Comment augmenter l'efficacité du compresseur d'air

Efficacité du compresseur d'air

Quels sont les facteurs qui influent sur l'efficacité énergétique des compresseurs d'air ? Parmi ces facteurs, on retrouve le type, le modèle, la taille, la puissance du moteur, la conception du système, le mécanisme de commande, l'utilisation et le programme d'entretien. Les pertes de chaleur dues au frottement des pièces mobiles et l'augmentation de la température de l'air comprimé sont les principales causes d'inefficacité.

Lorsqu'il s'agit de l'efficacité du compresseur d'air, il est essentiel de vérifier l'ensemble du système, y compris le compresseur d'air lui-même et la conduite d'alimentation, le réservoir d'air, le sécheur d'air, le réservoir et le refroidisseur final. Vous pouvez économiser de l'énergie et de l'argent en effectuant les réglages appropriés sur votre système d'air comprimé.

Quels facteurs contribuent à l’inefficacité d’un compresseur d’air ?

De nombreux facteurs peuvent contribuer à un compresseur d’air inefficace. Les performances du compresseur d'air peuvent devenir moins efficaces avec le temps lorsque l'un des facteurs suivants entre en jeu :

mauvaise qualité de l'air

Si l’air entrant est trop chaud, contient des impuretés ou présente une humidité élevée, l’efficacité du compresseur d’air peut être considérablement réduite.

Contrôle de la pression d'air incohérent

Une pression élevée, qu'elle soit constante ou irrégulière, réduit le rendement. Une plage de pression de 10 PSIG (chargement à 115 PSIG, déchargement à 125 PSIG) empêche les cycles rapides, mais gaspille de l'énergie ; il est donc préférable de resserrer cette plage autant que possible pour améliorer le rendement.

défauts du système de conception

Des défauts dans la conception du système peuvent conduire à des compresseurs d’air inefficaces. Les défauts de conception peuvent inclure :

• Systèmes de distribution mal dimensionnés.
• Manque de systèmes de récupération.
• Augmentation du gaspillage de chaleur.
• Coudes inutiles dans la tuyauterie.
• Fuites non réparées.

Incompatibilité du compresseur d'air

Le compresseur d'air doit être adapté aux besoins en air comprimé de l'équipement. Un compresseur inadapté peut entraîner une réduction significative de son efficacité et de ses performances globales. Pour les applications à moins de 40 PSI, le remplacement d'un compresseur standard par un surpresseur basse pression peut réduire la consommation d'énergie jusqu'à 900 kJ/km. De même, pour les applications nécessitant une pression plus élevée, l'utilisation d'un compresseur bi-étagé plutôt qu'un modèle mono-étagé de même taille peut générer un débit supérieur de 15 à 200 kJ/km, permettant ainsi de rentabiliser rapidement tout surcoût grâce aux gains d'efficacité obtenus.

Perte de charge

Les chutes de pression dues à des tuyaux de dimensions inadaptées, à une humidité excessive, à des filtres encrassés ou à des distances de circulation d'air trop importantes réduisent l'efficacité. Les outils comme les pistolets à peinture, les cloueuses, les scies, les ponceuses et les perceuses sont particulièrement sensibles aux pertes de pression ; ils peuvent perdre en performance ou tomber en panne lorsque la pression d'air descend en dessous du niveau requis.

Maintenance non planifiée

Une maintenance imprévue peut entraîner une usure prématurée du système, augmentant ainsi les coûts de réparation. En raison du nombre de pièces mobiles et de l’utilisation intensive de ces systèmes, le fait de ne pas établir un programme d’entretien régulier peut conduire à des compresseurs d’air inefficaces.

Comment augmenter l'efficacité d'un compresseur d'air ?

Les compresseurs à haut rendement énergétique reposent sur des commandes bien adaptées, une pression de fonctionnement proche du minimum et une conception système adaptée à l'application réelle.

Les huit sections suivantes détaillent chacune un axe d'amélioration précis et concret. Lisez-les attentivement pour découvrir les changements qui auront le plus d'impact sur votre établissement.

