Efficacité énergétique dans les installations d’air comprimé Pr. AZZABAKH Aniss 2023-2024 L'air comprimé est un utilité couramment utilisé dans les processus industriels et représente une fraction importante du coût d'exploitation des installations de fabrication. On estime que l'énergie utilisée par les systèmes d'air comprimé représente environ 30% de l'énergie totale consommée par les moteurs électriques en France. L’air comprimé est produit par des compresseurs typiques utilisant de l'électricité. Malheureusement, la plupart des systèmes d'air comprimé existants ont un faible rendement en raison de plusieurs facteurs tels que les fuites d'air, la sélection inadéquate des compresseurs, l'utilisation inappropriée de l'air comprimé et les mauvais contrôles. L’air comprimé est un des vecteurs énergétiques unanimes dans l’industrie, permettant le transport de la puissance, de l’énergie et le travail. L’air comprime est incontournable, mais cher et perfectible. Son usage peut devenir très large, également dans le séchage, le refroidissement, le nettoyage, l’éjection de déchets, le transport, de levage… avec la sécurité d’un fluide non inflammable et antidéflagrant ; Offre des utilisations spécifiques dans l’industrie, la plongée sous-marine, les centres hospitaliers et peut participer directement aux processus de production dans plusieurs secteurs industriels. Production de l’air comprimé Préparation de l’air comprimé Stockage Distribution et utilisation de l’air comprimé Figure 1 : Schéma montrant les composantes d’une installation d’air comprimé La figure 1 illustre un système d'air comprimé simplifié actionné par un moteur électrique. L'air comprimé est généralement produit dans un emplacement centralisé puis distribué à divers endroits de l'installation pour être utilisé par les équipements et les machines soit dans le processus de production, soit dans le contrôle pneumatique. Généralement, un système d’air comprimé se compose de plusieurs composants, notamment : 1 ou +ieurs compresseur(s) connecté(s) à un driver. Ce dernier est généralement un moteur électrique. Un système de distribution avec tuyauterie, vannes, raccords et commandes, pour alimenter les équipements par l’air comprimé. Autres équipements tels que récepteurs, séchoirs et filtres. L'efficacité globale d'un système d'air comprimé dépend de trois étapes : la production, la distribution et l'utilisation. Lors d’un audit, il est important d’évaluer chacune de ces étapes afin d’apprécier les performances et donc le potentiel d’amélioration de l’efficacité énergétique d’un système d’air comprimé. Le concept de base de la production d’air comprimé est relativement simple: Généralement, une puissance mécanique (électrique) est fournie à un compresseur qui augmente la pression de l'air d'admission. Ce dernier est généralement aspiré dans des conditions atmosphériques ambiantes (une pression de 100 kPa ou 1 bar et Tamb) Le compresseur peut être sélectionné parmi plusieurs types, tels que centrifuge, alternatif ou rotatif à vis avec un ou plusieurs étages. Pour les unités de petite et moyenne taille, les compresseurs à vis sont actuellement les plus couramment utilisés dans les applications industrielles. Tableau 1 : Gammes d'applications typiques pour différents types de compresseurs d'air Type du compresseur Débit d’air (m3/s) Besoin en puissance mécanique à Pression absolue (MPa) l’entrée (kW/(L/s)) Réciproque 0.0–5.0 0.340–275.9 0.35–0.39 Centrifuge 0.5–70.5 3.5–1034.3 0.46 Vis rotatif 0.5–16.5 0.1–1.8 0.33–0.41 L’analyse énergétique simplifiée