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Informations générales pour calculer les caractéristiques et choisir un compresseur

Sommaire:

Les compresseurs sont largement utilisés dans l'industrie depuis une centaine d'années. Pourtant, les premiers compresseurs à piston ont apparu il y a plus de deux cent ans. Ce type d'appareils trouve son champ d'utilisation dans la vie quotidienne de l'homme, permettant, par exemple, de pomper l'air comprimé à l'intérieur des instruments pneumatiques, ainsi que dans plusieurs domaines professionnels: pompage du gaz comprimé dans des installations industrielles, production des réfrigérateurs de haute puissance etc. Les caractéristiques techniques permettent de faire des conclusions préalables nécessaires sur l'équipement de compression à utiliser. Ces caractéristiques sont extrêmement importantes pour concevoir et calculer les performances du compresseur et s'avèrent utiles pour choisir de bons instruments, équipements pneumatiques et une source d'énergie correspondante.

Les compresseurs sont largement utilisés dans l'industrie pour transporter de différents milieux actifs. Ils représentent un outil mécanique qui comprime le milieu actif en état gazeux. Il existe une grande variété de compresseurs, c'est pourquoi il est indispensable de bien déterminer les caractéristiques nécessaires et de choisir la variante la plus convenable, afin de satisfaire les besoins de tel ou tel domaine industriel par rapport à ce type d'équipement.

En règle générale le compresseur comprime un milieu actif à l'aide des hélices rotatifs ou à l'aide des pistons dans les cylindres. Les compresseurs aux éléments rotatifs sont utilisés pour des flux à grand débit volumétrique et une pression basse, tandis que les compresseurs à piston sont nécessaires dans le cas d'une haute pression. Il existe également un grand nombre d'autres paramètres de fonctionnement, qu'il faut prendre en considération, y compris les normes et les standards en vigueur. Ainsi, le choix d'un compresseur est un processus important, dont le résultat est déterminé par plusieurs facteurs.

Pour bien choisir un compresseur il est nécessaire de comprendre quelle tache il accomplira, ainsi que de connaître les paramètres indispensables de son fonctionnement, tels que la pression, la température, le rendement et autres, ce qui permettra de déterminer le type de compresseur à utiliser.

Les caractéristiques du gaz, le rendement nécessaire, la pression et la température à l'entrée, ainsi que la pression de refoulement sont d'autant de paramètres clés pour choisir un compresseur.

Le choix du compresseur se base sur les lois de la thermodynamique, qui représente la théorie fondamentale de la compression des gaz et permet de comparer plusieurs types de compresseurs, ainsi que d'utiliser la théorie du calcul et du choix et les formules pour calculer les caractéristiques d'un compresseur. Afin de présenter la théorie du calcul de façon évidente citons les procédés principaux du choix de l'équipement de compression.

Choix du compresseur. Types des compresseurs

Le compresseur est un appareil qui est destiné à augmenter la pression du milieu actif comprimé par le biais de la diminution du volume spécifique du milieu au cours de son passage via le compresseur. Le niveau de pression à l'entrée et à la sortie peut varier du vide poussé jusqu'à la pression exhaustive dépendamment des besoins du processus technologique et représente une des caractéristiques clés, en fonction desquelles le type et la configuration du compresseur doivent être choisis. Les compresseurs peuvent être divisés en deux catégories: dynamiques et volumétriques. En fonction de la tâche à accomplir chaque domaine peut utiliser de différents types de compresseurs, compte tenu de leur caractéristiques techniques et particularités constructives.

Caractéristiques du milieu actif. Compression du gaz

Le compresseur peut comprimer des gaz différents. Il est indispensable que les propriétés thermodynamiques du gaz ou du mélange gazeux à comprimer soient présentées, afin que le fournisseur puisse calculer dûment les caractéristiques nécessaires du compresseur. Le calcul des caractéristiques du compresseur ne peut être effectué que si la composition du gaz, son nom et sa formule chimique sont connus. La fiche technique du compresseur doit inclure l'analyse du gaz avec l'énumération des noms de tous ses composants, l'indication du poids moléculaire, du point d'ébullition et d'autres caractéristiques. Ces données sont d'une grande importance, puisqu'elles déterminent plusieurs paramètres du compresseur. Le rapport entre les propriétés principales du gaz (la pression, la température et le volume) porte le nom de l'équation d'état d’un gaz.

L'équation d'état d’un gaz la plus simple est celle d'état d’un gaz parfait.

P · V = R · T

Où:
P — la pression,
V — le volume molaire,
R — la constante universelle des gaz parfaits,
T — la température.

L'équation ci-dessus n'est valable que pour le gaz beaucoup plus chaud par rapport au seuil critique de la température ou à une pression considérablement plus basse par rapport à la valeur critique de la pression. C'est le cas de l'air dans les conditions atmosphériques.