En utilisant ces méthodes pour augmenter l’efficacité du compresseur, vous pouvez également améliorer les performances et la durée de vie de votre compresseur d’air.

Améliorer la qualité de l'air admis

Trois composants d'un système de compression d'air affectent les performances :

Température

La température de l'air admis détermine sa densité. L'air froid nécessite moins d'énergie pour être comprimé ; son insertion dans un compresseur est donc beaucoup plus efficace. Évitez l'air chaud, moins dense, car il peut réduire considérablement votre productivité. Une réduction de 20 °F (environ 11 °C) de la température d'admission permet de réduire les coûts d'exploitation d'environ 3,81 TP3 T.

Composition

Une entrée d'air propre garantit que l'air comprimé peut traverser le système plus facilement. La saleté, la poussière ou d'autres impuretés présentes dans l'air peuvent s'accumuler à l'intérieur du compresseur d'air. Ces contaminants peuvent pénétrer dans des composants vitaux, provoquant une usure et réduisant la capacité de stockage.

Humidité

L'humidité endommage les systèmes de compression d'air en provoquant rouille, usure, fuites et réduction de capacité ; une gestion adéquate des condensats préserve l'intégrité du système. L'air sec préserve l'intégrité du système et des outils qui y sont connectés. Les sécheurs à dessiccation par récupération de chaleur de compression réutilisent cette chaleur pour régénérer le dessiccant, réduisant ainsi les besoins en air de purge et en énergie de chauffage. Les modèles de sécheurs haute performance fonctionnent à froid uniquement lorsque cela est nécessaire, et non en continu, ce qui permet de réaliser des économies d'énergie par rapport aux appareils fonctionnant sans interruption.

Commande du compresseur d'air correspondante

L'adaptation des commandes du compresseur d'air aux besoins du système est l'un des moyens les plus efficaces d'accroître son rendement. En effet, ces commandes alignent la puissance du compresseur sur les besoins du système, qu'il soit composé d'un seul compresseur ou de plusieurs. Ces commandes sont essentielles à l'efficacité et aux hautes performances des systèmes de compression d'air.

Les systèmes à air comprimé sont conçus pour maintenir une plage de pression spécifique et fournir des volumes d'air qui varient en fonction des besoins de l'utilisateur final. Lorsque la pression atteint un certain niveau, le système de contrôle réduit la puissance du compresseur. En revanche, si la pression chute, la puissance du compresseur augmente.

Les systèmes de contrôle les plus précis peuvent maintenir une pression moyenne faible sans descendre en dessous des exigences du système. Ne pas respecter la configuration système requise peut entraîner une panne de l'appareil. C'est pourquoi il est si important d'adapter les contrôles du système à la capacité de stockage.

Les commandes suivantes contribuent à améliorer l’efficacité des compresseurs individuels :

• En fonction de la pression, les commandes de démarrage et d'arrêt allument et éteignent le compresseur.
• La fonction de chargement et de déchargement décharge le compresseur à la pression de refoulement, réduisant ainsi la consommation d'énergie lors des cycles de charge.
• La régulation modulante gère la demande de débit en fonction des cycles de charge, tandis que la régulation multi-étapes permet au compresseur de fonctionner à charge partielle.
• La double commande double et automatique permet la sélection du démarrage/arrêt ou du chargement/déchargement.
• La cylindrée variable peut fonctionner dans deux ou plusieurs conditions de charge partielle.
• Les variateurs de vitesse ajustent en continu la vitesse du moteur pour répondre aux variations de la demande. Un compresseur à variateur de vitesse (VSD) permet d'économiser jusqu'à 351 TPE/3 T d'énergie par rapport aux unités à vitesse fixe, et un modèle VSD+ haut de gamme peut permettre d'économiser jusqu'à 501 TPE/3 T, même à pleine charge. Cette option de régulation est ainsi l'un des moyens les plus efficaces de réduire les coûts d'exploitation. Le prix des équipements à variateur de vitesse est en baisse, et des remises ou des incitations sont souvent disponibles dans certaines régions. Par conséquent, la mise à niveau vers un variateur de vitesse est de plus en plus accessible aux exploitants souhaitant réduire leurs dépenses énergétiques à long terme.
• Les systèmes à compresseurs multiples bénéficient d'un contrôleur principal centralisé côté alimentation. Ce dernier active et désactive chaque compresseur en fonction de la demande en temps réel, maintient une plage de pression plus étroite et permet à l'ensemble du système de fonctionner à une pression globale plus basse, réduisant ainsi le gaspillage d'énergie sans compromettre la fiabilité. Les contrôleurs principaux peuvent également enregistrer les données de tendance des composants afin de faciliter la planification de la maintenance prédictive.

