Équipements auxiliaires des compresseurs d'air

Les équipements auxiliaires des compresseurs d'air incluent les refroidisseurs de sortie, filtres, séparateurs, sécheurs, récupérateurs de chaleur, dispositifs de lubrification, régulateurs de pression, réservoirs d'air, purgeurs de condensats et dispositifs de purge automatiques. Ce sont des dispositifs connexes d'un compresseur d'air qui contribuent à conditionner l'air comprimé selon les spécifications imposées.

a. Refroidisseurs de compresseurs d'air

Environ 80 pour cent de l'énergie électrique consommée par un compresseur est transformée en chaleur. Comme option d'un programme d'efficacité énergétique, la chaleur due à la compression peut être récupérée et utilisée pour chauffer de l'eau ou de l'air. La récupération de la chaleur des compresseurs d'air constitue une excellente possibilité d'efficacité énergétique dans bon nombre d'installations.

Refroidissement des compresseurs. Les compresseurs qui fonctionnent en permanence engendrent d'importantes quantités de chaleur attribuable au processus de compression. Cette chaleur doit être extraite à la fois du refroidisseur d'air de sortie et du refroidisseur d'huile. Les compresseurs sont normalement refroidis par air ou par eau.

  • Refroidisseurs intermédiaires. De nombreux compresseurs anciens à plusieurs étages sont équipés de refroidisseurs intermédiaires qui sont chargés d'éliminer, entre chaque étage, la chaleur de compression. Ces refroidisseurs doivent être nettoyés périodiquement afin d'assurer une capacité optimale de transfert de chaleur aux fin d'une meilleure efficacité énergétique.
  • Refroidisseurs de sortie. Ces refroidisseurs extraient la chaleur du lubrifiant et de l'air de refoulement du compresseur. Le refroidisseur d'air, installé en aval du dernier étage de compression, est refroidi par air ou par eau. Il est essentiel de veiller à son bon fonctionnement car la teneur en humidité de l'air dépend directement de la température de refoulement. Ces refroidisseurs d'air doivent être nettoyés régulièrement pour assurer une capacité optimale de transfert de chaleur aux fins d'une meilleure efficacité énergétique. Des températures supérieures à 38 °C provoquent généralement une surcharge des sécheurs d'air et entraînent des problèmes d'humidité. Les refroidisseurs réduisent la température de l'air de refoulement saturé et condensent la vapeur d'eau qui doit alors être séparée et vidangée du système. L'entretien du dispositif de purge est essentiel si l'on veut éviter que de l'eau libre ne pénètre dans les équipements de séchage avals. Pratiquement tous les systèmes d'air comprimé industriels sont équipés d'un type ou un autre de refroidisseurs de sortie.
  • Entrée d'air du compresseur. On admet en général, bien que cette idée fasse encore l'objet de débats dans l'industrie, que pour une efficacité énergétique maximale, l'air entrant dans le compresseur doit être le plus froid possible. Ceci tient au fait que l'air froid est plus dense que l'air chaud. Plus l'air d'entrée est froid, plus ses molécules le sont également, de sorte que davantage d'air est comprimé pour chaque tour du compresseur d'air. En outre, plus l'air d'entrée est froid, moins il y a nécessité de refroidissement intermédiaire et de refroidissement de sortie.

Un compresseur dont l'entrée d'air est alimentée par de l'air extérieur (au lieu de l'air très chaud existant dans une salle de compresseurs) a une meilleure efficacité énergétique. Lors de la conception des prises d'air extérieures, on devra prendre en compte la pression différentielle, le gel et les blocages par le givre en hiver, en vue d'optimiser les économies d'énergie. Qui plus est, les salles de compresseurs devront être aussi propres et fraîches qu'il est possible afin d'assurer un fonctionnement optimal des compresseurs.

b. Sécheurs d'air

L'air comprimé quittant le refroidisseur de sortie et le séparateur d'humidité d'un compresseur est en principe plus chaud que l'air ambiant et complètement saturé d'humidité. À mesure que l'air se refroidit, la vapeur se condense dans les canalisations d'air comprimé. Une quantité excessive d'humidité entraînée risque d'aboutir à des effets indésirables tels que corrosion des tuyauteries et contamination au point final d'utilisation. C'est cette raison qui justifie l'installation d'un sécheur d'air.

Les divers types de sécheurs d'air comprimé possèdent différentes caractéristiques de fonctionnement et permettent d'obtenir différents écarts de température par rapport au point de rosée (le point de rosée est la température à laquelle l'humidité se condense dans l'air).

