type comprésseur

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

DABEEDpartement Industrie et Agriculture

COMPRESSEURS D'AIR

Sommaire :

INTRODUCTIONLES COMPRESSEURS ALTERNATIFS A PISTONSLES COMPRESSEURS A VIS LUBRIFIEES ET A PALETTESLES COMPRESSEURS A VIS EXEMPTS D'HUILELES COMPRESSEURS CENTRIFUGESDEFINITIONS


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INTRODUCTION

Le march le plus important pour les compresseurs, dont la puissance est comprise entre 10 et 300

kW, est largement domin par les compresseurs vis lubrifies (75 % des ventes) cause de leurrobustesse, de leur simplicit et de leur cot dinvestissement un peu moins lev. Il existecependant, un nombre important dautres technologies : pistons, membranes, palettes, spirales,centrifuge qui occupent des niches plus spcifiques du march. Le choix entre les technologiesavec injection ou exempt dhuile, aussi bien entre les mono-tags ou les poly-tags, constituentautant dautres paramtres de choix. Dans chaque famille de compresseurs, il existe donc demultiples variantes. Le diagramme suivant illustre les grandes familles de compresseurs :

Choisir un compresseur performant

Le choix optimal de la technologie de compresseur doit prendre en compte les besoins spcifiquesdu process. Ce choix est important car il affecte directement lefficacit nergtique du systme, en

jouant la fois sur les performances du compresseur lui-mme, mais aussi sur les autres lmentsdu rseau dair.

Les spcifications dachat doivent reprendre les lments suivants :- Les informations sur le site et son pass.- Les besoins moyens, maximum (les pics) mais aussi minimum.- La plage de temprature ambiante sur le site de fonctionnement, ainsi que les niveaux de

pression attendus.- Les tempratures maximum attendues des fluides de refroidissement (air ou eau) sur le site.- Laltitude du site au dessus de la mer.- Les stratgies de rgulation du compresseur en fonction du besoin.- La pression minimale

requise au point dutilisation.- La qualit de lair requise au point dutilisation.- Le niveau de bruit maximum.- Le nombre dheures dutilisation par an.


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Lquipementier doit apporter les informations suivantes avec son offre :

- La configuration de la machine.- Les conditions de pression et de temprature de lair, dhumidit relative et de temprature de

refroidissement pour lesquelles le compresseur est conu.- La quantit nominale dair comprim fournie en Nm /h (sous les conditions moyennes de

temprature et de pression du site).- Le systme de traitement de lair associ.- La pression requise la sortie du compresseur, en aval du systme de traitement.- La puissance

larbre du compresseur au fonctionnement nominal.- La spcification (rendement et puissance nominale) de lensemble des auxiliaires que sont les

systmes de refroidissement, incluant les pompes, les ventilateurs, les moteurs lectriques.- Le nombre d'tages de compression.- Les tolrances du dbit en Nm/h.- Les frais de maintenance pour 5 ou 10 ans.- La consommation spcifique (Cs) pleine charge et charges partielles.

Pour disposer de meilleurs lments de choix, il faut tenir compte des caractristiques detechnologies de compresseur.


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Caractristiques des technologies de compresseurs

Tableau 1

Com presseur Lub r i f i cat i on Re f ro i d i ssemen tCapaci t

en m 3/ h

Consommat i on

spc i f ique

p le i ne cha rge( W h/ N m 3)

Rendem ent

charge

par t i e l l e

Cot

d i nves t i s semen t fo

Pis tons

Lubrifi

Lubrifi

Lubrifi

Exempt dhuile

Exempt dhuile

Exempt dhuile

Air

Air/Eau

Air/Eau

Air

Air/Eau

Air/Eau

7,2 87,5

87,5 875

875 3600

7,2 87,5

87,5 875

875 3600

142

118

100

153

130

112

Bon

Bon

Excellent

Bon

Bon

Excellent

Moyen

Moyen

Elev

Moyen

Moyen

Elev

Vi s

Injection dhuile

Injection dhuile

Injection dhuile

Exempt dhuile

Exempt dhuile

Exempt dhuile

Air

Air

Air/Eau

Air

Air

Air/Eau

7,2 87,5

87,5 875

875 3600

87,5 875

875 3600

3600 - 7200

142

124

112

119

106

106

Faible

Bon (avec VEV)

