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Compresseurs Alternatifs Fonctionnement Technologie
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MT COM - 01620_A_F - Rév. 2 16/01/2007
Raffinage-Pétrochimie-Chimie-Ingénierie———
ENTRETIEN-INSPECTION DES MACHINES TOURNANTES
COMPRESSEURS ALTERNATIFS— Fonctionnement - Technologie —
I - PRÉSENTATION DES COMPRESSEURS ALTERNATIFS ..................................................... 1
II - PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT DES COMPRESSEURS ALTERNATIFS :CYCLE DE COMPRESSION..................................................................................................... 3
1 - Fonctionnement des soupapes d'aspiration et de refoulement .................................................... 32 - Cycle théorique ............................................................................................................................ 43 - Interprétation de l'allure du cycle théorique .................................................................................. 64 - Cycle réel ..................................................................................................................................... 7
III - PERFORMANCES RÉELLES ................................................................................................... 8
1 - Température de refoulement réelle .............................................................................................. 82 - Débit réel ...................................................................................................................................... 93 - Puissance consommée à l'accouplement de la machine ............................................................. 9
IV - ADAPTATION D'UN COMPRESSEUR ALTERNATIF AUX CONDITIONS DE SERVICE ..... 11
1 - Effet d'une variation de pression ................................................................................................ 112 - Effet d'une variation de la température d'aspiration ................................................................... 133 - Effet d'une variation de la nature du gaz.................................................................................... 13
V - ADAPTATION DU DÉBIT COMPRESSEUR AU DÉBIT PROCÉDÉ ...................................... 15
1 - Réglage de débit par arrêt du compresseur ............................................................................... 152 - Réglage de débit par mise à vide de clapet ............................................................................... 153 - Réglage du débit par modification de l'espace mort .................................................................. 164 - Réglage de débit par retard à la fermeture des clapets d'aspiration .......................................... 17
VI - TECHNOLOGIE DES ÉLÉMENTS CONSTITUTIFS AUX COMPRESSEURSALTERNATIFS ........................................................................................................................ 18
„ 2007 ENSPM Formation Industrie - IFP Training
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I - PRÉSENTATION DES COMPRESSEURS ALTERNATIFS
Les différents compresseurs alternatifs se distinguent en première approche par leur forme extérieureessentiellement créée par la disposition des cylindres.
Quelques dispositions caractéristiques sont reprises ci-dessous.
Cylindre horizontal Cylindres en tandem
Cylindre en V à 90° Cylindres en équerre
VilebrequinBielle
CrosseTige Piston Cylindre BP
Cylindre BPCylindre BP(vertical)
Cylindre HP
Cylindre HP
Cylindre HP(horizontal)
Bielles articuléessur le mêmemaneton
D T
732
C
Ces machines peuvent être décomposées en sous-ensembles, tels que :
- la partie compression qui comprend le cylindre, le piston, les clapets et les systèmesd'étanchéité, segments et garniture. Le cylindre est dit à double effet lorsque le pistoncomprime sur les deux faces du piston. Il est alors actionné par la "tige de piston".
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2
ClapetPiston avecsegments
EntretoiseTige de piston
Garnitured'étanchéitéCylindre
Fond decylindre
D T
1461
A
D T
1460
ACylindre à simple effet Cylindre à double effet
Vilebrequin VilebrequinBielle Bielle
Coulisseauou
crosse TigeEffet
arrièrePistonPiston
Effet avant
Effet avant
- la partie mouvement
Elle permet la transformation de la rotation en mouvement alternatif grâce au système bielle-manivelle, sur les compresseurs à double effet ce dispositif est complété par un ensembleglissière-coulisseau permettant de conserver un mouvement rectiligne à la tige de piston.
Bati Glissière
Tige depiston
CoulisseauBielleManivelleou vilebrequin
D T
1459
A
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- les auxiliaires
On peut classer dans les auxiliaires les systèmes de lubrification du mouvement et des partiesen contact avec le gaz, les circuits d'eau, les ballons antipulsatoires et les divers systèmes desécurité ou de régulation.
II - PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT DES COMPRESSEURS ALTERNATIFS : CYCLE DECOMPRESSION
Le mécanisme de la compression dans un compresseur alternatif peut être décrit par un cycle qui représentel'évolution de la pression régnant dans le cylindre en fonction du volume offert au gaz.
On peut distinguer :
– un cycle "théorique" qui traduit une évolution isentropique (adiabatique-réversible) etune perfection des clapets
– un cycle "réel" tenant compte des imperfections de la machine et de la réfrigération descylindres
Toutefois, il apparaît nécessaire d'expliciter auparavant très brièvement le fonctionnement automatique dessoupapes d'aspiration et de refoulement.
1 - FONCTIONNEMENT DES SOUPAPES D'ASPIRATION ET DE REFOULEMENT
L'écoulement du gaz dans un compresseur à piston est assujetti à la présence de clapets anti-retour àl'aspiration et au refoulement de chaque effet. Ces clapets sont également appelés soupapes.
Toutes ces soupapes comportent :
– un (ou plusieurs) clapet susceptible d'être soulevé ou appliqué sur son siège solidairedu cylindre
– un (ou plusieurs) ressort s'appuyant sur le (ou les) clapet. Le sens d'action du ressortest tel qu'il tend toujours à plaquer le clapet sur son siège
– un système permettant de guider le clapet lors de son soulèvement
Les deux schémas ci-dessous présentent de manière simplifiée les éléments intervenant dans lefonctionnement d'une soupape d'aspiration.
PA
PC
FR
S1
Surface S2
Clapet
Action duressort
Action de lapression
d'aspiration
Action de lapression
du cylindre D T
440
A
Depuis brided'aspiration
Guidagedu clapet
PA
PC
Cylindre
Ressort
Clapet
Siège duclapet
Intérieurdu cylindre
D T
439
A
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Le clapet est soumis à l'action de trois forces :
– force due à l'action de la pression régnant dans le cylindre Pc sur la surface S2 duclapet
– force due à la pression d'aspiration PA sur la surface S1– force due à l'action du ressort (faible vis-à-vis des forces dues aux pressions)
Dans le cas de la soupape d'aspiration, on peut dire que son clapet reste appliqué sur le siège tantque l'action de la pression dans le cylindre est supérieure à celle de la pression régnant dans laconduite d'aspiration augmentée de la légère poussée du ressort.
La pression qui conditionne l'ouverture du clapet d'aspiration est :
Pc = PA • S1S2
– Pressort avec Pressort = FRS2
Pour une pression d'aspiration faible l'influence du ressort peut être sensible.
La pression d'ouverture est inférieure de 10 à 20 % à la pression d'aspiration. Dès l'ouverture du clapetle débit qui le traverse a pour effet :
– de réduire la différentielle de pression– de créer un effet de dépression sous le clapet dû à l'énergie cinétique
Le fonctionnement des soupapes de refoulement est similaire. Le clapet étant alors inversé parrapport à un clapet d'aspiration, il faut une pression dans le cylindre Pc bien plus élevée que lapression de refoulement pour le décoller du siège.
Pc = Pref x S2S1
+ Pressort
Dans ce cas l'influence du ressort sur la pression d'ouverture est totalement négligeable. Par contre lerapport des surfaces oblige pour l'ouverture du clapet à des surpressions importantes notamment pourdes pressions de refoulement élevées.
Les clapets ont une grande importance dans le coût d'exploitation d'un compresseur car ils influent surson rendement en absorbant une partie de l'énergie communiquée au compresseur, de 20 à 50 %.
2 - CYCLE THÉORIQUE
Le schéma ci-après présente, dans un diagramme pression-volume, le cycle théorique d'un effet d'uncompresseur alternatif.