Certaine utilisations finales exigent un air très sec, comme par exemple les systèmes de distribution d'air comprimé dans lesquels les tuyauteries sont exposées à des conditions hivernales. Pour éviter la formation de givre, on doit procéder au séchage de l'air à un point de rosée inférieur à la température ambiante.

La perte de charge type entre l'entrée et la sortie d'un sécheur d'air comprimé est de l'ordre de 3 à 5 psi. Certains sécheurs d'installations industrielles sont sous-dimensionnés et provoquent des pertes de charge encore plus élevées. Pour une efficacité énergétique constante, l'air ne devrait être séché qu'au point de rosée voulu et au moyen d'un sécheur de taille appropriée.

Les sécheurs d'air s'inscrivent dans trois grandes catégories : à réfrigération, à régénération et à membrane.

Sécheurs à réfrigération. Parmi les principaux types de sécheurs à réfrigération, on peut citer :

  • Sécheurs à réfrigération à fonctionnement continu (également appelés à détente directe). Ce type de sécheur d'air est le plus répandu en raison de son coût initial relativement faible. Il convient aux systèmes pouvant fonctionner à des points de rosée supérieurs à 2 °C. Le sécheur d'air abaisse le point de rosée de l'air à la température approximative de l'air sortant de l'évaporateur du frigorigène. Pour éviter le givrage à l'intérieur du sécheur, la température de l'évaporateur ne devrait pas descendre en dessous de 0 °C. Compte tenu du rendement du sécheur, on obtiendra en général un point de rosée d'air sous pression de 2 °C ou plus pour l'air quittant le sécheur.

    Après que l'air ait d'abord traversé un échangeur de chaleur qui transfère la chaleur de l'air entrant à l'air sortant plus froid, le sécheur d'air abaisse le point de rosée de l'air jusqu'à la température approximative de l'air quittant l'évaporateur du frigorigène. Ceci provoque la condensation de la vapeur d'eau qui est ensuite éliminée dans le séparateur du sécheur. Pour éviter le givrage à l'intérieur du sécheur, la température de l'évaporateur est normalement réglée à l'aide d'un clapet de dérivation des gaz chauds qui oblige le frigorigène à contourner l'évaporateur. Cette dérivation maintient chargé le compresseur de frigorigène, forçant le sécheur à fonctionner à pratiquement sa pleine puissance même lorsque sa charge est faible, aboutissant ainsi à une efficacité médiocre en charge partielle.

On peut réaliser des économies d'énergie en mettant le sécheur d'air à l'arrêt pendant les heures où le compresseur est lui-même arrêté.

  • Sécheurs à réfrigération à fonctionnement cyclique (on dit également à masse thermique). Ces sécheurs ont les mêmes caractéristiques de point de rosée que les sécheurs à réfrigération à fonctionnement continu, mais au lieu d'un clapet de dérivation des gaz chauds pour commander la température de l'évaporateur, on utilise une masse thermique pour accumuler le froid. Ceci permet au compresseur de frigorigène de fonctionner en mode tout ou rien sans cycles superflus. Le sécheur à fonctionnement cyclique offre une très bonne marge de réglage effective en réaction aux diminutions de débit et du taux d'humidité, ce qui se traduit par une bonne efficacité à charge partielle.
  • Sécheurs à réfrigération à vitesse variable. Dans ce type de sécheur, la capacité de séchage est adaptée à la demande du système à l'aide de dispositifs électroniques, ce qui leur confère une bonne efficacité à charge partielle.

Sécheurs à régénération. Ce type de sécheur à adsorption fait appel à un matériau poreux pour sécher l'air. Lorsqu'il devient saturé, le matériau déshydratant doit être régénéré. Selon leur conception, les sécheurs régénérateurs emploient différentes méthodes de régénération. Ces sécheurs permettent d'éliminer l'humidité jusqu'à des seuils très inférieurs au point de congélation de l'eau ( 40 °F ou 0 °C, ou même moins). Toutefois, la consommation d'air de purge pour la régénération du sécheur risque de pénaliser fortement le système au niveau de l'énergie consommée.

Il existe des dispositifs de régulation du point de rosée qui ajustent les besoins en énergie de régénération à la demande du système d'air comprimé. L'emploi de ces dispositifs permettra d'améliorer l'efficacité énergétique du sécheur.

