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Caractéristiques principales du compresseur. Rendement et puissance

Sommaire:

Comme tout autre appareil technique complexe chaque compresseur possède d’un grand nombre de caractéristiques différentes, dont les valeurs varient largement. Pourtant, il est possible de citer certaines caractéristiques principales d’un compresseur. Ces caractéristiques déterminent le champ d’utilisation du compresseur et servent de base pour calculer ses performances et choisir un compresseur optimal pour accomplir un tel ou tel objectif. Les autres paramètres sont complémentaires et dans la plupart des cas dépendent des valeurs des caractéristiques principales. Les paramètres complémentaires sont également sources des particularités de construction, de fonctionnement et de l’efficacité du compresseur, mais exercent une influence inférieure par rapport aux caractéristiques principales.

Les valeurs des caractéristiques principales déterminent les conditions d’exploitation du compresseur, ainsi que les propriétés du flux du gaz comprimé qui peuvent être atteintes à l’aide du compresseur en question. Un nombre restreint de paramètres permet de définir le domaine d'exploitation du compresseur ou bien de déterminer l’ensemble d’appareils, capables d’accomplir l’objectif fixé. Le compresseur peut être choisi soit d’après une seule caractéristique principale, soit en fonction de plusieurs caractéristiques, dépendamment des exigences de la production.

Les caractéristiques les plus importantes pour définir le champ d’utilisation du compresseur sont:

  • la pression d’exploitation;
  • le rendement;
  • la puissance.
Caractéristiques principales du compresseur. Rendement et puissance

Sans aucun doute, d’autres caractéristiques (telles que les dimensions, le poids, la température du gaz à la sortie, le niveau de bruit et autres) peuvent exercer également une influence considérable sur les calculs des propriétés nécessaires et sur le choix final du compresseur, mais en règle générale le choix du type convenable du compresseur se base sur son rendement et sa pression d’exploitation. Dans le cas, où il est nécessaire d’alimenter le compresseur par de l’air à haut degré de compression, mais avec un débit relativement bas, les compresseurs de basse pression, centrifuges ou à anneau liquide, sont exclus du nombre des variantes possibles. Les tentatives d’atteindre le niveau nécessaire de pression d’exploitation à l’aide des installations indiquées se révèleront vaines ou économiquement désavantageuses. Cependant, les compresseurs de haute pression seront optimaux pour les conditions pareilles. Le type d’appareil de compression peut être déterminé en fonction de différentes caractéristiques complémentaires, ainsi que des résultats des tests techniques et des analyses économiques. Par exemple, les caractéristiques principales du compresseur à piston et du compresseur hélicoïde sont satisfaisants aux exigences de la production, mais le premier est plus avantageux du point de vue des coûts d’investissement, pendant que le deuxième peut garantir un air plus pur.

Dans la plupart des cas l’acheteur ne possède pas de données complètes sur les paramètres nécessaires du compresseur (souvent cela n’est même pas possible). Il ne dispose que d’exigences principales, auxquelles doit satisfaire le compresseur : le volume de gaz à alimenter, la pression d’alimentation, les limites de puissance de l’appareil de compression. Autrement dit, la pression d’exploitation, le rendement et la puissance consommée. Cet ensemble basique de données peut, sans aucun doute, être complété et précisé par d’autres caractéristiques, parmi lesquelles sont à nommer la résistance corrosive et chimique des pièces de l’appareil, le niveau de bruit, la régularité du débit et autres. Ces paramètres peuvent servir de base pour choisir et concevoir quelques compresseurs, dont chacun pourra accomplir la tâche fixée. Ces compresseurs vont se différencier par leurs pièces, en fonction desquelles l’acheteur sera capable de trouver la variante optimale, en se basant sur n’importe quelle caractéristique complémentaire en tant que critère du caractère optimal de l’appareil, par exemple sur la quantité de l’énergie électrique consommée (dans le cas de l’appareil de compression à moteur électrique) ou sur les coûts de service de l’appareil.