Le piston se déplace entre deux points extrêmes :
– point mort bas (PMB) associé à un volume V1– point mort haut (PMH) associé à un volume mort VM évitant tout contact entre piston et
fond de cylindre
L'ouverture et la fermeture des soupapes sont automatiques et supposées immédiates dans le casd'un cycle théorique :
– point 2 : ouverture des soupapes de refoulement quand Pgaz = P2– point 3 : fermeture des soupapes de refoulement dès que Pgaz < P2– point 4 : ouverture des soupapes d'aspiration quand Pgaz = P1– point 1 : fermeture des soupapes d'aspiration dès que Pgaz > P1
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Le volume balayé par le piston ou volume engendré est :
VE = V1 – VM
Le volume aspiré par cycle est :
Vasp = V1 – V4
Compte tenu de la détente du gaz contenu dans le volume mort, le volume aspiré par cycle (V1 – V4)est plus petit que le volume balayé par le piston VE.
PA
VM VAVE
V1
PR
Pression du gazdans l'effet
3
4
1
2
Course du piston
Soupape derefoulement
Soupape ded'aspiration
PR
tR
PC
tC
PMH PMB
Effet étudié (schéma simplifié)
Piston
Volume offertau gaz
dans l'éffetPA
tA
D T
441
A
1 - 2 Compression2 - 3 Refoulement3 - 4 Détente du gaz de l'espace mort4 - 1 Aspiration
PA, tA : Pressionet températured'aspiration
PC, tC : Pressionet températuredu gaz dansle cylindre
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3 - INTERPRÉTATION DE L'ALLURE DU CYCLE THÉORIQUE
L'allure du cycle théorique donne des indications sur le débit de gaz aspiré ainsi que sur la puissancenécessaire à la compression.
a - Débit d'un compresseur alternatif
Par cycle, un effet aspire un débit égal à V1 – V4 exprimé dans les conditions de pression et detempérature qui règnent à l'aspiration (t1, P1).
Si un nombre d'effet ne, supposés identiques, débitent en même temps, le débit volume aspiré del'ensemble du compresseur s'exprime par :
Qvasp = (V1 – V4) • ne • N • 60avec N = vitesse de rotation en tr/minQvasp = débit volume à l'aspiration en m3/h
V1, V4 = volume en m3
avec V4 = V3 •
P3P4
1/k
soit V4 = VM • τ 1/k VM = volume mort
Qvasp = (V1 – VM • τ1/k) • ne • N • 60 V en m3
N en tr/min
Vaspire/cycle = V1 – VM τ1/k
Coefficient d'espace mort
Ce coefficient représente le rapport entre le volume mort VM et le volume engendré VE
E = VMVE
E ~– 0,15 : pour des petits compresseurs
E ~– 0,03 : pour de gros compresseurs
Coefficient volumétrique ou rendement volumétrique
Il représente le rapport entre le volume aspiré (V1 – V4) et le volume engendré (VE)
ηv = Vaspiré
Vengendré
La relation entre coefficient volumétrique et coefficient d'espace mort s'écrit :
ηv = 1 – E (τ1/k – 1)
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P2
P1
PMBPMHVolume
4 4'
3 2' 2
1'1
Cycle réel
Cycle théorique isentropique
Pressiondans le cylindre
D T
442
A
Imperfectionsdues aux soupapes
d'aspiration
Imperfectionsdues aux soupapes
de refoulement
Imperfectionsdues à l'effet de paroi
Ces imperfections conduisent à des déformations importantes du cycle comme présenté sur le schémaci-dessus.
III - PERFORMANCES RÉELLESCes imperfections conduisent à des déformations importantes du cycle comme présenté sur le schémaci-dessus.III - PERFORMANCES RÉELLES
Le fonctionnement réel d'un compresseur alternatif s'écarte sensiblement de l'évolution théoriqueisentropique.
Il est intéressant de pouvoir estimer :
– la température de refoulement réelle– la puissance consommée à l'accouplement de la machine
1 - TEMPÉRATURE DE REFOULEMENT RÉELLE
La température de refoulement s'écarte de celle calculée en isentropique par les effets d'une part deséchauffements dus :
– aux fuites par la segmentation et les clapets– aux frottements du gaz lors de son écoulement, notamment à travers les clapets
et d'autre part par le refroidissement des cylindres.
Dans le cas de gaz aspirés à leur tension de vapeur, on limite le refroidissement pour éviter de lacondensation sur le cylindre. Dans ce cas la température réelle de refoulement est proche de latempérature isentropique.