Correct

Bon

Bon

Bon

Faible

Faible

Moyen

Elev

Elev

Elev

Palet tes

Injection dhuile

Injection dhuile

Air

Air

7,2 87,5

87,5 875

141

124

Faible

Correct

Faible

Faible

Cent r i f uge

Exempt dhuile

Exempt dhuile

Exempt dhuile

Eau

Eau

Eau

875 3600

3600 7200

plus de 7200

124

106

100

Bon

Excellent

Excellent

Moyen

Moyen

Elev


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1- LES COMPRESSEURS ALTERNATIFS A PISTONS

- Les gros compresseurs piston peuvent tre les compresseurs les plus efficacesnergtiquement. La consommation spcifique des machines lubrifies varie de 100 142Wh/ Nm, celle des machines exemptes dhuile de 112 153 Wh/Nm (cf. tableau 1 descaractristiques des compresseurs).

- Le rendement nergtique dcrot rapidement lorsque que la maintenance nest pas

rgulirement assure.- Les machines refroidies par eau sont plus efficaces nergtiquement que celles refroidies par

air, charge nominale mais galement charge partielle.- Il permet datteindre des pressions leves (suprieures 14 bars)

1-1- Les types de rgulationLes diffrents types de rgulation (Voir le PDF Rgulation de lair comprim ) prsents surles compresseurs alternatifs piston sont :

- La variation du volume dair comprim par les pistons (progressive par soulvement dessoupapes laspiration, par paliers de soulvement des soupapes 0-25-50-75-100 %, paradition dun volume mort).

- En Tout ou Rien par une vanne laspiration.- La VEV (Variation Electronique de Vitesse) est dsormais un systme de contrle prouv

et approuv pour son efficacit nergtique, sa souplesse et sa robustesse. Elle estintgre de srie sur les machines et permet, en plus dautres avantages, des gainsnergtiques importants.

1-2- Rcupration dnergie- La chaleur peut tre rcupre de leau de refroidissement par un changeur plaque ou

tube.- Sur les machines refroidissement par air, le flux dair gnr par le ventilateur peut tre

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

1-3- Description du fonctionnement- Machine simple action, un seul tage de compression :1. Le piston descend. Lair atmosphrique est aspir par mise en dpression de la

chambre de compression, la soupape daspiration tant ouverte, celle de refoulementtant ferme.

2. Le piston remonte. Les 2 soupapes sont fermes. Lair est comprim.3. Le piston remonte. La pression de la chambre de compression atteint la pression

dsire. La soupape de refoulement souvre. Le piston chasse lair comprim.4. Le piston redescend. Les 2 soupapes sont fermes.


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- Machine double action, deux tages :Lair, qui entre pression atmosphrique, est comprim dans le premier tage, puisrefroidi avant dtre nouveau comprim dans un deuxime tage. Les deux cts descylindres de compression sont utiliss alternativement, multipliant par deux le volumedair comprim obtenu chaque tour du moteur par rapport une machine simpleaction.

2- LES COMPRESSEURS A VIS LUBRIFIEES ET A PALETTES

- Les compresseurs rotatifs lubrifis ou injection d'huile sont souvent moins efficaces que lesmachines exemptes dhuile, principalement d au fait que ces machines sont tage simple.

- Les machines injection dhuile sont trs fiables, ne demandent quune maintenance deroutine et ont une longue dure de vie.

- Lnergie spcifique de compression se situe entre 112 et 142 Wh/Nm (cf. tableau 1 descaractristiques des compresseurs).

- Filtrer lhuile injecte est moins efficace nergiquement quutiliser directement un compresseur

exempt dhuile, pour produire de lair de qualit standard.- Ces machines sont souvent installes pour leur simplicit, leur facilit d'installation, la faiblemaintenance ncessaire, la faible place requise ainsi que leur bas niveau de bruit.

- Une inspection et un remplacement du bloc de compression sont ncessaires aprs 25 000heures.

2-1- Les types de rgulation- Les compresseurs rotatifs injection dhuile peuvent tre contrls vitesse constante

soit en Tout ou Rien (fermeture dune vanne laspiration), soit par modulation (vannebypass ou vanne progressive laspiration).

- Pour des raisons defficacit, la modulation ne doit tre utilise quau dessus de 70 % decharge.

- Les machines sont souvent quipes des 2 types de contrle et certains modlespassent automatiquement dun mode de rgulation lautre.

- La VEV (Variation Electronique de Vitesse) est dsormais un systme de contrleprouv et approuv pour son efficacit nergtique, sa souplesse et sa robustesse. Elleest intgre de srie sur les machines et permet des gains nergtiques importants, enplus de ses autres avantages.

