dissipation thermique
95 %: de l’énergie absorbée est
évacuée par le réfrigérant
(eau/air)
Figure 11.1 :
Répartition de la chaleur dans un compresseur à vis refroidi par injection d’huile
Pour pouvoir évaluer les possibilités offertes par la récupération de la chaleur sur les compresseurs, il faut se rappeler que, conformément au premier principe de la thermodynamique, la totalité de l’energie électrique absorbée par le compresseur est transformée en chaleur. On ne peut cependant utiliser cette chaleur de manière économique que si l’on sait où elle se produit et quel est le pourcentage de chaleur qui peut être utilisé rentablement pour la récupération.
La chaleur est toujours évacuée grâce à un réfrigérant. Ce dernier renferme environ 95% de l’énergie électrique transmise au compresseur sous forme de chaleur. 4% environ restent dans l’air comprimé en tant que chaleur résiduelle et 1% est transmis
à l’air ambiant sous l’effet du rayonnement thermique.
Lorsque l’on élabore un bilan thermique, il ne faut pas uniquement penser à l’énergie fournie par le moteur et nécessitée par le compresseur pour comprimer l’air. Le moteur
électrique convertit également l’énergie en chaleur. Il est donc important de tenir compte du rendement du moteur qui, selon la puissance d’entraînement, oscillera entre 80 % et 92 %. La quantité de chaleur émise augmente par conséquent également.
188
11.2
Chauffage des locaux
11.2.1
Chauffage des locaux par des conduites de chauffage
6
7
5 6
5
8
Récupération de la chaleur
Le chauffage des locaux est le meilleur moyen d’utiliser la chaleur dégagée par le compresseur.
La méthode la plus simple pour chauffer un local est d’y installer le compresseur. Ceci signifie que le compresseur se trouve directement dans l’atelier ou dans l’entrepôt, généralement à proximité des postes de travail.
Dans ce cas de figure, il faudra seulement installer des conduites pour évacuer l’air chaud à l’extérieur en été, lorsque des températures élevées règnent sur le site d’installation. L’air chaud utilisé pour le chauffage ne doit pas être transporté sur de longues distances.
Il faut cependant s’assurer que le compresseur est suffisamment refroidi. Une insonorisation sera généralement indispensable afin de respecter les prescriptions contre le bruit.
Pour pouvoir utiliser la chaleur produite par une station de compresseurs, le volume d’air chauffé doit être transporté vers les locaux à chauffer dans des gaines. L’installation n’est conseillée que pour les gros compresseurs, car les compresseurs de petites tailles ne génèrent pas suffisamment de chaleur.
Le volume d’air de refroidissement passe sur le compresseur et le moteur d’entraînement, absorbe la chaleur émise, puis est aspiré dans une conduite d’évacuation grâce à un ventilateur.
Le volume d’air froid est généralement porté à une température de +50°C à +60°C.
L’utilisation de la chaleur du compresseur pour chauffer des locaux suppose un compresseur capoté (insonorisé) équipé d’un système de transport de l’air par conduites. Les compresseurs à vis BOGE sont insonorisés en série et possèdent un ventilateur interne. Ils peuvent donc être raccordés sans difficulté à un système de conduites. Les compresseurs non capotés (comme par exemple la plupart des compresseurs
à pistons) peuvent être équipés ultérieurement pour utiliser la chaleur produite par le compresseur en installant un capot d’insonorisation adapté.
9
2
1 4
3
1 = Compresseur insonorisé
2 = Conduite d’alimentation en air
3 = Conduite d’évacuation de l’air
4 = Ventilateur par évacuation d’air supplémentaire
5 = Volets de réglage
(à commande thermostatique)
6 = Conduites de dérivation
(chauffage des locaux)
7 = Echangeur de chaleur
8 = Conduite d’évacuation
(à l’air libre pour l’été)
9 = Volet d’admission d’air
Figure 11.2 :
Schéma fonctionnel d’un gainage
189
Récupération de la chaleur
11.2.2
Fonctionnement d’un chauffage de locaux
Des gaines isolées transportent l’air de refroidissement chaud du ou des compresseurs à l’intérieur du bâtiment lorsqu’il fait froid à l’extérieur. Les locaux sont ainsi chauffés. Lorsque les températures extérieures sont élevées, une gaine évacue l’air de refroidissement chaud à l’air libre.
Le courant d’air de refroidissement passe par des volets d’entrée d’air et de régulation. Il est recommandé de commander les volets et les ventilateurs au moyen de thermostats, installés dans les pièces chauffées pour y surveiller la température.
Des mesures de protection contre les incendies sont prescrites pour éviter une propagation des flammes par les conduites de ventilation. La norme DIN 4102, partie 6, exige l’installation de volets pare-feu à fermeture automatique lorsque des conduites de ventilation traversent un mur.
Il est possible d’installer des échangeurs de chaleur dans les conduites. Ils permettent de chauffer l’eau à une température de +40°C environ. Cette eau chaude peut être utilisée pour délester le système de chauffage central ou en tant qu’eau non potable.
11.2.3
Rentabilité d’un chauffage
de locaux
Les frais d’installation du chauffage des locaux peuvent s’avérer trop élevés par rapport aux économies d’énergie réalisées. Avant d’engager les frais d’installation d’un système de chauffage, il faut s’assurer que l’on dispose d’une chaleur suffisante pour justifier cet investissement. Il faut tenir compte du fait que le courant d’air chaud se refroidit obligatoirement lors de son transport dans le système de conduites.Les frais d’investissement doivent rester en relation avec les économies de chauffage réalisées.
Ces économies augmentent avec la durée de fonctionnement du compresseur. Plus le compresseur tourne longtemps, plus le chauffage des locaux sera efficace.
190
Récupération de la chaleur
11.3
L’échangeur de chaleur
Duotherm
Des systèmes de récupération de chaleur spéciaux sont prévus sur les compresseurs à vis refroidis par injection d’huile afin de chauffer l’eau non potable et l’eau de chauffage. Un échangeur de chaleur est installé dans le compresseur, dans le courant principal de l’huile chaude. L’huile brûlante du compresseur chauffe l’eau non potable et de chauffage.
L’échangeur de chaleur Duotherm fonctionne indépendamment du système de refroidissement du compresseur car, placé en amont du radiateur d’air ou d’eau, il fait office de précondenseur.
11.3.1
Duotherm BPT
Le système Duotherm BPT a pour but de chauffer l’eau de chauffage ou de production. Le coeur du système est constitué par un échangeur de chaleur à plaques, composé d’un certain nombres de plaques en acier inoxydable profilé. Les plaques agencées les unes sur les autres forment un système de deux canaux isolés mutuellement. Les plaques sont soudées entre elles grâce à un processus de brasage spécial. Les joints, qui présentent un risque de fuites inhérent, sont superflus.
L’échangeur de chaleur qui en résulte fonctionne très efficacement en toute fiabilité.
Figure 11.3 :
Système de récupération de la chaleur
Duotherm BPT de BOGE
Sortie air comprimé
1 2
8
3
4
5
9 10
Principe de fonctionnement
L’huile contenue dans le circuit de l’huile du compresseur est chauffée à +90°C et passe dans les plaques de l’échangeur de chaleur. L’eau qui vient en contre sens dans l’échangeur de chaleur est chauffée à +70°C. La quantité d’eau chauffée dépend de la différence de température.
Une soupape de réglage d’huile thermostatique est installée en amont et en aval de l’échangeur de chaleur. Selon la température de l’huile, le courant d’huile est soit dirigé vers le radiateur d’huile et l’échangeur de chaleur, soit les contourne par une conduite de dérivation.
6
Refoulement
11
Avance
7
6
1 = Filtre d’aspiration
2 = Régulateur d’aspiration
3 = Bloc-vis
4 = Réservoir d’air comprimé-huile
5 = Séparateur d’huile
6 = Soupape de réglage d’huile thermostat.
7 = Radiateur d’huile
8 = Filtre à huile
9 = Soupape anti-retour à pression minima
10 = Radiateur d’air comprimé auxiliaire
11 = Echangeur de chaleur
Figure 11.4 :
Schéma fonctionnel du Duotherm BPT de BOGE
Caractéristiques
– Un espace clos se forme lorsque les soupapes d’arrêt sont fermées simultanément sur l’alimentation et l’évacuation de l’eau. L’eau qui se réchauffe dans cet espace provoque une dilatation et une augmentation de la pression. Pour éviter de détériorer les plaques de l’échangeur de chaleur, il faut installer un vase d’expansion et une soupape de sécurité.
– Lorsque l’eau est fortement souillée, il faut installer un collecteur d’impuretés présentant une largeur de pores de
0,6 mm maximum dans la conduite d’arrivée d’eau.
– Il faut prévoir des purgeurs pour nettoyer l’échangeur de chaleur.
– L’échangeur de chaleur à plaques est normalement intégré dans la cage du compresseur. Il peut cependant être installé séparément ou être rajouté ultérieurement.
191
Récupération de la chaleur
11.3.2
Duotherm BSW
Figure 11.5 :
Système de récupération de la chaleur
Duotherm BSW de BOGE
1 2
Sortie air comprimé
Le système Duotherm BSW permet de chauffer l’eau potable et non potable. Les règlements de sécurité appliqués dans le domaine sanitaire étant différents, ce système se compose d’un échangeur de chaleur de sécurité. Deux circuits indépendants sont séparés d’un de l’autre par un liquide intermédiaire.