Le gaz réel se diffère du gaz parfait par son facteur de compressibilité («Z»). Utilisée dans la thermodynamique, cette notion explique la déviation des caractéristiques thermodynamiques des gaz réels par rapports à celles des gaz parfaits.

P · V = Z · R · T

La valeur «Z» représente la dépendance fonctionnelle de la composition du gaz par rapport à sa pression et à sa température.

Processus de compression

Le degré de compression (R) représente la fonction de la pression de refoulement par rapport à la pression à l'entré:

R = Pd/Ps (où les valeurs  Pd et Ps sont absolues).
Les compresseurs monoétagés ne possèdent que d'une valeur (R).
Les compresseurs biétagés possèdent de 3 valeurs (R).

R = le degré de compression totale du compresseur.
R1 = le degré de compression du premier étage.
R2 = le degré de compression du deuxième étage.

R = Pd/Ps

R1 = Pi/P

R2 = Pd/Pi

Ps – la pression d'aspiration
Pd – la pression de refoulement
Pi – la pression entre les étages

La compression du gaz diminue le volume disponible aux molécules, ce qui provoque le rétrécissement de l'espace entre elles. Étant donné que le nombre des molécules du gaz augmente dans le volume fixé, la masse et la densité de ce volume accroît également. L'augmentation de la densité sous-entend l'augmentation de la pression.

La ligne verticale tracée entre les points 1 et 2' sur la figure ci-dessous représente le processus isentropique de compression, nécessitant un travail minimal de compression de Р1 à Р2. Le processus réel de compression suit la trajectoire du point 1 en haut et à droite dans la direction de l'entropie croissante et s'achève près du point 2 sur l'isobare de Р2.

Informations générales pour calculer les caractéristiques et choisir un compresseur

Le travail effectué dans le compresseur vise à augmenter la pression du gaz et sa température, ainsi qu'à évacuer la chaleur du compresseur. Dans la plupart des cas il est nécessaire d'augmenter la pression du gaz, en dépensant le moins d'énergie possible. Si le processus de compression est adiabatique, la chaleur n'est pas transférée entre le compresseur et l'environnement. Si le processus est isentropique, le travail effectué sera moins important. Dans le cadre du deuxième scénario le travail dans le compresseur ne subit pas de pertes, ce qui est pratiquement impossible, mais ce scénario peut servir de base pour le coefficient d'indication du rendement de la compression. Le rendement isentropique du compresseur représente le travail de compression du gaz dans un processus isentropique divisé par le travail réel, qui est utilisé pour comprimer le gaz. Le rendement du compresseur est souvent donné sous forme du rendement isentropique.

Pourtant, il est possible de fabriquer un compresseur au rendement isentropique supérieur à 100%. Le travail effectué dans un processus isothermique réversible est inférieur par rapport au travail réalisé dans un processus isentropique. Dans le cadre du processus isothermique réversible la température du gaz à l'entrée est maintenue à l'aide du transfert réversible de chaleur au cours de la compression. Un tel processus doit être privé de pertes, mais le volume de puissance consommée est presque toujours supérieur par rapport à celui de la puissance isentropique, c’est pourquoi le rendement isentropique est habituellement utilisé pour dresser la classification des compresseurs.

Il existe deux types principaux des compresseurs: volumétriques et dynamiques, qui ont deux différentes méthodes de compression du milieu actif. Les compresseurs volumétriques compriment le gaz en retenant le volume considérable du gaz dans un espace confiné et en diminuant ultérieurement ce volume. Le gaz est comprimé au moment, où un volume nécessaire du flux gazeux pénètre dans la chambre de travail du compresseur, en diminuant ultérieurement son volume intérieur.

L’autre type des compresseurs est représenté par les compresseurs dynamiques qui compriment le gaz par le biais d’une action mécanique des hélices en rotation ou du diffuseur centrifuge, définissant la vitesse du flux et la pression du gaz. Un diffuseur centrifuge d’un diamètre important qui traite un gaz d’une grande masse molaire à une vitesse de rotation importante créera une plus grande pression. En règle générale les compresseurs volumétriques sont utilisés pour traiter de petits volumes de gaz dans les conditions des grands coefficients de pression. Quant aux compresseurs dynamiques, ils sont choisis pour travailler avec de grands volumes de gaz aux coefficients de pression moins importants.

