Production Air Comprime

La production et la distribution de l’air comprimé PRODUCTION ET DISTRIBUTION DE L’AIR COMPRIME Introduction Les performances sans cesse améliorées des Systèmes Automatisés de Production (SAP) doivent beaucoup aux Transmissions Oléo-hydrauliques et Pneumatiques. Le domaine couvert est vaste, tous les secteurs d’activité sont concernés : automobile, aéronautique, aérospatiale, marine, trains et métros sur rail, et divers autres moyens de transport ; électrotechnique et électronique ; industries agro-alimentaires ; industries pétrolière, chimique et pharmaceutique ; génie civil, bâtiments et travaux publics ; industrie mécanique, machines-outils, assemblage, manutention ; spectacle, théâtre, manèges forains ; médecine, équipements de dentisterie, équipements hospitaliers…

Hydraulique et pneumatique ont des champs d’application qui diffèrent par les propriétés du fluide sous pression qu’elles utilisent : un liquide pratiquement incompressible pour l’hydraulique, un gaz très compressible pour la pneumatique. C’est pourquoi ces deux techniques font l’objet d’études séparées. L’emploi de l’énergie pneumatique permet de réaliser des automatismes avec des composants simples et robustes, notamment dans les milieux hostiles : hautes températures, milieux déflagrants, milieux humides… Généralités sur l'air La terre est enveloppée d'une couche d'air appelée atmosphère. Sa composition en volume est de : -

78 % d'azote 21 % d'oxygène 1 % de gaz divers (hydrogène, gaz rares)

Ses caractéristiques : -

masse spécifique : 1.293 kj/m3 volume spécifique : 0.773 m /kg (0° C. et 760 mm Hg) température de liquéfaction : entre -183° et -196° C.

1

La production et la distribution de l’air comprimé Où trouve-t-on l’énergie pneumatique ? On trouve l’énergie pneumatique essentiellement dans la chaîne d’action d’un Système Automatisé de Production. Le fluide pneumatique Le fluide pneumatique le plus couramment utilisé est de l’air dont la pression usuelle d’emploi est comprise entre 3 et 8 bars (soit 3.105 à 8.105 pascals, l’unité de pression du système international SI). Dans certains cas, on peut utiliser de l’azote. L’air comprimé est utilisé comme fluide énergétique pour alimenter des actionneurs (vérins et moteurs pneumatiques). Il peut aussi intervenir dans une chaîne de contrôle ou de mesure. De plus, il peut être en contact direct avec le produit dans un processus de fabrication ou avec les utilisateurs avec des risques possibles de contamination et d’intoxication. Les différentes énergies de puissance Pneumatique Hydraulique Electrique Compresseur Compresseur Réseau 1 par Production EDF 1 par atelier système Tubes flexibles (pertes de charge selon Câbles, fils Liaison distance et forme) 0,3 à 0,5 0,7 à 0,9 0,9 Rendement Pneumatique contre Hydraulique Hydraulique : Pression jusque 300 bars - Force supérieure à 50 000 N. - Positionnement intermédiaire et précis des vérins. - Vitesse d’avance régulière (car l’huile est incompressible). Pneumatique : Pression jusque 10 bars - Force inférieure à 50 000 N. - Installation peu coûteuse (production centralisée de l’air comprimé) - Transport du fluide plus simple et beaucoup plus rapide (maxi de 15 à 50 m/s contre 3m/s pour l’hydraulique) Pneumatique contre électrique Quand on est face à l’alternative, les actionneurs pneumatiques seront préférés aux actionneurs électriques : -

Si les temps de réponse ne sont pas critiques (10 à 20 ms minimum) Pour des machines séquentielles simples. Dans les milieux « hostiles » (hautes températures, milieux déflagrants ou humides, …) Pour leur faible coût d’entretien. Qualification minimale requise pour la maintenance. 2

La production et la distribution de l’air comprimé Notion de mécanique des fluides Notion de pression L'air qui nous entoure a une certaine pression qui varie suivant la hauteur où nous sommes par rapport au niveau de la mer. La pression dans le secteur industriel s'exprime en bar ( 1 bar = 105 Pascals), elle est le résultat d'une force en daN s'appliquant sur une surface en cm2. p

La pression absolue a pour origine le vide parfait, la couche d'air qui nous entoure exerce sur nous une pression effective qui équilibre une colonne de mercure de 76 mm à 0°C., soit 76 x 13.6 = 1033 millibar. La pression effective a pour origine la pression d'une atmosphère.

Pression absolue

Pression De service Pression atmosphérique

Chute de pression, perte de charge Lorsqu'un fluide circule dans une conduite, il se produit un frottement qui a pour conséquence une diminution de pression. Cette chute de pression est fonction de nombreux facteurs, à citer : -

la longueur, le diamètre des canalisations, la rugosité des parois, la vitesse du fluide, la traversée d'un appareil...

Ces chutes de pression sont appelées pertes de charge.

