Consommation d’énergie des compresseurs d’air influencée par l’efficacité de trois filtres

Par Scott Galloway, responsable Ventes mondiales, Donaldson Company, Inc.

L’air comprimé est une source d’énergie clé pour les sites industriels. L’air comprimé, souvent appelé le « quatrième fluide » après l’eau, l’électricité et le gaz, permet de faire fonctionner les machines, d’acheminer des matériaux, d’alimenter en pression les systèmes hydrauliques, et peut servir pour une multitude d’autres utilisations.

Tout ceci requiert de l’énergie. En moyenne, la production d’air comprimé représente de 10 à 30 % de la facture d’électricité d’une usine, selon les données du département de l’Énergie des États-Unis¹. Étant donné les répercussions importantes en matière de coûts, les responsables d’usine souhaitent réduire la consommation d’énergie de leurs compresseurs, et les fabricants de compresseurs redoublent d’efforts pour concevoir des équipements les plus efficaces possible. De plus, partout dans le monde, les gouvernements votent des lois renforçant les exigences en matière d’efficacité pour les équipements à air comprimé (voir barre latérale).

Le système de filtration d’un compresseur peut avoir une influence énorme sur l’efficacité du système. Une production à bas coût d’air comprimé exige un fonctionnement harmonieux entre trois filtres, permettant ainsi la filtration des particules et la séparation du brouillard d’huile du flux d’air sans pour autant gêner trop fortement la circulation de l’air à travers le système. L’efficacité d’un filtre dans un emplacement a des répercussions directes sur la performance des deux autres. La mise en place de technologies de filtration de pointe à travers l’ensemble du système permet aux fabricants de compresseurs de faciliter les économies d’énergie et d’aider à économiser les lubrifiants nécessaires aux équipements.

Voici une présentation du rôle de chaque filtre d’un compresseur et des technologies qui peuvent aider à optimiser les performances du système.

L’écosystème de filtration : vue d’ensemble

Technologie la plus souvent utilisée dans le milieu industriel, le compresseur d’air à vis lubrifié à l’huile sous pression possède trois composants filtrants principaux : un filtre d'air d’admission, un filtre d'huile ou à lubrifiant et un séparateur huile/air, comme illustré sur la figure 1. 

Une filtration d’air d’admission améliorée permet également de rallonger la durée de vie des composants de filtration en aval : le filtre à lubrifiant et le séparateur huile/air. Le premier facteur limitant la durée de vie du filtre à lubrifiant et du séparateur huile/air est la contamination par des poussières et autres particules. En empêchant les particules de pénétrer dans le flux d’air, ces autres filtres peuvent fonctionner plus longtemps et plus efficacement. En réduisant la contamination en aval et les restrictions qui en découlent sur le SHA et le filtre à lubrifiant, le compresseur aura besoin de moins d’énergie pour fournir un volume donné d’air comprimé, ce qui permet de diminuer son coût global d’exploitation.

Les images agrandies de la figure 7 permettent de voir un exemple de média SHA bouché. Dans le cas d’un média SHA propre, 100 % de la surface est disponible pour la capture. Dans le cas d’un média chargé en particules, la surface disponible pour la capture est moindre et le SHA perd en efficacité.

Comment les composants de l’écosystème fonctionnent entre eux

Il est possible de constater les répercussions que les éléments filtrants ont les uns sur les autres en observant l’effet des filtres à air sur la durée de vie des séparateurs huile/air. Comme le montre la figure 13, les filtres à air Ultra-Web entraînent une augmentation plus lente de la restriction sur les séparateurs huile/air comparativement à des filtres à air avec média en cellulose. Dans l’un des cas, cela a permis d’augmenter de plus du double la durée de vie du séparateur huile/air et, dans un autre, a permis de la rallonger d’environ 65 %. Ces résultats ont été obtenus sur deux compresseurs 600 hp (608 ch) distincts, utilisés dans une usine textile de la Caroline du Nord. Donaldson a effectué une comparaison sur des machines dont la maintenance venait juste d’être réalisée, en utilisant les équipements d’origine en cellulose (lignes en rouge). Ensuite, une nouvelle maintenance a été réalisée, l’huile et le SHA changés et les filtres à air remplacés par des versions Ultra-Web, puis on a refait les tests. Les résultats (lignes en bleu) ont indiqué une durée de vie allongée des SHA pour ces compresseurs. 