Parmi les étapes principales du choix d’un compresseur sont à noter

1. Calculer le degré de compression.
2. Choisir entre un compresseur monoétagé et celui multiétagé.
3. Calculer la température de refoulement.
4. Déterminer le rendement volumétrique.
5. Calculer l’espace de travail nécessaire.
6. Choisir le modèle du compresseur.
7. Déterminer le couple de torsion minimal pour le compresseur choisi.
8. Déterminer le couple de torsion réel.
9. Calculer le volume opérationnel réel.
10. Calculer la puissance du compresseur.
11. Choisir les caractéristiques complémentaires à utiliser.
12. Choisir le compresseur optimal.

Caractéristiques techniques d'un compresseur

Les caractéristiques techniques principales d'un compresseur sont représentées par:

  • la pression de l’air à la sortie en atmosphères ou en bars. Les compresseurs utilisés dans la vie quotidienne créent la pression de 6 à 8 bars, tandis que leurs analogues industriels sont capables de créer une pression de 25 bars. La pression signifie que tel ou tel modèle du compresseur peut créer une pression intérieure et refouler une masse d’air dans un espace étanche. La valeur de la pression créée est déterminée par le niveau et la puissance de l’équipement de compression. Dans la vie quotidienne il n’y a pas de nécessité d’utiliser les compresseurs puissants, créant la pression de plus de 10 bars, ce qui n’est pas le cas pour une grande production, qui a souvent besoin d’un équipement de compression plus puissant. La pression d’exploitation représente une valeur moyenne entre la pression maximale, sous laquelle le processus de refoulement s’arrête, et celle minimale, qui met le compresseur en marche de nouveau. En règle générale la différence des pressions entre l’arrêt et la mise en marche du compresseur ne dépasse 2 bars. En fonction de cette valeur tous les compresseurs sont divisés en trois catégories: à pression basse, moyenne et haute. Tous les compresseurs ne possèdent pas de puissance nécessaire pour comprimer de l’air en créant une pression haute, puisque ce n’est que dans les compresseurs à piston puissants que la pression peut atteindre 30 atmosphères. Leurs analogues hélicoïdes ne sont pas capables de le faire;
  • la pression à l’entrée / à la sortie. La fiche technique doit contenir l’information sur la valeur minimale de la pression du flux gazeux à l’entrée. Ceci est indispensable afin de garantir le rendement nécessaire du compresseur.
    La pression peut être absolue ou excessive, ce qui doit également être indiqué dans la fiche technique. Il faut, en plus, indiquer les unités de mesure pour la pression indiquée.
  • la température à l’entrée. Cette valeur est influencée par le débit volumétrique, les exigences de pression et la puissance consommée. Pour cette raison la température maximale à l’entrée est également à préciser.
  • la température de refoulement. Cette valeur (Td) dépend de la température à l’entrée, du coefficient de compression, ainsi que des valeurs de la capacité thermique massique du gaz et du rendement de compression. Cette température est une caractéristique importante utilisée lors de la conception mécanique du compresseur, du choix de l’étage de compression et des calculs liés aux agents et dispositifs de refroidissement, ainsi qu’aux conduites.
  • La capacité d’aspiration ou de refoulement de l’air (le volume de l’air aspiré ou refoulé à la sortie). En règle générale les producteurs de l’équipement de compression indiquent dans la fiche technique la première valeur, puisque le compresseur exploité subit des pertes de rendement de refoulement à cause des fuites d’air et du fait que la capacité d’aspiration est toujours supérieure. Le rendement démontre le volume de l’air traité par le compresseur en une unité de temps indépendamment du niveau de la pression créée. Il est mesuré en m3/heure ou en l/min. Les compresseurs différents ont de différents niveaux de rendement, qui définit les objectifs accomplis par le compresseur en question.  Le volume de l’air à l’entrée avant le début du processus de compression, traité par le compresseur en une unité de temps, est également considéré comme une caractéristique du rendement du compresseur. Ce paramètre est aussi appelé le débit de l’air, quoique la pratique démontre une différence considérable entre ces deux paramètres et nous recommandons de s’orienter sur le rendement à la sortie du compresseur. Dans le cas, où la production a besoin d’en acheter un, il sera préférable de prévoir une marge de rendement de 30% environ;
  • la puissance du moteur, dont est muni le compresseur, mesurée en kW. Le moteur peut être diesel, électrique ou représenter une turbine. La puissance du moteur a une importance cruciale, parce qu’elle aide le compresseur à refouler de l’air. Plus haute est la puissance, plus important sera le débit de l’énergie. Dans le cas des calculs erronés de la puissance du moteur le compresseur dépensera l’énergie pour rien. Les moteurs puissants sont habituellement installés dans des machines puissantes, dont le fonctionnement nécessite ce type concret de moteur;
  • le poids et les caractéristiques dimensionnelles du compresseur. Ils peuvent être différents et se varier des valeurs restreintes dans le cas de l’équipement typique pour des garages, qu’il est facile à transporter dans l’endroit de travail, jusqu’aux valeurs extrêmement importantes, le compresseur nécessitant parfois tout un local pour être installé. Les productions vastes qui utilisent des installations puissantes à grandes dimensions ne prêtent habituellement pas d’attention particulière au poids et aux dimensions de l’équipement, puisqu’il est fixe et que l’on l’installe dans un local technique à part, comme il a été mentionné ci-dessus. Les caractéristiques dimensionnelles et le poids du compresseur sont directement liés à ses capacités. Les compresseurs utilisés quotidiennement sont, par contre, assez compacts. La plus grande partie de leur volume est occupée par les réservoirs à 50, 100, 200 litres et plus. Il existe également une variante alternative de ce type d’appareil – un compresseur hélicoïde, qui n’a pas besoin de réservoir pour garantir un débit régulier d’air. Il est évident, que le poids et les dimensions d’un compresseur privé de réservoir sont considérablement moins importants, ce qui le rend beaucoup plus mobile;
  • le volume de réservoir représente également une caractéristique importante, permettant au compresseur à air de fonctionner à circuit ouvert. Ces réservoirs spéciaux sont destinés à accumuler l’air comprimé. Grâce à leur volume l’équipement pneumatique peut fonctionner plus longtemps en régime autonome quand l’installation de compression est débranchée, ce qui permet d’économiser l’énergie. L’utilisation du réservoir donne également un autre avantage, permettant à l’installation de refouler l’air avec les paramètres prédéfinis de pression.
  • l’activité corrosive du gaz pompé. La composition du gaz corrosif doit être définie pour toutes les conditions de travail. Ceci est important, puisque le gaz comprimé peut provoquer des fissures dans les matériaux les plus solides, causées par la corrosion et par une haute tension.
  • le liquide dans un flux de gaz. Le flux gazeux ne doit pas contenir de liquide, puisque sa présence peut provoquer une défaillance du compresseur. Dans le cas, où le milieu actif contient de l’eau, le compresseur doit être équipé par un séparateur qui permet de purger l’eau, ainsi que par un chauffage électrique et par un outil d’isolation de l’entrée du compresseur pour des productions dans les conditions de la température de l’environnement inférieure au point de rosée du gaz à l’entrée du compresseur ou dans le cas de la compression des composants de l’hydrocarbure plus lourds que l’éthane.