Malgré le fait que toutes les caractéristiques indiquées sont importantes, il existe certains autres paramètres, qui exercent parfois une influence considérable sur le choix du compresseur. Ainsi, la composition chimique et physique du gaz peut être décisive, puisque c’est de la capacité du compresseur de pomper un tel ou tel milieu actif, que dépendra non seulement son efficacité, mais sa capacité d’accomplir l’objectif fixé. En plus, le remplacement du matériau des pièces du compresseur par un matériau résistant à l’influence chimique ou à l’usure peut rendre l’appareil quelques fois plus cher. Dans d’autres cas s’est le taux de compression du gaz à la sortie, sa pureté, la régularité du débit, sa température, qui s’avèrent plus importants que la pression ou le volume du débit. En guise d’exemple, la production alimentaire prête une attention particulière à la pureté de l’environnement et des substances, c’est pourquoi il est impossible d’utiliser le graissage huileux des hélices dans le compresseur hélicoïde, s’il existe une probabilité de pénétration de l’agent de graissage dans le flux gazeux. En même temps, les autres paramètres ne sont pas décisifs du point de vue de la possibilité d’utilisation du compresseur. La différence entre ces paramètres complémentaires, quoique importants, et ceux principaux réside dans le fait que le degré d’influence des premiers n’est pas toujours égal, pendant que la pression d’exploitation, le rendement et la puissance de l’appareil revêtent toujours d’une grande importance.

Pression d’exploitation d’un compresseur

Cette caractéristique peut être appelée primordiale puisqu’elle reflète la fonction principale du compresseur – la compression du gaz, qui sous-entend l’augmentation de sa pression. La pression développée par le compresseur peut être mesurée en Pascal (Pа), en bars (bar) ou en atmosphères (atm), mais aussi en millimètres de la colonne de mercure (mm Hg), en kilogramme-forces par centimètre carré (kgf/cm2) ou en livres au pouce carré (PSI). Le Pa et le bar sont les unités les plus répandues et se rapportent de façon suivante : 1 bar = 0,1 МPа. La pression d’exploitation peut aussi être excessive (Pexc) et absolue (Pabs). La différence entre leurs valeurs représente la valeur de la pression atmosphérique (Patm), leur rapport étant le suivant : Рexc = Рabs – Рatm.

En choisissant le compresseur il faut prendre en considération, que la pression créée par le compresseur à une tendance de diminuer en s’approchant de l’instrument ou de l’appareil de travail. La pression peut baisser le long du gazoduc ou dans les endroits des résistances locales : dans les soupapes, les courbatures de la conduite, les robinets etc. La pression d’exploitation du compresseur doit compenser toutes les pertes subies pendant le trajet vers le consommateur et correspondre aux exigences à la sortie.

Les conditions de l’admission du gaz comprimé représentent parfois un paramètre important. Ainsi, la construction des compresseurs à piston leur permet de créer un courant pulsatoire du gaz comprimé, pendant que les compresseurs hélicoïdes compriment le milieu actif de façon régulière, sans fluctuations temporelles. Dans le cas de la pulvérisation d’un vernis ou d’une couleur le caractère régulier du processus revête d’une importance considérable pour garantir le résultat nécessaire. Le taux des pulsations de la pression dans le compresseur peut être abaissé à l’aide des procédés différents. Ainsi, un compresseur à piston peut posséder de plusieurs chambres de travail, dont les circuits de fonctionnement sont reportés dans le temps les uns par rapports aux autres, ce qui permet d’atténuer partiellement le courant sommaire. Pourtant, cet objectif est plus souvent accompli grâce à un réservoir, qui représente un conteneur, où le gaz comprimé dans le compresseur est accumulé. Ce système permet d'éliminer presque totalement la pulsation du courant gazeux sortant du réservoir.

Caractéristiques principales du compresseur. Rendement et puissance

En fonction de la pression développée les compresseurs sont divisés en groupes suivants:

  • compresseurs à vide (dépression supérieure à 0,05 МPа);
  • compresseurs à basse pression (de 0,15 à 1,2 МPа);
  • compresseurs à pression moyenne (de 1,2 à 10 МPа);
  • compresseurs à haute pression (de 10 à 100 MPа);
  • compresseurs à superpression (supérieure à 100 MPа).

Rendement d’un compresseur

Le rendement du compresseur représente le volume du gaz comprimé en une unité de temps. En règle générale le rendement est mesuré en m3/min, l/min, m3/heure etc. La fiche technique peut contenir l’indication du rendement à l’entrée et du celui de refoulement, qui ne sont pas égaux, puisque le volume du gaz change pendant la compression. Pour mesurer le rendement à l’entrée, les conditions standards sont habituellement prises en compte – la pression atmosphérique et la température de 20°C. Le rendement du compresseur peut être indiqué de façon différente, dépendamment du domaine de son exploitation. Dans le cas, où le calcul initial a été effectué compte tenu des conditions à l’entrée, il est possible de recalculer le débit du gaz pour des conditions de refoulement par le biais des formules spécifiques. Le recalcul du gaz peut s’avérer également nécessaire, si le gaz possède d’une autre température.