Le système BSW est un échangeur de chaleur à faisceau tubulaire dans lequel se trouvent deux tubes qui ne se touchent pas. L’espace de sécurité contenu dans ce faisceau tubulaire est rempli d’un liquide intermédiaire non toxique. Le liquide intermédiaire a pour tâche de transmettre la chaleur et d’empêcher que l’huile ne se mélange à l’eau en cas de dommage. Une pollution de l’eau potable est ainsi exclue.
Un manostat d’asservissement est activé immédiatement lorsqu’un tuyau se rompt dans le système. L’impulsion émise peut être traitée individuellement (pour donner l’alarme ou désactiver le système).
8
3
7
4
5
6
12
6
11
9 10
1 = Filtre d’aspiration
2 = Régulateur d’aspiration
3 = Bloc vis
4 = Révervoir d’air comprimé-huile
5 = Séparateur d’huile
6 = Soupape de réglage d’huile thermostat.
7 = Radiateur d’huile
8 = Filtre à huile
9 = Soupape anti-retour à pression minima
10 = Radiateur d’air comprimé auxiliaire
11 = Echangeur de chaleur de sécurité
12 = Manostat d’asservissement
13 = Récipient de compensation
Figure 11.6 :
Schéma fonctionnel du Duotherm BSW de BOGE
Refoulement
13
Alim.
Principe de fonctionnement
L’huile contenu dans le circuit de l’huile du compresseur est chauffée à +90°C environ, puis passe dans un faisceau tubulaire.
Le liquide intermédiaire transmet la chaleur à l’eau non potable contenue dans le deuxième faisceau tubulaire. L’eau venant en contre sens par le deuxième faisceau tubulaire peut être chauffée
à +55°C environ. La quantité d’eau chauffée dépend de la différence de température. L’eau chaude est ensuite dirigée dans un réservoir approprié (ballon d’eau chaude), à partir duquel elle alimente le réseau d’eau chaude.
Une soupape de réglage d’huile thermostatique est installée en amont et en aval de l’échangeur de chaleur. Selon la température de l’huile, le flux d’huile est soit dirigé vers le radiateur d’huile et l’échangeur de chaleur, soit les contourne par une conduite en dérivation.
Caractéristiques
– La valeur réglée sur le manostat d’asservissement doit être au moins 20% inférieure à la pression minimale du produit utilisé.
– Conditions d’utilisation
Pression minimale de l’eau
Pression maximale de l’eau
Pression maximale de l’huile
Pression maximale du liquide intermédiaire
Température maximale (huile et eau)
0,5 bar
16 bar
16 bar
10 bar
+100°C
Des défaillances se produisent et l’alarme est déclenchée lorsque la température maximale est dépassée.
– L’échangeur de chaleur de sécurité BSW est intégré dans le caisson du compresseur en fonction de sa taille. Il peut
être également installé séparément ou être rajouté ultérieurement.
192
Récupération de la chaleur
11.3.3
Economies d’énergie réalisables
Le système Duotherm permet de disposer de 75 % de la puissance électrique absorbée par le compresseur au réseau.
Il s’agit de la chaleur évacuée par l’huile du compresseur.
Les valeurs indiquées dans le tableau ci-dessous pour la quantité de chaleur et d’eau chaude utilisables ont été définies sur la base de la rétention de l’énergie et des lois générales sur le transfert thermique. Elles s’appliquent en principe aux deux systèmes Duotherm. Si l’on utilise un système Duotherm BWT, le réchauffement de l’eau non potable au dessus de +55°C n’est pas économique, car la quantité d’eau chauffée est trop faible.
Les valeurs fournies supposent que le compresseur fonctionne en continu. Les pertes thermiques ne sont pas prises en compte en raison des différentes conditions d’exploitation. Le calcul des économies de chauffage se base sur un système de chauffage au mazout conventionnel :
– Valeur calorifique H spécifique du mazout
– Prix du mazout
– Rendement thermique
– Heures de fonctionnement
38,0 MJ/l
0,40 DM/l
75 %
1000 h
Puissance d’entraînement
[ kW ]
55,0
65,0
75,0
90,0
110,0
132,0
160,0
200,0
250,0
11,0
15,0
18,5
22,0
30,0
37,0
45,0
Puissance dissipée
[ kW/h ]
45,5
54,9
63,1
74,0
90,0
110,5
133,5
168,3
208,9
8,9
12,3
14,8
17,7
24,4
30,3
37,7
Quantité de chaleur utilisable
[ MJ/h ]
163,8
197,6
227,1
266,4
324,0
397,0
480,6
605,8
752,0
32,0
44,2
53,2
63,7
87,8
109,0
135,7
Quantité d’eau pour
313
→
293
→
293
→
[ m³/h ] [ m³/h ] [ m³/h ]
1,565
1,885
2,170
2,545
3,095
3,800
4,590
5,790
7,180
0,305
0,420
0,509
0,609
0,835
1,040
1,295
1,118
1,346
1,550
1,818
2,210
2,714
3,278
4,136
5,128
0,217
0,300
0,363
0,435
0,596
0,743
0,925
0,782
0,942
1,085
1,272
1,547
1,900
2,295
2,895
3,590
0,152
0,210
0,255
0,305
0,417
0,520
0,647
Economies réalisées sur 1000 h
[ DM ]
449,-
620,-
746,-
894,-
1232,-
1530,-
1905,-
2300,-
2770,-
3187,-
3740,-
4547,-
5570,-
6745,-
8500,-
10550,-
193
Récupération de la chaleur
11.4
Récupération de la chaleur : conclusion
Les compresseurs permettent de réaliser de très grandes
économies sur le plan de l’énergie et des frais d’exploitation grâce à la chaleur qu’ils produisent. Il ne faut cependant pas commettre l’erreur de vouloir utiliser coûte que coûte la chaleur générée par un petit compresseur. Cela ne sera généralement rentable que sur les gros compresseurs à vis et à pistons, et les systèmes combinés. L’énergie utilisable croît parallèlement
à la puissance du compresseur.
Les frais d’investissement d’un dispositif de récupération de la chaleur dépendent dans une large mesure de l’architecture sur site. Il faut en tenir compte, car elles influencent grandement la durée d’amortissement du dispositif.
Il est bon de décider dès le départ si la chaleur sera utilisée pour chauffer les locaux ou pour chauffer l’eau non potable et de chauffage, tout en considérant que le chauffage des locaux est rarement utilisé en été.
L’utilisation du compresseur joue un rôle essentiel lorsque l’on envisage de récupérer la chaleur. Plus la durée de fonctionnement du compresseur est élevée, plus l’utilisation de la chaleur qu’il produit sera rentable, car elle sera disponible en continu et en quantité suffisante.
Avant d’installer un dispositif de récupération de la chaleur, il est conseillé de calculer la quantité de chaleur nécessitée sur le site d’installation. Cette analyse sera alors comparée aux durées de fonctionnement moyennes du compresseur.
La rentabilité du dispositif de récupération de la chaleur résulte de cette comparaison. Elle montre également si la récupération est en mesure de couvrir à elle seule les besoins en chaleur ou si un système de chauffage auxiliaire sera nécessaire.
194
Le son
12.
Le son
12.1
La nature du son
12.1.1
La perception du son
Tonalité
Sonorité
Bruit
Détonation
Figure 12.1 :
Les impressions sonores
Les ondes sonores sont les vibrations mécaniques produites par un milieu matériel élastique. Elles se propagent dans les milieux solides, liquides et gazeux sous forme de variations de pression (ondes sonores) à partir d’une source sonore, c’est-àdire d’un corps en vibration. L’acoustique est le domaine de la physique qui traite des sons.
Les corps en vibration, indépendamment de leur forme et de leurs conditions de fonctionnement, sont en mesure de transmettre des ondes sonores. Ce sont des sources sonores.
Il peut d’agir de cordes, de barres, de plaques, de colonnes d’air, de membranes, de machines, etc.
Les vibrations transmises à l’air ambiant sont qualifiées de bruit
aérien
.
Les corps solides, gazeux ou liquides en vibration peuvent transmettre les vibrations sur les objets solides. On parle dans ce cas de bruit du corps.
Temps
On observe les relations suivantes entre les vibrations émises par une source sonore et le son perçu par l’oreille :
Amplitude de la vibration
L’amplitude est l’écart de pression périodique qui se produit dans une onde sonore.
Elle correspond à l’intensité sonore d’une impression sonore ressentie par une personne.
Fréquence de la vibration
La fréquence est le nombre de variations de pression au cours d’une unité de temps. Elle est généralement indiquée en Hz
(cycles par seconde).
Elle correspond à la hauteur du son d’une impression sonore perçue par une personne.
Types de vibrations
Il existe différents types de vibrations qui provoquent des impressions sonores également différentes :
– Tonalité
Une tonalité (tonalité pure) est une vibration sinusoïdale.
– Sonorité
Une sonorité est la superposition de plusieurs tonalités.
Plusieurs vibrations sinusoïdales se superposent pour former une vibration non sinusoïdale. La tonalité qui présente la fréquence la plus basse détermine l’intensité de la perception sonore dans son ensemble. Les autres tonalités (les sons dominants) donnent l’impression du timbre acoustique.
– Bruit
Un bruit est une vibration irrégulière. C’est l’association de plusieurs fréquences de différentes magnitudes.
– Détonation
Une détonation est une impression sonore unique, brève et violente.