Dans certains domaines industriels, tels que l’industrie alimentaire par exemple, l’air comprimé ne doit pas contenir de matières étrangères. Dans ce cas le choix du compresseur se base non pas sur les caractéristiques de rendement, mais sur les particularités de construction de l’appareil. Les paramètres techniques du compresseur doivent alors correspondre aux normes de pureté d’air comprimé, et le processus de compression doit exclure toute utilisation d’agents lubrifiants.

Particularités de conception des compresseurs

Les particularités de conception d'un compresseur sont représentées par:

  1. le type de moteur. Cela peut être un moteur à combustion interne ou un moteur électrique;
  2. la quantité d’étages utilisés pour comprimer de l’air. Cette caractéristique est importante dans le cas des compresseurs à piston, puisqu’elle permet de comprimer le gaz consécutivement dans plusieurs cylindres;
  3. le système de refroidissement (à l’aide de l’huile, de l’air, de l’eau) ;
  4. la mobilité. Les compresseurs peuvent être fixes et installés sur une base spéciale ou sur une remorque, qui facilite leur transportation;
  5. la disposition de l’équipement. Tous les éléments du compresseur peuvent être montés sur le bâti ou sur le réservoir;
  6. la disposition du réservoir: verticale ou horizontale.

En choisissant un compresseur il est également nécessaire de tenir en compte l’alimentation sur secteur alternatif, puisque tous les ateliers de réparation automobile proposant le service de montage des pneus ne disposent pas de source de courant 380 volt. Même l’alimentation en 220 V peut s’avérer instable dans certains cas.

Le choix du compresseur est étroitement lié aux calculs préliminaires des caractéristiques techniques indiquées ci-dessus. Mais avant de passer aux calculs des paramètres du compresseur il est indispensable de mettre en lumière certains positions spécifiques. La masse d’air pompée par le compresseur en une unité de temps est une valeur constante qui dépend directement des particularités de la conception constructive de l’appareil. Cependant, il est d’usage que le rendement est défini non pas par des valeurs massiques, mais par celles volumétriques, ce qui provoque souvent des confusions dans les calculs préliminaires, entraînant ultérieurement les fautes dans les calculs opérationnels.