En fonction de la valeur du rendement tous les compresseurs sont divisés en trois catégories:

  • à un rendement important (plus de 100 m3/min);
  • à un rendement moyen (de 10 jusqu'à 100 m3/min);
  • à un petit rendement (jusqu'à 10 m3/min).

Rendement du compresseur à piston

Le rendement du compresseur dépend considérablement de sa géométrie, ainsi que de son type. Le compresseur à piston en est l’exemple le plus simple et évident, puisque les dimensions de sa chambre de travail influencent directement son rendement. Celui-ci peut être présenté comme le volume de la chambre de travail multiplié par le nombre de circuits du jeu du piston effectués en une unité de temps ou, en se basant sur les paramètres géométriques des pièces du piston, comme la surface de la section du cylindre (F) multiplié par le jeu du piston (S) et par la fréquence de rotation de son arbre (n). Pourtant, ce n’est possible que dans le cas idéal, parce que en réalité les particularités de conception des soupapes et du cylindre ne permettent pas d’évacuer de la chambre de travail le volume total du gaz. Une partie de gaz reste dans la chambre de travail et l’espace qu’il occupe est appelé l’espace vicieux. Ceci est fait intentionnellement pour éviter que le piston se heurte contre la paroi latérale de la chambre, ce qui pourrait causer les défaillances du compresseur.

Définissons le volume traité par le piston comme (Vp). Dans ce cas-là le volume vicieux peut être présenté de façon suivante : Vv=V-Vp, où V représente le volume de la chambre de travail. Certains calculs de l’espace vicieux utilisent le coefficient suivant : ε=(V-Vp)/Vp. Ainsi, le volume vicieux peut être également défini à l’aide de la formule suivante : Vv=ε∙Vp.

Le gaz qui occupe le volume vicieux exerce aussi une influence sur l’aspiration d’une nouvelle portion du gaz, puisque ce processus ne commence qu’après que le gaz résiduel ne se dilate à un degré fixé. Pendant ce temps le piston passe déjà un certain trajet, ce qui veut dire que l’aspiration ne sera pas complète par rapport à un cas idéal. Ce phénomène est calculé à l’aide de la notion du rendement volumétrique, défini par le biais de la formule λ0=Vr/Vp, où Vr représente le volume réel du gaz aspiré. Le coefficient peut être calculé à l’aide de la formule suivante:

λ0 = 1 - ε∙((p2/p1)1/m - 1)

Où:
λ0 – le rendement volumétrique;
ε – le coefficient de l'espace vicieux;
p1 – la pression à l'entrée, en Pа;
p2 – la pression à la sortie, en Pа;
m – l'exposant polytropique.

Ainsi, le rendement du compresseur à piston à effet simple est calculé par le biais de la formule suivante:

Vp = λ0∙F∙S∙n

Dans le cas d’utilisation du piston à double effet le calcul du rendement ne peut pas être présenté comme le rendement d’une chambre de travail multiplié par deux. Il est nécessaire de préciser quelle chambre sera partiellement occupée par la tige du piston, puisque son rendement sera inférieur par rapport à celui de la chambre sans tige. Ainsi, nous recevons la formule précisée:

Vp2 = λ0∙(2∙F - f)∙S∙n

Où:
Vp2 – le rendement de la pompe à piston à double effet;
f – la section du piston.

Rendement du compresseur hélicoïde

Le rendement volumétrique du compresseur hélicoïde peut être présenté comme le volume sommaire des cavités limitées par les hélices est le corps du compresseur à la sortie en une unité de temps. Dans le cas idéal de l’absence des pertes et des fuites le rendement théorique du compresseur hélicoïde (à deux hélices) peut être calculé selon la formule suivante:

Qth = l∙m1∙n1∙f1 + l∙m2∙n2∙f2

Où:
Qth – le rendement théorique du compresseur hélicoïde, en m3/sec;
l – la longueur de l'hélice, en m;
m1 – le nombre d'entrées de l'hélice femelle;
n1 – la vitesse de rotation de l'hélice femelle, en s-1 ;
f1 – la surface de la cavité de l’hélice femelle, en m2 ;
m2 – le nombre d'entrées de l'hélice mâle;
n2 – la vitesse de rotation de l’hélice mâle, en s-1 ;
f2 – la surface du creux de l'hélice mâle, en m2.

