Brevet FR3064051A1 — publié le 20180921

INSTALLATION DE PRODUCTION D'AIR COMPRIME L'invention concerne une installation de production d'air comprimé. De manière générale, l'air comprimé est utilisé dans l'industrie pour la commande pneumatique de robots et autres automatismes, pour l'outillage ou encore pour le nettoyage industriel. De manière connue, une installation de production d'air comprimé comporte notamment un compresseur et un sécheur pour sécher l'air comprimé en sortie du compresseur. Un exemple de sécheur utilisé est un sécheur par adsorption avec chaleur externe. Ce type de sécheur comprend deux réservoirs remplis chacun avec un matériau dessicant, c'est-à-dire un matériau absorbeur d'humidité. L'air perd donc son humidité au contact d'un tel matériau. Ce processus est réversible : le matériau dessicant restitue l'humidité qu'il a emmagasinée au contact d'air chaud car l'air chaud a une certaine propension à absorber l'humidité. On parle d'une régénération du matériau dessicant. En fonctionnement, un premier réservoir est donc dédié au séchage de l'air comprimé, alors que le second réservoir est régénéré par insufflation d'air chaud. L'air humide à sécher traverse donc le premier réservoir pour y perdre son humidité et de l'air chaud traverse le second réservoir pour absorber l'humidité accumulée par le matériau dessicant et régénérer les propriétés absorbantes du matériau dessicant. Typiquement, l'air chaud insufflé dans le second réservoir est produit à partir d'un ensemble comprenant un ventilateur pour extraire l'air de l'atmosphère et un radiateur pour chauffer l'air extrait de l'atmosphère. Après une certaine période de fonctionnement, le matériau dessicant contenu dans le premier réservoir n'est plus capable d'absorber de l'humidité, c'est pourquoi l'air comprimé en sortie du compresseur est alors dirigé vers le second réservoir, dans lequel le matériau dessicant a été régénéré par insufflation d'air chaud. De cette manière, l'air comprimé asséché peut être produit en continu. Un inconvénient de ce type d'installation est que le radiateur consomme beaucoup d'énergie électrique pour réchauffer l'air issu de l'atmosphère à une température suffisante pour pouvoir absorber efficacement l'humidité absorbée par le matériau dessicant stocké à l'intérieur du second réservoir. C'est à ces inconvénients qu'entend plus particulièrement remédier l'invention en proposant une installation de production d'air comprimé dans laquelle le radiateur est moins consommateur d'énergie. 3064051 2 A cet effet, l'invention concerne une installation de production d'air comprimé, comprenant un compresseur, un échangeur de chaleur air-air, configuré pour refroidir un premier flux 5 d'air en sortie du compresseur par échange de chaleur avec un deuxième flux d'air, un sécheur d'air par adsorption, comprenant deux réservoirs d'un matériau dessicant, un premier conduit, pour acheminer le premier flux d'air, en sortie de 10 l'échangeur de chaleur, vers un premier réservoir afin de sécher le premier flux d'air au contact du matériau dessicant, un radiateur pour chauffer de l'air, un deuxième conduit pour acheminer l'air chauffé par le radiateur vers le second réservoir de sorte que l'humidité stockée par le matériau dessicant 15 contenu dans le second réservoir est absorbée par l'air chaud insufflé à l'intérieur du second réservoir. Conformément à l'invention, l'installation comprend un troisième conduit pour acheminer le deuxième flux d'air, en sortie de l'échangeur de chaleur, vers le radiateur, le flux d'air chauffé par le radiateur comprenant le deuxième flux d'air en sortie de 20 l'échangeur. De préférence, le flux d'air chauffé par le radiateur est constitué par le deuxième flux d'air. De manière connue, la température d'un gaz augmente lorsqu'il est comprimé. A titre d'exemple, lorsque l'air ambiant est comprimé à 10 bars, la température de l'air 25 comprimé grimpe jusqu'à 120°C. Toutefois, l'air comprimé n'est pas exploitable à une telle température. On utilise donc généralement un échangeur de chaleur en sortie de l'organe de compression du compresseur. Cet échangeur de chaleur est souvent intégré au