Cela est expliqué par le fait que l’air est comprimé de manière similaire à tous les gaz. Une masse d’air est alors capable d’occuper le volume différent, dépendamment des valeurs de la pression et de la température. L’interdépendance de ces valeurs est expliquée par une relation exponentielle appelée aussi l'équation d'état d'un polytrope. Le compresseur remplit le réservoir, la pression à son intérieur augmente, le rendement volumétrique diminue. Le rendement volumétrique est donc une grandeur variable. Dans ce cas-là quelle valeur est indiquée dans la fiche technique du compresseur ?

Selon l’ensemble des normes commerciales et industrielles reconnues en Fédération de Russie le rendement du compresseur est égal au volume d’air à sa sortie, exprimé en conditions physiques au cours du processus d’aspiration. En règle générale, les conditions physiques à l’entrée pour les conditions normales d’exploitation sont types:  la température est égale à 20 °С, la pression – 1 bar. L’ensemble des normes en question prévoit aussi une déviation de ±5% des paramètres réels du compresseur par rapport aux valeurs indiquées dans la fiche technique de ce compresseur.

Les paramètres de tous les consommateurs d’air comprimé sont également recalculés, afin de correspondre aux caractéristiques du compresseur. Dans ce cas l'indication que le débit nominal du compresseur est égal à 100 l/min veut dire que sous une pression d'exploitation l’appareil pneumatique consomme en une minute le volume d’air, égal aux volume occupant 100 litres dans les conditions normales.

Tous les producteurs des compresseurs étrangers ne connaissent pas l’ensemble des normes commerciales et industrielles reconnues en Fédération de Russie et ne les prennent pas en considération dans leurs calculs, ce qui peut entrainer de différents problèmes. Les fiches techniques de leurs compresseurs indiquent les paramètres du rendement théorique, soit le rendement à l’entrée de l’appareil (rendement d’aspiration).

Le rendement théorique du compresseur est défini par le volume géométrique maximal d’air à l’intérieur de sa chambre de travail pendant une période d’aspiration. Ce volume est multiplié par le nombre de périodes (cycles) en une unité de temps. La valeur du rendement théorique est plus importante par rapport à celle du rendement réel d’un compresseur. La différence entre les deux types de rendement est compensée par le biais du coefficient de rendement (Кrend) qui dépend des conditions d'aspiration, ainsi que des particularités de conception constructive du compresseur (des pertes dans les soupapes d’aspiration et de refoulement, de la présence du volume du gaz non-refoulé) favorisant la diminution du taux de remplissage du cylindre (dans le cas du compresseur à piston). Le coefficient de rendement des compresseurs industriels est de 0,6 à 0,8.

Les calculs du rendement théorique et celui réel à l’entrée et à la sortie peuvent donner des résultats très différents. Dans le cas, où la fiche technique du compresseur n’indique que son rendement théorique, il est nécessaire de calculer cette valeur à la sortie de l’appareil, c’est-à-dire de la baisser de 30-40%.

Conception d’un compresseur

Les spécifications du compresseur doivent contenir obligatoirement l’information sur la pression d'exploitation maximale admissible. Ces données, ainsi que la température maximale admissible sont utilisées par les producteurs des compresseurs pour réaliser le corps et les parties du compresseur, capables à résister à la température maximale et à la pression maximale. Dans le cas des compresseurs axiaux et centrifuges la pression maximale admissible du corps est calculée à l’aide d’un ordinateur en ajoutant la pression maximale à l’entrée à la pression maximale différentielle qui peut apparaître dans le compresseur dans les cas rares du respect de toutes les conditions nécessaires. La pression maximale admissible pour un cylindre du compresseur à piston et pour le corps du compresseur hélicoïde doit dépasser la valeur nominale de refoulement de 10% ou de 25 psi, dépendamment de la valeur supérieure.

La température maximale admissible pour un compresseur centrifuge et axial doit représenter la valeur maximale de refoulement atteinte au cours du fonctionnement du compresseur avec une certaine marge.  La température maximale admissible pour un cylindre du compresseur à piston et pour le corps du compresseur hélicoïde doit dépasser la valeur de la température nominale de refoulement.

Brides de conduite et leur dimensions nominales

Les dimensions des joints des conduites, les dimensions nominales de leurs brides et leur type doivent être indiqués dans les spécifications pour chaque entrée et chaque sortie du compresseur. L’étanchéité de l’arbre et de la tige du piston doit être indiquée également.

Système lubrifiant et l’huile de graissage

L’objectif d’utilisation de ces systèmes est avant tout d’assurer une alimentation continue d’un liquide de graissage pur et refroidissant pour les paliers et pour les pièces d’étanchéité du compresseur, de l’engrenage et du moteur. Ces systèmes sont d’une importance particulière pour le compresseur et leur calcul doit être clairement expliqué dans les spécifications.

