Types de compresseurs d'air et dispositifs de régulation

Il existe en gros deux types fondamentaux de compresseurs :

  • Les compresseurs volumétriques
  • Les compresseurs dynamiques.

Compresseurs volumétriques.
Dans le type volumétrique, une quantité donnée d'air est aspirée dans une chambre de compression puis le volume que l'air occupe est diminué, ce qui entraîne une augmentation correspondante de sa pression avant qu'il soit refoulé. Les compresseurs d'air rotatifs à vis, les compresseurs à palettes et les compresseurs à pistons sont les trois types les plus répandus de compresseurs volumétriques utilisés dans les petites et moyennes industries.

Compresseurs dynamiques.
Les compresseurs d'air dynamiques, qui comprennent des machines centrifuges et des machines axiales, sont courants dans les très grosses installations de fabrication. Ces compresseurs sortent du cadre du présent document.

a. Compresseurs rotatifs à vis

Depuis les années 1980, les compresseurs rotatifs à vis connaissent une certaine popularité et ont conquis une part intéressante du marché (par rapport aux compresseurs à pistons). Ils sont les plus répandus pour des puissances comprises entre 5 et 900 HP. Le type le plus courant de compresseur rotatif est le compresseur à vis à deux rotors hélicoïdaux. Deux rotors accouplés sont engrainés ensemble, emprisonnant l'air et réduisant son volume le long des rotors. Selon les exigences de pureté de l'air, les compresseurs rotatifs à vis sont du type lubrifié ou sec (sans huile.

Figure 6 - Coupe d'un compresseur rotatif à vis type (avec la permission de Atlas Copco)
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Figure 6 - Coupe d'un compresseur rotatif à vis type
arrachée illustration montrant pignons de distribution de rotor, joints, chemise d'eau, sans huile tournent ensemble, et les roulements.

 

Figure 6 - Coupe d'un compresseur rotatif à vis type
(avec la permission de Atlas Copco)

L'avantage majeur des compresseurs à vis par rapport aux compresseurs à pistons de petite puissance refroidis par air est qu'ils peuvent tourner sans interruption à pleine charge, alors que les compresseurs à piston doivent être employés avec un facteur d'utilisation maximal de 60 %. Les compresseurs rotatifs à vis sont en outre bien plus silencieux et produisent de l'air plus froid qu'il est plus facile de sécher. Sachez toutefois que les compresseurs rotatifs à vis peuvent ne pas être le meilleur choix en matière d'efficacité comparativement aux compresseurs à pistons à régulation tout ou rien. Reportez- vous à l'exemple du Cas 3: régulation tout ou rien comparée à régulation en charge/à vide à la page 48.

Compresseur rotatif à vis à injection d'huile. Le compresseur rotatif à vis à injection d'huile constitue le type le plus répandu de compresseur industriel pour de nombreuses applications. Le lubrifiant employé dans ce type de compresseurs peut être soit à base d'hydrocarbures, soit un produit synthétique. En principe, la sortie d'air comprend un mélange d'air comprimé et de lubrifiant injecté et passe par un carter dans lequel le lubrifiant est extrait de l'air comprimé. Des changements de direction et de vitesse permettent de séparer la plus grande partie du liquide. Les aérosols résiduels dans l'air comprimé sont alors séparés dans un élément de séparation situé à l'intérieur du carter et il ne subsiste dans l'air comprimé que quelques parties par million (ppm) de lubrifiant.

Dans le cas des compresseurs à deux étages, le refroidissement entre étages et les pertes internes minimes en raison de la pression plus faible dans chaque étage, augmentent l'efficacité du processus de compression. Par suite, la compression de l'air à la pression finale demande moins d'énergie.

Compresseur rotatif à vis sec. Dans ce type de compresseur exempt d'huile, les rotors engrenants ne sont pas en contact, des engrenages de synchronisation extérieurs maintenant le jeu qui les sépare dans des tolérances très faibles. Dans la plupart des modèles, on emploie deux étages de compression avec refroidisseur intermédiaire et refroidisseur de sortie. Les compresseurs rotatifs à vis exempts d'huile existent dans une gamme de 25 à 1200 HP ou de 90 à 5200 pcm.

b. Compresseurs à pistons

Les compresseurs de ce type comportent un piston entraîné par un vilebrequin et un moteur électrique. Les compresseurs à piston à usage général sont disponibles sur le marché dans des puissances comprises entre moins de 1 HP et 30 HP environ. Ils sont souvent employés pour fournir de l'air à des dispositifs de régulation et d'automatisation dans les bâtiments.