Un système bien conçu combine la régulation de la demande, un stockage correctement dimensionné, des capteurs de pression judicieusement positionnés et une commande coordonnée des compresseurs afin de maintenir une pression stable minimale tout en compensant les fluctuations grâce à l'air comprimé stocké. Maintenir la vitesse de l'air dans les canalisations à 6 m/s ou moins est également essentiel : des vitesses supérieures créent des turbulences qui augmentent la perte de charge et sollicitent davantage le compresseur. Avec plusieurs compresseurs, la commande séquentielle permet de satisfaire la charge du système en activant les compresseurs et en les désactivant lorsqu'ils ne sont pas nécessaires. Les commandes réseau contribuent également à la gestion de la charge sur l'ensemble du système.

Avec plusieurs compresseurs, le contrôle séquentiel peut satisfaire la charge du système en faisant fonctionner les compresseurs tout en les mettant hors ligne lorsqu'ils ne sont pas nécessaires pour répondre à la demande. Les contrôles réseau aident également à gérer la charge sur l’ensemble du système.

Améliorer la conception du système

Voici six façons d’améliorer la conception de votre système de compresseur d’air.

Redresser le chemin

Les coudes prononcés et les conduites de transfert étroites augmentent la friction et la perte de charge, réduisant ainsi la pression au point d'utilisation. Une conception avec moins de coudes et de boucles génère une pression plus élevée avec la même énergie.

Économisez l'énergie quand vous en avez besoin

Les réservoirs de stockage amortissent les variations de demande à court terme, réduisent les cycles marche/arrêt et préviennent les chutes de pression lors des pics de consommation. La capacité du réservoir doit être adaptée à la puissance du compresseur ; par exemple, un compresseur de 60 chevaux nécessite un réservoir de 60 gallons. Le raccordement de chaque compresseur à une canalisation dédiée de diamètre nominal 50 (DN50) avec son propre réservoir humide, puis le regroupement des sorties dans un collecteur humide de diamètre nominal 100 (DN100) équipé de purgeurs de condensats, atténue les fluctuations de pression et permet d’alimenter les lignes d’alimentation à un point de consigne de refoulement du compresseur plus bas, réduisant ainsi le gaspillage d’énergie.

air d'admission frais

Pour une efficacité optimale, déplacez la prise d'air du compresseur vers l'endroit le plus frais possible, généralement au nord ou à l'est du bâtiment. Installez une hotte d'aspiration qui aspire l'air entre 1,8 et 3 mètres au-dessus du sol afin d'éviter la chaleur rayonnante du toit ou du revêtement de sol. Si la prise d'air doit rester à l'intérieur, faites passer les conduits d'aération par un mur extérieur ombragé.

Utilisez plusieurs petits compresseurs

Les gros compresseurs sont inefficaces à charge partielle car ils consomment davantage d'énergie par unité. L'utilisation de plusieurs petits compresseurs à commande séquentielle permet l'arrêt des unités inutilisées. Les compresseurs à variateur de fréquence (VFD/VSD) deviennent inefficaces en dessous de 201 TPI/3 T ou au-dessus de 801 TPI/3 T ; le dimensionnement et la mise en service séquentielle d'unités plus petites dans cette plage permettent de maintenir l'efficacité. Un contrôleur principal correctement configuré peut réduire la plage de pression d'un système multicompresseur à ±2 PSIG, diminuant ainsi les coûts d'exploitation et la consommation d'énergie.