Loi de Boyle-Mariotte A température constante, le produit du volume par la pression absolue d'une certaine masse de gaz parfait est une constante : P1*V1 = P2*V2 = Cte Cette loi ne s'applique pas directement à l'air car ce n'est pas un gaz parfait mais elle suffit bien souvent pour les calculs usuels. Loi de Gay-Lussac A pression constante, le volume occupé par une certaine masse varie proportionnellement à la température absolue V1/V2 = T1/T2 = K*T (T en degrés Kelvin)

3

La production et la distribution de l’air comprimé Le débit Le débit est, avec la pression, l'autre grandeur fondamentale de la pneumatique. Il représente la quantité d'air comprimé qui s'écoule au travers d'une section par unité de temps. Il s'exprime en 1/s, 1/min, m3/min, m3/h à la valeur ramenée en air détendu, aux conditions de l'atmosphère normal de référence : N FE 48-100, ISO R554, R558 (+ 20°C., 65% humidité relative, 1013 mmbar). Dans la pratique, les constructeurs de compresseurs expriment généralement les performances de leurs matériels en débit de l'air à la pression relative de sortie. Pour passer d'une unité à l'autre, il faut utiliser la formule suivante : Qv (1/min) = Qv relatif (1/min) x (Pr + P atm) (bar) Analyse de l'influence d'un composant sur une tuyauterie Dès qu'il est en position ouverte et soumis à une pression d'alimentation P, le composant assure un débit D qui produit une chute de pression à sa sortie. La différence de pression mesurée entre l'orifice d'entrée et l'orifice de sortie est appelée perte de charge et désignée par P. Pour définir rapidement les valeurs de perte de charge en fonction du débit et de la pression, il faut prendre en compte le fait que l'air est un fluide compressible et que de nombreux paramètres interviennent de façon complexe. Dans la pratique, pour disposer de valeurs simples, exploitables, permettant d'effectuer des calculs et de comparer les performances des composants, l'ensemble des pneumaticiens utilisent un facteur d'écoulement ou coefficient de débit appelé KV. Ce coefficient expérimental, établi sur un circuit d'eau, correspond, pur chaque appareil, à une valeur du débit en litres d'eau par minute qui traverse le composant avec une perte de charge de 1bar, à passage totalement ouvert. Le coefficient de débit KV correspond à un coefficient de conductance; En effet, plus sa valeur est élevée, meilleur est le débit assuré par le composant. Cette notion sera reprise lors de la détermination d’un distributeur. Production de l’air comprimé Elle est assurée par un compresseur, animé par un moteur électrique. Ce compresseur intégré est constitué d’un filtre, du système de compression de l’air, d’un refroidisseurassècheur et d’un dernier filtre. La pression de sortie est de l’ordre de 10 bars. Un réservoir permet de réguler la consommation.

Conduite de distribution

Compresseur intégré SW 10bar P

Filtre

Compresseur

Vanne d’isolement Réservoir d’air Vanne de purge

M

4

Refroidisseur

Filtre

Air comprimé

Soupape de sécurité

Air ambiant

manomètre

La production et la distribution de l’air comprimé Pourquoi purifier l’air ? L’air souillé peut causer des problèmes ou des dégâts dans le réseau d’air comprimé. Un air pur garanti le bon fonctionnement des composants connectés, tels les distributeurs et les vérins. La fiabilité d’une installation pneumatique dépend de la qualité de l’air comprimé. Qui sont les pollueurs ? Les pollueurs sont essentiellement : -

-

-

les particules solides (poussière, suie, produits d’abrasion et de corrosion, …) que l’on peut classifier en fonction de leur taille (grosses > 10 µm, petites de 1 à 10 µm et très fines <1µm) ; l’eau : lors du refroidissement de l’air comprimé, il se forme une quantité importante de condensation. Si l’air n’est pas asséché, la corrosion s’installe et endommage les composants ; l’huile : une concentration d’huile peut boucher les parties pneumatiques sensibles et emporter ou endommager les couches grasses de protection.

Distribution de l’air comprimé L'air comprimé produit par la centrale doit être amené à pied d' œuvre au moyen d'un réseau de distribution judicieusement établi. La distribution d’énergie pneumatique se fait par canalisations rigides reliées par des cols de cygnes pour éviter de recevoir des impuretés ou de l’eau pouvant séjourner dans les conduites

5

La production et la distribution de l’air comprimé Pour supprimer ces impuretés ou ces eaux stagnantes, il y a des purgeurs au point bas de chaque raccordement, et les canalisations ont une légère pente.

Règles principales à prendre en compte lors de l’installation d'un circuit d'air comprimé

-

Concevoir un réseau évolutif capable d'extension ou de branchements nouveaux et donc prévoir une canalisation largement dimensionnée. Adopter la conduite principale en boucle fermée permettant d'obtenir une égalité des pressions à l'utilisation. Réaliser des circuits fermés par type d'atelier ou par niveau de pression. Eviter d'enterrer les canalisations. Rechercher le nombre minimal de restrictions brusques, obstacles à la circulation de l'air et créant des pertes de charge. Utiliser une robinetterie et des outillages parfaitement étanches afin de réduire au maximum les risques de fuite et les pertes de puissance.

6