Les principales catégories de sécheurs à régénération incluent :

  • Régénération sans chaleur. Ce type de sécheur fait appel à l'air séché déjà comprimé pour régénérer le matériau déshydratant. Un sécheur d'air sans chaleur non régulé va consommer en permanence entre 15 et 20 % de sa puissance nominale pour effectuer cette opération. Il en coûtera près de 3 à 4 kW par 100 pcm de puissance nominale du sécheur.
  • Régénération avec purge. Ce type de sécheur consomme un plus faible pourcentage (7 %) d'air déjà comprimé émanant du système et lui fait traverser des résistances chauffantes électriques. L'air réchauffé extrait de façon plus efficace l'humidité du matériau déshydratant du sécheur. Ce type de sécheur consomme près de 2,25 kW par 100 pcm de puissance nominale du sécheur.
  • Régénération avec purge par balayage. Dans ce type de sécheurs, une soufflante fait passer l'air ambiant réchauffé à travers le matériau déshydratant pour le régénérer. Vu que cette opération ne consomme aucun air comprimé, la puissance de sortie du compresseur reste entièrement utilisable par le système d'air comprimé. Au terme du cycle de chauffage, le refroidissement s'effectue par air comprimé. Ces appareils consomment environ 2,5 kW par 100 pcm de puissance nominale du sécheur. Lorsqu'elle est employée, la purge pour refroidissement consomme en outre 0,6 kW par 100 pcm de puissance nominale.

Sécheurs à membrane. Ces appareils utilisent une membrane semi-perméable pour séparer la vapeur d'eau du flux d'air. Ils ne comportent aucune pièce mobile. Pour le balayage de la membrane, ces sécheurs consomment près de 20 % de leur puissance nominale. L'air de balayage constitue une perte pour le système d'air comprimé. Ces sécheurs délivrent en sortie des points de rosée variables selon le débit d'air et la température.

La Figure 13 présente les coûts de fonctionnement pour les types de sécheurs courants.

Figure 13 - Coûts de fonctionnement de différents types de sécheurs*
% de charge Réfrigération en continu Réfrigération cyclique Régénération sans chaleur Régénération sans chaleur régulée Sécheur à membrane
100 % 1 070 $ 1 070 $ 6 390 $ 6 390 $ 8 520 $
75 % 1 070 $ 800 $ 6 390 $ 4 790 $ 8 520 $
50 % 1 070 $ 530 $ 6 390 $ 3 200 $ 8 520 $
25 % 1 070 $ 270 $ 6 390 $ 1 600 $ 8 520 $
10 % 1 070 $ 110 $ 6 390 $ 640 $ 8 520 $
0 1 070 $ 0 $ 6 390 $ 0 $ 8 520 $

*Sur la base d'un sécheur d'une capacité de 500 pcm fonctionnant 4 250 heures par an à 100 psi (lb/po²) et de 10 ¢/kWh.

Outre les coûts d'énergie et d'immobilisation de matériel, il faut tenir compte du fait que le séchage de l'air à -40°C coûte de 5 à 10 fois plus cher que le séchage à +2°C.

c. Filtres

Filtre d'admission d'air du compresseur. Un filtre d'admission d'air protège le compresseur contre les particules, insectes et matériaux végétaux qui se trouvent en suspension dans l'air.

Les filtres d'admission d'air doivent être périodiquement remplacés, notamment dans les zones où prédominent poussières et insectes. Un filtre d'entrée à pression différentielle élevée diminue la capacité de refoulement d'un compresseur d'air et réduit son efficacité.

Filtres à air comprimé. On doit généralement installer des filtres à air comprimé en aval du compresseur d'air pour éliminer les impuretés telles que particules, condensats et huile. De nombreux choix de méthodes de filtration existent qui dépendent de la propreté exigée pour l'air.

De façon générale, la pression différentielle dans un filtre est d'autant plus élevée que le filtre est plus fin. Les filtres à particules servant à éliminer les particules solides présentent la pression différentielle la plus faible.

Les filtres à coalescence employés pour éliminer l'huile et l'humidité ont généralement la pression différentielle la plus élevée. Des filtres à particules sont ordinairement utilisés immédiatement en aval d'un sécheur à adsorption pour éliminer les particules de matériau déshydratant.

La pression différentielle d'un filtre croît comme le carré de l'augmentation du débit qui le traverse. Cette différence de pression due au filtre augmente la consommation d'énergie du compresseur nécessaire pour obtenir une pression de sortie donnée.

