Qualité de l'air comprimé - Recommandation Pneurop 6611 (1) - Cours de Mécanique des fluides avec Maxicours

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Qualité de l'air comprimé - Recommandation Pneurop 6611 (1)

L'air comprimé contient des impuretés comme :

  • des poussières,
  • des vapeurs,
  • des gaz,
  • de l'huile,
  • des micro-organismes.

Ces impuretés sont aspirées avec l'air ambiant par le compresseur.

Le type et la qualités des impuretés dépendent :

  • du lieu géographique,
  • de la saison,
  • de la température.

A cela s'ajoutent d'autres impuretés comme l'huile, la calamine et des particules provenant de l'usure du compresseur.

Cet air comprimé de qualité inconnue ne peut être utilisé que dans de rares applications. Il faut le traiter pour lui donner une qualité conforme à une application donnée.

La recommandation Pneurop 6611 de 1984 élaborée par le Comité européen des fabricants de compresseurs, pompes à vide et outils à air comprimé définit la qualité de l'air requise pour les différentes applications et les essais de qualité de l'air.

Cette recommandation contient des définitions claires et précises des systèmes d'unités, des degrés de qualité et des méthodes d'essai à employer.

1. Degrés de qualité

Les degrés de qualité à usage général se basent sur :

- particules solides ;

- teneur en huile ;

- point de rosée.

La figure suivante présente les tableaux de qualité.

Degrés de qualité pour l'air comprimé selon la recommandation Pneurop 6611/1984 :

Champs d'application :

Le tableau que présente la figure 2.2 établit les relations entre quelques champs d'application et les qualités recommandées dans Pneurop 6611.

Champs d'application et qualités recommandées dans Pneurop 6611 :

2. Teneur en eau de l'air comprimé

L'air atmosphérique, qui est un mélange d'environ 78 % d'azote, 21 % d'oxygène, d'argon, de dioxyde de carbone et d'autres gaz à l'état de traces, contient plus ou moins de vapeur d'eau, selon la température et l'humidité présente. La teneur en vapeur d'eau est appelée humidité relative de l'air et est exprimée en %.

La capacité d'absorption de vapeur d'eau par l'air est limitée. Lorsque cette limite est atteinte, on a de l'air saturé ou une humidité de 100 %. La vapeur d'eau excédentaire se condense une fois la limite de saturation atteinte et se dépose sous forme de brouillard ou de rosée. La limite de saturation est le point de rosée pour l'air atmosphérique.

Lorsque la température augmente, l'air absorbe une plus grande quantité de vapeur d'eau et la restitue sous forme de condensat lorsque la température diminue.

La relation entre la limite de saturation et la température s'applique aussi à l'air comprimé. L'air, qui est mis sous pression dans le compresseur, se réchauffe. Avec les compresseurs à vis, la température de l'air comprimé varie entre + 70 et + 80°C et, avec les compresseurs à piston, elle varie entre + 150 et + 160°C.

En raison de cet échauffement, l'eau contenue dans l'air y demeure sous forme de vapeur malgré la réduction de volume. Ce n'est que lors du refroidissement dans le refroidisseur postérieur et dans le réservoir sous pression que l'excédent de vapeur d'eau précipite sous forme de condensat lorsque l'on revient à une température inférieure à la température des conditions de saturation.

La condensation de la vapeur d'eau se poursuit dans tous les endroits où la température est inférieure à la limite de saturation. Ces conditions peuvent être réalisées à des points précis d'une installation pour provoquer la condensation de l'eau, la collecter et l'évacuer par un purgeur.

Dans les cas où le degré de sécheresse de l'air comprimé doit être supérieur, il faut utiliser un sécheur. Il est possible d'alimenter les appareils consommant de l'air comprimé par de petits sécheurs à absorption auto-régénérants qui sont installables juste avant ces appareils, comme un appareil de maintenance par exemple.

L'eau contenue dans l'air comprimé constitue un problème auquel on ne prête pas suffisamment attention :

- l'eau provoque la corrosion ;

- l'eau se combine à l'huile pour former des émulsions agressives ;

- l'eau fragmente les lubrifiants et les enlève par lavage. L'eau est une cause fréquente d'usure prématurée et de panne des appareils. La figure suivante présente la teneur d'eau suivant le point de rosée.

Tableau des teneurs d'eau maximale de l'air à différentes températures :

Exemple d'application :

Pour les applications pneumatiques dans l'industrie, dans des locaux à température ambiante, la classe de qualité 3 suffit normalement pour la teneur en eau de l'air comprimé. Cette classe correspond à un point de rosée de + 2°C avec une humidité résiduelle de 5,570 g/m3.

