Remerciez-le!

Remerciez @Admin pour avoir partagé cet document gratuitement, de la manière la plus simple, en partageant sur les réseaux sociaux.

Les systèmes d’air comprimé LES DIAGNOSTICS ÉNERGÉTIQUES | FICHE Nº11 Problém

Les systèmes d’air comprimé LES DIAGNOSTICS ÉNERGÉTIQUES | FICHE Nº11 Problématique Grâce à sa souplesse, à sa flexibilité et à la simplicité de sa mise en œuvre, l’air comprimé est un vecteur énergétique adopté par la plupart des industries. Ses applications courantes sont variables et diversifiées. On l’utilise à différentes fins : • Pour la commande pneumatique des actionneurs (vérins pour robots automatisés ou stations d’emballage, commande des vannes de régulation de débit de combustible dans un four de briqueterie, etc.) ; • Comme source directe d’énergie pour l’outillage pneumatique (chaînes de montage, ateliers de maintenance, etc.) ; • Comme air de procédés pour l’application de la peinture, pour le sablage ou pour le transport pneumatique de produits. La supervision des installations d’air comprimé se limite généralement aux mesures visant à assurer une pression et un débit suffisants. Un surdimensionnement est souvent demandé et apprécié. La facilité de son utilisation ne doit toutefois pas cacher les vrais coûts de son exploitation. Ainsi, l’achat de l’électricité représente plus de 75 % des coûts sur toute la durée de vie de l’installation d’air comprimé, c’est-à-dire 10 ans ; l’investissement initial et l’en- tretien se partagent en parts égales le reste des coûts. Il est donc essentiel de mieux comprendre comment sont répartis les coûts de l’énergie consommée par un système d’air comprimé, pourquoi un tel système coûte cher et comment réduire les coûts en améliorant l’efficacité du système. Principes de base Une multitude de compresseurs sur le marché Le compresseur est un équipement mécanique qui aspire de l’air et le refoule, après élévation de sa pression, généralement dans un ballon de stockage intermédiaire puis dans un réseau de distribution. Il existe une grande variété de compresseurs (figure 1). Grâce à sa robustesse, à sa simplicité et à son coût d’investissement, le compresseur à vis domine le marché des compresseurs utilisés. Figure 1. Les différents types de compresseurs LES DIAGNOSTICS ÉNERGÉTIQUES | FICHE Nº 11 Les systèmes d’air comprimé 2 Un rendement total limité Un système d’air comprimé peut être décomposé en trois sous- systèmes (figure 2) : • La production, incluant un moteur électrique et un élément com- presseur. Le rendement à la production est de l’ordre de 30 %. Plus de 70 % de l’énergie consommée est perdue sous forme de chaleur. • La distribution, incluant un réseau de transport avec ses canali- sations, ses coudes et ses vannes. La distribution est affectée par les pertes de charge et les fuites dans le réseau. Les meilleurs rendements sont de l’ordre de 80 % et peuvent être aussi bas que 50 %. • L’utilisation finale, incluant des actionneurs et l’outillage pneu- matique. Les fuites aux raccordements et les rendements des moteurs pneumatiques font que le rendement à l’utilisation finale oscille entre 40 % et 80 %. Le rendement global à l’utilisation est donc souvent entre 10 % et 15 % et atteint, dans les meilleurs cas, 20 %. Autrement dit, l’éner- gie, sous sa forme pneumatique à l’utilisation, coûte jusqu’à dix fois le prix de l’énergie électrique alimentant le compresseur ! L’analyse des facteurs qui affectent ces rendements offre une série de possi- bilités d’optimisation qui ne doivent pas être ignorées. Calcul du débit La compression et la détente de l’air obéissent à la loi générale des gaz parfaits, liant pression, température et volume du gaz selon l’équation 1. Équation 1 P1 × V1 = P2 × V2 T1 T2 Avec P1 et P2 : Pressions initiale et finale (en kPa – abs) V1 et V2 : Volumes initial et final (en litres) T1 et T2 : Températures initiale et finale (en K) L’équation 1 permet de comparer le fonctionnement de l’équipement et les caractéristiques nominales fournies par le constructeur, c’est- à-dire dans des conditions normales de 20 °C (ou 293,15 K) et 101,325 kPa. Soit, par exemple, un compresseur à vis qui, pour un réservoir fermé de 1000 litres sous les conditions de 2,4 bars (1 bar = 100 kPa) et 22 °C (conditions initiales), a mis 72 secondes pour porter ce réservoir à une pression de 7,8 bars à une température de 29 °C (conditions finales). Le débit d’air libre équivalent refoulé par le compresseur est calculé selon les formules suivantes : Volume d’air libre équivalent initial P × V × 293,15 = 240 × 1000 × 293,15 = 2 352 litres T × 101,325 295,15 × 101,325 Volume d’air libre équivalent final 780 × 1000 × 293,15 = 7 469 litres 302,15 × 101,325 Débit d’air libre