Au bout du compte, la chute de pression prive les compresseurs de leur efficacité. Une même quantité d’électricité génère moins d’air comprimé dès lors que des chutes de pression apparaissent. La règle empirique élémentaire stipule qu’une chute de pression de 1 psi (0,07 bar) prive globalement le compresseur de 0,5 % de puissance au frein, comme l’illustré la figure 14. Par exemple, dans certains cas, une chute de pression de 3 pi (0,21 bar) seulement sur un séparateur huile/air dans un équipement de 200 hp (203 ch) peut entraîner 1 460 $ de dépenses supplémentaires par an. 

Séparation huile/air

Règle empirique :

1 psi (0,07 bar) ΔP = 0,5 % hp (0,5 % ch)

Conclusion

Si l’on applique l’approche écosystème aux compresseurs, on constate que le système est aussi performant que l’est son « maillon faible ». Si des concessions sont faites sur l’un des éléments filtrants, cela peut influencer négativement les autres éléments, et par conséquent, le système entier. Les huiles pour compresseurs étant fabriquées avec soin et plus onéreuses que les lubrifiants classiques, les propriétaires de systèmes de compression ont de fortes raisons de vouloir minimiser leurs pertes et maximiser leur efficacité. Une meilleure efficacité permet de réaliser des économies et épargne bien des maux de tête aux exploitants et aux propriétaires des usines. Grâce à la technologie et à l’assistance ingénierie de Donaldson, les propriétaires de compresseurs peuvent trouver une solution de produit écosystémique qui s’adapte correctement aux composants de filtration pour les aider à optimiser leur efficacité.

Réglementations sur l’efficacité des compresseurs

À cause de changements législatifs récents, les améliorations de l’efficacité des compresseurs deviennent de plus en plus primordiales pour les propriétaires d’usines. En décembre 2016, le département de l’Énergie des États-Unis (DOE) a publié des normes d’efficacité énergétique pour les compresseurs d’air à vis. Le DOE estime que les compresseurs répondant aux nouvelles normes permettront d’économiser 0,16 mille billions de BTU sur les compresseurs vendus sur les 30 prochaines années, soit environ 15,6 milliards de kilowatts heures, ce qui générerait une économie nette de 200 à 400 millions de dollars pour les compresseurs achetés sur cette période. Cette baisse de la consommation énergétique empêcherait également l’émission d’environ 8,2 millions de tonnes de CO₂ sur cette même période.

L’Association canadienne de normalisation a également publié un document visant à améliorer les mesures de la performance des compresseurs (C837-F16 « Surveillance et mesurages de la performance énergétique des systèmes d’air comprimé »). La norme précise l’information qui doit être collectée et la manière dont les paramètres système, comme que la puissance, l’énergie, le débit, la pression et la production en sortie, doivent être mesurés ou calculés à l’aide de méthodes homogènes, approuvées et itératives. Elle fournit une ligne directrice quant à la définition de méthodologies permettant d’établir des indicateurs de performance énergétique et des points de référence énergétiques à utiliser dans un système global de gestion de l’énergie. Pour les systèmes d’air comprimé, des exigences particulières donnant les grandes lignes d’une méthodologie cohérente de mesure, d’évaluation et de traçabilité de la performance énergétique sont fournies.

L’Union européenne a publié des directives relatives à la conception écologique, pour le moment sans exigences particulières. La directive stipule que : « Des mesures doivent être mises en place au cours de la phase de conception des produits liés à l’énergie. En effet, il semble que la pollution générée durant le cycle de vie d’un produit est déterminée à ce stade et que la majeure partie des dépenses mises en jeu sont déterminées à ce stade (...) La réduction des gaz à effets de serre par le biais d’une efficacité énergétique plus importante devrait être considérée comme une priorité environnementale dans l’attente de l’adoption d’un plan de travail. » - Politique intégrée des produits : miser sur une réflexion environnementale axée sur le cycle de vie (Journal officiel de l’Union européenne).