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En première approximation on pourra donc prendre :
t2réelle = t2isentropique
Par contre, dans les compresseurs où il n'y a pas risque de condensation du gaz contre les parois ducylindre, le refroidissement est généralement plus efficace. La température de refoulement réelle estinférieure de 5 à 10°C à la température isentropique (cas des compresseurs d'air). La puissance decompression s'en trouve également réduite.
2 - DÉBIT RÉEL
À cause des fuites internes à travers les clapets ou la segmentation mais aussi par les problèmes deretard à la fermeture ou à l'ouverture des clapets, le débit réel du compresseur est inférieur au débitthéorique.
Pour des machines en bon état de marche on peut estimer les pertes minimales :
– de 3 à 5 % pour les compresseurs lubrifiés– de 7 à 10 % pour les compresseurs non lubrifiés
Les fuites correspondent à des retours de gaz. Ce gaz a été comprimé, il s'est échauffé et a nécessitéune certaine consommation d'énergie.
L'influence de ces fuites affecte :
– le débit (débit réel < débit théorique)– la puissance car le débit "vu" par la machine est assez proche du débit théorique– la température de refoulement bien que celle-ci soit limitée par le refroidissement des
cylindres
3 - PUISSANCE CONSOMMÉE À L'ACCOUPLEMENT DE LA MACHINE
Par rapport à un fonctionnement théorique isentropique on constate sur un compresseur alternatif réelune augmentation du travail de compression et de la puissance requise.
La comparaison des aires des cycles réel et isentropique met en évidence cet accroissement de travaildû aux imperfections de la machine. Le travail réel de compression est parfois nommé travail indiqué.
On peut remarquer que le surplus de puissance est dû principalement aux clapets.
La qualité du fonctionnement d'un compresseur alternatif est traduite par un rendement indiqué parrapport à l'isentropique ηis défini comme suit :
ηis = Aire isentropique
Aire réelle = Travail isentropique
Travail indiqué = WisWi
Ce rendement peut être considéré avec une bonne précision comme indépendant de la nature du gazet des conditions d'aspiration. Par contre, il varie avec le taux de compression et la technologie ducompresseur, et, pour un compresseur en service, avec son état mécanique.
La valeur de ηis peut être obtenue :
– auprès du constructeur pour un compresseur non installé– en effectuant un relevé du diagramme réel pression-volume
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Il faut tenir compte aussi des pertes mécaniques dues :
– au fonctionnement de la partie mouvement– à l'entraînement des auxiliaires (pompe à huile, graisseurs)– au frottement des garnitures de tige de piston, des segments, ...
On définit alors le rendement mécanique ηm par :
ηm = Travail indiqué
Travail à l'accouplement = WiWa
On utilise parfois également un rendement global ηg permettant d'accéder directement au travail à
l'accouplement à partir du travail isentropique.
ηg = WisWa
= ηis • ηm
Ce rendement global peut être obtenu par calcul du travail isentropique et mesure sur le site le volumedu travail à l'accouplement (ou la puissance consommée).
On peut également constater que le rendement isentropique se dégrade pour des pressionsd'aspiration faibles.
Le tableau ci-après montre les coefficients correcteurs à appliquer au rendement global.
Pression d'aspiration bar abs.
τ 0,70 1,0 1,40 2,80 4,20 5,60 7,00 10,0
3,0 0,990 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00
2,5 0,980 0,985 0,990 0,995 1,00 1,00 1,00 1,00
2,0 0,960 0,965 0,970 0,980 0,990 1,00 1,00 1,00
1,5 0,890 0,900 0,920 0,940 0,960 0,980 0,990 1,00
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IV - ADAPTATION D'UN COMPRESSEUR ALTERNATIF AUX CONDITIONS DE SERVICE
Les conditions de service d'un compresseur alternatif donné peuvent se modifier durant l'exploitation de l'unitésur laquelle la machine travaille. Le compresseur doit s'adapter aux variations des conditions opératoires.