2-2- La rcupration dnergie- La rcupration dnergie est souvent simple sur les compresseurs vis.

La chaleur peut tre rcupre partir :- de leau de refroidissement par un changeur plaque ou tube,- du refroidissement par air des machines par lchangeur du circuit dhuile.

- Sur les machines refroidissement par air, le flux dair gnr par le ventilateur peut treconduit vers le btiment pour le chauffage de celui-ci.


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2-3- Description du fonctionnement

- Compresseurs vis injection dhuile- Capacit allant denviron 90 3600 Nm/h produit par un seul tage de compression.- Possibilit de dlivrer une pression allant jusqu 14 bar.- Linjection dhuile sert au refroidissement ainsi qu crer ltanchit de la zone de

compression.

- 75 % de la chaleur de la compression se retrouve gnralement dans lhuile, le restetant perdu par refroidissement de lair aprs la compression et par radiation.

Les compresseurs bi-tags ont de meilleurs rendements (cf. schma 1)

Les compresseurs vis injection d'huile fonctionnent avec deux rotors hlicodaux, un"mle" et un"femelle" qui engrainent et tournent chacun dans un sens. Le dessin desrotors est fait de telle sorte que le volume de lespace libre entre eux diminue le long deleurs axes. Cette diminution de volume comprime lair emprisonn dans cet espace.

- Compresseur rotatif palettes- Capacit allant de 90 900 Nm/h pour un seul tage de compression.- Pour les petites tailles (jusqu 30kW), les compresseurs palettes sont trs discrets

du point de vu sonore comprim.

Le compresseur rotatif palettes et sont utiliss dans des zones dcentralises pour uneproduction locale dair est compos dun rotor mont excentr dans un cylindre. Lorsque lerotor tourne, le volume cr entre les palettes dcrot de la zone daspiration la zone derefoulement.


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LES COMPRESSEURS POLY-ETAGES : PLUS DE PERFORMANCE

SCHEMA 1

Compresseurs mono-tags / poly-tags :comparaison de l'nergie dpense

Le schma indique les modes de compression de lair. La surface ABCD reprsente lnergiencessaire pour comprimer l'air.

La surface la plus petite est celle qui est dlimite par la courbe de compression isotherme ,cest dire que lair reste temprature constante pendant sa compression. Cest la courbe

thorique idale de compression.

En pratique, elle nest pas atteignable et lair se rchauffe pendant sa compression. On essaye desen rapprocher en refroidissant les ttes de compression. On suit alors la courbe, du point B pouratteindre C1. La surface dcoupe sur le schma est alors la plus importante et donc lnergiedpense galement.

Une solution pour consommer moins dnergie est de comprimer en plusieurs fois avec unrefroidissement intermdiaire. En partant du point B, on arrive au point C2. Les compresseurs poly-tags sont donc plus conomes en nergie.

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


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3- LES COMPRESSEURS A VIS EXEMPTS DHUILE

- Ces compresseurs sont souvent bi-tags (Voir schma 1 ci-dessus) pour des pressionsrequises entre 5 et 10,5 bar et possdent donc un meilleur rendement que les machineslubrifies 1 seul tage de compression.

- Leur consommation spcifique (Cs) pleine charge oscille entre 105 et 120 Wh/Nm (cf. tableau1 des caractristiques des compresseurs).

- Les machines refroidies par air sont disponibles jusqu 3500 Nm/h et celles refroidies par eaujusqu 7000 Nm/h.

- En dessous de 500 Nm/h, les compresseurs anneaux liquides, spirales et piston rotatifssont disponibles.

- Le prix dachat est gnralement plus lev que celui de leurs homologues lubrifis, mais ils ontune dure de vie trs suprieure. Ils ncessitent une inspection et un remplacement des blocsde compression aprs 40 000 heures.

- Ces machines sont souvent utilises lorsquune qualit dair leve est ncessaire.


Les rotors "mle" et "femelle" sont mis en rotation par des engrenages (alors que pour lescompresseurs vis lubrifie, cest le rotor "mle" lui mme qui entrane le rotor "femelle").

3-2- Les types de rgulation

- Les compresseurs vis exemptes dhuile peuvent tre contrls vitesse constante enTout ou Rien (fermeture dune vanne laspiration). Pour les tailles plus importantes, il

peut y avoir une association entre modulation et Tout ou Rien pour les fonctionnements faible charge

- La VEV (Variation Electronique de Vitesse) est dsormais un systme de contrleprouv et approuv pour son efficacit nergtique, sa souplesse et sa robustesse. Elleest intgre de srie sur les machines et permet des gains nergtiques importants, enplus dautres avantages.