On trouve encore dans l'industrie des compresseurs à pistons de grande puissance, mais ils ne sont plus commercialisés aujourd'hui sauf pour des procédés spécialisés tels que les applications à haute pression.

c. Compresseurs à palettes

Un compresseur rotatif à palettes met en jeu un rotor à rainures excentré, situé dans un cylindre. Les rainures longitudinales du rotor sont équipées chacune d'une palette. Lorsque le rotor tourne, ces palettes sont plaquées vers l'extérieur par la force centrifuge et elles coulissent à l'intérieur des rainures en raison de l'excentricité du rotor par rapport au stator. Les palettes balayent le cylindre, aspirant l'air d'un côté et le rejetant de l'autre. Les compresseurs à palettes servent généralement dans des applications de petite puissance lorsqu'existent des problèmes d'encombrement; ils ne sont toutefois pas aussi efficaces que les compresseurs rotatifs à vis.

d. Moteurs de compresseurs

Les moteurs électriques constituent le moyen le plus courant d'entraînement des compresseurs. En tant que moteurs d'entraînement, ils doivent délivrer une puissance suffisante pour démarrer le compresseur, l'accélérer jusqu'à sa pleine vitesse, et assurer son fonctionnement dans les diverses conditions prévues. La plupart des compresseurs d'air utilisent des moteurs électriques triphasés à induction classiques.

Pour les compresseurs d'air neufs ou de remplacement, on devra spécifier des moteurs à haut rendement certifiés Premium plutôt que des moteurs standards. Le coût marginal d'un moteur à haut rendement certifié Premium est en général amorti rapidement en raison des économies d'énergie qu'il procure.

Pour de plus amples informations en ce qui concerne les moteurs à haut rendement, veuillez vous reporter au Guide de référence sur l'efficacité énergétique des moteurs publié par CEATI.

e. Dispositifs de régulation des compresseurs et rendement des systèmes

Vu que les systèmes d'air comprimé fonctionnent rarement à leur pleine puissance en permanence, il est essentiel de pouvoir en contrôler le débit avec précision sous des charges partielles.

On devra tenir compte à la fois du choix du compresseur ET de celui des dispositifs de régulation du système, car ce sont des éléments importants et qui influent sur le rendement du système et sur son efficacité énergétique.

  • Mode tout ou rien. Il s'agit de la stratégie de régulation la plus simple et la plus efficace. Elle s'applique tant aux compresseurs à piston qu'aux compresseurs rotatifs à vis. Son principe est le suivant : le moteur entraînant le compresseur est mis en marche ou arrêté en fonction de la pression de refoulement de la machine. Dans ce mode, un pressostat délivre le signal marche/arrêt du moteur. Les stratégies de régulation tout ou rien conviennent généralement aux compresseurs d'une puissance inférieure à 30 HP.

Des démarrages répétés peuvent conduire à une surchauffe du moteur et exiger un plus grand entretien des composantes du compresseur. C'est pour cela que le dimensionnement des réservoirs de stockage et le maintien de larges plages de prèssion de fonctionnement devront faire l'objet d'une attention particulière, de façon à maintenir le nombre de démarrages du moteur dans des limites acceptables.

  • Mode en charge/à vide. Ce mode de régulation est parfois nommé régulation directe/indirecte. Le moteur fonctionne en permanence, mais le compresseur est délesté lorsque la pression de refoulement est appropriée. Les compresseurs rotatifs à vis fonctionnant à vide consomment de 15 à 35 % de leur puissance absorbée en charge, alors qu'ils ne produisent pas d'air comprimé. Des minuteries de délestage facultatives permettent d'économiser de l'énergie en arrêtant automatiquement le compresseur et en le gardant en réserve s'il fonctionne à vide pendant une période de temps donnée (normalement 15 minutes).

Pour parvenir à un bon rendement du fonctionnement sous charge partielle, les modes de régulation en charge/à vide nécessitent des réservoirs de régulation de grande capacité.