195
Le son
12.2
Terminologie de base en matière d’acoustique
12.2.1
Pression acoustique
12.2.2
Niveau sonore
12.2.3
Intensité sonore
(sous-pression, surpression et pression alternée) qui se produit dans une onde sonore. Elle est exprimée en Pa (10
-5
bar).
Dans les milieux gazeux, la pression acoustique est superposée
à la pression gazeuse existante p. La pression acoustique dépend dans une large mesure de différents facteurs, tels que par exemple l’intensité de la source sonore, les conditions de l’environnement, etc.
La pression acoustique oscille entre 2
× 10
-4 Pa env. dans le cas du tic tac d’une montre et 65 Pa environ à proximité immédiate d’un avion au décollage.
Pour pouvoir mieux manipuler les grandeurs acoustiques, la valeur est comparée à une grandeur de référence et portée au logarithme. Les niveaux, logarithmes d’une valeur proportionnelle, sont des grandeurs abstraites. La désignation
dB
(décibel) y est ajoutée.
Le niveau de pression acoustique est défini proportionnellement
à la pression de référence p
0
= 2
××××× 10
-5
Pa
et porté au logarithme.
La formule suivante permet de calculer le niveau de pression sonore :
L
p
= 20 lg —— dB p
0
L
P
= Niveau de pression acoustique
= Pression acoustique
= Pression acoustiquede réf.
[dB]
[Pa]
[2
× 10
-5
Pa] p
0
Les autres grandeurs en matière d’acoustique sont traitées de manière similaire. En acoustique, on utilise généralement les niveaux pour indiquer des grandeurs.
L’intensité sonore exprime l’énergie sonore dégagée par une source sonore en une seconde. Il s’agit d’une grandeur spécifique à la machine (grandeur d’émission) qui peut être influencée en prenant des mesures d’insonorisation.
L’intensité sonore d’une machine permet par exemple de calculer approximativement le niveau de pression acoustique qui règne
à un endroit précis. Il est tenu compte de l’éloignement, des conditions de construction et des autres sources sonores pour ce faire et il s’avère souvent inutile de réaliser d’autres mesures.
196
Le son
12.3
Perception du son par l’oreille humaine
Seuil de douleurs
Plage audible
Seuil d’audibilité
Figure 12.2 :
Fréquence [Hz]
La plage audible de l’oreille humaine
Seules les fréquences situées entre 16 et 20000 Hz sont généralement audibles pour l’oreille humaine. Les fréquences plus élevées sont connues sous le terme d’ultrasons, les fréquences plus basses sont qualifiées d’infrasons. La pression acoustique perceptible oscille entre 10
-5
Pa et 100 Pa, une pression acoustique de 100 Pa provoquant presque toujours la destruction de l’organe auditif.
L’oreille humaine ne perçoit pas les différentes pressions acoustiques et fréquences avec la même intensité. La plage audible présentée ci-contre schématise les gammes de pressions acoustiques et de fréquences perceptibles par l’oreille humaine. La courbe inférieure symbolise le seuil d’audibilité et la courbe supérieure le seuil de douleurs. La gamme de pression acoustique la plus large perçue par l’oreille se situe aux alentours de 1 000 Hz .
12.3.1
Niveau d’intensité d’un son
12.3.2
Niveau sonore pondéré dB ( A )
La pression acoustique est une grandeur physique qui peut donc être mesurée. L’intensité avec laquelle une personne la perçoit est une grandeur physiologique qui dépend du sens de l’ouïe de chacun.
Le niveau d’intensité est une valeur définie de manière empirique.
La perception de l’intensité sonore ressentie par diverses personnes a fait l’objet de toute une série de tests à partir desquels il a été possible d’établir une moyenne. Le niveau d’intensité d’un son est exprimé en Phone.
A 1 000 Hz, le niveau d’intensité est égal au niveau de pression acoustique non pondéré. Le niveau d’intensité ne peut pas être mesuré au moyen d’instruments de mesure. Pour cette raison, il est très difficile et voire impossible de réaliser des mesures comparatives ou des calculs.
Les grandeurs acoustiques doivent être adaptées au niveau de perception de l’oreille humaine pour pouvoir être vérifiées sur le plan technique. Le niveau de pression acoustique réel est ajusté
à la sensibilité de l’oreille en fonction de la fréquence au moyen de valeurs de correction précises. Différentes courbes standard ont été définies au niveau international pour les valeurs de correction.
Les courbes indiquées ci-dessous illustrent différents domaines d’applications.
A
– Courbe L
N
= 30 - 60 Phones.
B
– Courbe L
N
= 60 - 90 Phones.
C
– Courbe correspondant à la plage auditive linéaire
D
– Courbe correspondant au bruit d’un avion
Un niveau sonore pondéré est caractérisé par la lettre correspondant à sa courbe, dB (A) par exemple.
La courbe A est principalement utilisée pour mesurer le bruit
émis par les compresseurs et autres machines. La norme DIN
45635 se sert du niveau de pression acoustique pondéré A pour mesurer le bruit.
197
Le son
12.3.3
Comparaison des différentes intensités sonores
Le diagramme ci-dessous illustre, outre la gamme auditive moyenne humaine, située entre le seuil d’audibilité et le seuil de douleurs, divers exemples symbolisant plusieurs intensités sonores.
Seuil de douleurs
198
se u il a u d itif
n o rm al
Froid
Phone
Fréquence [Hz]
Le tic-tac d’une montre correspond à un niveau de pression acoustique de 20 dB (A) environ.
Une conversation normale à une distance de 1 m environ correspond à un niveau de pression acoustique de 70 dB (A) env.
Le son
12.4
Comportement du son
12.4.1
Distance par rapport à une source sonore
La propagation et le comportement général du son dépendent de différents facteurs. Il faut aussi considérer que la puissance sonore d’une machine (source sonore) reste constante.
La pression acoustique générée par une source sonore diminue obligatoirement plus on s’en éloigne. La puissance sonore constante émise par une source sonore se répartit sur une surface qui augmente en fonction de la distance (dispersion).
La forme de l’onde sonore ne joue pas un grand rôle lors de ce phénomène. Les machines et les compresseurs émettent une
énergie sonore qui se présente presque toujours sous la forme d’une demi-sphère, car ces appareils sont généralement posés sur un sol ferme.
Le niveau de pression acoustique diminue conformément aux valeurs indiquées dans le tableau ci-dessous, la valeur de référence est une distance de 1 m :
Eloignement de la source sonore [m]
Réduction du niv. de pr. acoustique[dB (A)]
1
0
2
5
5
12
10
16
25
23
50
28
100
32
Ces valeurs, fournies à titre indicatif, supposent la libre propagation du son sur un plan dégagé. Un certain pourcentage de réflexion causée par un sol normal et réverbérant a été pris en considération.
Exemple
Un compresseur à vis superinsonorisé BOGE S 21 se trouve dans un vaste hall. Il génère un niveau de pression acoustique de 69 dB (A) selon DIN 45635. A 10 m de distance, le niveau sonore généré par le compresseur ne sera plus que de 57 dB
(A) environ.
12.4.2
Réflexion et absorption
Réflexions
Son direct
Figure 12.2 :
Propagation du son dans une pièce fermée
Une partie du son est réfléchie par les murs et d’autres objets.
Un champ d’ondes sonores diffuses dû aux réflexions se produit
à l’intérieur des locaux. Le niveau de pression acoustique général est accru dans le local en raison des sons réfléchis, qui sont en fait de l’écho.
Les matériaux extrêmement durs et lisses, tels que les murs en briques, réfléchissent une grande partie du son. La forme de la surface revêt une importance essentielle lors de la réflexion.
Si on isole une pièce au moyen de pyramides de matériau isolant dans un ordre précis, on obtient une chambre sourde insensible aux réflexions. Des chambres de ce genre sont utilisées pour réaliser des mesures de pression acoustique et analogues avec une précision scientifique.
Le son qui n’est pas réfléchi est absorbé par les murs ou les objets. Le matériau transmet le son absorbé et l’amortit. Il est généralement transmis à un autre milieu, l’air par exemple. Les matériaux présentant un module élastique élevé, comme l’acier notamment, sont d’excellents conducteurs de son. L’amortissement est généralement faible.
199
Le son
12.4.3
Amortissement du son
Son émis Son
Son réfléchi
Son absorbé
Figure 12.3 :
Isolation sonore par les murs
12.4.5
Propagation sonore dans les tuyaux et les conduites
L’amortissement est la conversion de l’énergie sonore en chaleur, générée par le frottement des particules entre elles. Le son est absorbé au cours de ce phénomène. Le bruit transmis par l’air est amorti au moyen de matériaux d’absorption poreux ou fibreux, présentant un faible coefficient d’élasticité et une grande densité au mètre carré (kg/m²). L’amortissement du son grâce
à l’emploi de matériaux appropriés dépend également du spectres de fréquences du son. Certaines fréquences sont amorties davantage que d’autres.
La température et l’humidité jouent un grand rôle dans l’amortissement du son par l’air. Dans des conditions normales, il ne se fait ressentir qu’à partir d’une distance de 200 m.
L’amortissement est plus important lorsque l’humidité est très
élevée, en présence de brouillard par exemple.
Figure 12.4 :
Silencieux à absorption à coulisseaux droits
Des lois particulières régissent la propagation du son dans les tuyaux et les conduites. Le flux et les réflexions dans un canal
étroit favorisent la propagation du son. Il est nécessaire de prendre des mesures contre la libre propagation du son dans les gaines, particulièrement si on utilise l’air d’échappement du compresseur pour le chauffage.