Pour chaque augmentation de 2 psi de la pression différentielle dans un filtre, il faut compter une augmentation de 1 % des coûts en énergie. Si l'on double la capacité d'un filtre donné, la perte de pression à travers ce filtre va être réduite dans un rapport de 4 à 1, ce qui correspond à une économie d'énergie de 75 %. Du point de vue efficacité énergétique, on devra choisir avec soin les types de filtres car l'excès de filtration représente une perte d'énergie.

Pour les filtres à huile et à particules, n'employer que le niveau de filtration nécessaire à chaque application. La pression différentielle des filtres doit être soigneusement surveillée et les éléments de filtres remplacés selon les instructions du fabricant, où lorsque la différence de pression entraîne une consommation d'énergie excessive. La différence de pression devra être surveillée à l'aide d'indicateurs de pression différentielle précis.

Pour économiser de l'énergie, tenter de minimiser - lorsqu'il est possible - la chute de pression dans les filtres en installant des filtres du type éliminateurs de gouttelettes à faible pression différentielle, des filtres surdimensionnés, ou en employant des filtres montés en parallèle.

Il faut garder à l'esprit que des différentiels de pression de filtres trop élevés entraînent souvent une consommation plus élevée du compresseur en raison du fonctionnement en cycles courts de ce dernier.

Exemple 1 - Coût de filtres colmatés

Prenons par exemple un compresseur de 100 HP fonctionnant durant 2 quarts de travail et dont la pression de refoulement est fixée à 100 psi (lb/po²). Le coût annuel en électricité de ce compresseur s'élève à 32 330 $ (voir Figure 4). Si cet appareil devait fonctionner à une pression de 110 psi pour compenser un différentiel total de filtres de 10 psi, il en résulterait une perte d'énergie d'environ 5 % ou 1 615 $ annuellement. Dans la plupart des cas, une conception adéquate peut réduire la pression différentielle à moins de 1 psi.

d. Réservoirs et stockage de l'air comprimé

L'existence de réservoirs de stockage d'une capacité adéquate permet de préserver la qualité de l'air, la stabilité du système d'air comprimé, ainsi que son efficacité. Un stockage d'air approprié est une chose extrêmement importante dans un système où sont employés des compresseurs à vis.

Les réservoirs peuvent être du type primaire ou secondaire comme on va le voir ci-dessous.

Réservoirs d'air primaires

Un réservoir d'air primaire sert de stockage général pour le système et on l'installe habituellement à proximité des compresseurs d'air principaux. Il peut se trouver en amont et/ou en aval des équipements de nettoyage.

Dans les systèmes d'air comprimé, les réservoirs d'air primaires remplissent plusieurs fonctions importantes :

  • Ils amortissent les pulsations engendrées par les compresseurs à pistons.
  • Ils offrent un emplacement pour la décantation de l'eau libre et de l'huile contenues dans le flux d'air comprimé.
  • Ils alimentent les demandes de pointe à partir de l'air emmagasiné sans qu'il soit nécessaire de démarrer un compresseur supplémentaire.
  • Ils diminuent la fréquence des cycles à vide/en charge ou marche/arrêt assurant un fonctionnement plus efficace des compresseurs à vis et réduisant les démarrages de moteurs. La plupart des compresseurs à vis comportent un dispositif de protection interne interdisant plus de 4 à 6 démarrages par heure.
  • Ils ralentissent les variations de pression du système pour permettre une meilleure régulation des compresseurs et pour assurer des pressions plus stables dans le système d'air comprimé.

Une règle empirique applicable aux compresseurs à vis lubrifiés fonctionnant en mode à vide/en charge, établit que le volume des réservoirs doit être de 5 à 10 gallons US (20 à 40 litres) par pcnm de sortie de compresseur d'appoint. En termes de dimensionnement, d'autres facteurs entrent en ligne de compte : par exemple, la méthode de régulation de la capacité des compresseurs d'air et les délais de démarrage ces derniers.

L'emplacement du réservoir primaire peut avoir un impact notable sur le sécheur d'air. Les réservoirs situés en aval du sécheur d'air vont stocker d'importantes quantités d'air sec pour pouvoir répondre aux demandes de pointe. Au cas où se présente une demande soudaine dépassant la capacité du compresseur, l'air emmagasiné dans réservoir peut être utilisé directement et contribuer au maintien du débit et de la pression nécessaires. Par contre, si le réservoir primaire est situé en amont du sécheur d'air, le débit combiné du compresseur et du réservoir devra s'écouler en traversant le sécheur. Ce débit pourra, dans certains cas, dépasser la capacité du sécheur. C'est pour cela que le plus gros réservoir primaire devra être situé en aval du sécheur et des filtres.