Récupération de chaleur résiduelle

Un système de récupération de chaleur correctement conçu permet de récupérer de 50 à 90 Tb/m³ d'énergie de compression électrique. Jusqu'à 90 Tb/m³ des 70 à 80 Tb/m³ d'énergie du compresseur perdue sous forme de chaleur peuvent être récupérées pour le chauffage des locaux, la production d'eau chaude sanitaire, le séchage ou le maintien au chaud des aliments.

Situé à proximité d'une zone à forte demande

En plaçant les récepteurs d'air à proximité des sources de forte demande, il est plus facile de répondre à la demande en réduisant la capacité globale du compresseur.

Tenez compte des besoins en air comprimé

Vérifiez le profil de charge

Un système d’air comprimé correctement conçu doit tenir compte de la courbe de charge. Le système doit fonctionner efficacement à charge partielle si la demande en air varie considérablement. Plusieurs compresseurs permettront une utilisation énergétique plus économique lorsque la demande fluctue considérablement.

Réduire la demande artificielle

Un excès d'air au-dessus des besoins de l'application entraîne un gaspillage d'énergie. Si une application requiert 50 PSI mais ne reçoit que 90 PSI, le système gaspille de l'air. Utilisez des régulateurs de pression en bout de ligne pour minimiser la demande artificielle.

Déterminer la pression correcte requise

La pression requise tient compte des pertes du système dans les filtres, la tuyauterie, les séparateurs et les sécheurs. Augmenter la pression de refoulement accroît la consommation d'énergie d'environ 11 T/min par tranche de 2 PSI ; la plupart des installations fonctionnent avec une pression de 2 à 5 PSI supérieure aux besoins. Réduire la pression de refoulement permet d'obtenir des performances optimales et de limiter les contraintes sur le système.

Vérifier l'adéquation de l'offre et de la demande

Vérifiez que le compresseur n'est pas surdimensionné pour l'usage prévu. Déterminez la quantité d'air nécessaire pour chaque application, puis évaluez l'ensemble du système afin d'identifier les problèmes de distribution et de minimiser le gaspillage d'air.

Utilisez des schémas fonctionnels et des diagrammes de distribution de pression.

Les schémas fonctionnels identifient tous les composants du système ; les diagrammes de distribution de pression indiquent les pertes de charge et guident les réglages de régulation. Mesurez la pression d'entrée du compresseur, la pression du séparateur air/lubrification et la différence de pression entre les étages. Enregistrez la pression et le débit d'air du système pour détecter les pannes, les charges intermittentes, les modifications et les conditions du système ; gérez les variations par des commandes afin de minimiser l'impact sur la production.

Utiliser un stockage d'air comprimé

Le stockage permet de maîtriser les pics de demande en réduisant la vitesse de décharge et la chute de pression. Il peut également arrêter le compresseur si nécessaire afin de protéger les opérations critiques contre d'autres incidents survenant dans le système. Il est recommandé d'installer des buses d'air spécialement conçues aux points d'utilisation, plutôt que des extrémités de tuyaux ouvertes ou des trous percés. En effet, ces buses amplifient le flux d'air grâce à l'air ambiant, assurant ainsi une force de soufflage efficace tout en consommant beaucoup moins d'air comprimé. La modernisation des buses et de la tuyauterie, ainsi que le dimensionnement correct des vérins pneumatiques, constituent d'autres solutions d'amélioration permettant de minimiser les sollicitations artificielles du système.

Minimiser la chute de pression

Une chute de pression se produit lorsque l'air comprimé circule dans les systèmes de distribution. Des chutes de pression excessives entraînent une baisse de performance et une augmentation de la consommation d'énergie. Il est donc conseillé de réduire la chute de pression avant d'augmenter la capacité ou la pression du système.