Une onde sonore est dirigée dans le canal d’évacuation à partir d’un compresseur insonorisé. Le son qui n’est pas absorbé par le dispositif d’insonorisation se propage dans le système de canalisations. Il parvient dans les locaux chauffés sans rencontrer d’obstacles.
Il est possible de prendre différentes mesures pour limiter la propagation du son dans les gaines ou les tuyaux :
– Amortissement linéaire
Les gaines sont revêtues de matériaux très absorbants.
L’énergie sonore est ainsi réduite et le niveau de pression acoustique diminue dans les gaines.
– Silencieux à absorption
Un matériau absorbant le son (laine minérale par exemple) est introduit dans une section de la gaine. Il absorbe une grande partie de l’énergie sonore, de la même manière que les murs. Le désavantage majeur de ce silencieux réside dans sa grande résistance hydraulique. Il est déconseillé d’installer un silencieux de ce genre dans les gaines dotées de ventilateurs par évacuation de grandes dimensions.
200
Le son
12.4.6
Niveau de pression acoustique de plusieurs sources sonores
Le niveau de pression acoustique est renforcé si plusieurs sources sonores cohabitent dans une pièce. Plus on émet d’énergie sonore, plus la pression sonore est élevée. L’intensité perçue augmente. Les corrélations ne sont pas linéaires. Elles dépendent dans une large mesure de la structure de la pièce, du niveau de pression acoustique des différentes sources et du spectre de fréquence de ces sources. Les deux cas les plus simples seront ici développés pour expliquer ces corrélations.
Les indications fournies ne sont que des valeurs à titre indicatif.
De nombreux facteurs n’étant pas pris en considération, il est possible qu’elles présentent d’importantes divergences dans des cas particuliers.
12.4.6.1 Niveau de pression acoustique de plusieurs sources sonore de niveaux identiques
Nombre de sources sonores
Augment. du niv. de pres. acoustique [dB (A)]
La corrélation est relativement simple lorsque deux ou plusieurs sources sonores de niveau de pression acoustique identique cohabitent dans la même pièce. Le tableau ci-dessous indique l’accroissement du niveau de pression acoustique, sans tenir compte des éventuelles réflexions ou perturbations acoustiques.
2
3
3
5
4
6
5
7
10
10
15
12
20
13
Le niveau de pression acoustique total est obtenu en additionnant son accroissement à celui des différentes sources sonores.
Exemple
Trois compresseurs à vis superinsonorisés BOGE S 21 se trouvent dans un vaste hall. Chacun d’eux génère un niveau de pression acoustique de 69 dB (A) selon DIN 45635. Le niveau de pression acoustique total sera donc de 74 dB (A) [69 + 5].
12.4.6.2 Niveau de pression acoustique de deux sources sonores de niveaux différents
L
1
+ L
2
→ L
1
+
∆L
Le niveau de pression acoustique total de deux niveaux sonores différents (L
1
et L
2
)
est déterminé au moyen d’un diagramme.
Dans le cas de plusieurs sources sonores de niveaux différents, les corrélations deviennent très compliquées.
Le diagramme indique le nombre de décibels (
∆
L
1
, le niveau de pression acoustique le plus élevé, augmente en fonction de la différence des deux niveaux (L
1
- L
2
)
.
L
1
- L
2
[ dB ( A ) ]
Figure 12.5 :
Amplification du son de deux sources de niveau différent
Exemple
Un compresseur émettant un niveau de pression acoustique de 69 dB (A) selon DIN 45635 et un compresseur dégageant un niveau de pression acoustique de 74 dB (A) se trouvent dans la même pièce. Le niveau de pression acoustique total sera dans ce cas de 75,3 dB (A) environ.
[74 - 69 = 5
→ 74 +1,3 = 75,3]
201
Le son
12.5
Effets du bruit
50
40
30
80
70
60
20
10
150
140
130
120
110
100
90
Réactions physiques
Colère
Irritation
Réactions physiologiques
effets nerveux, stress rendement de travail moindre, pertes de concentration
Lésions auditives
Surdité causée par le bruit, lésions de l’oreille interne irrémédiables
Lésions mécaniques
Surdité
Figure 12.6 :
Bruit néfaste pour la santé
Le bruit est une forme de son, mais il s’agit d’un son indésirable, gênant, voire même douloureux. Le bruit a différents effets négatifs qui dépendent de son niveau de pression acoustique :
– Difficultés de concentration
– Un niveau de pression acoustique de 70 dB (A) gêne la communication vocale.
– Un niveau de pression acoustique de 85 dB (A) cause généralement une lésion auditive temporaire à l’issue d’une journée de 8 heures. Si cette contrainte est appliquée pendant plusieurs années, des lésions auditives durables peuvent en résulter.
– Un niveau de pression acoustique de 110 dB (A) cause une réduction des facultés auditives en très peu de temps. Si cette contrainte persiste pendant plusieurs heures, il en résultera très probablement une lésion auditive permanente.
– Un niveau de pression acoustique de 135 dB (A) et davantage provoque généralement une lésion immédiate du sens de l’ouïe.
202
Le son
12.6
12.6.1
12.6.2
Directives de protection contre le bruit
Règles de sécurité applicables par les entreprises générant du bruit
(décembre 1974)
Règles de sécurité en vigueur pour les compresseurs (VBG 16)
(avril 1987)
Des règles de sécurité contre le bruit ont été définies pour les emplacements de travail afin d’éviter les effets négatifs qu’il entraîne. Les directives de protection contre le bruit ont pour but de protéger les facultés auditives des employés à longue
échéance et d’améliorer les conditions de travail générales.
Les règles de sécurité auxquelles les entreprises générant du bruit doivent satisfaire sont énumérées ci-dessous.
– Les zones bruyantes excédant 90 dB (A) doivent faire l’objet d’un marquage particulier.
– A partir de 85 dB (A), des équipements de protection contre le bruit doivent être mis à la disposition des employés. Les
équipements de protection auditive doivent être portés continuellement lorsque le niveau de pression acoustique dépasse 90 dB (A).
– Des mesures appropriées doivent être prises si les risques d’accident croissent avec le bruit.
– Une visite médicale préventive régulière est prescrite par le législateur pour tous les employés lorsque le niveau de pression acoustique dépasse 85 dB (A).
– Les locaux de travail nouvellement construits doivent satisfaire aux techniques les plus modernes en matière de limitation du bruit.
§ 12 par. 3 Le niveau de pression acoustique maximum admissible est de 85 dB (A) lorsque l’installation se trouve à l’intérieur des locaux de travail. Le bruit est mesuré sur l’emplacement de travail conformément aux spécifications de la norme DIN
45635.
Remarque : Les locaux d’activités sont dissociés du local technique du compresseur, même si des opérations de maintenance prolongées y sont exécutées.
12.6.3
Directives nationales appliquées sur l’emplacement de travail
(avril 1975)
Le niveau de pression acoustique mesuré dans les locaux de travail doit rester aussi faible que possible (§ 15). Il ne doit pas excéder les valeurs suivantes :
55 dB (A)
dans le cas d’une activité principalement intellectuelle sur l’emplacement de travail.
55 dB (A)
dans les locaux de détente.
70 dB (A)
dans le cas d’activités de bureau simples et principalement mécanisées.
85 dB (A)
dans le cas des autres activités (production, montage et activités similaires).
203
Le son
12.6.4
Règlements administratifs généraux nationaux relatifs au bruit (juillet 1984)
Ces règlements définissent les valeurs d’émission générales appliquées aux zones commerciales et résidentielles. Ils spécifient le niveau de pression acoustique admissible dans les zones correspondantes. Il faut en outre tenir compte non seulement du bruit inhérent à la circulation automobile, mais aussi de celui causé par les entreprises industrielles.
Emplacement de la mesure :
A 0,5 m d’une fenêtre ouverte auprès de la personne la plus touchée par le bruit.
Niveau de pression acoustique max. admissible
Site Jour Nuit
6.00 à 22.00 h 22.00 à 6.00 h
dB ( A ) max.
dB ( A ) max.
Zone industrielle à 100%
Zone essentiellement industrielle
Zone industrielle et logements
Majorité de logements
100% de logements
Cliniques et hôpitaux
Logements constituant des annexes des bâtiments industriels
70
65
60
55
50
45
60
70
50
45
40
35
35
45
204
12.7
Mesure du bruit
12.8
Insonorisation des compresseurs
Figure 12.7 :
Compresseurs à vis insonorisés BOGE
Le son
Pour mesurer le bruit émis par les compresseurs et machines similaires, on se sert en premier lieu de la méthode de la
surface enveloppante selon DIN 45635
. Cette norme définit les conditions nécessaires pour mesurer le bruit émis par les compresseurs et machines similaires dans leur environnement immédiat au moyen de méthodes standard, permettant ainsi de comparer les résultats.
Le bruit est avant tout mesuré sur les compresseurs et machines afin de définir si certaines exigences doivent être remplies. Les valeurs déterminées sont précieuses pour
– comparer des machines similaires.
– comparer des machines différentes.
– estimer le niveau de pression acoustique à une certaine distance.
– vérifier les émissions sonores spécifiées par les directives de protection contre le bruit.
– planifier les mesures de protection contre le bruit.
Les compresseurs dépassent parfois un niveau de pression acoustique de 85 dB (A), qui sera encore plus important si plusieurs compresseurs dépourvus d’un équipement d’insonorisation fonctionnent dans une même pièce. Il est recommandé dans ce cas d’installer des compresseurs insonorisés, car la loi relative à la protection du travail conseille le port d’équipements de protection auditive à partir de 85 dB (A), et les rend obligatoires à partir de 90 dB (A).