des systèmes d’air comprimé peut être réalisée en utilisant la première loi de la thermodynamique appliquée aux gaz parfaits. Cette analyse énergétique appliquée à la compression d'un gaz parfait permet d’identifier les paramètres importants qui doivent être modifiés. Les figures 2 et 3 représentent, simultanément, un piston d’un cylindre lors d'une compression d'un gaz parfait et la variation de la pression en fonction du volume occupé par le gaz, représentée dans un diagramme P-V, pour des compressions de type isotherme, adiabatique et polytropique. Figure 2 : Déplacement du piston d’un cylindre lors d’une compression Figure 3 : variation de p en fonction de V pour un G.P pour différentes évolutions L’équation reliant T et P à l'entrée (aspiration) et à la sortie (refoulement) d'un compresseur suite à un processus de compression isotherme, adiabatique ou polytropique est donnée par : 𝑻𝟎 𝑷𝟎 = 𝑻𝒊 𝑷𝒊 𝜸−𝟏 𝜸 • γ = 1 : Si la compression est isotherme ; • γ = k : Si la compression est adiabatique (k = 1,4 pour l'air sec) ; • γ < k : lorsque la compression est polytropique (typiquement k=1,3 pour l'air sec). Une autre équation peut-être utilisée pour l’air sec, qui relie la pression, la température et la densité, appelée équation d’état et elle est donnée pour l’entrée du compresseur (admission) par : Pour l’air sec, la constante Ra est calculée par : 𝒑𝒊 = 𝝆𝒊 . 𝒁𝒂𝒊 . 𝑹𝒂 . 𝑻𝒊 𝐽 𝑪𝒔𝒕𝒆 𝒅𝒆𝒔 𝑮. 𝑷 ∶ 𝑹 8,314 𝑚𝑜𝑙. 𝐾 = 𝟐𝟖𝟕, 𝟕 𝑱 𝑹𝒂 = = 𝑴𝒂𝒔𝒔𝒆 𝒎𝒐𝒍𝒂𝒊𝒓𝒆 𝒅𝒆 𝒍′ 𝒂𝒊𝒓 𝑴𝒂 28,9. 10−3 𝐾𝑔 𝒌𝒈. 𝑲 𝑚𝑜𝑙 Za,i est le facteur de compressibilité de l’air. Il donne une indication sur la différence de comportement de l'air par rapport à celui d'un gaz parfait. Il est compris entre zéro et 1 et dépend de la pression et de la température de l'air. Le travail nécessaire pour comprimer un débit massique 𝒎𝒂 d'air sec peut être estimé en appliquant la première loi de la thermodynamique à un processus de compression d'un gaz parfait. En particulier, la puissance mécanique requise pour une compression isotherme peut être calculée par l'équation suivante : 𝑷𝟎 𝑾𝒎 = 𝒎𝒂 . 𝑹𝒂 . 𝑻𝒊 . 𝑳𝒏 𝑷𝒊 La puissance mécanique requise pour un cycle de compression adiabatique ou polytropique peut être estimée à partir de l'équation suivante : 𝒎 𝒂 . 𝑹𝒂 . 𝑻𝒊 . 𝜸 𝑾𝒎 = . 𝜸−𝟏 𝑷𝟎 𝑷𝒊 𝜸−𝟏 𝜸 −𝟏 Deux observations importantes peuvent être faites à partir des deux équations liés à l’efficacité énergétique des compresseurs : 1. La puissance mécanique d’un compresseur augmente linéairement avec la température de l’air d’admission. Pour augmenter l'efficacité énergétique d'un système comprimé, l'air d'admission doit donc être aussi froid que possible. 2. La puissance mécanique d’un compresseur augmente avec le rapport de pression. Il est donc important de produire de l’air comprimé avec une pression de refoulement limitée à la pression maximale nécessaire à l’installation. En d’autres termes, la surpression doit être évitée autant que possible. En plus, la variation de la pression de l’air à l’entrée peut avoir un impact significatif sur la puissance mécanique requise par un compresseur. Il convient notamment de tenir compte de l'influence de l'altitude sur la pression. Application : Une analyse comparative des besoins en puissance mécanique pour trois types de compression, isotherme, adiabatique et polytropique. Les résultats de cette comparaison montrent que la compression adiabatique nécessite plus d’énergie que tous les autres types de compression. Le cas de la compression isotherme assure les conditions optimales de fonctionnement du compresseur. Calculons le besoin en puissance mécanique pour comprimer 1 kg/s de l’air sec sous 100 kPa et 20 °C (conditions ambiantes) à 800 kPa (pression absolue) pour les compressions isotherme, adiabatique et polytropique (𝛾 = 1,3) ? En utilisant l’équation pour 𝑃1 = 100 𝑘𝑃𝑎, 𝑃0 = 800 𝑘𝑃𝑎, 𝑇𝑖 = 293 𝐾, 𝑅𝑎 = 287,7𝐽/𝑘𝑔. 