Matériaux utilisés

Les gaz comprimés peuvent influencer le choix des matériaux pour le compresseur. Cela est d’autant plus important pour les parties en contact avec le milieu actif. Ainsi, la compression du H2S peut provoquer les fissures de matériaux de haute résistance causées par l'acide sulfurique. Le compresseur traitant un milieu actif pareil doit être réalisé en matériaux qui ont passé le traitement thermique et possèdent d’une résistance à la déformation de 90 000 psi minimum.

Etages technologiques de compression

Le taux de compression (R) représente le rapport de la pression de refoulement (Р2) à la pression d’aspiration (Р1) dans un compresseur Р2/Р1. Dans le cas d’une compression jusqu’à une haute valeur de pression le calcul des caractéristiques du compresseur suppose plusieurs étages de compression avec, dans certains cas, l’utilisation des installations de refroidissement entre eux pour évacuer la chaleur qui apparait au cours de la compression. Les étages complémentaires de compression sont également nécessaires pour:

  • Abaisser la température à chaque étage à la fin de la compression par le biais du refroidissement intermédiaire jusqu’au niveau acceptable, afin de garantir un bon fonctionnement du compresseur.
  • Abaisser la température à l’entrée de l’étage de compression, afin de diminuer la pression nécessaire pour garantir le coefficient de compression demandé.
  • Garantir les limitations de la pression différentielle et du coefficient de compression de différents types de compresseurs, par exemple les limitations de charge axiale pour un compresseur centrifuge, de la tension maximale de la tige de piston pour un compresseur à piston ou de la charge axiale pour un compresseur hélicoïde.
  • Diminuer la puissance consommée dans le processus de compression et transmise sur le moteur du compresseur. Cela est fait par le biais des appareils de refroidissement qui sont installés entre les étages pour maintenir la température dans un diapason sûr.

Choix du compresseur monoétagé ou biétagé

Le nombre nécessaire d’étages dépend considérablement du taux de compression.

La température de refoulement et le régime de fonctionnement sont également importants pour définir le nombre nécessaire d’étages. Un exemple du choix du nombre d’étages de compression est présenté ci-dessous.

valeur R Quantité d’étages
1-3 monoétagé
3-5 Habituellement monoétagé, parfois biétagé
5-7 Habituellement biétagé, parfois monoétagé
7-10 biétagé
10-15 Habituellement biétagé, parfois à trois étages
15+ à trois étages

La comparaison d’un compresseur monoétagé et celui biétagé, utilisés pour le même milieu actif dans les mêmes conditions (mêmes rendement, gaz et pression):

  monoétagé biétagé
Température de refoulement supérieure inférieure
Dépenses préliminaires inférieures supérieures
Complexité du système inférieure supérieure

Dans cette situation, comme dans la plupart des problèmes d’ingénierie, il est nécessaire d’arriver à un compromis entre les dépenses préliminaires et les dépenses de service d’un côté et les dépenses d’entretien de l’autre.

1. Premièrement, il est nécessaire de calculer tous les consommateurs de l’air (Q), en litres/minute.
Pour le faire il faut calculer le débit sommaire d’air consommé par tous les appareils. Ces calculs sont effectués à base des caractéristiques indiquées dans les fiches techniques et permettent de recevoir la valeur Q (l/min), qui représente le volume d’air consommé par le système pneumatique. Dans le cas d’utilisation d’un grand nombre de consommateurs cette valeur est proche au seuil maximum. Elle peut être réduite de la valeur du coefficient de remplissage, puisque tous les consommateurs ne seront pas toujours en marche en même temps. La correction de la réduction est le choix personnel de chaque propriétaire du compresseur qui doit garantir la réserve d’air dans le système pneumatique.

2. Le paramètre suivant à calculer est le rendement du compresseur (A), en l/min. Plusieurs fautes de calcul sont liées à la valeur (A) mal définie, ainsi qu’à l’incompréhension de la notion du rendement d’un compresseur. Tous les producteurs des compresseurs indiquent dans les fiches techniques et les catalogues que la valeur (A) signifie la consommation maximale d’air à l’entrée du compresseur. Cette valeur ne peut pas être employée en tant que le rendement du compresseur à la sortie, puisqu’elle ne prend pas en considération ni le coefficient de rendement du compresseur, ni ses particularités constructives. Ainsi, le calcul du rendement d’un compresseur doit être effectué par le biais de la formule suivante:

A = Q · (β/η)

Où:
Q – le volume sommaire de l’air, en litres/minute, consommé par tous les appareils du système pneumatique en général;
β – le coefficient déterminé par le producteur pour prendre en considération toutes les particularités de conception constructive de son équipement de compression;
η – le rendement du compresseur.
L’information de référence pour les valeurs β et η du travail d’un compresseur dans le diapason des pressions de fonctionnement du système pneumatique, de 6 à 8 bars, est indiquée ci-dessous.