Les compresseurs insonorisés peuvent être installés sur l’emplacement de travail. On évite ainsi les frais occasionnés par les longs réseaux de conduites, les salles de compresseurs séparées, et on limite les chutes de pression dans les conduites d’air comprimé.
Les matériaux utilisés pour réaliser l’insonorisation doivent satisfaire à certaines exigences :
– ininflammabilité
– insensibilité à la poussière
– insensibilité à l’huile
La laine minérale (ou fibres de verres) est principalement utilisée pour insonoriser les compresseurs. On emploie également des matériaux en mousse exempts de CFC, difficilement inflammables, auto-extincteurs, intégrés dans le capotage du compresseur.
205
Coûts de l’air comprimé
13.
Coûts de l’air comprimé
13.1
Composition des coûts de l’air comprimé
Les frais d’exploitation de l’air comprimé peuvent être décomposés en trois parties :
– Frais de maintenance et de réparations
Les frais de maintenance comprennent le salaire du monteur, les pièces détachées et les matériaux consommables : huile de lubrification et de refroidissement, filtre à air, filtre à huile, etc.
– Coûts énergétiques
Les coûts énergétiques sont les frais d’électricité ou de carburant. Ils sont nécessaires pour chauffer le compresseur.
– Côuts financiers
Les coûts financiers se composent des intérêts et du remboursement des investissements (compresseur, système de traitement et réseau de conduites) liés au capital.
Ce sont les coûts d’amortissement et les coûts du loyer de l’argent.
13.1.1
Les coûts de l’air comprimé en pourcentage
100%
90%
80%
70%
60%
50%
40%
30%
20%
10%
0%
2000 h/A 4000 h/A 7500 h/A
Frais de maintenance et de réparations
Le pourcentage représenté par les différents facteurs sera différent en fonction des heures de fonctionnement annuelles.
On comptera 2000 heures si le compresseur fonctionne 8 heures par jour, 4000 heures s’il tourne 16 heures par jour et 7500 heures par an s’il fonctionne 24 heures sur 24.
Un Kilowatt heure de 0,25 DM, une période d’amortissement des coûts de 5 ans et un taux d’intérêt de 8 % ont été considérés pour déterminer les pourcentages.
Facteurs de coûts
Maintenance et réparations
Coûts énergétiques
Coûts financiers
Heures de service par an
2000 h/A 4000 h/A 7500 h/A
[ % ] [ % ] [ % ]
2
73
25
2,5
84
13,5
2,7
87
10,3
Frais énergétiques
Coûts financiers
Figure 13.1 :
Coûts de l’air comprimé en fonction de la durée d’utilisation annuelle
On constate clairement que les frais consacrés à l’énergie représentent le facteur essentiel. Les frais de maintenance et de réparations peuvent être considérés comme secondaires, les coûts financiers ont également très peu de poids à longue
échéance. Le critère principal lors de l’acquisition d’une installation de compresseurs sera donc sa consommation
énergétique.
206
Coûts de l’air comprimé
13.2
Calcul de rentabilité des coûts d’énergie
Constructeur
Type
Modèle
BOGE
Compresseur à vis
S40
( 1 )
Débit réel de l’installation (D) selon PN2 CPTC2
Température ambiante t = 20°C
Pression de service
( 2 )
Consommation électrique du compresseur de la courroie de l’entraînement du ventilateur de l’installation complète (P
e
)
( 3 )
Rendement du moteur (h) pour un type de protection IP 54
( 4 )
Puissance totale absorbée (P
i
)
dans le réseau
P
i
= P
e
( 2 ) x 100 / h (3)
( 5 )
Prix du courant (c )
( 6 )
Frais de courant horaires
C = P
i
( 4 ) x c ( 5 )
( 7 )
Coûts par m³ d’air comprimé
C
V
= C ( 6 ) / D ( 1 )
( 8 )
Frais annuels
Besoins en air comprimé ( D
N
)
Heures de fonctionnement annuelles
Consommation d’air annuelle
D
N
/A = h x D
N
( 9 )
Montant des frais annuels
C
A
= DN/A ( 8 ) x C
V
( 7 )
( 10 )
Frais supplémentaires par an m³/h bar kW kW kW kW kW kW
DM/kWh
DM/h
DM/m³ m³/h h m³
DM/An
303
8
31,89
92,5
34,47
0,25
8,62
0,0284
300
2000
600000
17040
Les pourcentages de marche à vide éventuels n’ont pas été considérés dans le calcul.
207
Certification CE
14.
Certification CE
14.1
Figure 14.1
Le sigle CE
Introduction
14.1.1
Directives relatives aux machines commercialisées dans la CEE
Figure 14.2
Les pays de la communauté européenne
14.1.2
Domaines d’applications
Le sigle CE représente le passeport technique d’une machine.
Depuis le 1er janvier 1995, il est interdit de vendre des machines et installations au sein des pays de la communauté européenne ou de les exposer si elles ne portent pas le sigle CE.
Les machines et les dispositifs doivent ainsi satisfaire non seulement aux directives CE „Machines“, mais aussi aux prescriptions et normes complémentaires éditées par la CE.
Directives appliquées dans le cas des compresseurs :
– Directive „Machines“ 89/392/CEE
– Directive sur les basses tensions 73/23/CEE
– Directives sur la compatibilité
électromagnétique 89/336/CEE
– Directive sur les réservoirs sous pression simples 87/404/CEE
(depuis le 1.1.95)
(depuis le 1.1.1997)
(depuis le 1.1.1996)
La „Directive du conseil d’adaptation des prescriptions légales des pays membres concernant les machines“ (89/392/CEE), appelée couramment directive „Machines“, joue un rôle déterminant.
Elle ne définit pas les mesures adaptées à chaque groupe de produits, mais impose des règles de sécurité générales dans le domaine des machines et des dispositifs sur les sites d’installation.
Les exigences relatives à la sécurité et à la protection sanitaire demandées aux machines figurent dans l’annexe I des directives „Machines“ et constituent en fait la base sur laquelle le fabricant va travailler.
En Allemagne, les directives „Machines“ ont par exemple été converties en droit national par la directive numéro 9 de la loi sur la sécurité des machines (directive sur les machines).
Dans le sens de ces directives, les machines sont un ensemble de pièces ou d’éléments reliés entre eux, un au moins étant mobile, ainsi que d’actionneurs, de circuits de commande et d’énergie, assemblés dans le but d’une application précise.
Les éléments de sécurité, tels que les composants de commutation à 2 mains, sont aussi soumis aux directives. Le terme „Machines“ est donc défini de manière très large.
Certains équipements qu’il est obligatoire de spécifier ne sont pas couverts par la directive „Machines“. Ce sont, entre autres, les machines mues par la seule force musculaire.
Les compresseurs électriques de BOGE sont donc soumis aux directives „Machines“.
208
Certification CE
14.2
Mise en service des machines sur le marché
Les machines introduites sur le marché doivent satisfaire aux conditions énoncées ci-dessous.
– Le sigle CE doit être apposé sur la machine. Il faut qu’il soit visible, parfaitement lisible et permanent.
– Un certificat de conformité ou du fournisseur CE doit être joint à la machine. Grâce à ce certificat, le fabricant confirme que la machine satisfait aux exigences de sécurité et que les processus prescrits dans le certificat de conformité CE ou le contrôle de modèle type CE ont été respectés.
– Une documentation technique de la machine doit être disponible auprès du fabricant (totalité des plans, certificats et rapports d’inspection, liste des normes et des règles de sécurité respectées).
– Des instructions de service originales et des instructions de service traduites dans la langue du pays d’utilisation doivent
être jointes à la machine.
Par la directive „Machines“, les autorités de surveillance des pays membres de la CE s’engagent à vérifier que les directives ont été respectées sur les machines portant le sigle CE en réalisant des contrôles effectués au hasard.
Des mesures doivent être prises s’il est constaté que la machine présente une source de risques pour des personnes, animaux domestiques ou marchandises.
Ces mesures, prises par les autorités de surveillance peuvent se présenter sous forme
– d’amandes.
– d’interdiction de mise en circulation de la machine.
– de rappel de toutes les machines concernées.
14.2.1
Sigle CE
Figure 14.3
Le sigle CE
Le constructeur est autorisé à apposer le sigle CE sur ses machines dès la signature du certificat de conformité ou de fournisseur CE.
Le sigle CE se compose des lettres „CE“ et éventuellement du nom du service qui a vérifié la conformité. Il doit être visible, lisible et permanent. Sa hauteur est de 5 mm au minimum. Sur les machines de petites dimensions, cette hauteur minimale pourra être adaptée.
Le sigle CE n’est pas une marque de qualité ou de sécurité. Il doit être uniquement compris comme marque d’homologation, ou passeport de la machine. Il permet la libre circulation des marchandises au sein du marché intérieur européen.
209
Certification CE
14.2.2
Certificat de conformité CE
La directive „Machines“ 89/392/CEE stipule que le constructeur de la machine ou du dispositif doit confirmer par écrit que la machine qu’il introduit sur le marché satisfait aux exigences de base sur le plan de la sécurité et sanitaire spécifiées dans l’annexe I de la directive.
Cette confirmation écrite doit être rédigée dans la même langue que les instructions de service. Une version dans une des langues du pays d’utilisation doit y être jointe.