Figure 7 - Puissance moyenne contre capacité d'un compresseur rotatif à vis avec régulation en charge/à vide et variation de la capacité du réservoir (avec la permission de Compressed Air Challenge)
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Figure 7 - Puissance moyenne contre capacité d'un compresseur rotatif à vis avec régulation en charge/à vide et variation de la capacité du réservoir
Pourcentage de la puissance d'entrée en kw Pourcentage de la capacité (En charge/à vide 1 gal/pcm) Pourcentage de la capacité (En charge/à vide 10 gal/pcm)
0% 25% 25%
20% 55% 40%
40% 70% 58%
60% 85% 75%
80% 95% 90%
100% 100% 100%
 

Figure 7 - Puissance moyenne contre capacité d'un compresseur rotatif à vis avec régulation en charge/à vide et variation de la capacité du réservoir (avec la permission de Compressed Air Challenge)

  • Régulation par modulation. Ce mode de régulation fait varier le débit du compresseur pour répondre à la demande en réglant la vanne d'aspiration, réduisant ainsi l'entrée d'air du compresseur. Même dans le cas où ils sont modulés pour un débit nul, les compresseurs rotatifs à vis consomment environ 70 % de leur consommation à pleine charge. L'emploi de dispositifs de régulation de délestage actionnés par pressostats peut réduire la consommation de fonctionnement à vide entre 15 et 35 % de la consommation à pleine charge. La régulation par modulation est spécifique aux compresseurs à vis lubrifiés et constitue la méthode la moins efficace de les faire fonctionner.

Les dispositifs de régulation des compresseurs ont un effet marqué sur leur consommation d'énergie, notamment dans le cas des faibles débits pour lesquels les régulations tout ou rien offrent en général le meilleur rendement énergétique.

La Figure 8 montre une courbe de rendement type de compresseurs commandés par modulation de la vanne d'aspiration avec et sans délestage du compresseur.

Figure 8 - Compresseur rotatif à vis commandé par modulation de la vanne d'aspiration (avec la permission de Compressed Air Challenge)
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Figure 8 - Compresseur rotatif à vis commandé par modulation de la vanne d'aspiration
Pourcentage de la puissance d'entrée en kw Pourcentage de la capacité (Modulation de la vann d'aspiration - sans extraction) Pourcentage de la capacité (Modulation de la vann d'aspiration - avec extraction)
0% 25% 70%
20% 55% 75%
40% 82% 82%
60% 90% 90%
80% 95% 95%
100% 100% 100%
 

Figure 8 - Compresseur rotatif à vis commandé par modulation de la vanne d'aspiration (avec la permission de Compressed Air Challenge)

  • Compresseurs à cylindrée variable. Certains modèles de compresseurs rotatifs à vis lubrifiés ont un débit de sortie variable qui est obtenu à l'aide de vannes de régulation spéciales, également appelées vannes à spirale, tournantes ou à clapet. Grâce à un système de régulation de la cylindrée variable, la pression de sortie et la consommation d'énergie du compresseur peuvent être très bien commandées sans avoir à démarrer/arrêter ou mettre en charge/ délester le compresseur. Ce mode de régulation offre un rendement satisfaisant pour des points de fonctionnement supérieurs à 60 % de la charge. Pour des débits inférieurs à 40 % de la capacité, l'utilisation de régulation de délestage par pressostats peut fortement réduire la consommation en énergie dans le cas des débits plus faibles.
Figure 9 - Compresseur rotatif à vis à cylindrée variable (avec la permission de Compressed Air Challenge)
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Figure 9 - Compresseur rotatif à vis à cylindrée variable
Pourcentage de la puissance d'entrée en kw Pourcentage de la capacité
0% 25%
20% 40%
40% 60%
60% 70%
80% 80%
100% 100%
 

Figure 9 - Compresseur rotatif à vis à cylindrée variable (avec la permission de Compressed Air Challenge)

  • Entraînement à vitesse variable (VSD).
    Dans ce mode de régulation, on fait varier la vitesse du compresseur en fonction des variations de la demande en air comprimé. On peut acheter des compresseurs à vis, lubrifiés ou non, avec des dispositifs de régulation de variation de la vitesse qui adaptent en continu la vitesse du moteur d'entraînement aux variations de la demande et assurent le maintien d'une pression constante. Normalement, ces types de compresseurs fonctionnent en régulation tout ou rien ou en charge/à vide lorsque la demande d'air comprimé tombe à une valeur inférieure à celle correspondant à la vitesse minimale de l'entraînement.

La plupart du temps, les compresseurs à vitesse variable offrent le meilleur rendement de fonctionnement à charge partielle. Théoriquement, lorsqu'une installation comporte de multiples compresseurs d'air, un ou plusieurs compresseurs à vitesse fixe devraient assurer la demande de base en air comprimé, un compresseur à vitesse variable (VSD) répondant alors aux demandes d'air variables ou momentanées.