On s'intéresse en particulier dans ce qui suit au comportement d'un compresseur alternatif, notamment lavariation de son débit et de sa puissance lorsque l'on modifie :
– les pressions d'aspiration ou de refoulement– la température d'aspiration– la nature du gaz
1 - EFFET D'UNE VARIATION DE PRESSION
• Variation de la pression de refoulement
Pour un compresseur aspirant dans des conditions identiques le même gaz, toute modification de lapression de refoulement se traduit par une déformation du cycle telle que représentée ci-après :
PR"
PR
PR'
PA5
3' 2'
2
2"
6
3
3"
4' 4 4"1
Débit pour PR"Débit pour PRDébit pour PR'
Cycle relatif aux conditions de baseBaisse de la pression de refoulementAugmentation de la pression de refoulement
Volume offertau gaz
PMBPMH
Pression derefoulement
maxi
D T
2045
A
On remarque :
– qu'une baisse de la pression de refoulement entraîne une augmentation du débit volumeaspiré. A la limite, pour une pression de refoulement égale à la pression d'aspiration (τ= 1) le débit est maximum et égal au débit engendré
– qu'une augmentation de la pression de refoulement entraîne une baisse du débit volumeaspiré. A partir d'une certaine pression de refoulement le débit aspiré est nul
Le travail de compression et la puissance absorbée pour un compresseur alternatif à vitesse constanteévoluant comme l'aire de la surface intérieure du cycle, la courbe montrant l'évolution de la puissanceabsorbée en fonction de la pression de refoulement est représentée ci-après.
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Puissancemaxi
Puissance absorbée
Pression derefoulement
Puissance à vide
D T
2044
A
La puissance absorbée passe par un maximum, mais on peut noter que la plupart des compresseursfonctionnent à une pression de refoulement inférieure à celle correspondant au maximum depuissance. Dans ces conditions, une augmentation de la pression de refoulement s'accompagne d'uneaugmentation de la puissance absorbée.
• Variation de la pression d'aspiration
Les déformations du cycle associées à une variation de la pression d'aspiration montrent qu'unebaisse de pression s'accompagne d'une baisse du débit volume aspiré.
PR
P"A
P'A
PA
PMH PMB
1'
1
1"4"
4
4' Volumeoffert
au gaz
2"22'3'
Pressiondans le cylindre
Cycle relatif aux conditions de base
Baisse de la pression d'aspiration
Augmentation de la pression d'aspiration
D T
2047
A
Débit pour P'A
Débit pour PA
Débit pour P"A
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Il existe une pression d'aspiration minimale en-dessous de laquelle le débit devient nul. Dans le casd'une pompe à vide alternative refoulant à pression atmosphérique, ceci se traduit par une valeur duvide en-dessous de laquelle la machine ne peut descendre.
Une modification de la pression d'aspiration s'accompagne d'une variation de la masse volumique dugaz aspiré. Il en résulte que le débit masse aspiré par le compresseur est plus sensible aux variationsde la pression d'aspiration qu'à celles de la pression de refoulement.
La courbe qui donne l'évolution de la puissance en fonction de la pression d'aspiration a une alluresemblable à celle vue précédemment. Et l'on constate que dans le cas général, une baisse de lapression d'aspiration s'accompagne d'une augmentation de la puissance absorbée.
2 - EFFET D'UNE VARIATION DE LA TEMPÉRATURE D'ASPIRATION
La position du point 4 (fin de la détente) n'est influencée que par les pressions d'aspiration et derefoulement et par la nature du gaz. Le débit volume aspiré est donc indépendant de la températured'aspiration, dans la mesure où une variation de température d'aspiration ne modifie pas laréfrigération des cylindres.
Par contre, la température d'aspiration joue directement sur la masse volumique à l'aspiration ρA, et
donc une augmentation de la température d'aspiration provoque une baisse de débit masse véhiculépar le compresseur.
L'allure du cycle théorique n'étant pas modifiée, une variation de la température d'aspiration est sanseffet sur la puissance absorbée par un compresseur alternatif (si la réfrigération des cylindres n'est pasaffectée).
Bien évidemment, la température de refoulement varie avec la température d'aspiration, et touteaugmentation à l'aspiration s'accompagne d'une augmentation de la température de refoulement deplus grande amplitude.