𝐾 ; le besoin en puissance mécanique pour la compression isothermique d’1 kg/s peut être estimée par : 𝑾𝒎 = 1 𝑘𝑔 𝐽 800 𝑘𝑃𝑎 . 287,7 . 293 𝐾. 𝐿𝑛 = 𝟏𝟕𝟓, 𝟑 𝒌𝑾 𝑠 𝑘𝑔. 𝐾 100 𝑘𝑃𝑎 La puissance mécanique pour la compression adiabatique est calculée en utilisant l’équation avec 𝛾 = 𝑘 = 1,4 : 𝑾𝒎 = 1 × 287,7 × 293 × 1,4 . 1,4 − 1 800 100 1,4−1 1,4 − 1 = 𝟐𝟑𝟗, 𝟒 𝒌𝑾 Pour la compression polytropique, le besoin en puissance mécanique peut être déterminé par l’équation (11.4) avec 𝛾 = 𝑘 = 1,3 : 𝑾𝒎 = 𝟏 × 𝟐𝟖𝟕, 𝟕 × 𝟐𝟗𝟑 × 𝟏, 𝟑 . 𝟏, 𝟑 − 𝟏 𝟖𝟎𝟎 𝟏𝟎𝟎 𝟏,𝟑−𝟏 𝟏,𝟑 − 𝟏 = 𝟐𝟐𝟓 𝒌𝑾 Comme prévu, la compression isotherme nécessite moins de puissance mécanique et la compression adiabatique nécessite plus de puissance absorbée que n’importe lequel des trois types de compression. A noter que la compression polytropique qui est plus représentative d'un processus de compression réel a des besoins en puissance mécanique compris entre ceux des compressions isotherme et adiabatique. Il est intéressant de noter que la puissance mécanique absorbée par unité de débit d’air (kW/L/s) peut être calculée pour les trois types de compression en estimant la densité de l’air aux conditions d’entrée. L'équation des gaz parfaits est utilisée pour déterminer la densité de l’air (avec Za,I = 1) pour Ti = 293 K et Pi = 100 kPa, dont la valeur est de 1,189 kg/m3. Ainsi, l'apport mécanique pour les trois types de compression sera de 0,21 kW/L/s pour une compression isotherme, de 0,27 kW/L/s pour une compression polytropique et de 0,29 kW/L/s pour une compression adiabatique. Pour l’étude des compresseurs d’air à l’état réel, il est recommandé que 𝑾𝒎 ou les besoins en énergie soit estimée en utilisant le cas de la compression adiabatique pour plusieurs raisons: 1. Même si la compression polytropique est une meilleure représentation de la compression réels, il est difficile d’obtenir facilement la valeur de l’exposant γ sans faire des mesures coûteuses. Pour les turbocompresseurs (augmentant la pression de l'air en augmentant sa vitesse), γ peut être supérieur à k = 1,4 (γ > k = 1,4). 2. Les besoins en puissance sont proches entre la compressions polytropique et la compression adiabatique (diapo 9: 𝑾𝒎 vaut, respectivement, 239,4 𝑘𝑊 et 225 𝑘𝑊 pour les compressions adiabatique et polytropique). 3. La puissance requise pour une compression adiabatique représente une limite supérieure de la puissance absorbée utilisé par des compressions réelles et fournit ainsi le scénario le plus défavorable. Lorsque les compresseurs sont entraînés par des moteurs électriques, l'énergie électrique, en kWh, consommée par les systèmes d'air comprimé peut être déterminée à partir de l'expression suivante : 𝑊𝑚 : Puissance mécanique requise par le compresseur. 𝑬𝒄𝒐𝒎𝒑 𝑾𝒎 . 𝑳𝑭𝒄𝒐𝒎𝒑 . 𝑵𝒉,𝒄𝒐𝒎𝒑 𝒌𝑾𝒉 = 𝜼𝑴 𝑁ℎ,𝑐𝑜𝑚𝑝 : Nombre d'heures par an du fonctionnement du compresseur. 𝐿𝐹𝑐𝑜𝑚𝑝 : Le facteur de charge moyen de fonctionnement du compresseur. 