Le certificat de conformité CE doit contenir un certain nombre d’informations, spécifiées ci-dessous.
– Nom et adresse du constructeur (ou de la personne responsable dans le cas d’une communauté).
– Description de la machine ou du dispositif (modèle, type, numéro de série, etc.)
– Règlements importants auxquels la machine satisfait
(spécification de toutes les directives qui s’appliquent à la machine ou au dispositif)
– Où trouver les normes harmonisées si nécessaire
– Normes techniques et spécifications nationales
éventuellement appliquées
– Informations sur le signataire (titre, position dans l’entreprise)
– Nom et adresse du service de contrôle et de certification accrédité qui a effectué la vérification
Le certificat de conformité CE de la société BOGE pour les compresseurs prêts à être raccordés est présenté sur la page suivante.
210
Certification CE
(D)Konformitätserklärung gemäß EG-Richtlinie 89/392/EWG
(I) Dichiarazione di conformità secondo la direttiva CE 89/392/CEE
(GB) Conformity declaration in accordance with EC guideline 89/392/EEC
(F) Certficat de conformité selon la réglementation CE 89/392/CEE
(E) Declaración de conformidad según la norma EG 89/392/CEE
(P) Declaração de conformidade segundo as Normas 89/392/CEE
(NL) Conformiteitsverklaring volgens EG-richtlijn 89/392/EEG
(DK) Overensstemmelseserklæring i.h.t. EF-Maskindirektiv 89/392/EøF
(S) Konformitetsförklaring enligt EG-riktlinje 89/392/EEC
(N) Konformitetserklæring i henhold til EU direktiv 89/392/EøF
Wir - Noi - We - Nous - Nosotros - Nos - Wij - Vi - Vi - Vi
B O G E Kompressoren, Lechtermannshof 26, 33739 BIELEFELD
(D) erklären hiermit, daß der nachstehende Kompressor in der von uns gelieferten Ausführung folgenden einschlägigen Bestimmungen entspricht, insbesondere: 89/392/EWG Maschinenrichtlinie,
73/23/ EWG Niederspannungsrichtlinie, 87/404/EWG Richtlinie
über einfache unbefeuerte Druckbehälter, 89/336/EWG Richtlinie
über elektromagnetische Verträglichkeit
(NL) verklaren hiermede, dat de onderstaande compressor inde door ons geleverde uitvoering aan de toegepaste normen voldoet, speciaal: 89/392/EEG, 73/23/ EEG, 87/404/EEG, 89/336/EEG
(I) dichiariamo con la presente che il compressore seguente ne’llesecuzione da noi fornita corrisponde alle norme applicate, in particolare : 89/392/CEE, 73/23/ CEE, 87/404/CEE, 89/336/CEE
(DK) erklærer hermed, at følgende kompressor i den af os leverede udførelse stemmer overens med de anvendte standarder, især: 89/392/
EøF,
73/23/
EøF
, 87/404/
EøF, 89/336/ EøF
(GB) hereby declare that the following compressor in the design delivered by us meets the standards applied, in particular: 89/392/
EEC, 73/23/ EEC, 87/404/EEC, 89/336/EEC
(S) förklarar härmed att nedanstående kompressor i av oss levererat utförande uppfyller de tillåmpade normerna, sårskilt: 89/
392/EEC, 73/23/ EEC, 87/404/EEC, 89/336/EEC
(F) déclarons par la présente que le compresseur délivré mentionné ci-dessous est conforme aux normes, en particulier: 89/
392/CEE, 73/23/ CEE, 87/404/CEE, 89/336/CEE
(N) erklærer hermed at nedenstående kompressor i den utførelse som er levert av oss er overensstemmelse med de anvendte normer, særlig: 89/392/
EøF,
73/23/
EøF
, 87/404/EøF, 89/336/ EøF
(E) declaramos por la presente que el compresor figurado al final
(P)declaramos pela presente, que o compressor, a seguir en la ejecución que hemos suministrado cumple las normas mencionado na versão por nós fornecida corresponde às normas aplicadas, en particular: 89/392/CEE, 73/23/ CEE, 87/404/CEE,
89/336/CEE aplicadas, em especial: 89/392/CEE, 73/23/ CEE, 87/404/CEE, 89/
336/CEE
Typ/Tipo /Type/Type/
Tipo/Tipo/ Type/Type/
Typ/Type
Maschinennr./ N.della maccina/ Machine No.
N° de machine/ N° de serie/ N° da máquina/
Machineno./ Maskin-nr./ Maskinnr./ Maskinnr
(D)
(I)
Angewendete harmonisierte Normen, insbesondere :
Norme armonizzate applicate, in particolare:
(GB) Harmonized standards applied, in particular:
(F) Normes harmonisées appliquées, en particulier:
(E)
(P)
NL)
Normas armonizadas aplicadas, en particular:
Normas armonizadas aplicadas, em especial:
Toegepaste geharmoniseerde normen, speciaal:
(DK) Anvendte harmoniserede standarder, især:
S) Tillämpade harmoniserade normerna, sårskilt:
N) Anvendte harmoniserte normer, særlig: prEN 1012 Teil 1 Sicherheitsanforderungen Kompressoren
EN 292 Teil 1+2 Sicherheit von Maschinen
EN 294
EN 60204 Teil 1
EN 286 Teil 1
EN 50081-1,2
EN 50082-1,2
Sicherheit von Maschinen - Sicherheitsabstände
Sicherheit von Maschinen - Elektr. Ausrüstung
Einfache unbefeuerte Druckbehälter
Elektromagnetische Verträglichkeit - Störaussendung
Elektromagnetische Verträglichkeit -Störfestigkeit
(D) Angewendete nationale Spezifikationen, insbesondere :
(I) Specificazioni nationali applicate, in particolare:
(GB) Harmonized standards applied, in particular:
(F)
(E)
(P)
Spécifications nationales appliquées, en particulier:
Especificaciones nacionales aplicadas, en particular: Gerätesicherheitsgesetz
Especificações nacionais aplicadas, em especial: Verordnungen zum Gerätesicherheitsgesetz
(NL) Toegepaste nationale specificaties, speciaal:
(DK) Anvendte nationale specifikationer, især:
(S)
(N)
Tillämpade nationella specifikationer, sårskilt:
Anvendte nasjonale spesifikasjoner, særlig:
Bielefeld, le Beutel, directeur développement/construction..................................................................
211
Certification CE
14.2.3
Certificat de fournisseur CE
Lorsqu’une machine, un élément de machine ou un agrégat sont intégrés dans une autre machine, ou lorsqu’un élément de machine est ajouté à d’autres (parties de) machines pour n’en plus former qu’une seule, et que cette machine ou cet élément de machine ne peut pas fonctionner tout(e) seul(e), il faut que cette machine (élément de machine, agrégat) soit accompagnée d’une déclaration du constructeur ou de la personne responsable. Dans cette déclaration, le constructeur doit confirmer par écrit que la machine qu’il commercialise est conforme aux exigences demandées sur le plan de la sécurité et sanitaire spécifiées dans l’annexe I des directives „Machines“ 89/392/CEE.
Cette déclaration doit être rédigée dans la même langue que les instructions de service. Une version doit être jointe dans une des langues du pays d’utilisation et accompagner chaque machine.
Le certificat de fournisseur CE doit contenir un certain nombre d’informations, spécifiées ci-dessous.
– Nom et adresse du constructeur (ou de la personne responsable dans le cas d’une communauté).
– Description de la machine ou du dispositif (modèle, type, numéro de série, etc.)
– Règlements importants auxquels la machine satisfait
(spécification de toutes les directives qui s’appliquent à la machine ou au dispositif)
– Où trouver les normes harmonisées si nécessaire
– Normes techniques et spécifications nationales
éventuellement appliquées
– Remarque spécifiant que la mise en service est interdite jusqu’à ce qu’il soit constaté que la machine dans laquelle cette machine sera intégrée satisfait aux prescriptions de la directive „Machines“ CE 89/392/CEE
– Informations sur le signataire (titre, position dans l’entreprise)
– Nom et adresse du service de contrôle et de certification accrédité qui a effectué la vérification
Le certificat de fournisseur de la société BOGE pour les compresseurs intégrés est présenté sur la page suivante.
212
Certification CE
(D)Herstellererklärung gemäß EG-Richtlinie 89/392/EWG
(I) Dichiarazione del fabricante secondo la direttiva CE 89/392/CEE
(GB) Manufacturer’s declaration in accordance with EC guideline 89/392/EEC
(F) Certficat du fournisseur selon la réglementation CE 89/392/CEE
(E) Nota explicativa del fabricante según la norma EG 89/392/CEE
(P) Declaração de fabrico segundo as Normas 89/392/CEE
(NL) Fabrieksverklaring volgens EG-richtlijn 89/392/EEG
(DK) Fabrikanterklæring i.h.t. EF-Maskindirektiv 89/392/EøF
(S) Tillverkarförklaring enligt EG-riktlinje 89/392/EEC
(N) Produsenterklæring i henhold til EU direktiv 89/392/EøF
Wir - Noi - We - Nous - Nosotros - Nos - Wij - Vi - Vi - Vi
B O G E Kompressoren, Lechtermannshof 26, 33739 BIELEFELD
(D) erklären hiermit, daß der nachstehende Kompressor in der von uns gelieferten Ausführung zum Einbau in eine Maschine/Zusammenbau mit anderen Maschinen bestimmt ist, und daß seine Inbetriebnahme solange untersagt ist, bis festgestellt wurde, daß die Maschine, in die dieser Kompressor eingebaut werden soll, den Bestimmungen der EG-Richtlinie 89/392/EWG i.d.F. 91/368/EWG, 73/23/ EWG Niederspannungsrichtlinie, 87/404/EWG
Richtlinie über einfache unbefeuerte Druckbehälter, 89/336/EWG Richtlinie
über elektromagnetische Verträglichkeit entspricht.