Pour tirer pleinement parti des compresseurs à vitesse variable, on doit évaluer le volume approprié des réservoirs de stockage d'air pour différents scénarios de débit et de régulation.

Figure 10 Courbe d'un compresseur rotatif à vis à vitesse variable en supposant des pertes de 5 & dans l'onduleur
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Figure 10 Courbe d'un compresseur rotatif à vis à vitesse variable en supposant des pertes de 5 & dans l'onduleur
Pourcentage de la puissance d'entrée en kw Pourcentage de la capacité (vitesse variable - avec délestage) Pourcentage de la capacité (variable speed - avec arrêt)
0% 15% 0%
20% 30% 25%
40% 42% 42%
60% 60% 60%
80% 85% 85%
100% 105% 105%
 

Figure 10 - Courbe d'un compresseur rotatif à vis à vitesse variable en supposant des pertes de 5 % dans l'onduleur (avec la permission de Compressed Air Challenge)

Il convient d'envisager des compresseurs à vitesse variable (VSD) pour répondre aux demandes momentanées (ou aux fluctuations de la demande), car ce sont en principe les compresseurs les plus efficaces pour alimenter des charges partielles.

Aptes à fournir de l'air à pression constante dans une gamme étendue de régulation, les compresseurs VSD ont une consommation d'énergie et un débit qui sont presque directement proportionnels à leur vitesse. Il pourrait ainsi en découler des économies d'énergie par rapport aux compresseurs à vitesse fixe comparables au cas où les compresseurs fonctionnent sous charge partielle. Souvenez-vous toutefois qu'aux pleines charges, les compresseurs VSD vont consommer légèrement plus d'énergie que les compresseurs à entraînement par moteur à vitesse constante de puissance comparable.

Comparaison des coûts de fonctionnement des différents modes de régulation

Le mode de régulation d'un compresseur peut avoir un effet prononcé sur ses coûts de fonctionnement. En mode de modulation, le compresseur va utiliser 90 % de sa puissance nominale. En mode en charge/à vide avec une capacité de stockage d'air minimale (1 gallon US par pi³), le compresseur va consommer environ 92 % de sa puissance nominale. En portant la capacité de stockage de l'air à 10 gallons US par pi³, le compresseur en mode en charge/à vide va consommer environ 77 % de sa puissance nominale. Équipé d'un dispositif de régulation à vitesse variable, le même compresseur va consommer environ 66 % de sa puissance nominale.

présente les coûts de fonctionnement pour un compresseur de 100 HP fonctionnant à 65 % de la charge moyenne.

Figure 11 - Coûts annuels approximatifs d'un compresseur de 100 HP sous différents modes de régulation*
% de la charge Modulation En charge/à vide
avec réservoir
de 1 gal/pi³
En charge/à vide
avec réservoir
de 10 gal/pi³
Entraînement
à vitesse
variable
100 36 130 $ 36 130 $ 36 130 $ 36 850 $
75 33 420 $ 34 680 $ 29 350 $ 27 090 $
65 32 330 $ 33 240 $ 27 820 $ 23 480 $
50 30 710 $ 31 070 $ 24 200 $ 18 060 $
25 28 000 $ 24 930 $ 16 800 $ 9 030 $
10 26 370 $ 16 620 $ 11 740 $ 3 610 $

* Sur la base de 10 cents par kWh et de 4 250 heures par an.

f. Dispositifs de régulation de système de compresseurs multiples

Dans les systèmes de régulation de compresseurs multiples, le but recherché est de maintenir automatiquement, dans toutes les conditions de débit, la pression la moins élevée et la plus constante possible, tout en assurant que tous les compresseurs en service, à l'exception d'un seul, fonctionnent à pleine charge ou sont arrêtés. Le compresseur d'exception (unité d'appoint) devrait être celui qui est le plus apte à fonctionner avec un bon rendement aux charges partielles.

Les régulations locales du compresseur maintiennent de façon indépendante l'équilibre entre le débit du compresseur et la demande du système d'air comprimé et font toujours partie intégrante du compresseur. Pour atteindre le but recherché dans la régulation de compresseurs multiples, on doit faire appel à des dispositifs ou des modes de régulation plus sophistiqués (plages de pression en cascade, régulation supérieure en réseau ou du système) afin de coordonner le fonctionnement des compresseurs et la fourniture de l'air comprimé au système.

Dans un système d'air comprimé à compresseurs multiples, il est indispensable d'assurer une coordination appropriée qui permette de maintenir une pression adéquate et une efficacité accrue dès que plusieurs compresseurs sont appelés à fonctionner.