𝜂𝑀 : Rendement du moteur qui entraîne le compresseur. En plus du compresseur, d'autres unités accessoires sont nécessaires pour la production d'air comprimé. Ces unités peuvent augmenter les besoins en énergie mécanique et donc électrique pour le fonctionnement des systèmes à air comprimé. Les filtres : L'air à l'entrée du compresseur doit être aussi propre que possible pour protéger le compresseur et ses équipements associés de tout dommage que peuvent causer les particules en suspension dans un air non filtré. Les particules en suspension peuvent pénétrer dans diverses parties du compresseur d'air où elles peuvent soit : i. Obstruer de petits orifices (au sein des compresseurs, des conduites de distribution ou des machines utilisant de l'air comprimé), soit ii. User par friction certaines surfaces intérieures du compresseur (y compris les cylindres, les pistons ou les rotors). L'usure est encore plus dommageable lorsque les particules sont mélangées avec l'huile lubrifiante. Divers filtres à air et techniques de nettoyage de l'air peuvent être utilisés à l'entrée des compresseurs en fonction de la taille des particules en suspension dans l'air : Le manuel ASHRAE (2008) fournit une description d'un certain nombre de techniques de purification de l'air et de leurs applications. 1. L'efficacité du filtre à air : Généralement définie comme le pourcentage de particules retenues Le choix d'un filtre à air pour un compresseur dépend généralement de deux facteurs : 2. La chute de pression provoquée par le filtre à air: Elle est due soit à un tamis fin soit à une accumulation de saletés. Elle diminue la capacité du compresseur. On estime que pour chaque 100 mm (1 kPa) de chute de pression d'eau, le débit massique d'air comprimé est réduit d'environ 1 % (en Filtre à tamis : supposant que le compresseur utilise la même puissance). Il est donc important de sélectionner des filtres à air appropriés et de nettoyer ou remplacer ces filtres périodiquement afin de réduire l'énergie utilisée par les systèmes d'air comprimé. Exemple : Augmentation du coût énergétique lié à un filtre à air contaminé Déterminer l’augmentation du coût d’énergie causée par la présence d’un filtre d’air contaminé dans une installation d’air comprimé. Le compresseur consomme une puissance de 100 kW et fonctionne 7000 heures par an. On suppose : Le rendement électrique du moteur est de 90%. La chute de pression augmente de 1.0 kPa pour un filtre d’air propre à 3 kPa pour un filtre contaminé. Le coût d’1 kWh électrique vaut 0,8 Dh. Vu que la puissance mécanique est proportionnelle au débit massique de l’air, et en utilisant une règle empirique, on peut affirmer que pour chaque augmentation de 1 kPa de la chute de pression à travers le filtre à air, la puissance mécanique augmente de 1 %. Ainsi, l’augmentation du coût énergétique lié à l'utilisation d'un filtre à air contaminé, peut être estimée comme suit : 𝑪𝒐ù𝒕 𝑬𝒏𝒆𝒓𝒈𝒊𝒆𝑭𝒊𝒍𝒕𝒓𝒆 = ℎ 100 𝑘𝑊 × 7000 𝑎𝑛 × 0,8 Dh k Wh 0,9 × 3 𝑘𝑃𝑎 × 0,01 = 𝟏𝟖𝟔𝟔𝟕 𝑫𝒉 𝒂 𝒏 1 𝑘𝑃𝑎 Les réservoirs de réception : On trouve les réservoirs de réception généralement soit à proximité des compresseurs, soit à proximité des machines d'utilisation finale qui ont des demandes élevées et variables. Trois raisons justifient l’utilisation de réservoirs de réception d’air centraux ou locaux : 1 2 3 Stockage d'énergie sous forme d'air comprimé pour réduire les cycles indésirables des compresseurs Régulation du débit d'air comprimé en fonction des exigences de charge des utilisateurs finaux Contrôle de la pression de refoulement de l'air comprimé, notamment en cas d'utilisation de compresseurs à piston Réserrvoir d’air comprimé Les spécifications de conception des réservoirs de réception doivent respecter les exigences des autorités locales en matière de réglementation sur les appareils sous pression. Les sécheurs : L'air ambiant peut être humide et contenir une forte teneur en vapeur d'eau, qui peut se condenser soit dans le compresseur, soit dans