(I) dichiariamo con la presente che il compressore seguente ne’llesecuzione da noi fornita è destinato al montaggio in una macchina / all’assemblaggio con altre macchine e che la sua messa in esercizio è vietata fintanto che non si sia constatato che la macchina, nella quale deve venire montato questo compressore, corrisponde alle disposizioni della direttiva CE 89/392/CEE e seguenti 91/368/CEE, 73/23/ CEE, 87/404/CEE,
89/336/CEE
(GB) hereby declare that the following compressor in the design delivered by us is intended for installation in a machine/assembly group in line with other machines and that it may not be commissioned until it has been determined that the machine in which this compressor is to be installed meets the regulations laid down in EC guideline 89/392/EEC continued as
91/368/EEC, 73/23/ EEC, 87/404/EEC, 89/336/EEC
(F) déclarons par la présente que le compresseur délivré mentionné cidessous est apte à être monté dans une machine ou en combinaison avec d’autres machines. Sa mise en service n’est autorisée que lorsqu’il a été constaté que la machine, dans laquelle le compresseur doit être monté, est conforme aux clauses de la réglementation CE 89/392/CEE, par la suite 91/
368/CEE, 73/23/ CEE, 87/404/CEE, 89/336/CEE
(E) declaramos por la presente que el compresor figurado al final en la ejecución que hemos suministrado está concebido para el montaje en una máquina/o montaje conjunto con otras máquinas, y que su puesta en servicio está prohibida hasta que se haya determinado que la máquina en la que tiene que montarse el compresor cumple el reglamento de la norma
89/392/CEE en continuación 91/368/CEE, 73/23/ CEE, 87/404/CEE, 89/
336/CEE
(NL) verklaren hiermede, dat de onderstaande compressor in de door ons geleverde uitvoering voor montage in een machine/voor combinatie met andere machines bestemd is en dat zijn inbedrijfstelling zolang verboden is, tot vastgesteld is, dat de machine, waarin deze compressor gemonteerd moet worden, aan de voorwaarden van de EG-richtlijn 89/392/EEG in de redactie van 91/368/EEG, 73/23/ EEG, 87/404/EEG, 89/336/EEG voldoet.
(DK) erklærer hermed, at følgende kompressor i den af os leverede udførelse er beregnet til indbygning i en maskine/sammenbygning med andere maskiner, og at ibrugtagning er forbudt, indtil det er konstateret, at den maskine, som denne kompressor skal monteres i, stemmer overens med bestemmelserne i EF-Direktiv 89/392/EøF, udgave 91/368/EøF, 73/23/ EøF,
87/404/ EøF, 89/336/ EøF
(S) förklarar härmed att nedanstående kompressor i av oss levererat är avsedd för montage i en maskin/hopbyggnad med andra maskiner, och at dess igångsättning år förbjuden tills det konstaterats att den maskin, i vilken denna kompressor skall monteras, uppfyller bestämmelserna i EGriktlinje 89/392/EEC i.d.f. 91/368/EEC, 73/23/ EEC, 87/404/EEC, 89/336/
EEC
(N) erklærer hermed at nedenstående kompressor kompressor i den utførelse som er levert av oss er bestemt for installasjon i en maskin/ sammenbygning med andre maskiner, og at bruk av dette er forbudt til det er fastslått at den maskinen som dette kompressor skal bygges inn i er i overensstemmelse med bestemmelsene i EU-Direktiv 89/392/ EøF utgave
91/368/EøF, 73/23/EøF, 87/404/EøF, 89/336/ EøF
(P) declaramos pela presente, que o compressor, a seguir mencionado na versão por nós fornecida, se destina a ser montado numa máquina/ montagem com outras máquinas e que a sua entrada em serviçio está interdita até ser definido que a máquina na qual este compressor deve ser instalado, corresponde às prescrições das Normas 89/392/CEE na versão
91/368/CEE, 73/23/ CEE, 87/404/CEE, 89/336/CEE
...................................................................................................................................................
Typ/Tipo /Type/Type/ Maschinennr./ N.della maccina/ Machine No.
Tipo/Tipo/ Type/Type/
Typ/Type
N° de machine/ N° de serie/ N° da máquina/
Machineno./ Maskin-nr./ Maskinnr./ Maskinnr
(D)
(E)
(P)
(NL)
(S)
Angewendete harmonisierte Normen, insbesondere : prEN 1012 Teil 1 Sicherheitsanforderungen Kompressoren
(I) Norme armonizzate applicate, in particolare:
(GB) Harmonized standards applied, in particular:
(F) Normes harmonisées appliquées:
Normas armonizadas aplicadas, en particular:
Normas harmonizadas aplicadas, em especial:
Toegepaste geharmoniseerde normen, speciaal:
(DK) Anvendte harmoniserede standarder, især:
Tillämpade anpassade normer, sårskilt:
EN 292 Teil 1+2
EN 294
EN 60204 Teil 1
EN 286 Teil 1
EN 50081-1,2
EN 50082-1,2
Sicherheit von Maschinen
Sicherheit von Maschinen - Sicherheitsabstände
Sicherheit von Maschinen - Elektr. Ausrüstung
Einfache unbefeuerte Druckbehälter
Elektromagnetische Verträglichkeit - Störaussendung
Elektromagnetische Verträglichkeit -Störfestigkeit
(N) Anvendte harmoniserte normer, særlig:
Bielefeld, le Beutel, directeur développement/construction..................................................................
213
Annexe
A.1
A.1.1
Symboles
Symboles images définis par la norme DIN 28004
Les symboles suivants ont été définis dans la norme DIN
28 004, partie 3. Seuls les extraits de la norme importants pour la génération de l’air comprimé ont été pris en considération.
Ces symboles sont utilisés pour les représentations standard des schémas fonctionnels d’installation technologiques.
Ils sont utilisés par tous ceux qui ont participé au développement,
à la planification, à l’installation et la mise en service de dispositifs technologiques, ainsi que pour illustrer la procédure employée.
Compresseurs et pompes
Compresseur en général Compresseur à diaphragme Compresseur à piston rotatif
Compresseur à anneau liquide Compresseur à piston alternatif Compresseur Roots
Compresseur à vis Turbo-compresseur
Filtres
Compresseur rotatif à palettes
Compresseur rotatif
Filtre fluide en général
Appareil filtre en général
Filtre liquide en général Filtre à gaz en général
Filtre à air en général
Filtre à charbon actif Filtre à gaz à sorption
214
Annexe
Séparateurs
Séparateur en général Séparateur centrifuge, séparateur rotatif,
Séparateur à gravité
Chambre de dépôt
Accessoires de tuyauterie
Appareil de sectionnement en général
Vanne d’arrêt ordinaire
Robinet d’arrêt ordinaire
Robinet-vanne
Vanne d’arrêt à trois voies
Robinet d’arrêt à trois voies
Clapet d’arrêt
Garniture anti-retour en général Soupape ordinaire anti-retour Clapet anti-retour
Garniture à dispositif de réglage continu
Soupape à fonction de sécurité
Divers
Sécheur en général
Evacuateur de condensat Réservoir en général
215
Annexe
A.1.2
Symboles de commutation pour contacts et appareils de connexion définis dans la norme ISO 1219
Les symboles suivants ont été définis dans la norme ISO 1219
(8.78). Seuls les extraits de cette norme ont été considérés.
Les symboles de commutation pour contacts et appareils de connexion servent à élaborer les plans de montage pneumatiques et hydrauliques utilisés pour décrire le fonctionnement des commandes et des systèmes.
Transformation de l’énergie
Compresseur
Pompe à vide
Moteur d’air comprimé à une direction de flux
Moteur d’air comprimé à deux directions de flux
Cylindre à action simple, retour sous l’effet d’une force externe
Cylindre à action simple, retour sous l’effet d’un ressort
Cylindre à double action
Cylindre à double action à amortissement unilatéral non réglable
Clapets anti-retour
Cylindre à double action à amortissement bilatéral réglable
Clapet anti-retour sans ressort Clapet anti-retour avec ressort
Régulateurs de débit
Clapet anti-retour commandé
Soupape d’étranglement à réduction constante
Soupape d’étranglement réglable Clapet anti-retour avec
étranglement
216
Annexe
Distributeurs
Distributeur 2/2, position de coupure neutre
Distributeur 3/, position neutre ouverte
Distributeur 4/3, position moyenne fermée
Distributeur 2/2, position neutre ouverte
Distributeur 3/3, position moyenne fermée
Distributeur 5/2
Distributeur 3/2, position neutre fermée
Distributeur 4/2
Contrôleurs de pression
Distributeur 4/3
Position moyenne de conduite de travail purgée
Clapet anti-retour à diaphragme Soupape de limitation de pression réglable
Vanne de contrôle de pression sans orifice de purge, réglable
Soupape d’étranglement actionnée manuellement
Soupape de mise en circuit réglable, avec purge
Vanne de contrôle de pression avec orifice de purge, réglable
Abréviation des connexions
A, B, C
P
Canalisation d’alimentation
Raccord pneumatique
R, S, T Evacuation, purge
X, Y, Z Conduite de pilotage
217
Annexe
Transmission de l’énergie
Source d’air comprimé Canalisation d’alimentation Canalisation de pilotage
Raccord de canalisation (fixe )
Intersection de canalisations
Canalisation flexible
Sortie avec raccord de tuyau Raccord de pression
(fermé)
Raccord de pression
(avec tuyauterie de raccordement)
Réservoir d’air comprimé
Filtre
Sécheur Huileur
Séparateur d’eau actionné manuellement
Séparateur d’eau à vidange automatique
Filtre avec séparateur d’eau automatique
Radiateur Unité de maintenance
( représentation simplifiée)
218
Annexe
Appareils divers
Manomètre Manomètre différentiel Thermomètre
Appareil de mesure de l’air comprimé
Appareil de mesure du débit débimètre
Interrupteur manométrique
Capteur de débit Capteur de pression
Capteur de température
219
Longueurs
de mm m m
Surfaces
de mm² cm² m² x
0,03937
3,281
1,094 x
1,55 x 10-3
0,155
10,76
Volumes
de cm³ dm³(litre) dm³(litre) dm³(litre) m³
Débit
de l/min.