Par comparaison, l'air à + 20°C et d'une humidité de 100 %, correspond à un point de rosée de + 20°C avec une teneur en eau de 17,1489 g/m3.

Si l'on souhaite un point de rosée de + 2°C, il faut éliminer 11,578 g/m3 par séchage. Il est recommandé comme valeur indicative pour le choix du point de rosée une valeur inférieure de 10°C à la température ambiante minimale prévue.

Impuretés de l'air :

Le tableau que vous présente la figure suivante établit une échelle pour la taille des impuretés de l'air. Il précise le domaine de la technologie nécessaire pour obtenir le traitement de l'air à adapter en fonction de la situation.

Taille des impuretés de l'air, description et perception :

Sécheurs

L'air comprimé subit les effets de la température environnante tout au long de son parcours. L'humidité contenue dans l'air s'évapore ou se condense selon la hausse ou la baisse de température. Comme cette humidité détériore les composants pneumatiques, elle doit être éliminée le plus rapidement possible.

La fonction du sécheur est d'empêcher la condensation en abaissant le point de rosée pour éviter de graves dommages. Suivant l'utilisation de l'air comprimé le choix se porte sur la technologie de séchage par réfrigération, couramment employée ou par le procédé de séchage par adsorption.

Séchage par réfrigération

Si l'on abaisse la température de l'air et qu'on le fait circuler dans un bloc de réfrigération, l'eau se condense et peut être récupérée. C'est la technologie la plus employée si :

- la température ambiante du local reste supérieure à 10°C ;

- aucune tuyauterie n'est soumise à des températures inférieures à + 2°C le point de rosée sous pression est de + 2 à 4°C ;

- l'emploi de l'air comprimé ne demande pas de teneur en eau inférieure aux performances de l'appareil (process chimiques et pharmaceutiques…). L'air est de bonne qualité sans spécifications particulières. La figure suivante montre le principe du sécheur d'air par réfrigération : à une pression donnée, la teneur en eau dans l'air est directement liée à la température. Il suffit de baisser la température de l'air pour provoquer l'apparition de condensats et les éliminer.

Sécheur par réfrigération :

Séchage par adsorption :

C'est une technologie permettant de résoudre les problèmes ne pouvant-être solutionnés par la réfrigération.

Le point de rosée maximum est de - 70°C sous pression. Le principe de l'adsorption est un phénomène de surface qui s'appuie sur la propriété qu'ont certains corps poreux d'attirer et de retenir les molécules d'eau. Ce procédé, consiste à faire passer l'air comprimé à travers un agent de dessiccation qui en extrait l'humidité qui s'y trouve.

Il est possible de régénérer (désorption) sans difficulté le dessicant en insufflant de l'air chaud à travers celui-ci (les molécules d'eau se fixant en surface) : cet air chaud absorbe l'humidité et redonne au dessicant ses propriétés adsorbantes.

Pour que ce procédé soit efficace, on monte deux appareils en parallèle, comme le montre la figure suivante. Pendant que l'un traite l'air par adsorption, l'autre est régénéré par un courant d'air chaud. Ce circuit dit "de régénération" est très employé dans l'industrie. L'air "sec" s'utilise en régulation, instrumentation et process particulier.

Sécheur par adsorption :

La figure suivante présente une installation de circuits pneumatiques avec sécheur par adsorption et sécheur par réfrigération.

Circuits pneumatiques avec traitement de l'air comprimé :

 3. Distribution de l'air comprimé

Il convient de ne jamais négliger la distribution de l'air comprimé du producteur au consommateur, car on peut réaliser dans ce domaine des économies par un choix convenable des appareils et des matériaux. Des frais supplémentaires sur une installation neuve peuvent être amortis grâce à des dépenses d'entretien moindres, à une meilleure étanchéité, ce qui réduit les pertes par fuites, ainsi qu'à une longévité accrue.

Il est recommandé de brancher un réservoir tampon directement en aval du compresseur, afin de compenser les à-coups de pression provenant du compresseur. Ce réservoir sert par ailleurs d'accumulateur pour l'ensemble du réseau et contribue au refroidissement de l'air comprimé, ce qui permet une première séparation de condensat.

Les réservoirs d'air comprimé servent à compenser les variations de pression dans un réseau, ce qui garantit à tous les utilisateurs une pression de fonctionnement uniformément élevée dans toute la mesure du possible.

La figure suivante présente le schéma d'une installation de distribution d'air comprimé avec conduite de dérivation. Le montage d'un accumulateur intermédiaire ou d'un réservoir dans une installation pneumatique est fonction des utilisateurs et ne sera nécessaire qu'en cas de prélèvement de grosses quantités d'air en un temps très bref (prélèvements par à-coups périodiques).

