Examen et comparaison des normes de performance actuelles des souffleurs industriels
L'industrie du traitement des eaux usées dépend fortement d'une source efficace d'air à basse pression et sans huile pour fournir l'oxygène nécessaire au processus de digestion aérobie des matières organiques.
À l'origine, cet air à basse pression était fourni par des surpresseurs à lobes rotatifs à déplacement positif. Cependant, compte tenu des volumes d'air importants requis pour l'aération, le secteur du traitement des eaux usées a rapidement adopté la technologie des surpresseurs dynamiques, et plus particulièrement celle des surpresseurs centrifuges multi-étagés. Forts de leur succès dans ce secteur, les surpresseurs dynamiques sont aujourd'hui largement utilisés dans l'industrie en général.
La nécessité d'accroître l'efficacité a stimulé l'innovation dans le domaine des surpresseurs, notamment les turbocompresseurs à grande vitesse et les surpresseurs à vis basse pression. Ces technologies ont permis d'améliorer les performances au fil du temps. Ces performances ont suscité l'intérêt des utilisateurs finaux et des ingénieurs concepteurs, et de nombreux débats ont porté sur la comparaison des performances des surpresseurs dynamiques et volumétriques.
Il est entendu que lorsqu'un utilisateur spécifie les performances d'un surpresseur, il attend du fabricant qu'il fournisse ces performances. Cela est particulièrement vrai dans le secteur du traitement des eaux usées, où l'aération à basse pression représente une part importante des coûts d'exploitation.
Par conséquent, il est nécessaire de disposer d'une méthode valide et fiable pour comparer les performances des différentes technologies de surpresseurs, afin que les décisions d'achat et de spécification soient fondées sur des faits et des données. La difficulté de comparer les performances de différentes technologies de surpresseurs, telles que les surpresseurs dynamiques et volumétriques, réside dans leurs principes de compression différents. Ceci complexifie les exigences d'essais nécessaires à une comparaison précise des performances et laisse place à des présentations de performances parfois fantaisistes.
La prochaine génération de normes de soufflerie
Les normes de performance existantes pour les compresseurs dynamiques (PTC-10 et ISO 5389) et les compresseurs volumétriques (ISO 1217) ont été élaborées il y a des décennies.
Bien que ces normes aient subi de multiples révisions et modifications au fil des ans, l'industrie des eaux usées demande une nouvelle méthodologie de test de performance « fil-air » qui mesure la véritable performance globale des compresseurs d'air basse pression (soufflantes) et permette des comparaisons précises des performances entre différentes technologies de souffleuses.
En réponse à ce défi, le Compressed Air & Gas Institute (CAGI), l'Organisation internationale de normalisation (ISO) et l'American Society of Mechanical Engineers (ASME) ont élaboré indépendamment les trois normes de performance suivantes pour les souffleurs basse pression :
Prenons l'exemple de trois personnes voyageant de Miami à Chicago : l'une en voiture, l'autre en avion et la dernière en train. Toutes trois arriveront à destination, mais chacune aura vécu une expérience différente. De même, bien que chaque norme d'essai, lorsqu'elle est correctement appliquée, devrait fournir les mêmes données de performance pour un même ventilateur, chaque norme présente des nuances quant à la méthodologie de l'essai.
Cet article aborde les limites établies pour déterminer ce qui est inclus dans le groupe de soufflerie, la manière dont la similitude est obtenue avec chaque norme et la validation des données que chaque norme exige pour permettre une comparaison équitable entre deux souffleries, quelle que soit leur technologie.
Un tableau comparatif des points clés des trois normes de test est fourni à la fin de l'article.
ASME PTC 13 - 2018 : Code d’essai de performance fil-air pour les systèmes de soufflerie
L'ASME est bien connue, tant au niveau national qu'international, pour ses normes d'essai.
Comme son nom l'indique, cette norme porte sur les systèmes de suralimentation complets et fournit un indicateur de performance sous la forme d'un rapport entre la puissance absorbée par le système et le débit de sortie. Ce concept, appelé « Wire-to-Air », se distingue des normes de performance précédentes qui privilégiaient les performances du bloc de compression et non celles du système complet.
L'objectif de cette norme est de répondre aux besoins des machines complètes, telles que les turbosoufflantes à grande vitesse et les surpresseurs à vis, conçues, fabriquées, vendues et utilisées comme des ensembles intégrés comprenant le bloc de compression, le moteur d'entraînement, le variateur de fréquence et les autres éléments. En tant qu'ensembles intégrés, ces machines sont considérées par la norme comme un boîtier qui aspire l'air, le refoule et consomme de l'énergie pour ce faire.
limites de performance thermodynamiques et électriques
La norme établit les limites typiques d'un système de soufflerie afin de définir clairement les éléments qui en font partie. Ces limites sont subdivisées en deux catégories : les limites de performance thermodynamique et les limites de performance électrique. Les limites thermodynamiques concernent le bloc de compression et ses commandes, tandis que les limites électriques concernent le moteur d'entraînement et ses commandes. Ces deux catégories ont été définies pour permettre à l'acheteur et au fournisseur de négocier les éléments à inclure dans le test du système.