Compte tenu du fait que l’équation m1∙n1 = m2∙n2 = m∙n est habituellement respectée, la formule du rendement théorique du compresseur hélicoïde peut être présentée de façon suivante :

Qth = l∙m∙n∙(f1+f2)

Le débit efficace est inférieur à celui théorique, ce qui est logique, puisqu’il s’agit de différents courants dans le compresseur, ainsi que des fuites du gaz dans l’environnement extérieur via les pièces d’étanchéité. Du point de vue mathématique ceci est pris en considération par le coefficient de remplissage. Ainsi, le rendement réel sera égal à:

Qr = Qth∙ηr – Qf

Qr – le rendement réel;
Qf – le volume de fuites via les pièces d’étanchéité;
ηr – le coefficient de remplissage.

Rendement du compresseur centrifuge

Le principe de pompage du milieu actif dans le compresseur centrifuge est identique au principe de fonctionnement de la pompe centrifuge avec une seule différence : le volume du gaz comprimé se réduit, ce qui entraîne l’augmentation de sa densité. Le rendement des compresseurs pareils est habituellement calculé à l’entrée de l’appareil et compte tenu des conditions normales pour le confort d’utilisation. La valeur nominale de ce paramètre, ainsi que la pression à la sortie sont habituellement fixées avant les calculs. Puis, les dimensions géométriques des éléments du rotor sont calculées. En guise d’exemple, la formule, reliant le rendement du compresseur centrifuge aux dimensions de la section d’entrée du rotor est la suivante:

Q = (π/4)·vent·(d²2-d²1)

Où:
Q – le rendement du compresseur centrifuge, en m³/sec;
vent – la vitesse du flux gazeux à l'entrée de la roue, en m/sec;
d1 – le diamètre extérieur du moyeu de la roue, en m;
d2 – le diamètre minimal du disque recouvrant le rotor, en m;

Caractéristiques principales du compresseur. Rendement et puissance

Puissance du compresseur

En règle générale la définition standard indique que la puissance représente le rapport entre le volume du travail effectué en une période de temps et la durée de cette période. Dans le cas du compresseur c’est plutôt la multiplication du rendement du gaz par le travail de compression effectué. Cette puissance est appelée la puissance théorique et est calculée par le biais de la formule suivante:

Nth = (Q∙ρ∙A)/1000

Où:
Nth – la puissance théorique, en kW;
Q – le rendement, m3/min;
ρ – la densité du gaz, en kg/m3 ;
A – le travail théorique de compression du gaz, en J/kg.

Pourtant, il est à préciser que la puissance théorique n’est pas égale à la puissance nécessaire fournie par le moteur connecté au compresseur. Cela est lié au phénomène de la perte de puissance qui trouve son expression mathématique dans l’ensemble des coefficients de rendement. Le processus de compression effectué dans le compresseur possède de son propre coefficient de rendement (qui dépend du type du processus). Il est également à noter qu’une partie de la puissance appliquée au compresseur est perdue au cours de son transfert mécanique.

Caractéristiques principales du compresseur. Rendement et puissance

Puissance du compresseur à piston

Le calcul de puissance des compresseurs à piston exécutant la compression jusqu’à 10 МPа peut être réalisé avec un haut degré d’exactitude à l’aide des formules considérant le gaz comme parfait. Pourtant, les calculs des compresseurs à un haut degré de compression maximale (plus de 10 MPa) prennent en considération le fait, que le gaz transporté n’est pas parfait. La différence clé du gaz parfait par rapport à celui pas parfait (réel) réside dans la supposition suivante : les molécules du gaz ne collaborent pas, pendant que dans un gaz parfait cette collaboration est possible sous une haute pression et peut influencer considérablement le comportement du gaz. Ces facteurs sont pris en considération dans la formule suivante de la puissance théorique:

Nth = (Q∙ρ∙(i2-i1)) / 1000

Où:
Nth – la puissance théorique, en kW;
Q – le rendement du compresseur, en m3/sec;
ρ – la densité du gaz, en kg/m3 ;
i1 – l’enthalpie du gaz avant la compression, en J/kg;
i2 – l’enthalpie du gaz après la compression, en J/kg.

La formule ci-dessus concerne les compresseurs monoétagés. Dans le cas de la compression à plusieurs étages, la différence d’enthalpies (i2-i1) dans la formule doit être remplacée par la somme des différences d’enthalpies de chaque étage. Si la valeur du travail de compression est la même pour chaque étage, la formule de la puissance théorique aura la forme suivante:

Nth = (Q∙ρ∙n∙(i2-i1)) / 1000

Où:
n – le nombre d’étages;
i1, i2 – l’enthalpie initiale et finale du premier étage, en J/kg.