Schéma d'une installation de distribution d'air avec accumulateur :

4. Installation de distribution d'air

Nota : Le réseau et les lignes de distribution doivent être suffisamment dimensionnés, pour éviter les chutes de pression excessives dans des conditions de débit maximales. De plus, les lignes doivent être installées avec le moins de restrictions possibles et en évitant au maximum les coudes brusques afin de maintenir le coût de l'air comprimé au plus bas.

Il est recommandé d'incliner la ligne principale de distribution dans le sens d'écoulement de l'air, pour que la gravité favorise l'entraînement de l'eau condensée vers les purges situées en points bas, qui sont à disposer à intervalles réguliers.

En ces points, la purge doit être effectuée régulièrement car une saturation réintroduirait l'eau condensée dans le circuit principal. Il est conseillé d'implanter une purge automatique, ce qui diminue de beaucoup de temps de maintenance nécessaire. Pour éviter l'introduction des émulsions d'huile et d'eau, dans les équipements, les prises d'air doivent être effectuées à la partie supérieure de la canalisation principale en pratiquant des courbes de tuyauteries de grand rayon. Les tuyauteries et les différents accessoires de ligne doivent être largement dimensionnés en fonction des débits calculés.

Rappel :

• Les compresseurs doivent être installés dans un local bien ventilé.

• Les réservoirs d'air doivent être placés dans un endroit frais. Ils doivent être équipés de purge automatique pour évacuer les condensats.

• La qualité de l'air peut être largement améliorer par l'implantation de systèmes d'asséchage placés en aval du compresseur.

La figure a) suivante vous montre le schéma d'une installation de distribution d'air sans accumulateur, la mise en œuvre des règles de dérivation et des exemples de raccordements d'outillages, le réseau général d'une installation, vous est présenté par la figure b) suivante.

Schéma d'une installation de distribution d'air et d'un réseau :

5. Composants pour traitement de l'air comprimé

La sécurité de fonctionnement et la longévité d'une installation pneumatique dépendent pour beaucoup du conditionnement de l'air comprimé.

Des impuretés contenues dans l'air comprimé telles que calamine, rouille et poussières, ainsi que l'humidité peuvent provoquer des dommages importants dans les installations pneumatiques. Ces impuretés accélèrent l'usure des surfaces de glissement et des éléments d'étanchéité. Tout cela nuit au fonctionnement et à la longévité des composants pneumatiques.

La mise en marche et l'arrêt des compresseurs provoquent des variations de pression, qui ont une influence défavorable sur le fonctionnement de l'installation.

Pour éviter ce problème, il est nécessaire d'utiliser des appareils de conditionnement de l'air comprimé dans chaque commande pneumatique.

Fonction

Les filtres à air comprimé débarrassent l'air du réseau des particules solides et des gouttelettes d'humidité qu'il contient. Les particules de taille supérieure à 40 µm (selon le filtre utilisé) sont retenues par un filtre fritté. Les liquides sont séparés par un dispositif spécial dans la cuve du filtre. Le condensat qui se rassemble dans la cuve du filtre est vidangé de temps en temps, car il pourrait sinon être entraîné par le flux d'air.

Divers secteurs industriels ont souvent besoin d'air filtré le plus finement possible : la chimie, la pharmacie, les techniques de procédés, l'industrie alimentaire. On utilise alors des filtres ultra-fins (sub-micronique).

Les filtres ultra-fins nettoient l'air de commande des plus petites gouttelettes d'eau et d'huile, ainsi que des particules solides. L'air est filtré à 99,999 % (rapporté à une taille de 0,01 micron).

Le régulateur maintient pratiquement constante la pression de travail (côté secondaire), indépendamment des fluctuations de pression sur le réseau (côté primaire) et de la consommation d'air. La pression d'entrée du régulateur doit toujours être supérieure à la pression de travail.

Le lubrificateur d'air comprimé a pour rôle d'assurer une alimentation suffisante des éléments pneumatiques en lubrifiant. L'huile est aspirée dans le réservoir et est dispersée en fines gouttelettes par le courant d'air. Le lubrificateur ne commence à fonctionner que lorsque le courant d'air est suffisamment important.

Lorsqu'on utilise des éléments ou des capteurs basse pression, il faut prévoir une filtration ultra-fine en amont et en aval. Il faut éviter ici d'enrichir l'air en huile, car cela pourrait entraîner des incidents de fonctionnement.

Équipement de traitement de l'air comprimé

La figure suivante présente un groupe de conditionnement d'air. Les composants, associés assurent le bon traitement de l'air par la filtration, la régulation et lubrification (suivant cas spécifiques).

Groupe de conditionnement d'air :

 

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