équivalent moyen 7 469 – 2 352 = 71 l/s = 4,26 m3/min 72 La comparaison du débit de fonctionnement au débit nominal de l’équipement fourni par le constructeur donne une bonne idée de l’efficience du compresseur. Figure 2. Schéma type d’une installation d’air comprimé Réservoir Séchoir Filtre Consommation 1 Consommation 2 Consommation 3 Consommation 4 Compresseur 1 Compresseur 2 LES DIAGNOSTICS ÉNERGÉTIQUES | FICHE Nº 11 3 Les systèmes d’air comprimé Effet de la température d’aspiration Pour mieux apprécier l’effet de la température d’air à l’aspiration, comparons le débit à l’aspiration (D2) à 40 °C à un débit de référence (D1) de 1 l/s à 25 °C d’air extérieur. La pression à l’entrée du compres seur est la pression atmosphérique dans les deux cas, soit P1 = P2. La loi des gaz parfaits peut aussi être écrite sous forme de débits au lieu de volumes, soit : D2 = D1 × T2 = D1 × 311,15 = 1,05 × D1 T1 298,15 Autrement dit, le besoin de compression pour refouler un débit d’air donné est plus élevé de 5 % si la température de l’air à l’entrée est de 40 °C au lieu de 25 °C. La consommation énergétique évolue dans les mêmes proportions. Il est donc intéressant d’alimenter le compresseur en air d’aspiration le plus froid possible pour améliorer le rendement énergétique. Effet de la pression de refoulement La consommation d’énergie pour la production d’air comprimé est directement liée à la pression de refoulement du compresseur. Cette dernière est souvent réglée à des valeurs plus élevées que celles qui sont nécessaires pour les équipements. Une règle empirique indique qu’une pression de refoulement excessive de 1 bar engendre une augmentation de 6 % des coûts énergétiques sans apporter d’utilité supplémentaire. De plus, les pertes dues aux fuites s’amplifient si la pression augmente. Plus le potentiel de réduction de la pression est grand, plus la marge d’économies possibles est importante. Description technique Les bonnes pratiques de base Tout d’abord, une bonne analyse des besoins est nécessaire pour déterminer les exigences des équipements en pression, débit et qualité d’air comprimé. Ensuite, un emplacement de la centrale d’air comprimé ne permettant pas d’évacuer la chaleur dégagée par les compresseurs ni d’aspirer un air froid augmente les coûts d’exploitation. Par ailleurs, il est rentable d’éviter les usages abusifs et non appro- priés de l’air comprimé, tels que le refroidissement des machines, le nettoyage des accessoires ou le dépoussiérage des tenues de travail. Il est souvent possible d’exécuter ces travaux à moindres coûts et plus efficacement par d’autres moyens. De plus, ces usages augmentent le débit volumétrique des compresseurs et leur consom mation électrique, en plus de causer des chutes de pression et de perturber la chaîne de production. Certaines machines peuvent en effet s’arrêter si la pression chute sous un seuil critique. Les pertes de production alors subies par l’usine dépassent de loin la consommation d’énergie relative à l’air comprimé maladroi tement utilisé ! Les équipements annexes Selon les spécifications imposées par l’utilisation finale, les compresseurs d’air sont accompagnés d’équipements auxiliaires qui présentent des possibilités d’économies d’énergie (tableau 1). Des indicateurs clés Le pilotage efficace d’une centrale d’air comprimé requiert des indicateurs simples et pertinents et une référence à laquelle comparer leur progression. Dresser l’état de départ, l’objectif à terme, les jalons d’avancement et les points d’alertes en cas de dérives favorise une exploitation efficace. Les indicateurs usuels et les valeurs recommandées sont les suivants : • Le taux des heures de charge par rapport aux heures de fonction nement du compresseur (%). Plus ce taux est élevé, moins le compresseur tourne à vide. En tournant à vide, le compresseur consomme le tiers de sa puissance à pleine charge sans produire d’air comprimé. Un taux de charge de 80 % à 90 % est un objectif raisonnable et réalisable. • La consommation spécifique, aussi appelée indicateur de performance énergétique (IPE) de la centrale (Wh/m3). C’est l’énergie effectivement absorbée par le compresseur rapportée au débit d’air comprimé délivré à sa sortie, exprimé en débit d’air libre équivalant aux conditions normales. Cet indicateur est représentatif de la qualité de la conception et de la gestion de l’installation d’air comprimé. Il est important de le connaître et de le contrôler, car le rendement peut vite se dégrader. Un compresseur neuf de 30 kW ayant un débit de 5,7 m3/min, fonctionnant à pression de 7 bars et à des taux de charge de 90 % et de 60 %, offre un IPE entre 90 Wh/m3 et uploads/Management/ 773-ficheprisme-no11-systemes-air-comprime-2.pdf