T.P. COMPRESSEUR T.P. Machines Thermiques : Compresseur / Page : /8
But du T.P. : Tester les performances d un compresseur à piston bi-étagé à refroidissement intermédiaire. Introduction : Les compresseurs sont des machines destinées à accroitre la pression d un gaz. Dans le cas d un liquide, c est une pompe qui réalise cette opération. CLASSIFICATION DES COMPRESSEURS : - Compresseurs alternatifs à piston pour les taux de compression élevés et des débits moyens - Compresseurs rotatifs volumétriques pour taux de compression faibles et forts débits. - Turbocompresseurs (centrifuges ou axiaux pour les forts débits et faibles taux de compression. - Compresseurs à vis. PRINCIPE DU COMPRESSEUR à PISTON La machine comporte essentiellement un cylindre dans lequel se déplace un piston dont le mouvement alternatif fait varier la capacité d'un volume offert au fluide. Des clapets automatiques sous l effet des pressions qui règnent sur leurs faces isolent ce volume de l'aspiration et du refoulement. Le piston est entrainé par le vilebrequin qui est lui même mu par une source extérieure d énergie mécanique. Dès que le piston commence à se déplacer vers le bas le clapet d admission s'ouvre sous l'action de la pression extérieure et de la dépression créée par la descente du piston : le gaz pénètre dans le cylindre. Cette aspiration a lieu pendant toute la descente du piston ADMISSION REFOULEMENT T.P. Machines Thermiques : Compresseur / Page : 2/8
Lorsque le piston remonte, le clapet se referme et le gaz emprisonné est comprimé dans le volume jusqu à la pression de refoulement : le clapet de refoulement s ouvre alors sous l effet de cette pression et le gaz peut s échapper vers l extérieur. La limitation du système est géométrique et mécanique et se traduit par une limitation du taux de compression par étage. Elle est d environ 8 pour un compresseur mono-étagé Lorsque l on désire une pression plus élevée, on a recours à la compression bi-étagée, c est à dire deux étages de compresseurs placés en série mais avec un système de refroidissement entre les deux étages afin de ne pas atteindre une température de refoulement trop élevée. RAPPELS de THERMODYNAMIQUE Gaz parfait : Equation d'état : p.v = R. T pour une môle de gaz p.v = r.t pour un kilo de gaz Relations de Mayer : Cp Cv = R γ = Cp Cv On en déduit facilement : Avec R = 8,32 J/mole.K γ.r C p = γ R C v = γ et r = R/M -----> r = 288 J/kg.K dans le cas de l air Travail de Transformation : p - Compression isotherme : W = r.t.ln 2 en kj/kg p - Compression adiabatique : W γ = r T γ p p 2 γ γ en kj/kg Travail de la machine : Ce travail doit tenir compte également du travail de circulation du fluide p 2.V2 = p. V Dans le cas du compresseur isotherme, le travail de circulation est nul et donc le travail du compresseur est égal au travail de compression - Compresseur adiabatique : W γ = r T γ p p 2 γ γ T.P. Machines Thermiques : Compresseur / Page : 3/8
- Compresseur polytropique : Le compresseur isotherme est très peu utilisé car il nécessite un système de refroidissement très important. Le compresseur adiabatique parfait n existe pas dans la réalité car il y a toujours transmission de chaleur par les parois du cylindre. On fait donc référence au compresseur polytropique pour traduire les performances réelles d un compresseur adiabatique. L hypothèse la plus simple pour un compresseur réel consiste à considérer que la compression adiabatique ne s effectue pas avec l indice γ mais avec un indice k donc la valeur est en général < γ. Dans le cas du compresseur polytropique, on peut donc écrire le travail du compresseur : k k p2 k W = r T k p On peut également écrire la relation entre les températures absolues et les pressions absolues dans le cas de la compression polytropique : T2 T = p2 p k k De cette relation, on peut déduire la valeur de k l indice polytropique si on connait T 2, T, p 2 et p. k = T Ln 2 T p2 Ln p Cycle du compresseur à piston - Cycle mono-étagé : 800 700 600 Cycle Compresseur Diagramme PV Pression ( Pa ) Milliers 500 400 300 200 00 0 0 00 200 300 400 500 600 Volume cm3 Le cycle théorique du compresseur à pistons mono étagé a l allure de la figure précédente. Le cycle réel est peu différent car les compresseurs à pistons sont en général des machines tournant à des régimes assez lents comparés aux moteurs alternatifs et seuls les problèmes d ouverture et de fermeture des clapets viennent modifier légèrement la forme théorique du cycle. Cycle bi-étagé : Le cycle bi-étagé est une combinaison de deux cycles mono étagés en cascade avec simplement une modification des volumes balayés et des températures d entrée puisque dans une T.P. Machines Thermiques : Compresseur / Page : 4/8