Pour réduire la perte de charge : 

• Veillez à une conception adéquate du système : la cause la plus fréquente de chute de pression excessive est un dimensionnement insuffisant de la tuyauterie entre le collecteur de distribution et l’équipement. Un système en boucle offre plusieurs voies de circulation d’air et réduit la chute de pression par rapport aux conduites en cul-de-sac.
• Entretenez les équipements de filtration et de séchage de l'air afin de minimiser l'humidité ; assurez-vous que les filtres sont propres pour éviter toute restriction du flux d'air. Remplacez les éléments filtrants régulièrement.
• Sélectionnez les séparateurs, les sécheurs, les filtres et les refroidisseurs finaux avec la plus faible perte de pression possible (différentiels typiques : 7 psi pour les filtres, les tuyaux et les régulateurs).
• d) Choisissez des régulateurs, des tuyaux, des lubrificateurs et des raccords qui fonctionnent le mieux à la pression différentielle la plus basse.
• Réduire la distance parcourue par avion grâce au système.

De nombreux outils fonctionnent efficacement à 80 psig ou moins. Réduire la pression de refoulement minimise les fuites, augmente la capacité et permet de réaliser des économies, mais peut nécessiter des modifications des régulateurs, des filtres et du système de stockage. Attention à l'effet “ 30 pieds sales ” : les 9 derniers mètres de tuyauterie avant le point d'utilisation accumulent souvent des restrictions, de l'humidité et des débris, ce qui réduit la pression là où elle est le plus nécessaire. La chute de pression dans cette dernière section est généralement de 30 à 50 psig (environ 20 fois supérieure aux sections précédentes), ce qui en fait une zone prioritaire à inspecter. Un filtre usé, autorisant un refoulement à 5 psig, engendre des frais d'exploitation annuels d'environ 1 900 £, tandis que son remplacement ne coûte que 10 £, ce qui le rend quasiment rentable.

Réparer les fuites

Les fuites d'air comprimé constituent la principale cause de gaspillage d'énergie, entraînant généralement une perte de 20 à 300 tonnes de la puissance du compresseur. Comme le débit de fuite est directement proportionnel à la taille de l'orifice et à la pression d'alimentation, même les petites fuites s'accumulent. Sans intervention, elles peuvent gaspiller de 30 à 500 tonnes d'air comprimé du système, réduire l'efficacité des outils et allonger les temps de fonctionnement. Une stratégie de maintenance proactive permet de réduire les coûts associés jusqu'à 700 tonnes. Les fuites se produisent le plus souvent au niveau des régulateurs de pression, des collecteurs de condensats ouverts, des vannes d'arrêt, des raccords rapides, des raccords de tuyauterie, des produits d'étanchéité pour filetage, des flexibles et des accessoires. Un audit a révélé des fuites dans les deux tiers des équipements, pour un coût annuel de 157 000 €.

Estimation des fuites

Mesurer les temps de charge/décharge du compresseur et calculer :

Fuite (%) = [minutes en charge × 100 / (minutes en charge + minutes hors charge)]. Par exemple : si votre compresseur fonctionne en charge pendant 8 minutes et à vide pendant 2 minutes par cycle, la fuite est de (8 × 100) / (8 + 2) = 801 TP3T. C’est bien au-dessus de l’objectif de 101 TP3T pour les systèmes bien entretenus et cela indique qu’une recherche de fuite urgente est nécessaire.

Les systèmes bien entretenus restent en dessous de 10% ; les systèmes mal entretenus dépassent 20%. Dans un cas précis, la réparation de fuites d'un débit de 2,82 m³/min (soit environ 20% de capacité), le redimensionnement de la tuyauterie et la réduction de la pression du collecteur de 7,0 à 6,5 bar ont permis d'améliorer la qualité de l'air, passant de la classe 5 à la classe 4 selon la norme ISO 8573-1, de réduire la puissance moyenne de 57,1 kW à 38,5 kW (soit une baisse de 32,6%) et de diminuer la consommation statique de 70%.