les conduites de distribution, soit dans les équipements utilisant l'air comprimé. Les sécheurs sont utilisés pour réduire ou éliminer cette eau condensée qui peut se produire dans l'air comprimé. Le choix du type de sécheur dépend de deux facteurs importants : 1. La qualité de l’air sec requise exprimée en termes de pression du point de rosée ; 2. Le coût total du séchoir, y compris les coûts initiaux et les coûts d'exploitation et de maintenance. Plusieurs méthodes de séchage sont utilisées avec les systèmes à air comprimé : Les séchoirs par réfrigération sont utilisés pour ramener Figure : Système de Séchage de l'air par élimination de l'humidité, de la vapeur et de l'huile. le point de rosée sous pression de l’air à des niveaux inférieurs à 5°C. Dans des applications des procédés alimentaires, les sécheurs par adsorption Figure : Sécheur d’air comprimé par réfrigération sont utilisés pour obtenir un air très sec avec des pressions de point de rosée inférieures à 0°C. Les Refroidisseurs intermédiaires : Pour dissiper la chaleur de compression, il est d'usage de refroidir les cylindres du compresseur et les couvercles de cylindres à l'aide de dispositifs d'échange thermique communément appelés refroidisseurs intermédiaires. Ces refroidisseurs intermédiaires peuvent utiliser de l'air ou de l'eau pour contrôler la température du compresseur. Généralement, le refroidissement de l'air comprimé est préféré pour des raisons de commodité dans la mesure où il élimine le besoin d'une alimentation en eau et évite ainsi les problèmes associés à la distribution de l'eau tels que le risque de gel. Cependant, réduire correctement la température du compresseur peut s'avérer difficile avec le refroidissement par air dans certaines applications. 1. Introduction : La distribution de l'air comprimé vers l'équipement d'utilisation finale est réalisée par un ensemble de réseaux de canalisations reliés par divers raccords. Plusieurs types de tuyaux pouvant être utilisés, allant des tuyaux métalliques rigides aux tubes en plastique flexibles. La sélection du type de tuyau dépend d'un certain nombre de paramètres, tels que le diamètre et la pression requise pour la tuyauterie de distribution. À travers le réseau de canalisations, le débit d'air comprimé est généralement régulé par un ensemble de vannes et de régulateurs de pression. Des pièges à humidité sont souvent installés le long des conduites de distribution pour séparer tout condensat de l'air comprimé. La pression de l'air comprimé au niveau de l'équipement d'utilisation finale est toujours inférieure à la pression de refoulement du compresseur ou des réservoirs de réception, principalement pour deux raisons : la chute de pression d'écoulement dans la tuyauterie de distribution et les fuites. 2. Chute de pression d’écoulement d’air : En raison de la résistance à l'écoulement de l'air comprimé à travers les tuyaux, les vannes et d'autres parties du système de distribution telles que les raccords et les connecteurs, il existe une chute de pression qui peut être estimée à l'aide de l'équation de Darcy-Weisbach : 𝑳 ∆𝒑 = 𝝆. 𝒇. + 𝑫 𝑽𝟐 𝑲 . 𝟐 Δp : Chute de pression totale à travers le système de distribution (Pa). 𝝆 : Densité moyenne de l'air comprimé traversant le système de distribution (m3/kg). 𝒇 : Facteur de frottement. 𝑲 : Coefficient de perte dû aux vannes et raccords du système de distribution. 𝑳 : Longueur totale du tuyau dans le système de distribution (m). 