Formule de calcul du rendement thermique d’un compresseur d’air

Signification fondamentale du rendement thermique d’un compresseur d’air

Au cours de son fonctionnement, le compresseur d’air transforme l’énergie électrique en chaleur au travers de plusieurs étapes, notamment la compression, le frottement, la dissipation thermique par le circuit d’huile et le système de refroidissement. Lorsqu’on examine le rendement de conversion thermique, on s’intéresse généralement au rapport entre la quantité de chaleur récupérable et l’énergie d’entrée. Cet indicateur permet d’évaluer les performances dans des applications d’économie d’énergie, telles que la récupération de chaleur résiduelle, le refroidissement des locaux techniques ou la production d’eau chaude.

Formule de calcul générale

Taux de conversion thermique = chaleur récupérable ÷ énergie d’entrée × 100%

En considérant une période temporelle donnée, l’énergie d’entrée peut être représentée par la consommation électrique du compresseur d’air durant cette même période; quant à la chaleur récupérable, elle correspond à la chaleur évacuée par le fluide de refroidissement et susceptible d’être valorisée. La formule s’écrit ainsi:

• Taux de conversion thermique η = Qrecuperé ÷ Ein × 100%
• Ein = P × t, où P représente la puissance d’entrée et t le temps de fonctionnement.
• Qrecover doit être calculé séparément en tenant compte de l’air chaud, de l’eau chaude ou d’autres modes de transfert de chaleur.

Lors des calculs, il convient de veiller à l’homogénéité des unités; par exemple, convertir toutes les grandeurs en joules ou en kilowattheures.

Calcul dans le cadre de la récupération d’eau chaude

Lorsque la chaleur résiduelle d’un compresseur d’air est utilisée pour chauffer de l’eau, la quantité de chaleur récupérée peut être calculée à partir du débit massique de l’eau, de sa capacité thermique massique et de la différence de température entre l’eau entrante et sortante:

Qeau = m × c × ΔT

• m: masse de l’eau chauffée, ou débit massique par unité de temps
• c: La capacité thermique massique de l’eau doit être prise selon les valeurs usuelles des propriétés physiques en ingénierie.
• ΔT: différence entre la température de sortie et la température d’entrée

Si l’on calcule la puissance thermique par unité de temps, il suffit de remplacer la masse par le débit massique pour obtenir la quantité de chaleur récupérée par unité de temps.

Calcul dans le cadre de la récupération de l’air chaud

Lorsque l’objet de récupération est un flux d’air chaud refroidi, on peut procéder à une estimation à l’aide du débit d’air, de la masse volumique de l’air, de la capacité thermique massique à pression constante et de la différence de température:

Qair = ρ × L × cp × ΔT

• ρ: masse volumique de l’air, fonction de la température et de la pression
• L: Débit volumique
• cp: capacité thermique massique à pression constante de l’air
• ΔT: différence entre la température de l’air extrait et la température de l’air entrant

La récupération de l’air chaud est couramment utilisée pour la ventilation des salles informatiques, le chauffage hivernal ou le préchauffage des procédés; la quantité réelle de chaleur exploitables dépend de la résistance des conduits d’air, des pertes par mélange et de l’efficacité du transfert thermique.

Méthode de détermination de l’énergie d’entrée

L’énergie injectée doit être déterminée sur la base de données mesurées; les pratiques courantes consistent à relever les relevés de consommation figurant sur le compteur électrique, l’appareil de mesure de puissance ou le système de contrôle. Si l’on se contente d’une estimation théorique, il est possible de s’appuyer sur la puissance nominale indiquée sur la plaque signalétique de l’équipement ainsi que sur l’état de la charge; toutefois, il convient d’éviter d’assimiler directement la puissance nominale au fonctionnement à pleine charge, sous peine de fausses conclusions.

Les principaux facteurs influençant le taux de conversion thermique

• Type de compresseur d’air, taux de charge et conditions de fonctionnement
• Mode de refroidissement, par exemple par air, par huile ou par eau
• Emplacement d’installation et chemin de transfert de chaleur de l’appareil de récupération de chaleur résiduelle
• Isolation des canalisations, débit des fluides et stabilité de la différence de température
• La disponibilité continue de la chaleur et l’adéquation entre le pôle chaud et le système d’utilisation

Conseils d’utilisation

Lors de l’évaluation des économies d’énergie, il est recommandé de décomposer le rendement thermique en trois composantes distinctes: la part théorique de production de chaleur, la part récupérable et la part effectivement utilisée, afin d’en assurer une analyse approfondie. Dans le cadre de la réception d’un projet ou de l’évaluation d’une rénovation visant à améliorer l’efficacité énergétique, il convient de consigner sur site des données telles que la durée de fonctionnement, la consommation électrique, le débit ainsi que les températures d’entrée et de sortie, et de conserver les étapes du calcul pour permettre une vérification ultérieure.