conception constructive du compresseur b h
Compresseurs semi-professionnels 1,7 0,55
Compresseurs à usage professionnel 1,5 0,65
Compresseurs particulièrement chargés 1,3 0,75
Compresseurs rotatifs 1 1

3. Le choix du volume du réservoir (V (en litres)) est également important lors du choix d’un compresseur. Les producteurs des compresseurs recommandent de choisir le volume du réservoir dans le diapason suivant de (A):

V = (1/2 ÷ 1/8)·A

Un bon réservoir d’un grand volume permet de compenser et d’atténuer la pression, ce qui rend le système pneumatique plus flexible du point de vue des charges subies.

4. En choisissant le compresseur il est important de respecter la règle suivante: la pression créée par le compresseur doit être supérieure par rapport à la pression d'exploitation des appareils consommant l’air comprimé. Chaque compresseur pompe l’air jusqu’à la pression d'exploitation maximale (Pmax) et s’arrête, en se branchant de nouveau quand la pression chute au niveau minimal (Pmin). La différence entre la pression maximale et celle minimale d’un compresseur est de 2 bars.

5. Pour choisir un compresseur il est également important de déterminer son champ d’utilisation, fixer les objectifs et les conditions de son fonctionnement. Il faut déterminer le temps de travail continu du compresseur, le volume maximal d’air comprimé nécessaire, la pression d'exploitation et autres caractéristiques techniques mentionnées ci-dessus.

Le type de compresseur représente un paramètre clé qui définit les autres caractéristiques déjà nommées. Les conclusions peuvent être faites à base de la puissance totale consommée. S’il s’agit d’un compresseur pour un aérographe ou pour un autre instrument pneumatique à une basse pression d'exploitation, le compresseur à piston sera la meilleure variante. Dans le cas d’une grande puissance consommée et de plusieurs consommateurs d’air, la variante optimale serait plutôt un compresseur hélicoïde ou à volute. Il ne faut pas oublier la distance, à laquelle sera projeté le milieu pneumatique – l’air comprimé.

6. Les caractéristiques du compresseur, et surtout les valeurs de puissance, sont influencées par d’autres facteurs, comme le positionnement par rapport au niveau de la mer, la température de l’environnement et la pression atmosphérique. Si le compresseur est installé à une grande hauteur, les valeurs de la température et de la pression de l’environnement seront moins importantes. Cette circonstance doit être prise en considération dans le cas d’exploitation dans les conditions indiquées d’un compresseur à air, puisqu’elles influencent le rendement du compresseur et le débit nominal d’air comprimé. Ainsi, l’utilisation du compresseur à une grande hauteur donnera les résultats différents par rapport à ceux indiqués dans la fiche technique de l’appareil.

Il est connu, que l’air de grandes altitudes est raréfié. Ce fait diminue l’efficacité du refroidissement du moteur électrique d’un compresseur à air et de ses composants chauffés. Le moteur fonctionne aux caractéristiques nominales à la hauteur de 1 000 m maximum au-dessus du niveau de la mer et à la température maximale de 40°С (voir le tableau indiquant le comportement de différents moteurs en fonction de la hauteur et de la température). Certains types des compresseurs sont munis de moteurs électriques, dont la puissance diminue à une grande hauteur et l’arbre du compresseur reçoit moins d’énergie.

Type de moteur: % de diminution de la puissance sur 1000 mètres % de diminution de la puissance pour 10 °С de croissance de température
moteur atmosphérique 12 3,6
moteur suralimenté 8 5,4

Algorithme pour choisir un compresseur d’après les caractéristiques de rendement et de pression. Schéma du choix d’un compresseur

Le type de compresseur nécessaire peut être choisi d’après les données préliminaires les plus générales à l’aide du schéma ci-dessous

Informations générales pour calculer les caractéristiques et choisir un compresseur

Le tableau ci-dessous représente les caractéristiques de différents types des compresseurs:

Type de compresseur: Valeurs maximales:
Compresseur à piston Q = de 2 à 5 m3/min
РН = de 0,3 à 200 МN/m2 (les essais de laboratoire indiquent jusqu’à 7000 МN/m2)
n = de 60 à 1000 rot/min
Nréelle = max. 5500 kW
Compresseur rotatif Q = de 0,5 à 300 m3/min
РН = de 0,3 à 1,5 MN/m2
n = de 300 à 3000 rot/min
N = max. 1100 kW
Compresseur centrifuge Q = de 10 à 2000 m3/min
РН = de 0,2 à 1,2 МN/m2
n = de 1500 à 10000 (max. 30000) rotations par minute.
N = max. 4400 kW (compresseurs aériens – 10 000 kW et plus)
Compresseur axial Q = de 100 à 20000 m3/min
РН = de 0,2 à 0,6 МN/m2
n = de 2500 à 20000 rot/min
N = max. 4400 kW (compresseurs à air – jusqu’à 70000 kW)

Le choix du compresseur nécessite une extrême exactitude. Les calculs préalables insuffisants peuvent entraîner des fautes, ce qui provoquera ultérieurement les défaillances de l’équipement et l’acquisition d’un compresseur qui ne satisfait pas aux besoins de l’acheteur et qui n’est pas capable d’accomplir pleinement les tâches imposées.

