TP Compresseur [PDF]

Zitiervorschau

Travaux pratiques machines thermique

COMPRESSEUR A PISTON BI-ETAGE Elaboré par

MNIF Mohamed

SOUILAH Haifa

2AGI1

2013/2014

HAMMAMI Zied

I.

But de la manipulation :

Cette manipulation a pour objectif d’effectuer un bilan global d’énergie du compresseur, de déterminer les différents rendements afin de comparer leurs performances avec celles d’un compresseur isotherme idéal et de déterminer le rendement de l’échangeur.

II.

Matériels utilisés :

II.1. Les compresseurs : On dispose d'un ensemble constitué de deux compresseurs, entrainés séparément, chacun avec son propre moteur monté en balance. Le premier forme l'étage de basse pression, l'autre forme l'étage de haute pression afin de faire l'étude de chaque élément de façon indépendante. Dans notre cas, on va utiliser que le premier compresseur vue que le deuxième a subit une panne.

II.2. Les moteurs Les deux compresseurs sont entraînés séparément par des moteurs par l’intermédiaire d’une courroie crantée. Le premier étage est équipé d’un moteur électrique à courant alternatif triphasé, tandis que le deuxième étage est équipé d’un moteur à courant continu à. vitesse variable. Vu que le deuxième de compresseur ne fonctionne pas, on va utiliser sauf le moteur électrique à courant alternatif triphasé.

II.3. Les échangeurs Il y a un échangeur après chaque compresseur. On s’intéresse dans notre cas sur le premier échangeur dont la principale fonction est de refroidir le gaz compressé. En fait, à la sortie du premier étage, l’air est refroidi dans un échangeur à circulation d’eau.

III.

Instruments de mesure

Pour la réalisation de cette manipulation, nous nous servons des instruments de mesures suivantes :     

Un dynamomètre a ressort pour la mesure du couple de réaction Un tachymètre pour la mesure la vitesse de rotation du moteur Un débitmètre comprenant un caisson muni d’un orifice à bord mince et d’un manomètre à eau à tube incliné pour la mesure du débit d’air d’admission Un manomètre à cadran pour la mesure de la pression de refoulement Des thermomètres à mercure pour la mesure des températures à l’entrée et à la sortie.

IV.

Etude pratique

IV.1. Installation

Avec : PA, TA : pression et température ambiante de l’air P1, T1 : pression et température à l’entrée du 1 er étage de l’air P2, T2 : pression et température à la sortie du 1 er étage de l’air T8 : Température d’entrée de l’eau de l’échangeur intermédiaire T9 : Température de sortie de l’eau de l’échangeur intermédiaire T3 : Température de l’air à l’entrée du 2éme étage T4 : Température de l’air à la sortie du 2éme échangeur P3 : Pression de l’air à la sortie du 2éme compresseur T8 : Température de l’eau à l’entrée du 2éme échangeur T10 : Température de l’eau à la sortie du 2éme échangeur T5 : Température de l’air comprimé à l’entrée du réservoir h0 : débit d’air à l’entrée du 1er compresseur qm1 : débit d’eau dans le 1er échangeur qm2 : débit d’eau dans le 2éme échangeur

N.B. on va utiliser que les paramètres liés au premier compresseur.

IV.2. Mode opératoire Au début, on met le compresseur en marche et on ouvre légèrement le robinet d’eau alimentant les échangeurs. Puis, on procède au remplissage du réservoir. Les paramètres dont on dispose pour régler le fonctionnement de l’installation est la pression de refoulement. On règle cette pression à une valeur constante par l’ouverture et l’étranglement de la vanne de laminage. Cette valeur doit être stabilisée à 4 bars puisqu’on travaille avec un seul étage. Il faut bien attendre une vingtaine de minutes afin d’atteindre l’équilibre thermodynamique et la stabilisation de toutes les lectures avant de procéder aux mesures.

IV.3. Calcul : F= 97 N et N= 1498 tr/min ~ 1500 tr/min Tableau de mesure Pression absolue d’air

Débit d’air

Température de l’air

P1

P2

P3

T1

T2

T3

T4

T5

h0

(ba r)

(bar)

(bar)

(°C)

(°C)

(°C)

(°C)

(°C)

(mm)

1

4

**

27

38 29

23.5

23 81

Débit d’eau (l/min)

Qm1

Températures de l’eau

Qm2

T8

T9

T10

(l/min)

(l/min)

(°C)

(°C)

(°C)

1.5

**

20

24

**

Calcul de débit volumétrique engendré Le débit volumétrique engendré peut se calculer de la manière suivante Q VE = V*N’ V : le volume engendré total N’ : vitesse de rotation du vilebrequin du compresseur N’=N*ηcourois/ R R : le rapport de la vitesse moteur/compresseur= 3/1 ηcourois : le rendement de la courroie=0.98 QVE=V*N* ηcourois /R = 1,647*0.98*1500/3=807.03 L/mn Calcul du début volumétrique réel (mesuré) Le débit volumétrique réel mesuré est donné par la formule suivante:

√

QVA= 18,40∗d 2∗ h

0∗Ta (litre/mn) H

d : diamètre du diaphragme en cm = 3.194 H : pression atmosphérique en cm Hg = 76 Ta : température ambiante à l’entrée h0 : indication du manomètre incliné en cm d’eau=2.35cm d’eau

Q va=18 . 4∗d 2

√

h0∗T A 2. 35∗(23+273 ) =18 . 4 ∗(3 . 194 )² =567. 88 L /min H 76

√

Calcul du débit massique Qm0

√

Le débit massique d’air est donné par la formule suivante :Q MO ¿ 0,0852∗d 2∗

2

QMO=0,0852∗3,194 ∗

√

ho∗H Ta

(kg/mn)

2.35∗76 = 0.675 (kg/mn) (23+ 273)

Calculons alors le rendement volumétrique Ƞv qui n’est autre que le rapport entre le débit volumétrique réel mesuré et le débit volumétrique engendré.