𝑫 : Diamètre interne du tuyau (m). V : Vitesse moyenne du flux d'air comprimé (m/s). La chute de pression dans le système de distribution constitue un gaspillage d'énergie, vu que, la pression de refoulement doit être augmentée pour compenser cette chute. Les équations de 𝑾𝒎 pour les compressions isotherme et adiabatique indiquent que l'augmentation du taux de compression (𝑷𝒐 /𝑷𝒊 ) entraînera une augmentation de cette puissance. Par exemple, une ∆𝒑 = 𝟓𝟎 𝒌𝑷𝒂 dans un compresseur conçu pour la pression de 100 kPa à 700 kPa correspond à 3 % de perte de puissance mécanique. Les problèmes de chute de pression dans la distribution dus à la résistance à l'écoulement sont généralement inhérents à la conception du réseau de tuyauterie et ne devraient donc pas faire l'objet d'un audit énergétique d'un système d'air comprimé, à moins que le système ne doive être remplacé. L'auditeur doit plutôt se concentrer sur l'identification de mesures visant à réduire le gaspillage d'énergie pour le système de distribution d'air existant. 3. Les fuites d’air comprimé : Malheureusement, une grande partie de l’air comprimé produit est perdue avant même d’être utilisé à cause des fuites : Dans la pratique, la part des fuites représente de 15 à 70% de la quantité totale de l’air comprimé produite. La part des fuites est définie par le quotient du volume total de l’air perdu par rapport à la production totale de l’aire comprimé. En ne considérant uniquement que les fuites durant les temps de production, cette part est souvent plus faible étant donné qu’en dehors des temps de production elle représente souvent 100%. Une valeur cible raisonnable des fuites sera 10% de la part global. Diminuer les fuites en dessous de cette valeur n’est pas réalisable dans la plupart des cas sans un investissement conséquent et souvent pas rentable. La part des fuites dépend fortement du secteur d’activités : Elle est plus faible dans les secteurs tels que la chimie et la pharmacologie et plus importante dans les secteur de la cimenterie ou la production d’acier. La part des fuites est souvent méconnue. Plusieurs méthodes sont utilisées pour sa détermination. A. Méthode de vidange des réservoirs : • Une façon simple pour déterminer les fuites consiste à mesurer le temps de vidange des réservoirs d’air comprimé. • La réalisation de cette mesure ne nécessite qu’une montre et un manomètre. Il faut également connaitre le volume du réservoir et la pression du réseau. • Pour réaliser la mesure, il faut régler la pression du réseau et du réservoir à la pression maximale admissible en veillant à ce que tous les récepteurs soient hors service (le réseau ne soit pas alimenté). On mesure ensuite le temps nécessaire pour que la pression diminue en raison des fuites (choisir de 1 à 2 bars). Un exemple d’un profil de pression typique pour cette mesure est présenté sur la figure suivante : Le choix des deux pressions entre lesquelles la mesure est effectuée est libre. Figure : Mesure de la diminution de pression dans le système compresseur coupé en fonction du temps. • Avec les données de pression maximale et minimale, le temps nécessaire à cette diminution de pression et le volume du réservoir, la quantité de l’air perdue à cause des fuites peut être calculée par l’équation suivante : 𝑽𝑩 × 𝒑𝑨 − 𝑷𝑬 𝑽𝑳 = 𝒕 𝑽𝑳 : Débit de fuite 𝑽𝑩 : Volume du réservoir 𝒑𝑨 : Pression dans le réservoir au début de la mesure 𝑷𝑬 : Pression dans le réservoir à la fin de la mesure 𝒕: Temps de mesure N.B : d’un Si le volume du réseau est important par rapport au volume du réservoir, il faut prendre en compte ce volume dans le calcul (si le volume du réseau est < 5% du volume du réservoir, il n’est pas nécessaire