Caractéristiques principales du compresseur. Rendement et puissance

Les puissances indiquées sur la figure ci-dessus sont de N1=(Q∙ρ∙n∙(i2-i1))/1000 pour le premier étage, N2=(Q∙ρ∙n∙(i3-i2))/1000 pour le deuxième étage et N3=(Q∙ρ∙n∙(i4-i3))/1000 pour le troisième étage. En supposant que le changement d’enthalpies est le même pour chaque étage, soit (i2-i1)=(i3-i2)=(i4-i3), recevons la formule pour un compresseur à trois étages (n=3):

Ntot = N1 + N2 + N3 = (Q∙ρ∙n∙(i2-i1))/1000 + (Q∙ρ∙n∙(i3-i2))/1000 + (Q∙ρ∙n∙(i4-i3))/1000 = 3∙(Q∙ρ∙(i2-i1))/1000

Puissance du compresseur hélicoïde

Le compresseur hélicoïde traitant un gaz subit des pertes de puissance permanentes causées par des raisons variées. Les hélices du compresseur ne sont pas idéales du point de vue de leur forme et de leurs dimensions, ce qui provoque une partie de pertes à cause des reflux du gaz d’une cavité vers une autre en provenance de la zone de refoulement et dans la direction de la zone d’aspiration. L’énergie du gaz est également dépensée à cause des frottements contre les hélices et le corps, ainsi que dans le cas des collisions etc. En résultat, la puissance dépensée pour comprimer un gaz dans le compresseur est supérieure par rapport à la puissance théorique nécessaire pour comprimer ce gaz dans les conditions idéales. Cette puissance-là porte le nom de la puissance indiquée et peut être calculée par le biais de la formule suivante:

Nind = (k∙Q)/1000 ∙ [pasp∙(εm-1-m)/(1-m) + pref∙(1/ε)]

Où:
ind – la puissance (indiquée) du compresseur hélicoïde, en kW;
k – le coefficient rectificatif (de 1,05 à 1,18 en fonction des dimensions de l’appareil);
Q – le rendement dans les conditions d’entrée, en m3/sec;
pasp – la pression d'aspiration, en Pа;
pref – la pression de refoulement, en Pа;
ε – le degré de compression (géométrique);
m – l’exposant polytropique.

Caractéristiques principales du compresseur. Rendement et puissance

A part cela le calcul de la puissance totale du système de compression composée du compresseur, du moteur et de la conduite correspond au calcul de la puissance pour d’autres types des compresseurs. La puissance du compresseur lui-même augmente par rapport à celle indiquée d’une valeur égale aux pertes mécaniques, subies par le compresseur pendant son exploitation. Une partie de puissance est perdue lors du transfert, une autre – dans le moteur. Ces pertes sont prises en compte par le biais des coefficients des rendements correspondants.

Puissance du compresseur centrifuge

Le flux du gaz qui passe via le compresseur centrifuge perd une partie de son énergie à cause des pertes hydrauliques. Le taux de ces pertes est indiqué par le coefficient du rendement hydraulique (ηh), qui relie la puissance théorique (Nth) nécessaire pour comprimer le gaz dans les conditions idéales à la puissance indiquée (Nind):

Nind = Nthh

De plus, le débit du gaz réel est différent par rapport à celui théorique à cause des fuites du gaz dans l’environnement extérieur. Cela provoque également des pertes de puissance complémentaires, qui sont caractérisées par le rendement volumétrique (ηv). La puissance utile (Nu), qui doit être appliquée sur le rotor pour comprimer le gaz, sera calculée de façon suivante:

Nu = Nindv

La puissance utile peut aussi être calculée en se basant sur les calculs des paramètres réels du compresseur par le biais de la formule suivante:

Nu = Veff∙Heff∙p

Où:
Nu – la puissance utile, en W;
Veff – le débit efficace, en m3/sec;
Heff – la charge efficace, en m;
(p) représente la valeur moyenne de la pression avant et après la compression, prise habituellement sous forme de moyenne arithmétique et mesurée en Pа.

La puissance totale du compresseur qui doit être appliquée sur son arbre porte le nom de la puissance sur l’arbre et peut être calculée à l’aide de la puissance indiquée sans oublier les pertes mécaniques dans le compresseur:

Narb = Nindméc

Où:
Narb – la puissance sur l’arbre du compresseur, en W;
ηméc – le rendement mécanique.

Compte tenu des pertes le rendement total (ηt) du compresseur centrifuge sera calculé à l’aide de l’équation suivante:

ηt = ηh∙ηv∙ηméc

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