Réservoirs d'air secondaires

Les réservoirs d'air secondaires (situés dans le système de distribution d'une installation ou aux points d'utilisation) assurent les services généraux suivants :

  • Protection des utilisations finales critiques contre les creux de pression temporaires du système.
  • Protection des utilisations finales multiples contre les gros utilisateurs occasionnels d'air comprimé.
  • Stabilité générale de la pression dans les systèmes dont les tuyauteries de distribution sont sous-dimensionnées.

De nombreuses installations industrielles possèdent des équipements situés à l'extrémité d'une longue tuyauterie d'air comprimé, ou des machines utilisant d'importantes quantités d'air comprimé pendant de courtes périodes. Cette situation provoque souvent de sévères fluctuations de pression localisées, nombre de points finals essentiels étant alors privés d'air comprimé. Il est possible de remédier à cette situation en installant un réservoir d'air secondaire convenablement conçu à proximité du point à demande intermittente élevée. Si la demande intermittente est de courte durée, l'air nécessaire peut provenir directement du réservoir de stockage plutôt que par le démarrage d'un compresseur complémentaire. Ainsi, en installant un limiteur de débit en amont du réservoir d'air secondaire, le réservoir de stockage peut être rempli à un débit réduit raisonnable de façon à ne pas entraver les autres utilisations finales sensibles ponctuelles.

Dans d'autres cas où une utilisation isolée à faible consommation et sensible à la pression est affectée par les fluctuations de pression locales, on pourra installer un réservoir de stockage correctement dimensionné, équipé d'un clapet de non-retour et qui retiendra l'air comprimé exclusivement pour cette utilisation. De cette façon, un équipement sensible pourra rester alimenté pendant une fluctuation éventuelle de pression.

En général, un réservoir d'environ 110 gallons US (415 litres) va stocker 1 pied cubique d'air comprimé par psi (lb/po²). La taille d'un réservoir pour une application donnée est tout simplement obtenue en multipliant par 110 le nombre de pieds cubes nécessaires, et en le divisant ensuite par la plage de pression d'utilisation.

Exemple 2 - Détermination de la taille d'un réservoir d'air

Une pince pneumatique qui consomme 2 pcm nécessite un réservoir de stockage d'air muni d'un clapet antiretour permettant de maintenir au minimum une pression de 85 psi pendant 2 minutes dans un système fonctionnant normalement sous 100 psi.

  • Pieds cubes nécessaires = 2 pcm × 2 minutes = 4 pieds cubes
  • Plage de pression (psi) pendant l'opération =100 - 85 = 15
  • Réservoir de stockage nécessaire 4 × 110/15 =29 gallons (US)

Exemple 3 - Dimensionnement d'un réservoir pour charge transitoire

Une vaste installation de décapage au jet de sable consommant 100 pcm fonctionne à raison de 1 minute toutes les 10 minutes. La décapeuse nécessite une pression de 80 psi et la pression du système d'air comprimé est de 100 psi. Sans réservoir secondaire, le système principal d'air comprimé doit fournir ce plein débit, souvent avec une pression différentielle importante dans le système. Une autre solution est d'employer un réservoir de stockage secondaire dont l'entrée est munie d'un étranglement ou d'un robinet à pointeau.

  • 100 pcm x 1 minute = 100 pieds cubes
  • Plage de pression (psi) = 20
  • Réservoir de stockage nécessaire = 100 pieds cubes × 110/20 psi = 550 gallons (US)
  • Ce réservoir pourra être rempli pendant 10 minutes à un débit de 10 pcm, ce qui réduira la pression différentielle précédente dans le système par un facteur de 100.

Pour les installations connaissant de fortes fluctuations de la demande ou ayant une pression d'air insuffisante (habituellement à l'extrémité des tuyauteries d'air), on devrait évaluer le besoin d'un ou de plusieurs réservoirs d'air situés à des emplacements stratégiques dans le système de distribution d'air comprimé.

e. Séparateurs et purgeurs

Les séparateurs d'eau sont des appareils qui éliminent les liquides entraînés par l'air. On les installe en aval des refroidisseurs de sortie pour extraire l'humidité condensée. Les séparateurs d'eau ne doivent pas être confondus avec les séparateurs d'huile que l'on emploie dans les compresseurs rotatifs à vis lubrifiés pour récupérer le lubrifiant dans l'air comprimé de refoulement.