Du fait que les systèmes de compresseurs sont généralement dimensionnés pour répondre à la demande maximale d'une installation, mais qu'ils fonctionnent normalement à des charges partielles, il est indispensable qu'une méthode de régulation garantisse que les compresseurs en marche fonctionnent avec une efficacité maximale. Voici une description de quelques méthodes courantes de régulation :

  • Régulation par plages de pression en cascade. Ce type de régulation est la méthode la plus simple pour coordonner des compresseurs multiples. Dans ce mode de régulation, les pressostats de régulation locale des compresseurs sont réglés selon une configuration de chevauchement ou en cascade (voir la Figure 12). Cette méthode de régulation va mettre à vide ou en charge les compresseurs pour différentes valeurs de la pression dans le système, à mesure que la charge diminue ou augmente. La méthode de régulation en cascade se traduit par des pressions du système plus élevées que nécessaire pendant les périodes de charge partielle, ce qui occasionne une consommation d'énergie trop élevée. Par ailleurs, à mesure que le nombre de compresseurs à coordonner augmente, il devient de plus en plus difficile d'assurer une régulation précise des compresseurs sans dépasser, lors des faibles charges, la pression nominale des compresseurs raccordés au système, ou sans éprouver une pression basse dans le système pour les charges élevées.
    Figure 12 - Régulation en cascade d'un ensemble de compresseurs multiples (avec la permission de Compressed Air Challenge)
    Version texte

    Figure 12 - Régulation en cascade d'un ensemble de compresseurs multiples;
    compresseur #1 fonctionne avec une pression du système (psig) de 100 à 110 psig;
    compresseur #2 fonctionne avec une pression du système (psig) de 95 à 105 psig;
    compresseur #3 fonctionne avec une pression du système (psig) de 90 à 100 psig;
    compresseur #4 fonctionne avec une pression du système (psig) de 85 à 95 psig;

     

    Figure 12 - Régulation en cascade d'un ensemble de compresseurs multiples
    (avec la permission de Compressed Air Challenge)

  • Régulation en réseau. Ce type de régulation fait appel à une caractéristique optionnelle de la régulation locale du compresseur pour le mettre en communication avec les autres compresseurs et former ainsi une chaîne de communication qui prend les décisions de marche/arrêt, mise en charge/délestage, modulation et variation de la vitesse. En général, un des compresseurs assure le rôle de chef de file alors que les autres sont asservis aux instructions du premier. Ce type de régulation est adaptable à un grand nombre de compresseurs tout en maintenant la pression dans le système, dans une plage de pressions plus faibles pour toutes les conditions de débit. En principe ce type de régulation ne peut interconnecter que des compresseurs du même fabricant.
  • Dispositifs de régulation supérieure des systèmes. (Également appelés séquenceurs automatiques). Comparables aux dispositifs de régulation en réseau, ces dispositifs de régulation externes sont reliés au contrôleur local de chaque compresseur et permettent de maintenir la pression d'air comprimé du système dans une seule plage de pression plus étroite. La plupart des dispositifs de régulation supérieure peuvent s'adapter à des compresseurs de marques et types différents dans un même système d'air comprimé. Certain des dispositifs les plus récents comportent un grand nombre de fonctionnalités supplémentaires dont la possibilité de surveillance et de régulation des paramètres importants du système.
  • Régulation multiple de compresseurs VSD. Les modes de régulation décrits plus haut peuvent englober un ou plusieurs compresseurs VSD. Il est alors important de s'assurer que la puissance variable totale est égale ou supérieure à celle du compresseur à vitesse fixe le plus puissant, à défaut de quoi il en résultera des lacunes dans la régulation. Une lacune de régulation intervient lorsque, dans certaines conditions, la charge du système ne peut être satisfaite ni par la puissance de base, ni par celle des compresseurs VSD. Cette lacune de régulation va provoquer un conflit entre compresseurs de base et compresseurs VSD pour la position maîtresse, ce qui abaissera l'efficacité du système. Votre fournisseur pourra vous aider en termes de dimensionnement adéquat de vos compresseurs VSD.

Afin de tirer plein parti de la régulation de compresseurs multiples, il faut installer un volume approprié de réservoirs de stockage d'air de façon à freiner les variations de pression dans le système et à disposer du temps nécessaire au démarrage et à l'arrêt des compresseurs VSD. Le stockage est un élément plus important dans le cas de la régulation de type en charge/à vide, mais il est également nécessaire dans le cas des systèmes équipés de compresseurs VSD.

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