Ƞv =

Qva = 567.88 / 8O7.03 = 0.7 Qve

On calcule pour le premier étage : 1. La puissance mécanique sur l’arbre du moteur : Pm peut être calculée de la façon suivante :

Pm=C 1 ω 1=

C . π . N F .d . π . N = 30 30

Avec F = 97 N, N= 1500 tr/min et d=0.220m A.N.  : Pm= (97*0.22* π* 1500) / 30 = 3352 W 2. La puissance mécanique sur l’arbre du compresseur :

Pa =Pm .η courroie A.N. Pa= 3352*0.98 = 3284.96 W

3. Le coefficient polytropique : K

P V k =cte

P1−k∗T k =cte k−1 k

P2 ln ( ( ) → ln ( TT 21 )= k −1 k P1) k ln ( ( TT 21 )−ln ( PP 21 ))=−ln ( PP 21 ) Or

P2 T 2=T 1 P1

P2 ( P1) k= P2 T2 ln ( −ln ( P1 ) T 1) ln

On obtient alors : 4 ( 1) k= 4 81+273 ln ( )−ln ( 1 23+273 ) ln

AN : K = 1.15

4. La puissance indiquée est donnée par la formule suivante

P=q m . W

On assimile le travail indiqué réel au travail indiqué poly tropique

W=

k .r ( T −T ) k −1 2 1

Avec : r = 287 J/Kg.K

P=q m0 .W=qm0 .

k .r ( T −T ) k−1 2 1

AN: W = (1.15* 287*(81-23))/(1.15-1) = 127619 J/Kg = 127.6 KJ/ Kg P = 127619* 0.675 / 60 = 1435.7 W 5. Le travail isotherme est donné par la relation suivante :

W θ =r .T 1 . Ln

P2 P1

AN : W θ = 287* (23+273) Ln(4/1) = 117768.5 J/Kg 6. Le rendement mécanique du compresseur est donné par la relation suivante:

m = P / Pa AN : m = 1453.7/ 3284.96 = 0.44 7. le rendement indiqué par rapport à l’isotherme est donné par la relation suivante

ηθ =

P θ q m 0 .W θ = P P

ηᶱ = (0.675* 117768.5)/(60* 1453.7) = 0.9

AN

8. le rendement global par rapport à l’isotherme

gθ = Pθ / Pa AN 

gθ

= (0.675* 117768.5)/ (60*3284.96)= 0.4

Enfin, on va faire le bilan thermique de l’échangeur en calculant(en Watt) la quantité de chaleur cédée par l’air et celle reçue par l’eau et on calcule par la suite le rendement de l’échangeur.

Chaleur perdu par l'air lors de son passage par l'échangeur

Qair=qm0∗C p∗( T 2−T 3 ) Et on a : Cp= 1 KJ/Kg. °C

AN : Qair = (0.675/60)*1000* (81-27)= 607.5 Watt Chaleur reçue par l'eau lors de son passage par l’échangeur

Qeau=q eau∗c p∗( T 9−T 8 ) Cp= 1 Kcal/ Kg.°C = 4180 J/Kg.°C et qeau=V*ρ avec V le débit volumique =1.5 L/min et ρ la masse volumique de l’eau = 1 Kg/L Qeau= (1.5*1/60)* 4180*(24-20) = 418 Watt Le rendement de l’échangeur n’est autre que le rapport entre la chaleur reçue et la

chaleur fournie :

η1 =

Q eau Qair

AN : η= 418/ 607= 0.68

V. Conclusion En guise de conclusion, à travers ce TP nous avons eu l’occasion de maitriser les aspects théoriques et de voir de près le fonctionnement du compresseur. Le coefficient polytropique est toujours encadré entre 1 et γ=1.4. Dans notre cas k est plus proche de 1 que de γ. Donc l’évolution du système étudié est beaucoup proche de l’isotherme que de l’adiabatique. Le rendement du compresseur est 0.44 ce qui reflète son état d’ancienneté mais il est beaucoup proche du rendement global par rapport à l’isotherme qui vaut 0.4 ce qui prouve une autre fois que l’évolution du système est proche de l’isotherme. L’échangeur à contre-courant à circulation d’eau a un rendement de 68%. Une bonne solution D’utiliser l’eau pour le refroidissement étant donné qu’il a un pouvoir calorifique assez important par rapport à l’air. Il est dommage de ne pas travailler le TP avec deux étages de compression (panne du deuxième compresseur) mais le résultat est attendu. En fait la compression de 2 étages en ligne permet de réduire les pertes à l'intérieur du circuit d'air et d’augmenter le rendement de la compression. De plus, elle permet d’augmenter le taux de compression puisqu’on peut à la fois augmenter le débit et diminuer la température du fluide refoulé.