3-3- La rcupration dnergie

Des modles de compresseurs vis exempts dhuile peuvent produire de leau chaude

une temprature suprieure 90C, assurant un refroidissement correcte ducompresseur tout en rcuprant lnergie par de leau haute temprature.


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4- LES COMPRESSEURS CENTRIFUGES

- Les compresseurs centrifuges sont capables de fournir de 900 35 000 Nm/h. On lesretrouve ds que la capacit ncessaire dpasse 7000 Nm/h, et au del de 35 000 Nm/h, cesont les compresseurs flux axiales qui prennent le relais.

- Ils sont particulirement adapts et efficaces nergtiquement lorsque la demande estrelativement constante et leve.

- Leur consommation spcifique pleine charge oscille entre 100 et 125 Wh/Nm (cf. tableau 1ci-dessus des caractristiques des compresseurs).

- Ils sont pour la plupart refroidis par eau et composs de 2,3 ou 4 tages de compression. (Voirschma 1 ci-dessus)

- En gnral, que ce soit charge nominale ou charge partielle, plus ils ont dtages decompression, plus, pour une mme demande, leur efficacit nergtique est leve.

- Les conditions extrieures, telles que la temprature ambiante, ont une influence significativesur le rendement nergtique et la plage de contrle de ce type de compresseur.

- Lorsque le bruit est un critre de choix, ces machines sont bien adaptes.- Etant donn que les compresseurs centrifuges sont intrinsquement exempts dhuile, lair

dlivr est de grande qualit et il ny pas prsence de pulsations au refoulement.

- Pour une machine bien tudie et utilise, les cots de maintenance sont relativement peulevs.

4-1- Les types de rgulation

- La rgulation (Voir le PDF Rgulation de lair comprim ) (par modulation (vanne by-pass entre le refoulement et laspiration) peut tre utilise pour rduire le dbit jusqu70 %.

- Pour les installations o la demande est parfois infrieure 70 %, les machines peuventutiliser la rgulation en Tout ou Rien avec la fermeture ou louverture dune vanne laspiration.

- Certaines configurations utilisent une vanne laspiration pour rguler, puis une mise

latmosphre du refoulement en de dune certaine demande (entre 55 et 70 % du dbitnominal). Deux types de vannes existent :

- Une vanne laspiration induisant une perte de charge, moins efficace nergtiquementet permettant une plus faible zone de rglage.

- Une vanne laspiration volets inclins modifiant les conditions daspiration etdcoulement au niveau de la roue du compresseur, plus efficace nergtiquement etpermettant une plus grande plage de rgulation.

4-2- Rcupration dnergie

- La chaleur peut tre rcupre sur le circuit deau de refroidissement par un changeur plaque ou tube.

- Afin de maintenir le compresseur un rendement maximal, les refroidisseurs internesentre les tages de compressions doivent tre aliments par une eau la plus froide et dela meilleure qualit possible.


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Le compresseur centrifuge est une machine tournante dans laquelle la roue (impulseur)acclre progressivement lair.Cette vitesse est transforme en nergie de pression par le diffuseur qui est une picefixe, puis refoule. Lacclration de lair peut tre due laction dun ou plusieursimpulseurs.

DEFINITIONS

Normaux mtre cube (Nm3)Dbit rel ramen aux conditions normatives 0C et 1 bar absolu

Cs : Consommation Spcifique (Wh/Nm3)La consommation spcifique reprsente l'nergie ncessaire pour fournir le dbit rel. Elle doit tre exprimepar le rapport entre l'nergie lectrique absorbe par le compresseur et le dbit d'air rellement dlivr aprssa bride de sortie.

VEV(Variateur Electronique de Vitesse.)De technologies diffrentes en fonction des types de moteurs lectriques auxquels ils sont associs, lesvariateurs lectroniques de vitesse permettent de contrler et de piloter ces moteurs en vitesse ou en couplequelque soit la charge. Aujourd'hui, sur les moteurs les plus rpandus dans l'industrie que sont les moteurs

asynchrones, ce sont des convertisseurs de frquences qui sont principalement utiliss, avec des fonctionsde pilotage de plus en plus recherches associes grce l'lectronique. Ils permettent des gainsnergtiques importants et sont trs souple dutilisation.

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