compresseur. L'échangeur de chaleur refroidit alors l'air comprimé pour l'amener à une température d'utilisation proche de la température ambiante. Le refroidissement de l'air 30 comprimé a souvent lieu par échange de chaleur avec un flux d'air froid, par exemple un flux d'air ambiant. Cependant, le flux d'air utilisé pour refroidir l'air comprimé est généralement rejeté vers l'atmosphère. Dans ce cas, Il n'y a pas d'utilisation de l'énergie thermique disponible dans l'air en sortie de l'organe de compression. Grâce à l'invention, cette énergie thermique est utilisée pour réchauffer l'air en 35 amont du radiateur. L'air en entrée du radiateur est donc déjà chaud car il sort de l'échangeur de chaleur. Le radiateur ne consomme donc pas autant d'énergie que si l'air 3064051 3 à réchauffer était directement extrait de l'atmosphère. Ainsi, le radiateur de l'installation de production d'air comprimé selon l'invention a une consommation d'électricité moindre par rapport à un radiateur d'une installation de production selon l'art antérieur. Selon des aspects avantageux mais non obligatoires de l'invention, une telle 5 installation peut comporter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises dans toute combinaison techniquement admissible : - L'échangeur de chaleur air-air est un caisson aéraulique comprenant un ventilateur permettant d'utiliser l'air ambiant pour former le deuxième flux d'air. - Cette installation comprend des moyens de contrôle de la puissance du 10 ventilateur. - Cette installation comprend en outre un séparateur cyclonique agencé au niveau du premier conduit. - Cette installation comprend en outre des moyens pour diriger automatiquement le premier flux d'air en sortie de l'échangeur vers le second réservoir et le 15 deuxième flux d'air vers le premier réservoir lorsque le matériau dessicant contenu dans le premier réservoir n'est plus capable d'absorber de l'humidité. - Les moyens comprennent : une première vanne configurée pour diriger le premier flux d'air en sortie de l'échangeur vers le premier réservoir lorsqu'elle est dans un 20 premier état et vers le second réservoir lorsqu'elle est dans un deuxième état, une deuxième vanne configurée pour diriger le deuxième flux d'air vers le second réservoir lorsqu'elle est dans un premier état et vers le premier réservoir lorsqu'elle est dans un deuxième état, et 25 une unité électronique de commande des vannes. - L'unité électronique de commande est programmée pour changer l'état de chacune des deux vannes après une période prédéterminée. - Cette installation comprend en outre un filtre en sortie du sécheur. - Cette installation comprend en outre un capteur de température, pour mesurer la 30 température du deuxième flux d'air en sortie du radiateur et des moyens pour réguler la puissance du radiateur en fonction de la température mesurée par le capteur. - Les deux réservoirs sont des colonnes remplies de billes en matériau dessicant. L'invention et d'autres avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement à la 35 lumière de la description qui va suivre d'un mode de réalisation d'une installation de production d'air comprimé conforme à son principe, donnée uniquement à titre d'exemple 3064051 4 faite en référence à la figure 1 annexée représentant schématiquement une installation de production d'air comprimé conforme à l'invention. Sur la figure 1 est représentée une installation 2 de production d'air comprimé. Cette installation 2 comprend un compresseur 4 destiné à extraire un flux d'air FO de 5 l'atmosphère et à le comprimer pour délivrer un premier flux d'air F1 qui, dans l'exemple, a une pression comprise entre 4 et 10 bars et une température comprise entre 80 et 120°C. Un échangeur de chaleur 6 du type air-air est disposé en sortie du compresseur 4, c'est-à-dire en aval du compresseur sur le trajet de l'air. L'échangeur 6 est configuré pour 10 refroidir le premier flux d'air F1 en sortie du compresseur 4 par échange de chaleur avec un deuxième flux d'air F2. Dans l'exemple, l'échangeur de chaleur 6 est un caisson aéraulique et le deuxième flux d'air F2 est un flux d'air froid extrait de l'atmosphère par un ventilateur 60 logé dans le caisson 6. Avantageusement, l'installation 2 comprend des moyens 16 de contrôle de la puissance du ventilateur 60. 