Le saviez vous ?
Place de l'air comprimé dans la facture d'électricité en industrie
En moyenne, l'air comprimé représente 10 à 15% de la facture d'électricité en industrie.
Le rendement énergétique d'une installation de base se limite à 10%.
Le coût de l'air comprimé utile dépend du type, de la puissance et du rapport marche en charge/marche à vide du (des) compresseur(s), du type et du fonctionnement des sécheurs et des purgeurs et bien sûr du prix de l'électricité : 1 m³ d'air comprimé à 7 bars coûte entre 1,5 et 3 cents (pour 0,10€/ kwh).
La répartition ci-dessous des coûts de l'air comprimé illustre bien que c'est l'énergie électrique consommée qui représente la part la plus importante du coût sur toute la durée de vie de l'installation.
Il y a donc intérêt à utiliser du matériel de qualité, à optimaliser la production de l'air comprimé, à réduire au maximum les pertes et à utiliser rationnellement l'air comprimé.
Applications de l'air comprimé
Utilisé par les robots automatisés, les industries textiles, les imprimeries, en emballage, ...
Utilisé en chaînes de montage, fabrication métallique, industrie du bois/PVC/alu et en domaine médical
Utilisé en nettoyage industriel, sablage, microbillage, cryogénique (CO2), en peinture, en humidification par atomisation
Utilisé en cimenterie, industrie céréalière
Composants d'une unité de production d'air comprimé
Une installation de production comporte
- un ou des compresseurs actionné(s) par un (des) moteur(s) électrique(s).
- un séparateur d'huile et de condensats
- un réservoir tampon
- un sécheur
- des filtres à particules
- éventuellement un système motorisé d'aspiration de l'air chaud ambiant
Les composants qui consomment de l'énergie sont
le compresseur (moteur d'entraînement et moteur de ventilation)
le sécheur
l'extraction mécanique de l'air chaud ambiant.
Les composants qui influencent le rendement de production d'air comprimé sont :
- les apports d'air frais (qui conditionnent la température de fonctionnement du compresseur et du sécheur.
- les pertes de charges des filtres à air d'alimentation du compresseur
- le taux de purge des séparateurs de condensats et d'huile
- le volume du réservoir tampon qui influence le taux de marche à vide du compresseur.
- les pertes de charge du sécheur
- les pertes de charge des filtres à huile et des filtres à particules
Types de compresseurs
La compression « dynamique radiale » concerne les compresseurs à spirales
La compression « dynamique axiale » concerne les compresseurs turbo
La compression « volumétrique » est plus couramment utilisée en industrie (compresseurs à pistons et à vis).
Compresseurs à pistons | |
| Avantages | faible coût, maintenance facile, peut fournir des pression élevées |
| Désavantages | usure de nombreuses pièces, 30% de pertes d'huile (qui se retrouve dans l'air comprimé) production d'air comprimé par à-coups, bruit important (94 db), forte production de chaleur par frottement |
| Pression | peut fournir de fortes pressions (> 200 bars) |
| Utilisations | utilisé dans des petites installations et pour des petites puissances (< 5 KW). Utilisés dans installations nécessitant de hautes pressions. |
Compresseurs à lobbes | |
Avantages | Les lobbes étant (à débit égal) plus gros que les vis, ils sont privilégiés dans le cas des compresseurs de faible capacité de manière à conserver un élément de compression de taille raisonnable |
Désavantages | Le rendement est un peu moins bon que celui des vis |
Pression | max ~13 bars. |
Utilisations | utilisés dans les compresseurs sans huile bi-étagés. Cette technologie peut s'apparenter à celle des vis mais sur un plan bidimensionnelle au lieu de tridimensionnelle. Pharma, food, électronique, médical, labo... |
Compresseurs à vis | |
Avantages | rendement élevé et grande flexibilité de débit, grande durée de vie (15 ans à 8h/j), peu de frais de maintenance, bruit faible (62 db) |
Désavantage | coût élevé |
Pression | compresseur à injection d'huile : max 13 bars compresseur sans huile : taux de compression par élément : 3,5 à 4 |
Utilisation | les compresseurs sans huile sont utilisés en secteur agro-alimentaire, médical/pharmaceutique et électronique. Les compresseurs à huile sont utilisés dans les autres cas. |
Compresseurs Turbo (radial) : | |
Avantages | le roi de l'efficacité énergétique, peu de maintenance |
Désavantage | plus complexe et le plus cher |
Pression | max ~ 15 bars |
Utilisation | pour des grosses installations (à partir de 500 kw) |
Nous nous focaliserons dans la suite du dossier
Sur les compresseurs à vis
Nous nous focaliserons dans la suite du dossier sur les compresseurs à vis
Rendement thermodynamique global d'un compresseur
A volume constant, la loi des gaz parfaits prouve que toute élévation de pression d'un gaz entraîne une élévation de température de ce gaz .