3 - EFFET D'UNE VARIATION DE LA NATURE DU GAZ
On constate généralement dans le cas de compression d'hydrocarbures, dans l'industrie du raffinageet de la pétrochimie, qu'un allégement du gaz aspiré s'accompagne d'une légère augmentation ducoefficient isentropique k.
Le cycle théorique de compression est indépendant de la masse molaire du gaz mais une variation dek peut en modifier son allure.
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Une augmentation de la valeur de k se traduit par des courbes de compression et de détente plusverticales et modifie le cycle de la façon suivante :
Courbesde détente
Pression
3 2" 2 2'
Courbesde compression
14' 4 4"
PMH PMB
Volumeoffert
au gaz
PA
PR
Cas normal
k plus grand (allègement du gaz)
k plus faible (alourdissement du gaz)
D T
2048
A
Conséquences :
Un allégement du gaz (augmentation de k pour des hydrocarbures) s'accompagne :
– d'une légère augmentation du débit volume aspiré
– d'une augmentation de la puissance absorbée
– d'une élévation de la température de refoulement
En ce qui concerne la variation du débit masse, la conclusion n'est pas directe puisqu'on a en mêmetemps :
– une masse molaire réduite
– un débit volume aspiré plus important
Toutefois, il est constaté en pratique, que l'effet de la masse molaire l'emporte nettement et enconséquence, un allégement du gaz tend à réduire le débit masse.
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V - ADAPTATION DU DÉBIT COMPRESSEUR AU DÉBIT PROCÉDÉ
Le débit volume aspiré d'un compresseur alternatif est par conception relativement constant d'autant que lespressions d'aspiration et de refoulement varient généralement peu. Le procédé impose un débit variable maiscelui-ci ne peut être qu'inférieur ou égal à celui du compresseur.
Il existe toujours une possibilité de régulation du débit par une ligne de recyclage dans laquelle passe ladifférence entre le débit du compresseur et le débit procédé. Cette solution, externe à la machine, n'est pasénergétiquement intéressante. Elle est cependant très couramment associée à des technologies de variationde débit équipant les compresseurs afin que le débit de recyclage reste faible.
PR
QC
QP : débit du procédéQC : débit du compresseur
QP
D T
1464
A1 - RÉGLAGE DE DÉBIT PAR ARRÊT DU COMPRESSEUR
Pour de petites machines cette solution est couramment utilisée (petits compresseurs d'air comprimé,petits groupes frigorifiques, ...). La mise en route ou l'arrêt se font par pressostats réglés à deuxniveaux de pression. La plus petite pression étant au moins égale à la pression désirée sur la ligne, lacompression se fait toujours à un taux supérieur à celui requis par le procédé. Ceci conduit à unsurcoût énergétique pouvant être important.
2 - RÉGLAGE DE DÉBIT PAR MISE À VIDE DE CLAPET
Plutôt que d'arrêter la machine avec de nombreux démarrages et arrêts qui réduisent rapidement ladurée de vie de la machine et du moteur d'entraînement, il est possible de maintenir la machine enrotation mais sans débit.
Ceci est réalisé en maintenant les clapets d'aspiration ouverts grâce à un accessoire dit de "mise àvide" en général équipé d'un servomoteur pneumatique.
P asp.
Air comprimé
D T
1463
B
Lorsque tous les clapets d'aspiration sont mis à vide, iln'y a plus de débit par le refoulement.
Le compresseur a alors deux possibilités de débit :– le débit normal– le débit nul
Les problèmes énergétiques vus dans le casprécédent restent identiques.
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La mise à vide peut également se faire par effet lorsqu'il y en a plusieurs sur un même étage, ce quipermet un choix entre plusieurs débits.
D T
1462
A
Monocylindredouble effet
2 cylindres, mono étagedouble effet
100 %50 %
0 %
100 %75 %50 %25 %
0 %
Le fonctionnement du compresseur se fait alors :
– soit en imposant le débit de la machine en maintenant à vide le nombre d'effetsnécessaires et en recyclant le surdébit
– soit en régulant le débit (moyen) du compresseur en faisant fonctionner la machine à 2niveaux de débit correspondant chacune à des mises à vide différentes commandéespar des seuils de pression
Dans les deux cas l'optimum économique n'est pas atteint puisque dans le 1er cas une partie du gazcomprimé est recyclée et dans le 2ème cas la pression de refoulement est toujours supérieure à cellestrictement nécessaire au procédé.