de le prendre en compte). B. Méthode de la durée de fonctionnement du compresseur : • Cette méthode consiste à mesurer la durée de fonctionnement du compresseur lorsque ce dernier ne fait que compenser les fuites. • L’avantage de cette méthode c’est le fait qu’elle n’est pas nécessaire de connaitre le volume des réservoirs et du réseau, mais, à l’encontre, connaitre la quantité de l’air délivré par le compresseur. • Pour faire la mesure, on procède par mettre tous les points de consommation et les compresseurs, sauf celui nécessaire à la mesure, hors service, et on relève l’évolution de la pression dans le système au cours du temps. Fig.3 : Détermination de la quantité des fuites par la méthode de la durée de fonctionnement du compresseur. • La figure suivante montre une courbe caractéristique de cette mesure. • Pendant les temps 𝑡𝑖 , le compresseur fonctionne en charge et alimente le système, ce qui fait augmenter la pression du système. Une fois la pression maximale du système est atteinte, le compresseur s’arrête et la pression se met à baisser en raison des fuites jusqu’à ce que la pression minimale soit atteinte et que le compresseur se remette en charge. Figure : Détermination de la quantité des fuites par la méthode de la durée de fonctionnement du compresseur. • Pour déterminer les fuites avec précision, il est nécessaire de mesurer plusieurs cycles de fonctionnement du compresseur. Additionnez les temps de fonctionnement en charge du compresseur 𝒕𝒊 . • Les fuites sont alors calculer à l’aide de la formule suivante : 𝑽𝑳 : Débit de fuite (en m3/mn) 𝑽𝑲 : Débit du compresseur (en m3/mn) 𝑽𝑲 × 𝒕 𝒏 𝑽𝑳 = 𝒕 = 𝒊=𝟏 𝒕𝒊 : Temps de fonctionnement du compresseur en charge (mn) 𝑻 𝑻: Durée totale de la mesure (min). • Cette méthode peut être automatisée de telle manière que ça permet de mettre en place des alertes si les fuites dépassent un certain seuil et d’éliminer efficacement les fuites. C. Estimation des fuites à partir de l’expression de Fliegner : • Lorsque des fuites sont identifiées, la quantité d’air comprimé gaspillée peut être estimée par de simples calculs. En effet, le gaspillage en débit massique ∆𝑚𝑎 d’air comprimé à travers un trou peut être estimé à l’aide de l’expression de Fliegner : ∆𝒎𝒂 = 𝟏 𝟐 −𝟐 .𝑪 .𝑨 .𝑷 .𝑻 𝑹𝒂 𝑳 𝑳 𝟎 𝟎 ∆𝒎𝒂 : Quantité de débit massique d'air comprimé gaspillée par la fuite (kg/s). 𝑷𝟎 : La pression de l'air comprimé sortant de la fuite (Pa). 𝑻𝟎 : Température de l'air comprimé sortant de la fuite (K). 𝑪𝑳 : Coefficient d'écoulement à travers le trou. Cela dépend de la forme et de la taille du trou. Pour les trous ronds, CL peut être réglé sur 0,65. 𝑨𝑳 : Surface du trou (m2). En général, les équipements d'utilisation finale de l’air comprimé peuvent être regroupés en classes : Utilisateurs finaux statiques, y compris les équipements de contrôle pneumatique tels que les actionneurs ou les régulateurs de pression. Utilisateurs finaux dynamiques, y compris les outils d'assemblage (tels que les tournevis et les boulonneuses) et les moteurs pneumatiques. La plupart des applications industrielles de l'air comprimé impliquent des équipements d'utilisation finale dynamiques. 