P : pression [Pa]
V : volume [m³]
m : masse [kg]
T : température [K]
v* : volume massique = V/m [ m³/kg ]
R ° : constante universelle des gaz [ 8314,5 J / kmôle K ]
ou encore
Le principe de conservation de l'énergie appliquée à l'air comprimé, ?W = ?U + ?Q, n ous fait comprendre la transformation de l'énergie entrante (fournie au moteur d'entraînement et transformée en travail W) et sa distribution sous forme d'énergie calorifique (Q) et d'énergie interne (U) à travers le compresseur, le refroidisseur (sécheur) et le réseau de distribution.
Où,
W = travail [J]
U = énergie interne du gaz [J]
Q = quantité de chaleur échangée entre le gaz et le milieu externe [J]
A la compression, l'énergie électrique fournie au moteur est transformée par celui-ci en travail (Win) utilisé pour comprimer l'air. La compression engendre une augmentation de la température (énergie interne de l'air (?U) et de ce fait un dégagement de chaleur (?Q) vers l'extérieur.
Le principe de conservation de l'énergie peut alors s'énoncer : Win = ?U + ?Q, l'augmentation de température découlant de la compression est importante. L'air comprimé ne peut en général pas être fourni au réseau sans être refroidi. Le plus souvent, l'air comprimé est fourni au réseau à une température proche de la température ambiante.
Si on considère le compresseur et son « réfrigérant » globalement : ?U = 0 et Win = ?Q, autrement dit, quasi toute l'énergie mécanique est convertie en chaleur récupérable ! Plus la pression demandée est élevée, plus l'énergie nécessaire est importante.
Le transport de l'air comprimé au travers des accessoires de traitement et du réseau de distribution engendre des « pertes de charge », une chute progressive de la pression au long du parcours de l'air comprimé.
Comme c'est la pression à l'utilisateur qui importe, plus les pertes de charge seront importantes, plus la pression au compresseur devra être élevée tout comme l'énergie à lui fournir.
Au bout de la chaîne, à l'utilisateur, l'air comprimé subira dans l'outil pneumatique employé une transformation inverse à la compression : la « détente ».
Lors de la détente, l'air comprimé produira un travail mécanique Wout et verra sa température (énergie interne) chuter fortement (?U), engendrant de ce fait une absorbsion de chaleur (production de froid) (?Q) venant du milieu extérieur. Le principe de conservation de l'énergie doit une fois de plus être respecté : Wout = ?U + ?Q
Le rapport énergie électrique consommée (par le moteur et les autres composants du système de production) sur l'énergie utile (fournie sous forme de travail) ne dépasse pas 10 % !
Il y a donc intérêt à utiliser du matériel de qualité, à optimaliser la production de l'air comprimé, à réduire au maximum les pertes et à utiliser rationnellement l'air comprimé.
Production de chaleur d'un compresseur à vis
Le schéma suivant illustre la répartition de production de chaleur (fatale) et les possibilités de récupération d'une partie de cette chaleur :
En fait ce sont les 74% de chaleur (80 à 100 °C) de réfrigération de l'huile qui peuvent être exploités facilement pour chauffer des locaux, de l'eau chaude sanitaire ou des éléments de processus.