3 - RÉGLAGE DU DÉBIT PAR MODIFICATION DE L'ESPACE MORT
Le débit d'un compresseur alternatif a été défini par :
Qvasp = (V1 – VM • τ1/k) • ne • N • 60
En modifiant VM, on constate que l'on modifie le débit aspiré. Pour un même volume mort, le débit
dépend de τ et dans une moindre mesure de k.
Pour des conditions de procédé fixées (gaz, taux de compression) et une vitesse de rotationconstante, il existe deux solutions pour modifier le débit du compresseur par variation de l'espacemort :
• Espace mort additionnel à volume fixe
Cette solution permet de donner deux débits à l'effet équipé de l'espace mortadditionnel.
Combiné à des espaces morts additionnels sur d'autres effets et à la mise à vide desclapets, il est possible d'avoir de nombreux étagements du débit avec cependant lesmêmes problèmes de non optimisation énergétique.
Ce système est très facilement automatisable, notamment par un servomoteur deconception proche (ou identique) à celui utilisé pour la mise à vide des clapets.
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• Espace mort à volume variable
Dans cette solution le volume de l'espace mort est variable de façon continue. A chaqueposition donnée correspond un débit, ce qui, en théorie, permet tous les débitspossibles et permet donc la meilleure optimisation possible.
En pratique il n'est pas économiquement intéressant de concevoir une régulation surl'espace mort à volume variable, notamment dû au coût d'un système de régulationautomatique. Seul le réglage manuel se rencontre en usine et il est alors indispensablede compléter cet équipement par une ligne de recyclage ou une mise à vide de clapet.
D T
1465
AEspace mortadditionnel à volume variable
(le piston se déplace progressivement)
Espace mortà volume fixe additionnel
(la vanne est ouverte ou fermée)
4 - RÉGLAGE DE DÉBIT PAR RETARD À LA FERMETURE DES CLAPETSD'ASPIRATION
Une solution de réglage continu du débit d'un effet consiste à refermer le clapet d'aspiration, non pasau point mort bas mais en cours de "compression". Dans ce cas une partie du gaz est retourné àl'aspiration lorsque le clapet d'aspiration se ferme, ce qui réduit le débit de l'effet.
Cette solution, très intéressante sur le plan énergétique, reste cependant coûteuse à l'installation etquelquefois à la maintenance. Deux solutions sont utilisées :
– une solution mécanique où une force modulée par la pression d'un signal pneumatique(par exemple 0,2 à 1 bar) tend à ouvrir le clapet et s'oppose à une force variableprovenant de l'effet de la pression du cylindre sur le clapet. Cette pression,correspondant à la perte de charge dans le clapet, augmente très rapidement enfonction de l'avance du piston dans le cylindre
– une solution électronique qui permet, grâce à des technologies modernes d'effectuerdes ouvertures et fermetures de clapet avec des temps de réponse très courts et unegrande précision
P asp.
Air modulé 0,2 à 1 bar
Pcylindre
P asp.
Pcylindre
D T
1463
A
Signal électro vanne rapide
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VI - TECHNOLOGIE DES ÉLÉMENTS CONSTITUTIFS AUX COMPRESSEURSALTERNATIFS
Segm
ents
Che
mis
e
Gar
nitu
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• Le cylindre et le piston
Le cylindre est conçu pour supporter la pression du gaz, assurer un refroidissement provenant de lacompression, permettre le passage des clapets, supporter le frottement du piston (ou des segments).
Le prix du cylindre conduit à rechercher une diminution de son usure (lubrification) et du coût de saréparation (chemises). Si la lubrification par l'huile n'est pas acceptable (problème de sécurité,pollution du gaz, ...) il est nécessaire d'utiliser des segments autolubrifiants (PTFE chargé ou carbone).