m³/min.
m³/h x
0,06102
0,03531
0,22
0,242
1,308 x
0,0353
35,31
0,588
Pression
de bar(abs) bar(abs)
Force
de
N kW
Température
de
°C x
14,5
14,5+Atm.
x
0,2248
1,36 x
(°C x 1,8) + 32
220 en • de inch foot yard vers • de sq.inch
sq.inch
sq.ft.
vers • de cu.inch
cu.ft.
gallon(U.K.) gallon(US) cu.yard
en • de cfm cfm cfm en • de psia psig en • de pound force(lbf)
HP en • de
°F x
2,54
0,3048
0,914 x
645,16
6,452
0,0929 x
16,388
28,32
4,545
4,132
0,764 x
28,3
0,0283
1,7 x
0,07
0,07+Atm.
x
4,454
0,736 x
(°F -32) / 1,8 en
°C en mm m m en mm² cm² m² en cm³ dm³(litre) dm³(litre) dm³(litre) m³ en l/min.
m³/min.
m³/h en bar(abs) bar(abs) en
N kW
Index
A
Absorption
Adsorbeur à charbon actif
Adsorption
Air comprimé
Applications
Avantages
Composition
Coûts de l’air comprimé
Exemples d’applications
Filtres
Histoire
Impuretés
Pertes
Propriétés
Qualité
Arrêt (L0)
ARS
Aspiration (puissance)
Automatic
Autotronic
83
98
84
2, 21
14
7
207
18
91
1
66, 69
120
7
77
52
57
38
58
58
B
Bases physiques 8
Besoins en air comprimé 108, 115
Durée de fonctionnement moyenne
Facteur de simultanéité
Suppléments
115
116
119
Bruit
Directives de protection
Effets du bruit
203
202
C
Certification CE
Charge partielle
Chauffage des locaux
208
53
189
Rentabilité
Choix d’un compresseur
Chute de pression Dp
Circuit de distribution
190
137
156
150, 151
Classes de qualité
Commande Concept ARS
77
57
Compresseurs
Bilan thermique 188
Compresseur à anneau liquide 32
Compresseur à membrane 29
Compresseur à piston libre 30
Compresseur à piston plongeant 27
Compresseur à vis
Compresseur axial
33
35
Compresseur dynamique 24
Compresseur multicellulaire 31
Compresseur radial 36
Compresseur Roots 34
Compresseur volumétrique 24
Courant d’air de refroidissement V
Durée d’arrêt
C
174
129
Durée de fonctionnement 129
Encombrement 172
Fréquence de démarrage 129
Isolation 205
Installation
Lubrifiants
Récapitulatif
Température ambiante
172
50
26
170
Types
Compresseurs à piston
25
37
Domaines d’applications 125
Exemple d’installation 187
Modules
Refroidissement
41
39
Régulation
Compresseur à vis
40
42
Compression
Domaines d’application
Exemple d’installation
Modules
Principe de fonctionnement
Compresseurs
Conception des compresseurs
Compresseur à piston
Compresseur à vis
Condensat
42
125
186
47
43
24
131
135
100
Elimination
Conduite commune
Conduite de raccordement
Conduites
Diamètre nominal
Dimensionnement
Marquage
Matériaux utilisés
Consommation d’air comprimé
171
152
151
159
158
168
164
Buses
Buses cylindriques
Buses de pulvérisation
Consommation totale
Cylindres
Outils
Pistolets à peinture
Courant d’air de refroidissement V
C
Courant
Coûts
174
13, 156
108
109
111
118
112
113
110
Air comprimé
Pertes d’air comprimé
206
120
D
Débit
Déclaration de conformité
Déclaration du fabricant
38
204
212
Définitions de pression
Démarrages moteur
Détermination
Nombre admissible
Diamètre intérieur du tuyau di
51
130
130
Calcul du diamètre
Calcul graphique
161
162
Diagramme en colonnes 163
Directives relatives aux machines commercialisées dans la CEE 208
Division en groupes de contrôle 142
Humidité
E
Echangeur de chaleur Duotherm
Duotherm BSW 191, 192
Economies
Echangeur de chaleur
Espace mort
Etats de fonctionnement
Evacuateur de condensat
Expert
Réservoir d’air comprimé
Séparateur centrifuge
191
191
38
52
141
93
143
F
Filtres chute de pression Dp filtre à charbon actif filtre stérile microfiltre préfiltre pression de service
Filtre d’aspiration
Fluidique
Fuites
G
Groupes de contrôle
H
142
70
Inspections 144, 146
Installation du compresseur 170
Installations multiples 152
Intensité sonore 198
Niveau d’intensité sonore
Isobare
Isochore
197
8
8
Isotherme
I
92
97
99
95
94
92
49
5
120
8
221
Index
J
Justificatif d’inspection 146
L
Local technique
Loi de Blaise Pascal
Loi de Boyle-Mariotte
Lois
169
3
7
Directives appliquées sur l’emplacement de travail 203
Prescriptions de sécurité appliquées aux réservoirs 142
Règlements administratifs généraux nationaux relatifs au bruit 204
Règles de sécurité applicables par les entreprises générant du bruit 203
Règles de sécurité en vigueur pour les compresseurs 203
Longueur de tuyau équivalente 160
Plages de pression
Pleine charge (L2)
17
53
Pneumonique 5
Point de rosée sous pression 71
Après détente 76
Définition
Point de rosée
Pompes à vide
Pouvoir séparateur du filtre
75
71
24
91
Prescriptions de sécurité appliquées aux réservoirs d’air comprimé
Pression acoustique
Pression
Propagation sonore
142
196
10
200
M
Marche à vide (L1)
Marche à vide
Matériaux utilisés pour réaliser les conduites
42
54
164
Tuyaux en acier inoxydable
Tuyaux en acier sans sou dure
165
165
166 Tuyaux en cuivre
Tuyaux en matières synthétiques
Tuyaux filetés
MCS
Mécanismes de filtrage
Mesure du bruit
Mode intermittent retardé
Moteur d’entraînement
167
164
60
96
205
54
48
N
Niveau de pression acoustique 196
Niveau sonore 196
Nombre de Reynolds Re
Normes
156
DIN 28004, partie 3
ISO 1219 (8.78)
214
216
ÖWAMAT
O
P
Perception du son
Personnel spécialisé
107
195
143
Q
Qualité de l’air comprimé
Planification
Quantité de condensat
67
72
R
Ratiotronic
Récupération de la chaleur
Régénération
59
188
84
Régénération à chaleur externe
Régénération à chaleur interne
Régénération par le vide
Régénération sans chaleur
Réglage de la fréquence
87
86
88
85
56
Règles de protection contre les incendies
Régulation
171
51
Régulation en charge partielle 56
Régulation en marche à vide 54
Régulation progressive 56
Réseau de distribution 149
Avec sécheur d’air comprimé
Chute de pression Dp
Sans sécheur d’air com primé
Réservoir d’air comprimé
155
157
154
140
Accessoires
Amortissement des pulsa
147 tions 140
Détermination du volume 127
Evacuation du condensat 141
Fabrication 143
Groupes de contrôle 142
Inspection
Installation
144
173
Prescriptions de sécurité 142
Série normalisée 127
Stockage de l’air comprimé 140
S
Séchage par réfrigération 81
Séchage
Condensation par
78 surpression 80
Séchage à diaphragme
Séchage par absorption
82
83
Séchage par adsorption 84
Séchage par réfrigération 81
Sécheur Conditions d’exploitation
Emplacement
Séparateur centrifuge
Séparateur huile-eau
Sigle CE
Son
Soupape à languette
Soupape de sécurité
Supertronic
Symboles de commutation pour contacts et appareils de connexion
Symboles
Système SI
Systèmes composés de plusieurs compresseurs
79
89
93
107
209
199
49
49, 148
59
216
214
6
139
T
Température
Traitement du condensat
Traitement
Tuyauterie en dérivation
Tuyauterie périphérique
Types de régulation
Unités de base
U
9
106
66
151
150
54, 60
6
V
Ventilateurs
Ventilation
24
174
Artificielle
Canaux d’entrée et de sortie de l’air
Gaine de ventilation
Locaux techniques
Naturelle
Volume aspiré
Volume de fuites
178
Détermination des fuites 121, 122
Volume débité V 11
Volume 9
181
182
176
177
38
123
222
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