15 F1' et F2' représentent respectivement le premier flux d'air et le second flux d'air en sortie de l'échangeur air-air 6. Le flux d'air F1' a une température comprise entre 25°C et 55°C en fonction du taux de compression du compresseur 4, alors que le flux d'air F2' a une température comprise entre 70°C et 110°C. L'installation comprend en outre un sécheur d'air par adsorption 10 comprenant 20 deux réservoirs 100 et 102 qui contiennent chacun un matériau dessicant, c'est-à-dire un matériau absorbeur d'humidité. Les deux réservoirs 100 et 102 sont des colonnes remplies de billes fabriquées en matériau dessicant. Par exemple, le matériau dessicant est une zéolithe. Un conduit 18 s'étend entre l'échangeur 6 et le sécheur 10. Ce conduit 18 permet 25 d'acheminer le premier flux d'air F1', de la sortie de l'échangeur 6 jusqu'au sécheur 10. Un séparateur cyclonique 12 est agencé au niveau du conduit 18 pour filtrer les particules contenues dans le premier flux d'air F1'. L'installation de production d'air comprimé 2 comprend également un radiateur 8 pour chauffer de l'air et un conduit 22 pour acheminer l'air chauffé par le radiateur 8 vers 30 le sécheur 10. Un conduit 20 permet d'acheminer le deuxième flux d'air F2', en sortie de l'échangeur de chaleur 6, vers le radiateur 8. Ce conduit 20 s'étend donc entre l'échangeur 6 et le radiateur 8. Ainsi, le deuxième flux d'air F2' en sortie de l'échangeur 6 correspond à l'air chauffé par le radiateur 8 pour la régénération du matériau dessicant 35 contenu dans le réservoir 100 ou 102. Or, le deuxième flux d'air F2' est plus chaud que l'air ambiant lorsqu'il sort de l'échangeur de chaleur 6 du fait de l'échange de chaleur avec 3064051 5 l'air chaud F1 en sortie du compresseur 4. Pour chauffer le flux d'air F2', le radiateur 8 ne consomme donc pas autant d'énergie que si l'air à réchauffer était directement extrait de l'atmosphère, comme c'est le cas dans l'art antérieur. On note F2" le deuxième flux d'air en sortie du radiateur 8, c'est-à-dire le flux d'air circulant dans le conduit 22. 5 Avantageusement, l'installation 2 comprend un capteur de température 14 disposé en sortie du radiateur 8 et configuré pour mesurer la température du deuxième flux d'air F2". Des moyens 16 sont prévus pour réguler la puissance du radiateur 8 en fonction de la température mesurée par le capteur 14. Il y a donc une régulation sur la température du flux d'air F2", ce qui permet d'obtenir un flux d'air F2" avec une température suffisamment 10 élevée pour absorber l'humidité emmagasiner par les billes en matériau dessicant contenu dans le réservoir 100 ou 102. Le réservoir 100 comprend deux conduits de raccordement 24 et 28. Le réservoir 102 comprend également deux conduits de raccordement 26 et 30. Les deux conduits 28 et 30 sont reliés au conduit 18 par des conduits respectifs 32 15 et 34. Une vanne V1 permet de diriger le premier flux d'air F1' circulant dans le conduit 18 vers l'un ou l'autre des conduits 32 et 34. Les deux conduits 28 et 30 sont également reliés à un conduit d'échappement 40 d'air humide ouvert sur l'atmosphère. Une vanne V2 permet de diriger le deuxième flux d'air F2" circulant dans le 20 conduit 22 vers l'un ou l'autre des conduits 24 et 26. Les deux conduits 24 et 26 sont également reliés à un conduit de sortie d'air sec 42 par des conduits respectifs 38 et 36. Une vanne V3 permet de connecter le conduit de sortie 42 à l'un ou l'autre des conduits 36 et 38. Une vanne V4 permet de connecter sélectivement les conduits 24 et 38 l'un avec 25 l'autre. Une vanne V5 permet de connecter sélectivement les conduits 26 et 36 l'un avec l'autre. Une vanne V6 permet de connecter le conduit 28 avec l'un ou l'autre des conduits 32 et 40. 