machine de ce type, c est le débit masse qui est constant mais le débit volumique n est pas le même à l entrée des deux étages puisque la pression est très différente. Le choix de la pression intermédiaire est important dans un compresseur bi-étagé. Pour minimiser l énergie nécessaire au compresseur, on peut montrer simplement que le taux de compression des deux étages doit être identique : p = ce qui revient à écrire p 2 = p. p3 3 p2 p2 p COEFFICIENT de REMPLISSAGE ou RENDEMENT VOLUMETRIQUE Une caractéristique importante des compresseurs à piston est le coefficient de remplissage appelé aussi rendement volumétrique. Le rendement volumétrique ou coefficient de remplissage représente le rapport du débit réel de gaz entrant dans la machine par rapport au débit théorique. La comparaison peut être faite en volume ou en masse. Il est préférable de comparer les débits masse car dans une machine c est le débit masse qui est constant : le débit volumique dépend des conditions de température et de pression. Le débit théorique est calculé à partir du volume balayé par le piston : M th = ρ Cyl N avec ρ : masse volumique dans les conditions d entrée du cylindre ; Cyl : cylindrée de l étage ; N : vitesse de rotation. Pour le premier étage, les conditions d entrée correspondent aux conditions ambiantes. Pour le deuxième étage, elles correspondent aux conditions d entrée de l étage. Le débit réel est mesuré directement M r. En théorie, le coefficient de remplissage idéal est égal à. Cependant l ouverture du clapet d admission ne se faisant pas pendant toute la phase de descente du piston (voir cycle), le compresseur à piston a un coefficient de remplissage théorique < R V V p = m 2 γ Vb p avec : Vm : volume mort Vb : volume balayé ( cylindrée ) En réalité, le remplissage est diminué par les pertes de charge aux clapets qui ne s ouvrent pas instantanément. Le coefficient réel est donc donné par : R = v M M r th Rappel de thermodynamique : La masse volumique d un gaz parfait est donnée par p T0 0 0 T ρ = ρ p Dans le cas de l air en conditions standards : ρ0 =,225 kg/m 3 avec Po = 03 mbars et To = 288 K. T.P. Machines Thermiques : Compresseur / Page : 5/8
DESCRIPTIF DE L INSTALLATION COMPRESSEUR : L installation comporte un compresseur bi-étagé de type MILLS BIA 34 S dont les caractéristiques sont les suivantes : er étage : Alésage : 00 mm Course : 64 mm 2ème étage : Alésage : 57 mm Course : 64 mm Pour les deux étages, le volume mort représente 0% du volume balayé. Vitesse de rotation : 000 t/mn Le refroidissement intermédiaire est assuré par un échangeur ailetté ventilé. La tubulure de refoulement est également ailetée pour refroidir l air avant son stockage dans un réservoir de 500 Litres L entrainement du compresseur s effectue par un moteur électrique alimenté en triphasé. La vitesse de rotation est constante. INSTRUMENTATION : Mesure de débit : le débit d air entrant est mesuré par un débitmètre à vortex placé sur la tubulure d admission avec les longueurs de tranquillisation adéquates. Mesures de température : les températures d entrée et de sortie de chaque étage sont mesurées par des thermocouples placés dans les tubulures. Un thermocouple supplémentaire est placé dans la cuve. Mesures de pression : la pression de refoulement du er étage et celle du 2ème étage sont mesurées par des capteurs de pression reliés à des prises placées sur les tubulures. Avant d arriver aux capteurs, l air est en partie refroidi et passe dans une chambre de tranquillisation afin d éviter des oscillations de mesure dues au mouvement alternatif du compresseur. Un manomètre permet de vérifier la pression dans la cuve, même compresseur arrêté. Mesure de puissance : La puissance électrique instantanée est mesurée par un compteur électrique Sécurités : La pression maximale dans le réservoir est limitée par un pressostat de sécurité qui coupe automatiquement l alimentation du compresseur dès que cette pression maximale est atteinte. Une électrovanne purge automatiquement la tubulure de refoulement du compresseur après l arrêt pour éviter un redémarrage sous pression du compresseur. Compte tenu de l installation qui est en fait conforme à une centrale de production d air comprimé et non pas à un réel banc d essais de compresseur, toutes les mesures sont faites en régime dynamique pendant la mise en pression du réservoir. T.P. Machines Thermiques : Compresseur / Page : 6/8