Tous les séparateurs, filtres, sécheurs et réservoirs doivent être équipés de dispositifs de purge destinés à évacuer les condensats liquides du système d'air comprimé. Des dispositifs de purge défectueux peuvent laisser s'écouler vers l'aval des bouchons d'humidité risquant de surcharger le sécheur d'air et d'obstruer les équipements finals. Des dispositifs de purge mal conçus ou médiocrement entretenus peuvent entraîner des pertes importantes d'air comprimé.

Pour une installation fonctionnant sur deux quarts de travail (4 250 heures par an), le remplacement d'un purgeur manuel qui laisse fuir en permanence 5 pcm d'air comprimé permettra d'économiser annuellement 425 $ environ.

Il existe quatre grandes méthodes de purge des condensats :

  • Purgeurs automatiques à dépression avec réservoirs. C'est la méthode la plus efficace, car seuls les condensats sont évacués. Ces purgeurs sont en principe simples à tester et à entretenir. Du fait que les condensats s'écoulent normalement par gravité, la configuration de l'installation est cruciale pour éviter la formation de bouchons d'air.
  • Robinets électromagnétiques à commande électrique. S'ils sont réglés pour une purge à la teneur maximale en humidité, ces types de purgeurs vont gaspiller de l'air durant les périodes de faible teneur en humidité. Le robinet électromagnétique s'ouvre pendant un temps déterminé en fonction d'un intervalle réglé à l'avance. Dans certaines circonstances, la durée pendant laquelle le robinet est ouvert est insuffisante pour vidanger de façon appropriée les condensats.
  • Purgeurs mécaniques à flotteur. Ces types de purgeurs sont ordinairement difficiles à tester au niveau de leur fonctionnement et aussi à entretenir. Ils présentent souvent des points de fuite. Lorsqu'ils fonctionnent correctement, ces purgeurs ne perdent pas d'air, mais ils exigent en général beaucoup d'entretien car ils sont souvent bloqués par les sédiments.
  • Purgeurs manuels. Les robinets manuels de vidange des condensats sont en principe montés dans des endroits prédisposés aux problèmes d'humidité. N'étant pas automatiques, ces robinets sont dans bien des cas laissés légèrement ouverts, ce qui occasionne des fuites d'air comprimé en permanence. Ces purgeurs sont à éviter.
Figure 14 - Exemple de purgeur à dépression

Figure 14 - Exemple de purgeur à dépression

 

f. Tuyauteries

Les tuyauteries acheminent l'air comprimé depuis la salle des compresseurs jusqu'aux appareils et procédés d'utilisation finale. La plupart des systèmes d'air comprimé font appel à des tuyauteries en acier au carbone qui sont sujettes à la corrosion. C'est pourquoi nombre de systèmes d'air comprimé doivent être équipés d'un sécheur d'air permettant de maitriser le niveau d'humidité de l'air. Un système de tuyauteries sous-dimensionnées dans la salle des compresseurs ou dans le réseau de distribution va provoquer une perte de pression notable entre le système de production d'air comprimé et les utilisations finales. Si l'on veut maintenir en aval une pression constante donnée, cette différence de pression va nécessiter une élévation de la pression de refoulement des compresseurs et, par suite, un accroissement de leur consommation d'énergie pouvant atteindre 1 % par 2 psi d'élévation de pression.

Dans la conception des tuyauteries, on devra tenir compte des aspects suivants :

  • Les tuyauteries horizontales de distribution doivent comporter une légère pente vers le bas, ainsi que des dispositifs de drainage de l'humidité.
  • Dans la conception d'un système d'air comprimé, une bonne pratique consiste souvent à augmenter de 30 % le débit d'air prévu (pour prendre en compte l'accroissement ultérieur éventuel du système), et à choisir un diamètre des tuyauteries entraînant la chute de pression la plus faible possible.
  • Lorsque c'est possible, une bonne pratique est d'installer un réseau de distribution en boucle afin de permettre à l'air de circuler en plusieurs directions, comme le montre la Figure 17. Par rapport à une tuyauterie simple de même diamètre, une boucle de tuyauteries simples est en mesure de réduire de 75 % la différence de pression. Les boucles multiples peuvent encore améliorer l'écoulement de l'air.

Pour minimiser les pertes d'énergie dues à la différence de pression, et pour faciliter la stabilisation des pressions d'air aux extrémités de tuyauteries, le système de distribution devrait être dimensionné pour une pression différentielle ne dépassant pas 2 à 3 psi.

  • Choisir, pour les tuyauteries, un matériau à faible coefficient de frottement, comme le cuivre ou l'aluminium extrudé, entraînant des pertes de pression plus faibles.
  • Envisager l'emploi de tuyauteries de plus grand diamètre afin de tirer profit d'une pression différentielle plus faible.