L'objectif est d'identifier tous les composants nécessaires au fonctionnement de la machine et de les inclure à la fois dans le test de la machine et dans les données présentées dans l'offre.
Où collecter les mesures
Le point suivant, tout aussi important, concerne le banc d'essai. Pour garantir des performances optimales, il est crucial que ce dernier prenne en compte l'ensemble du système/ensemble et tous les composants concernés.
Les éléments à inclure dans l'essai ont été définis par les limites de celui-ci, mais le positionnement des appareils de mesure est tout aussi important. L'objectif est ici de mesurer la pression et la température d'aspiration avant que l'air n'atteigne la limite de l'emballage, contrairement à la mesure de la pression et de la température de l'air à la sortie de la couche limite.
Le débit est mesuré en aval des limites du boîtier et la puissance est mesurée à l'entrée de celui-ci. En théorie, cela permet de prendre en compte toutes les pertes de charge internes et tous les consommateurs d'énergie. La pression et la température sont nécessaires pour une conversion précise des conditions de test aux conditions garanties lors de la validation des données.
Comment mesurer le débit
Pour le débit, la mesure au refoulement est importante car l'air aspiré à la bride d'aspiration du ventilateur ou à l'entrée de la machine n'atteint pas entièrement l'orifice de sortie. Une partie de cet air peut être perdue par glissement interne ou détournée pour le refroidissement ou d'autres besoins. La mesure dans le tuyau de refoulement est la méthode la plus précise pour confirmer le débit d'air fourni à la pression indiquée.
Mesures de puissance
La mesure de la puissance est tout aussi importante car, pendant de nombreuses années, la puissance fournie par l'arbre du ventilateur servait à calculer théoriquement la puissance absorbée totale de l'ensemble. Désormais, grâce aux machines complètes, la puissance absorbée réelle de la machine peut être mesurée avec un seul wattmètre. Toutes les pompes auxiliaires, ventilateurs et autres dispositifs consomment de l'énergie et doivent également être pris en compte lors de l'essai.
Validation des données et méthodologie
La dernière partie de la norme qui sera abordée concerne la validation des données. La norme décrit la méthodologie nécessaire pour quantifier les propriétés thermodynamiques de fonctionnement, les points de similitude et valider les données de performance des essais par rapport aux conditions garanties projetées.
C’est également à ce stade que sont établies les principales métriques de comparaison. Dans le cas du PTC-13, celles-ci peuvent être identifiées comme suit ::
- Rapport volumique
- débit volumique
- Hauteur isentropique (performance spécifique fil-air)
- nombre de Mach
- Pression de refoulement
Rapport volumiqueElle sert de point de comparaison entre la densité de l'air sur le site d'essai et celle dans les conditions garanties. Tous les essais de performance sont conçus pour être réalisés en laboratoire, ce qui peut différer des conditions réelles et influencer les résultats.
débit volumiqueest calculé à partir du débit de refoulement mesuré, qui est converti en débit d'entrée dans les conditions du site d'essai pour être comparé au débit d'entrée garanti dans les conditions du site.Tête isentropiqueL'élément central de ce test est la détermination du travail thermodynamique nécessaire pour atteindre le débit et la pression souhaités. Pour assurer la similitude des conditions, celles-ci doivent être identiques sur les deux sites d'essai.
Nombre de Mach de la machineIl s'agit là encore d'un point de similitude pour les machines dynamiques. Cela représente la vitesse des molécules d'air quittant l'extrémité du rotor. Celle-ci est liée à la compressibilité du fluide à différentes densités d'air, lesquelles dépendent des conditions du site d'essai et des conditions garanties. Par souci de similitude, ces dernières doivent rester identiques entre les essais et les conditions de garantie.
Ce sont là les éléments fondamentaux du code de test PTC-13.
Pourquoi développer ces normes d'essai pour les souffleurs ?
En tant que grands consommateurs d'air à basse pression, les acteurs du traitement des eaux usées attendent des fabricants de surpresseurs qu'ils produisent des surpresseurs offrant les performances spécifiées par l'utilisateur.
Des normes d'essai sont nécessaires pour permettre une comparaison objective entre deux surpresseurs, qu'il s'agisse de surpresseurs volumétriques ou dynamométriques. Les normes d'essai PTC 13, BL300 et ISO 22484 définissent des méthodologies d'essai permettant de vérifier que les fabricants respectent les performances annoncées.
Cet article a identifié les différences entre ces normes et a décrit comment ces normes d'essai visent à satisfaire le besoin du marché en matière de norme d'essai simple, fiable et valide permettant une comparaison précise entre deux souffleurs quelconques.
Bien que les normes accomplissent généralement cet effort de manière similaire, l'application des lois de similitude et des critères d'acceptation varie.
Le PTC-13 est commercialisé depuis 2019. La norme ANSI/BL300 a été publiée en tant que norme nationale américaine en 2022 et est disponible auprès de [nom de l'organisme/organisme].Site web de CAGILa norme ISO 22484 est en cours de finalisation et sa publication est prévue pour 2024.