Mesures : Toutes les mesures sont centralisées sur la console extérieure. Comme elles sont faites en dynamique, il est important de bien repérer les appareils avant de démarrer le compresseur. Les relevés de mesure doivent être effectués toutes les 2 minutes jusqu à l arrêt du compresseur qui est automatique lorsque la pression maximale est atteinte dans le réservoir. La durée totale des mesures est de l ordre de 5 minutes environ. Schéma et descriptif de l installation : PARTIE PRATIQUE - Faire un schéma complet et détaillé du banc d essais incluant les circuits d alimentation en air, électricité, la position des différents capteurs - Ce schéma doit être réalisé en utilisant l ensemble des symboles donnés en annexe et affichés sur la cabine en s inspirant du schéma donné en exemple dans la salle de TP et en annexe de ce document. Il doit permettre d illustrer clairement le fonctionnement du banc d essais et de la machine. - Accompagner ce schéma par un descriptif technique précis des composants de l installation - Lorsque votre schéma et votre descriptif sont prêts, les faire vérifier par votre enseignant avant de démarrer les mesures. Démarrage de l installation : - Vérifiez que la pression réservoir est à 0 ( manomètre sur le réservoir ). Si ce n est pas le cas, vidangez le réservoir en ouvrant les deux vannes au bas du réservoir : ATTENTION lorsque le réservoir est sous pression, il faut ouvrir les vannes très progressivement et en portant un casque antibruit : la détente de l air sous pression peut être très violente et provoquer des incidents aux tympans. - Vérifiez que les deux vannes de vidange sont fermées - Allumez tous les instruments de mesure du tableau de commande - Le démarrage de l installation se fait en tournant la clé placée à droite sur la console Relevé de mesures : Toutes les 2 minutes pendant le fonctionnement du compresseur jusqu à l arrêt du compresseur : - Débit d air ; - Pression intermédiaire ; - Pression de refoulement du 2 ème cylindre ; - Température d admission ; - Température de refoulement du er cylindre ; - Température d admission du 2 ème cylindre ; - Température de refoulement du 2 ème cylindre ; - Température de la cuve ; - Puissance électrique. T.P. Machines Thermiques : Compresseur / Page : 7/8
Arrêt de l installation : Lorsque le compresseur est arrêté : - Coupez le contact en tournant la clé pour éviter un redémarrage intempestif - Vidangez le réservoir en prenant les précautions décrites précédemment Exploitation et compte rendu : Vous pouvez utiliser du papier millimétré ou un tableur (Excel, OpenOffice) sur un ordinateur situé au fond de la salle de TP. - Tracez sur un même graphique les mises en pression du er et du 2 ème cylindre en fonction du temps ; - Tracer l évolution du taux de compression en fonction du temps ; - Calculer le débit masse d air à l entrée en fonction du temps ; - En déduire la quantité d air entrée dans la cuve ; - Calculer la masse d air dans la cuve au début et à la fin de la séquence : comparer au résultat précédent. - Pour un temps de 4 et de 2, calculez les indices polytropiques du premier étage et du deuxième étage - Reportez dans un diagramme de Clapeyron les points caractéristiques de cycle (p, V) pour les deux étages à 4 et 2. - Pour un temps de 2 : - Comparez la pression intermédiaire avec la pression optimale théorique - Calculez le travail spécifique par kg d air pour chaque étage : - d un compresseur isotherme équivalent (T = température d entrée) - d un compresseur isentropique équivalent (même taux de compression) - d un compresseur polytropique équivalent (même taux de compression et mêmes indices polytropiques) - en déduire la puissance théorique absorbée par le compresseur et son rendement en comparant à la puissance électrique absorbée - Calculez le coefficient de remplissage ou rendement volumétrique de chaque étage (théorique et réel) - Conclusion sur le TP T.P. Machines Thermiques : Compresseur / Page : 8/8