Lorsque, pour un débit donné, on double le diamètre d'une tuyauterie, la chute de pression est en général égale à un quart de celle de la tuyauterie de diamètre simple : on économise ainsi 75 % d'énergie.

La Figure 15 montre le rapport qui existe, pour un débit d'air donné, entre la chute de pression par 1000 pieds (304 m) de longueur de tuyauterie, et différents diamètres de tuyauterie; il est à noter toutefois qu'une chute de pression supérieure à 40 psi ne peut être envisagée en pratique.

Attention : le tableau de la Figure 15 ne doit pas être employé à des fins de conception.

Figure 15 - Chute théorique de pression due au frottement par 1000 pieds de tuyauterie et une pression manométrique de 100 psig
(avec la permission de Compressed Air Challenge)
Pieds cubes d'air (pcnm) Diamètre de tuyauterie, en pouces
1" 2" 3" 4" 6" 8" 10"
10

0,28

           
50

9,96

0,19

         
100

27,9

0,77

         
250  

4,78

0,58

       
500  

19,2

2,34

0,55

     
750  

43,3

5,23

1,24

     
1 000  

76,9

9,3

2,21

     
2 000    

37,4

8,8

0,99

   
2 500      

13,8

1,57

0,37

 
3 000      

20,0

2,26

0,53

 
4 000      

35,5

4,01

0,94

0,28

5 000      

55,6

6,3

1,47

0,44

 

Figure 16 - Débit d'air approximatif (pcnm) par 1000 pieds de tuyauterie pour une chute de pression de 1 psi et pour différents diamètres de tuyauterie (avec la permission de Compressed Air Challenge)
Diamètre de tuyauterie (pouces) Débit équivalent (pcnm)
1 36
2 263
3 431
4 909
6 2 679
8 6 757
10 14 286

Chaque chute de pression égale à 2 psi et provoquée par une tuyauterie sous-dimensionnée ou comportant des goulots d'étranglement, entraîne une augmentation approximative de 1 % de l'énergie consommée.

Figure 17 - Tuyauterie configurée en boucle : trajets multiples de fourniture d'air

Figure 17 - Tuyauterie configurée en boucle : trajets multiples de fourniture d'air

 

Pour minimiser les chutes de pression, on devra lorsque la situation s'y prête, employer des raccords d'angle et raccords de jonction lisses et progressifs. Ce ne sera pas toujours possible avec des raccords filetés en fer noir, mais avec une planification soignée, le système pourrait être agencé de façon à minimiser les changements de directions.

Les raccords, coudes et points de raccordements aux tuyauteries de distribution provoquent des chutes de pression. La Figure 18 donne des indications en ce qui concerne la chute de pression approximative entraînée par certains accessoires de tuyauterie, exprimée en termes de longueur équivalente de tuyauterie rectiligne.

Attention : Le tableau de la Figure 18 est purement informatif et ne doit pas être employé à des fins de conception de systèmes de tuyauteries.

Figure 18 - Longueurs équivalentes de pertes par frottement des accessoires de tuyauterie courants
Longueur équivalente de pertes par frottement - par pied
de tuyauterie rectiligne (pieds)
Accessoire de raccordement Diamètre nominal de la tuyauterie (pouces)
0,50 0,75 1,00 1,50 2,00 3,00 4,00 6,00
Coude à 90o 1,5 2 2,5 4 5,7 7,9 12 18
Coude à 45o 0,8 1,1 1,4 2,1 2,6 4 5,1 8
Robinet-vanne 0,3 0,4 0,6 1 1,5 3 4,5 6,5
Té - écoulement dans le collecteur 1 1,4 1,7 2,7 4,3 6,2 8,3 12,5
Té - écoulement dans l'embranche-ment 4 5 6 8 12 16 22 32,7
Adaptateur mâle /femelle 1 1,5 2 3,5 4,5 6,5 9 14

g. Régulateurs de débit

Ces dispositifs (parfois appelés régulateurs intermédiaires ou détendeurs) sont normalement installés près du côté refoulement de la salle des compresseurs et ont pour rôle de stabiliser la pression avec davantage de précision que les dispositifs de régulation des compresseurs. Ils peuvent être à régulation pneumatique ou être munis de dispositifs électroniques de régulation proportionnelle intégrale (PID) très précis. De tels robinets permettent d'atteindre une bien meilleure stabilité de pression dans le système ainsi qu'une meilleure efficacité due à une pression moyenne plus faible dans l'installation.