Détection des fuites

Les détecteurs à ultrasons repèrent les fuites en se basant sur les sifflements : ils sont rapides, précis et utilisables même lorsque l’équipement est en marche. En l’absence d’un détecteur à ultrasons, appliquez de l’eau savonneuse à l’aide d’une brosse sur les zones suspectes et observez la formation de bulles.

Réparation de fuites

Resserrer les raccords desserrés lorsque c'est possible. Sinon, remplacer les joints, sections de tuyaux, flexibles, raccords, siphons, raccords ou drains défectueux, en utilisant toujours le produit d'étanchéité approprié.

Réduction immédiate de la pression

En attendant la réparation d'une fuite, abaissez la pression du système au niveau minimum acceptable et stabilisez-y la pression du collecteur ; cela réduit directement le débit de fuite.

Programme de prévention des fuites

Établir un référentiel de coûts – quantifier le coût énergétique des fuites actuelles afin de mesurer l’amélioration.

• Inspectez systématiquement – utilisez des détecteurs à ultrasons ou des manomètres portatifs pour détecter les fuites.
• Documentez chaque fuite – notez sa taille, son emplacement, son type et son coût estimé.
• Priorisez – réparez d'abord les fuites les plus importantes et les plus coûteuses.
• Optimisez les commandes – ajustez les paramètres pour maximiser l'efficacité énergétique.
• Un contrôle périodique est indispensable – des inspections régulières permettent de maintenir l’efficacité du système.
• Modernisez les purgeurs de condensats : remplacez les électrovannes temporisées par des purgeurs sans perte d’air. Un purgeur temporisé standard, doté d’un orifice de 4 mm (5/32″) et purgeant pendant 10 secondes toutes les 10 minutes à 7 bars (100 PSI), perd 1,1 m³ (40 pi³) d’air par heure, soit un coût de près de 1 TP4T150 par an à 0,10 TP4T/kWh. Les purgeurs sans perte d’air ne rejettent l’air que lorsque des condensats sont présents, éliminant ainsi ce gaspillage.

Modifier les filtres

Les filtres garantissent la qualité de l'air distribué aux utilisateurs. Un filtre encrassé par la poussière, les saletés et la graisse entraîne une baisse de pression, ce qui augmente la consommation d'énergie nécessaire pour maintenir cette pression. Il est recommandé de changer ou de nettoyer les filtres à air et à huile tous les trois mois ou toutes les 500 heures d'utilisation, selon la première échéance, afin de prévenir une augmentation de la résistance et du gaspillage d'énergie. Utilisez des filtres à faible perte de charge et longue durée de vie, dimensionnés pour un débit maximal. Notez que les filtres retenant de très fines particules créent une résistance plus importante à l'écoulement de l'air ; il convient donc de trouver un équilibre entre l'efficacité de la filtration et la perte de charge. Lors du choix des séparateurs, sécheurs, filtres et refroidisseurs finaux, privilégiez les modèles présentant la perte de charge la plus faible possible sans compromettre la filtration ; certains modèles sont conçus pour offrir un meilleur compromis entre ces deux aspects.

Entretien

Incitez les opérateurs à considérer l'efficacité énergétique comme une responsabilité partagée : formez-les à repérer les fuites, à signaler les bruits anormaux et à mettre hors tension les équipements inutilisés. Des habitudes quotidiennes rigoureuses permettent de pérenniser les gains d'efficacité obtenus grâce à un entretien régulier.

Un système mal entretenu engendre des pertes d'énergie et d'argent. Il est essentiel de vérifier régulièrement l'absence de fuites, d'usure prématurée et d'accumulation de contaminants. Le remplacement des compresseurs de plus de 10 ans permet de réaliser des économies d'énergie d'au moins 20% et jusqu'à 40%, ce qui justifie d'envisager cette mise à niveau en complément de l'entretien régulier des équipements vieillissants.