Ce sont donc 74% de chaleur de l'huile, (80 à 100°C), qui peuvent être exploités facilement pour chauffer des locaux, de l'eau chaude sanitaire ou des éléments de processus.
Optimalisation de la production d'air comprimé (cas d'un compresseur à vis)
Voici les différents composants d'une station de production d'air comprimé que nous pouvons optimiser
Récupérer la chaleur transmise par le refroidisseur à huile du compresseur
En déviant le circuit d'huile vers un échangeur de chaleur pour chauffer l'eau du circuit de chauffage de bâtiments ou l'eau chaude sanitaire ou pour chauffer/préchauffer un élément de process.
La température (70 à 90°C) et la quantité de chaleur (-> 74 % de l'énergie consommée par le compresseur) ne sont pas négligeables !
Un exemple : une société hennuyère d'usinage de pièces métalliques a fait dévier l'air chaud sortant des compresseurs (70 KW) vers un atelier de 1500 m². => les 6 aérothermes de chauffage de l'atelier ont été mis hors circuit !
Optimiser le(les) purgeur(s) de condensats
Chaque purge évacue une quantité non négligeable d'air comprimé.
- éviter les purgeurs manuels au profit des purgeurs automatiques qui ne laisseront échapper que les condensats.et non l'air comprimé
- vérifier périodiquement le bon fonctionnement des purgeurs (un purgeur ça se bloque !).
Optimiser la dimension du réservoir tampon
Afin de réduire la fréquence marche/arrêt du compresseur en fonction des pics de demande d'air comprimé, il est recommandé, afin de réduire le nombre de pointes de courant aux démarrages des compresseurs (et donc les pointes ¼ horaires), afin de réduire l'usure des compresseurs.
=> dimensionner le volume du réservoir de telle qu'il corresponde au débit maximum du compresseur exprimé en l/min.
Exemple : pour un compresseur délivrant 100 l/sec => le volume du réservoir serait idéalement de 100 X 60 = 6000 litres.
Sécher rationnellement l'air comprimé
Vu la consommation importante d'énergie des sécheurs, il y a lieu de d'adapter les consignes de température de rosée en fonction des exigences en humidité relative de l'air comprimé et en fonction de la T° ambiante.
Maintenance des filtres
remplacer régulièrement les cartouches pour réduire les pertes de charge
Filtre à air (aspiration)
cartouche neuve - ?p total = 0,05 bar
cartouche encrassée - ?p total = 0,1 bar (+ 6% d'énergie)
Filtre air comprimé (refoulement)
2 cartouches neuves - ?p = 0,2 bar
2 cartouches encrassées - ?p = 0,7 bar (+ 3% d'énergie)
Température de fonctionnement
Réduire au maximum la T° de l'air entrant et évacuer au mieux la chaleur du compresseur
Les compresseurs n'aiment pas la chaleur, Une augmentation de T° de 15°C entraine environ 5% de surconsommation d'énergie et 33 x plus d'huile dans l'air comprimé !
La juste pression
Une diminution de 1 bar entraine une économie d'environ 6% des consommations énergétique du poste air comprimé
Gestion de la production
Réduire la marche à vide du compresseur + automatiser le fonctionnement de la station d'air comprimé
Un compresseur à vis peut consommer à vide jusqu'à 30 % de l'énergie en charge
mise en série de 2 compresseurs : l'un pour assurer un débit moyen en continu, l'autre pour répondre aux pics de débit
Le contrôle de la vitesse, et donc le débit, par variateur électronique de vitesse permet d'engendrer jusqu'à 35 % d'économie d'énergie
Une gestion centralisée de la production d'air comprimé permet généralement de réaliser 10 % d'économie d'énergie
Attention toutefois, le rendement des compresseurs à vis pilotés par variateurs électronique de vitesse en fonction de la vitesse de rotation, comme explicité ci-dessous.
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