Exemple du choix d'un compresseur à piston

Le compresseur à piston est un compresseur volumétrique. Pour choisir un compresseur de ce type il est nécessaire de déterminer d’abord les paramètres principaux suivants: pression de refoulement, température du gaz à l’entrée, rendement nécessaire, régime de fonctionnement supposé et composition du gaz. Le choix de l’appareil se base également sur l’importance relative du coefficient de rendement, du prix et de la fiabilité. Les pistons des compresseurs utilisés dans de différents domaines peuvent fonctionner de façon pareille. Pax exemple les compresseurs à un grand jeu de piston ont une tendance de fonctionner plus lentement que ceux à un court jeu de piston. Ainsi, les compresseurs à un court jeu de piston sont de façon générale plus légers et possèdent d’une valeur de charge admissible moins importante.

La vitesse du compresseur et le jeu du piston dépendent de la puissance consommée. Les domaines consommant moins d’énergie utilisent les compresseurs légers, rapides à court jeu de piston, pendant que les domaines de production utilisant des volumes importants d’énergie nécessitent des compresseurs d’une plus grande puissance, moins rapides et à un plus grand jeu de piston. Ces compresseurs sont parfois connectés directement au moteur. Ainsi la vitesse du moteur peut également influencer le choix du compresseur.

Ensuite, il faut choisir le nombre d’étages, en prenant en considération la température admissible de refoulement, le taux de compression des cylindres et le coefficient de rendement. Dans le cas, où la température de refoulement admissible est trop haute pour un étage il peut s’avérer nécessaire d’ajouter des étages complémentaires. Dans le cadre du choix préliminaire il est possible d’utiliser la température de refoulement isentropique, mais si un certain nombre d’étages peut provoquer des situations critiques, la température de refoulement doit être calculée de façon plus précise. Dans le cas du calcul approximatif il est possible de supposer que tous les étages du compresseur possèdent d’un même taux de compression. En pratique il est mieux de prévoir un plus haut taux de compression pour les étages à pression basse et de décharger ainsi les étages au niveau critique de compression.

Dans presque tous les domaines l’utilisation des compresseurs à plusieurs étages suppose l’installation des appareils de refroidissement intermédiaire. Dans ce cas un plus grand nombre d’étages permettra d’augmenter le coefficient de rendement du compresseur, ce qui est lié au fait qu’avec le refroidissement intermédiaire le processus de compression devient presque égal à la compression isothermique et consomme moins d’énergie.

Si le milieu actif est condensé dans un refroidisseur intermédiaire, le liquide doit être séparé du gaz, ce qui entraîne la diminution de la masse comprimée du gaz de refoulement et donc, le volume d’énergie consommée. Pourtant, le nombre croissant d’étages implique l’augmentation de la quantité de soupapes, de conduites intermédiaires et d’appareils de refroidissement qui traitent le gaz. Dans le cas d’utilisation d’un grand nombre d’étages les pertes de pression dans les soupapes et les conduites vont niveler les avantages du refroidissement intermédiaire et réduire l’efficacité du compresseur.

Le prix du compresseur augmente avec l’augmentation du nombre d’étages à cause de la nécessité d’utiliser les refroidisseurs, les soupapes, les conduites et les cylindres complémentaires.

Après avoir choisi le nombre d’étages il est nécessaire de choisir les cylindres pour chacun d’eux. Le diamètre du cylindre dépend des conditions à l’entrée, du rendement, de la vitesse et du jeu de piston. Il est également important de trouver la valeur nominale de la pression pour le cylindre afin de garantir son fonctionnement sûr, de prendre en compte les charges, les pertes et l’énergie consommée.

En choisissant un compresseur à piston il est également nécessaire de prendre en considération la force dissymétrique qui passe du compresseur à son fondement, les vibrations potentielles provoquant les défaillances de l’arbre vilebrequin et du moteur, le niveau de bruit, ainsi que d’optimiser le positionnement du compresseur, son coefficient de rendement et son prix.

Compresseur et soufflerie à gaz

Calculs de base et sélection de l'équipement

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