1. Réduction de la température de l'air d'admission : Dans certaines installations d'air comprimé, le compresseur aspire l'air d'admission de l'intérieur de la salle mécanique où il se trouve. Cette température de l’air d’entrée peut être élevée (30 °C ou plus) et est très probablement plus chaude que l’air ambiant extérieur, ce qui implique des besoins en énergie mécanique plus élevés pour le compresseur. Une mesure simple pour réduire la température de l’air d’entrée consiste à installer des tuyaux pour relier le compresseur à l’extérieur afin que le compresseur aspire l’air ambiant. Pour garantir que l’air extérieur ambiant reste frais lorsqu’il arrive au compresseur, les tuyaux doivent être isolés. Les économies d'énergie électrique ΔEcomp associées à cette mesure sont calculées à l'aide de l'expression suivante : 𝑻𝒊,𝒆 : La température moyenne annuelle de l’air d’entrée avant la ∆𝑬𝒄𝒐𝒎𝒑 = 𝑾𝒎 . 𝑳𝑭𝒄𝒐𝒎𝒑 . 𝑵𝒉,𝒄𝒐𝒎𝒑 . 𝑻𝒊,𝒆 − 𝑻𝒊,𝒓 𝜼𝑴 . 𝑻𝒊,𝒆 rénovation (K). 𝑻𝒊,𝒓 : La température moyenne annuelle de l’air d’entrée après la rénovation (K). En général, 𝑻𝒊,𝒓 peut être supposée identique à la température extérieure moyenne annuelle. 2. Réduction de la pression de refoulement : Lorsque la pression maximale requise par tous les équipements d'utilisation finale d'une installation est sensiblement inférieure à la pression d'air délivrée par le système d'air comprimé, il est recommandé de réduire la pression de refoulement afin de réduire la consommation d'énergie du compresseur. On estime que pour chaque augmentation de la pression de refoulement de 15 kPa, le compresseur a besoin de 1 % d’énergie supplémentaire. Des pressions de refoulement supérieures à celles nécessaires ont d’autres effets néfastes sur les systèmes d’air comprimé. En particulier, la surpression augmente le gaspillage d’air comprimé par fuites. 𝑹𝒆𝒇𝒐𝒖𝒍 Les économies d'énergie électrique ∆𝑬𝒄𝒐𝒎𝒑 dues à la réduction de la pression de l'air de refoulement du compresseur peuvent être calculées comme suit : 𝑹𝒆𝒇𝒐𝒖𝒍 ∆𝑬𝒄𝒐𝒎𝒑 = %𝑾𝒎 . 𝑾𝒎 . 𝑳𝑭𝒄𝒐𝒎𝒑. 𝑵𝒉,𝒄𝒐𝒎𝒑 𝜼𝑴 Où %Wm est le pourcentage de réduction de la puissance mécanique requise par le compresseur. En utilisant les équations du diapo. 8, le pourcentage de réduction de la puissance absorbée du compresseur %Wm peut être estimé. 3. Réparation des fuites d’air : • Pour mettre en place des mesures pour diminuer effectivement les fuites, il est nécessaire de repérer en fonctionnement les fuites. • En général, les fuites se produisent essentiellement sur le dernier tiers du réseau. Les tuyaux, les raccords, les prises, les unités de conditionnement et autres composants similaires sont des endroits où les fuites sont fréquentes. • Dans beaucoup de cas, il suffit simplement de parcourir l’installation lorsque la production est arrêtée pour détecter des fuites. Les fuites se remarquent souvent par le sifflement caractéristique qu’elles produisent. Les fuites d’air comprimé se laissent également très bien détectées à l’aide des appareils de détection aux ultrasons. Ces appareils ne sont pas gênés dans la détection des fuites par le bruit ambiant. On trouve sur le marché une multitude d’appareils standardisés. Fig. 7 : Appareils de détection aux ultrasons des fuites d’air comprimés • Les fuites dans le système de distribution entraînent un gaspillage inutile d'air comprimé et donc une perte d'énergie nécessaire au fonctionnement du système d'air comprimé. • Une fois les fuites d’air identifiées et leur taille estimée, il est recommandé de les réparer dans les plus brefs délais. • Les économies d'énergie liées à la réparation des fuites d'air comprimé peuvent être estimées à l'aide des expressions suivantes : Pour les compressions isothermes : Pour les compressions adiabatiques : 𝒑 ∆𝒎𝒂 . 𝑵𝒉,𝒄𝒐𝒎𝒑 . 𝑳𝑭𝒄𝒐𝒎𝒑 . 𝑹𝒂 . 𝑻𝒊 . 𝑳𝒏 𝒑0 𝒊 ∆𝑬𝑭𝒖𝒊𝒕𝒆𝒔 𝒄𝒐𝒎𝒑 = 𝜼𝑴 ∆𝑬𝑭𝒖𝒊𝒕𝒆𝒔 𝒄𝒐𝒎𝒑 = ∆𝒎𝒂 . 𝑵𝒉,𝒄𝒐𝒎𝒑 . 𝑳𝑭𝒄𝒐𝒎𝒑 . 𝑹𝒂 . 𝑻𝒊 . 𝜸 𝜸 − 𝟏 . 𝜼𝑴 𝒑𝟎 𝒑𝒊 𝜸−𝟏 𝜸 −𝟏 Avec ∆𝒎𝒂 représente le débit massique d'air comprimé gaspillé par les fuites identifiées dans le système de distribution.
