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Utilisations de l'air comprimé


Dans les installations industrielles, l'air comprimé est une utilité, au même titre que l'électricité, la vapeur, le gaz combustible, .... Il est souvent distribué sur les ateliers utilisateurs par un réseau de tuyauteries. Il est fréquent de distinguer deux types de réseau d'air:

- Air service:
Pour entraîner des moteurs pneumatiques, des machines de manutention ou de convoyage.
La pression est élevée: 7 à 8 bars
L'air n'est pas séché ou seulement par refroidissement. Par temps froid, de l'eau de condensation peut se former dans les tuyauteries. Les utilisations de ce type d'air ne doivent pas être sensibles à cette eau liquide.
- Air instrument:

Pour actionner des vannes de régulation essentiellement, ou bien pour le convoyage pneumatique de produits craignant l'humidité.
La pression est généralement de 4 à 5 bars.
L'air est séché par osmose sur membrane ou par absorption. La qualité du séchage est exprimée par le point de rosée de l'air (la température à laquelle de l'eau liquide commence à se former).

L'air comprimé est souvent utilisé comme source d'énergie. On lui trouve les avantages suivants:
 - l'air comprimé peut être stocké de manière centralisée, ou localement même sur des lieux non déservis par le réseau (stockage en bouteilles, cylindres)
 - l'air comprimé peut entraîner des machines dans des environnements où une d'explosion due à une étincelle électrique est redoutée
 - les machines entrainées par l'air comprimé peuvent être utilisées dans des conditions extrêmes de températures, ou d'empoussièrement.
 - les moteurs à air comprimé sont généralement plus légers que les moteurs électriques de même puissance et sont donc plus maniables

Transports pneumatique

L'air comprimé est utilisé dans les transports pneumatiques en phase dense, continue ou pulsée.
Il autorise des pertes de charge élevées dans le circuit de transport, mais sa consommation par tonne de produit transporté doit rester faible en raison de son coût élevé.
La consommation varie selon les matières transportées; elle augmente avec la masse volumique et la taille des particules transportées.

Caractéristiques principales Applications typiques
Transport en phase dense continue
granulométrie: 10µm - 1mm
vitesses [m/s]:
du produit: 3 à 15
de l'air: 5 à 20
solide/air [kg/kg]: 15 à 30
Ciment, calcaire broyé, cendres volantes, bentonite, chaux vive, hydroxyde de calcium, absorbants, poudre, acide téréphtalique, craie
Transport en phase dense pulsée
granulo: 1mm - 10mm
vitesses [m/s]:
du produit: 0,5 à 1
de l'air: 1 à 15
solide/air [kg/kg]: 30 à 80
Sables, granulés, cendres, noix, petits pois, haricots, HOK, pilules, cachets, café en grains

Outillage pneumatique

Quelques consommations d'outillages pneumatiques typiques:Marteau piqueur: 6 Nm3/h par kg de poids
Visseuse: 25 Nm3/h
Pistolet à peinture: 14 Nm3/h
Sableuse: 35 Nm3/h
Lapidaire (600w): 35 Nm3/h
Pompe à membrane: 10 Nm3 par m3 de liquide pompé

Actionneur de vanne

ServomoteurLes vannes de réglage ou d'arrêt des installations de procédé sont souvent automatisées. Elles sont actionnées par un servo moteur. Il peut être électrique, ou bien à fluide moteur, pneumatique ou hydraulique.
Il est:
 - à simple effet si le fluide moteur n'agit que dans un seul sens, un ressort agissant en sens inverse
 - à double effet si le fluide moteur agit dans les deux sens
Il peut être choisi pour:
 - fermer la vanne par manque de fluide moteur (le ressort agira pour fermer la vanne)
 - ouvrir la vanne par manque de fluide moteur (le ressort agira pour ouvrir la vanne)
 - maintenir la vanne en position par manque de fluide moteur

Si le servo-moteur est à simple effet, la position précise de la vanne de réglage est définie par la pression de l'air agissant sur la membrane. Cette pression est ajustée par le positionneur.

Conditions de fourniture

Il est fréquent qu'un échange d'informations soit nécessaire entre un utilisateur et un fournisseur d'air comprimé. L'utilisateur qui peut être le concepteur ou l'exploitant d'un atelier doit exprimer son besoin, tandis que le fournisseur qui peut être un fournisseur d'équipement doit exprimer la capacité de son installation.
L'air comprimé est d'abord produit par un compresseur. Quel que soit sa technologie, il existe une relation entre le débit d'air produit et la pression à laquelle il est produit. Sans surprise, plus la pression est basse, plus la capacité du compresseur sera grande.
La capacité du compresseur est habituellement exprimée en débit volumique dans les conditions standard de température, de pression et sans humidité (Nm3/h: débit volumique à 0 ou 15°C, 1013 hPa, 0%HR)
Si la production d'air comprimé est centralisée et l'air distribué par un réseau, l'utilisateur devra obtenir les conditions de fourniture en limite d'atelier. Si l'utilisation est intermitente, avec de grandes fluctuations de débits, il sera utile de définir plusieurs conditions de fourniture pour différents cas de fonctionnement.
Si la production d'air comprimé est dédiée à un usage particulier, les conditions de fourniture seront définies au refoulement du générateur.
Pour éviter de dimensionner le compresseur pour satisfaire une pointe de consommation de courte durée, un ballon de stockage tampon peut être envisagé.