• Les segments d'étanchéité
Suivant la nature du gaz, la lubrification du cylindre ou non, les segments sont en fonte, en carbone,ou en plastique (PTFE chargé, Celeron, ...). L'usure des segments se traduit par une fuite de gaz d'uneffet à l'autre ou du cylindre dans le carter (simple effet). La conséquence en est une diminution dudébit du compresseur et une augmentation de la température de refoulement du gaz.
Segments d'étanchéité
Entretoise de piston
Segments porteurs(téflon)
Demi-pistonarrière Demi-piston
avantEcrou de blocage
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A• Les soupapes
Il en existe de nombreux types (disques, lamelles, anneaux, poppets, ...). Les clapets disques sontlargement les plus répandus en Europe. Ils sont constitués d'un siège sur lequel le clapet vients'appuyer, de ressort (à disque ou à boudin) pour assurer une légère pression du disque sur son siège,d'une plaque amortisseuse pour limiter le choc du disque lors de son ouverture et une rondelle dontl'épaisseur détermine la levée du clapet.
Les pannes des soupapes sont les causes essentielles des interventions mécaniques sur lescompresseurs alternatifs.
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Changer une soupape est une opération généralement facilitée par une conception adaptée mais quinécessite obligatoirement l'arrêt de la machine.
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Vue éclatée d'une soupape d'aspiration
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• Les étanchéités de tiges de piston par garniture
On les trouve sur les compresseurs à double effet. Les matériaux (PTFE, carbone, bronze et métalblanc) permettent de résoudre les problèmes essentiels.
Lorsque cela est possible, la garniture est lubrifiée. On peut trouver une conduite de dégazage (vers latorche) et éventuellement une réfrigération des cuvettes par un circuit d'eau. Un "saut de tige" excessifest souvent la cause essentielle de la détérioration de ces garnitures.
Coté cylindre Coté entretoise
Tirants d'assemblage
Graissage éventuel
Chapeau Cylindre
Lanternes
Anneaux d'étanchéité
Tige de piston
Dégazage
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Certaines garnitures reçoivent un gaz de barrage (N2 en général) dans une hauteur placée entre ledégazage et l’entretoise. Cette solution évite la présence du gaz comprimé d’aller dans l’entretoise.
• Le mouvement
Constitué par un vilebrequin, monté sur 2 patins (ou plus), par les bielles fixées d'un côté sur lesmanetons du vilebrequin et de l'autre sur l'axe du coulisseau (ou crosse), par un coulisseau sedéplaçant sur sa glissière, l'ensemble "Mouvement d'un compresseur" est un ensemble fiable. Unelubrification efficace ainsi qu'une bonne assise du bâti peuvent assurer un fonctionnement de trèslongue durée.
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• Les auxiliaires
Pour un fonctionnement correct le compresseur doit être équipé d'un certain nombre de circuitsauxiliaires :
– eau de refroidissement
– huile mouvement
– huile en contact avec le gaz
– sécurité, purges, ...
Eau de refroidissement
Elle sert à limiter la température du cylindre, des fonds de cylindre et éventuellement de la garniture.
Pour les compresseurs de gaz et afin d'éviter des risques de condensation dans le cylindre, latempérature de l'eau doit être supérieure à celle d'aspiration du gaz (API 617).
La qualité de l'eau est très importante pour la fiabilité de la machine.
Huile de mouvement
Un circuit d'huile classique avec pompe attelée et éventuellement pompe auxiliaire électrique, filtre,réfrigérant et régulateur de pression permet la lubrification des paliers, manetons, axes de coulisseauet glissières.
Une sécurité de pression basse est généralement prévue qui empêche le démarrage du compresseurou l'arrête.
Huile en contact avec le gaz
Un système de pompes multiples ou de distributeurs permet l'envoi d'une quantité d'huile déterminéesur chaque point à graisser : cylindre, garniture mécanique.
La nature de cette huile doit être choisie en fonction de la nature du gaz.
Autres circuits
– Circuit de dégazage vers la torche de la garniture et si elle existe de l'entretoise
– Circuit d'azote pour dégazer les entretoises
– Purge d'huile et de condensats
– Évent de la 2e entretoise vers l'atmosphère
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