Pour les demandes d'air sans régulation, la consommation due aux fuites d'air et aux utilisations finales de l'installation sera d'autant plus élevée que le sera la pression moyenne dans le système. Ce débit supplémentaire, appelé demande artificielle, entraîne une consommation d'énergie plus élevée des compresseurs.

Figure 19 - Régulateur de débit

Figure 19 - Régulateur de débit

 

Dans les situations où une partie importante de la charge ne fait l'objet d'aucune régulation, des économies de l'ordre de 1 % pour chaque psi de pression réduit peuvent être réalisées si l'on parvient à diminuer la pression. Ces économies resteront toutefois minimales dans les cas où la majorité des utilisations finales sont bien régulées.

Dans la régulation de débit, il convient de tenir compte des aspects suivants :

  • Les régulateurs de débit isolent les compresseurs des réservoirs de stockage situés en aval. Il est important de prévoir une capacité de stockage suffisante côté compresseurs du système de régulation de débit, sous peine de fréquence plus élevée des cycles des compresseurs et d'une plus grande consommation d'énergie de ceux-ci.
  • En faisant fonctionner le compresseur à une pression de refoulement plus élevée que la normale du côté amont de régulation du débit, on crée une perte d'énergie. Toutefois, le fait de fonctionner avec une pression plus élevée permet d'emmagasiner davantage d'air, ce qui permet d'éviter de démarrer un compresseur supplémentaire lors des périodes de pointe et de pénaliser la demande de pointe. On devra étudier avec attention le coût en énergie qu'entraîne une telle pratique.

h. Groupes de détente pneumatiques

Groupe de détente pneumatique. Dans les systèmes d'air comprimé, la régulation de pression peut se situer à l'emplacement même de l'utilisation finale. Souvent, le régulateur fait partie d'un ensemble appelé groupe de détente pneumatique (GDP). Un dispositif de lubrification est parfois installé à proximité d'un point d'utilisation finale pour lubrifier des outils ou autres machines pneumatiques. On peut combiner le dispositif de lubrification à un filtre et à un régulateur de pression pour former un GDP.

photo d'un graisseur Filtre régulateur

Figure 20 - Groupe de détente pneumatique (avec la permission de Hyvair)

 

Avec l'utilisation des GDP, il convient de tenir compte des aspects suivants :

  • Le filtre choisi devra être dimensionné pour la pression différentielle minimale et le débit le plus élevé alimentant l'appareil. On consultera les courbes du fabricant qui sont fournies sur dans la plupart des fiches techniques.
  • On devra employer des régulateurs de précision muni de diaphragmes de grande dimension afin de réduire la chute de pression typique qui caractérise les régulateurs peu coûteux. On consultera les courbes du fabricant pour déterminer les caractéristiques de pression des appareils.
  • Les régulateurs ouverts au maximum (réglés pour suivre la pression du système) provoquent des différences de prèssion durant les débits de pointe. On devra envisager de déposer ces appareils pour obtenir de meilleures pressions aux points desservis.
  • On devra maintenir remplis les dispositifs de lubrification afin qu'ils assurent une lubrification adéquate des outils raccordés au système d'air comprimé. Un outil pneumatique correctement lubrifié fonctionne mieux et consomme moins d'air comprimé.

i. Accessoires de raccordement

Les raccords et coupleurs pour tuyaux d'air flexible doivent être durables et étanches. Souvent, les colliers de serrage employés sur les tuyaux d'air sont achetés à bas prix et leur rendement se détériore après une certaine période de temps, comme le montre la Figure 21.

photo d'un collier de serrage fixé à un raccord

Figure 21 - Exemple de collier de serrage de tuyau flexible présentant des fuites

 

Les raccords rapides peuvent être une cause importante de chutes de pression. Il arrive souvent que l'air doive traverser plusieurs raccords pour alimenter l'application finale, chaque raccord provoquant jusqu'à 7 psi de baisse de pression par rapport à son débit nominal. Il n'est pas rare de constater des différences de pression allant jusqu'à 30 psi à travers tuyaux flexibles et raccords. On y remédiera en utilisant des raccords et tuyaux surdimensionnés qui donnent des différences de pression minimales.

Il est possible d'améliorer les tuyaux flexibles en employant des colliers de serrage plus solides et des raccords à connexion/déconnexion rapide étanches à l'air comme ceux illustrés dans la Figure 22.

photo d'un raccord de tuyau

Figure 22 - Tuyau d'air flexible étanche à l'air

 

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