Réseau de distribution

Pour distribuer l'air comprimé en plusieurs points d'une installation, la réalisation d'un réseau de tuyauteries est nécessaire. Il devra permettre l'acheminement du débit voulu avec le minimum de perte de pression.
Il faut faire un choix de:
 - cheminement
 - diamètre de tuyauteries
 - matériau de construction

Organisation du réseau

Le réseau peut être organisé
en "peigne"
un collecteur principal sur lequel sont raccordées des antennes achemine l'air depuis le générateur jusqu'au point d'utilisation le plus éloigné. C'est le plus simple à réaliser, mais nécessitera des diamètres plus importants que les autres configurations. Il est à craindre que le point le plus éloigné soit le plus mal désservi en débit et en pression. En cas de maintenance ou de modification il ne sera pas toujours possible d'isoler une portion du réseau.
en "boucle"
le collecteur principal couvre l'aire d'utlisation en formant une boucle dont les deux extrémités sont raccordées au générateur. Le débit se partage entre les deux branches, et le point le plus éloigné peut être alimenté simultanément par les deux. Cette configuration sera toujours préférée au réseau en peigne car elle assure un meilleur approvisionnement des consommateurs les plus éloignés. Les diamètres de tuyauteries, collecteur et antennes, sera plus faible.
"maillé"
similaire au réseau en boucle, il le complète par des liaisons transversales. Il permet une grande fiabilité d'alimentation des points utilisateurs au moyen de tuyauteries de diamètre réduit. L'isolement de portions du réseau tout en maintenant l'alimentation des autres portions est facilité.
Dans tous les cas, le cheminement doit être choisi pour minimiser la perte de pression en ligne en minimisant les longueurs de tuyauterie et le nombre de coudes.

Diamètres de tuyauterie

L'écoulement de l'air dans la tuyauterie et les accessoires génère inévitablement une perte de pression. Celle-ci est due aux frottements et turbulences contre la paroi du tube et dans les changements de direction, les restrictions, .... Cette perte de pression dépend de la longueur des tubes, de la vitesse de l'air et du nombre de coudes et d'accessoires.
L'effet des coudes peut être converti en longueur droite équivalente de tuyauterie de même diamètre, s'ajoutant à la longueur droite réelle. La longueur droite équivalente dépend du diamètre; elle est souvent exprimée en nombre de diamètre; ainsi un coude à 90° est équivalent à une longueur droite de 20D (20 fois le diamètre); en diamètre 20mm, la longueur droite équivalente sera de 20×20mm = 400mm soit 0,4m.
Le tableau ci-dessous donne les équivalences en longueurs de tuyauterie des principaux accessoires:
manchon coude
à 90°
coude
à 45°

en ligne
Té vers
dérivation
8D 20D 10D 7D 40D

réduction courbe
à 90°
courbe
à 180°
vanne
papillon
vanne
à boule
30D 7D 20D 45D 25D

Le tableau ci-dessous indique le diamètre de tuyauterie à adopter pour limiter la perte de pression à 5% (0,4 bar) d'un écoulement d'air à 8 bars. Le débit d'air est exprimé en Nm3/h (Normo m3/h).

Diamètre de tuyauterie [mm] pour perte de pression <5%
Débit d'air
à 8 bars
[Nm3/h]
Longueur équivalente de canalisation
[m]
50 100 300 750 1500
50 20 20 25 32 40
100 25 25 32 40 50
200 32 40 50 50 63
500 50 50 63 80 80
1000 63 63 80
2000 80 80

Matériau de construction

Les tuyauteries du réseau seront en matériau rigide et résistant à la corrosion par l'humidité pouvant se condenser. L'acier carbone sera évité car trop sensible à cette corrosion. Les matériaux usuels sont:
 - l'acier galvanisé
 - l'acier inoxydable
 - l'aluminium
 - le PVC

Le PVC est limité dans son usage par:
 - une température de service entre -20°C et +50°C
 - une pression de service inférieure à 10 bars
 - sa résistance à l'huile utilisée pour lubrifier le compresseur
 - sa sensibilité au rayonnement ultra-violet qui oblige à le protéger du rayonnement solaire


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