30 Une vanne V7 permet de connecter le conduit 30 avec l'un ou l'autre des conduits 34 et 40. Les vannes V1 à V7 sont des vannes trois voies. La vanne V1 est configurée pour diriger le premier flux d'air F1' vers le premier réservoir 100 lorsqu'elle est dans un premier état et vers le réservoir 102 lorsqu'elle est 35 dans un deuxième état. 3064051 6 La vanne V2 est configurée pour diriger le deuxième flux d'air F2" vers le second réservoir 102 lorsqu'elle est dans un premier état et vers le premier réservoir 100 lorsqu'elle est dans un deuxième état. Les vannes V1 à V7 sont chacune commandées par une unité électronique de 5 commande 16. Avantageusement, l'unité électronique de commande 16, les moyens 16 de contrôle de la puissance du ventilateur et les moyens 16 pour réguler la puissance du radiateur sont confondus, c'est pourquoi ils portent la même référence numérique. Le fonctionnement de l'installation 2 de production d'air comprimé est le suivant : 10 L'exemple représenté à la figure 1 correspond à une première configuration de fonctionnement dans laquelle le réservoir 100 est dédié au séchage de l'air, alors que le réservoir 102 est régénéré. Les vannes V1 et V2 sont alors chacune dans leur premier état. Le compresseur 4 comprime de l'air ambiant FO pour délivrer, en sortie, le flux 15 d'air comprimé F1. Ce flux d'air comprimé F1 est ensuite refroidi dans l'échangeur 6 par échange de chaleur avec le deuxième flux d'air F2. Dans la première configuration de fonctionnement, les vannes V1 et V6 sont commandées par l'unité 16 de manière à guider le flux d'air F1' vers le réservoir 100. Le flux d'air F1' traverse le réservoir 100 et perd son humidité au contact du matériau 20 dessicant contenu dans le réservoir 100. L'air comprimé ressort donc sec par le conduit 24. F1" désigne le premier flux d'air en sortie du réservoir 100. Les vannes V3 et V4 sont commandées pour guider le premier flux d'air F1" vers le conduit de sortie 42 en connectant les conduits 24 et 38 et les conduits 38 et 42. Le flux d'air sec F1" en sortie du 25 réservoir 100 peut alors être acheminé vers un circuit consommateur d'air, comme un outil ou un actionneur pneumatique. En variante, un ou plusieurs systèmes de filtration d'air sont agencés entre le sécheur d'air 10 et les circuits consommateurs d'air comprimé. En parallèle, de l'air chaud est insufflé à l'intérieur du réservoir 102 pour absorber l'humidité stockée dans le réservoir 102 et régénérer les propriétés absorbantes du 30 matériau dessicant contenu dans ce réservoir 102. Pour cela, le deuxième flux d'air F2' en sortie du compresseur 4 traverse le radiateur 8 et est acheminé vers le réservoir 102. La température du flux d'air F2" acheminé vers le second réservoir 102 est comprise entre 140°C et 200°C. Les vannes V2 et V5 sont alors commandées pour connecter les conduits 22 et 26 et fermer la communication entre les conduits 26 et 36. L'air chaud 35 traverse le réservoir 102 et absorbe l'humidité emmagasinée par le matériau dessicant. 3064051 7 On note F2- le deuxième flux d'air en sortie du réservoir 102. Le deuxième flux d'air F2- ressort du réservoir 102 chargé en humidité et est évacué par le conduit d'échappement 40. Pour cela, la vanne V7 est commandée de manière à mettre en communication les conduits 30 et 40 et à fermer la communication entre les conduits 30 5 et 34. Après une période prédéterminée, le matériau dessicant contenu dans le premier réservoir 100 est chargé en humidité et ne peut plus absorber l'humidité de l'air avec lequel il est en contact. Cette période prédéterminée est de l'ordre de quatre heures et demie. Le sécheur 10 bascule alors dans une seconde configuration de fonctionnement, 10 dans laquelle le réservoir 102 est dédié au séchage de l'air, alors que le réservoir 100 est régénéré. Cette seconde configuration n'est pas représentée. Les vannes V1 et V2 sont commandées pour passer chacune de leur premier état vers leur second état après ladite période prédéterminée. Dans la seconde configuration, les vannes V1 et V7 sont donc commandées de 15 manière à guider le flux d'air F1' vers le réservoir 102. Le flux d'air F1' traverse le réservoir 102 et perd son humidité au contact du matériau dessicant contenu dans le réservoir 102. L'air comprimé ressort donc sec par le conduit 26. Les vannes V3 et V5 sont commandées pour guider le premier flux d'air F1" vers le conduit de sortie 42 en connectant les conduits 26 et 36 et les conduits 36 et 42. 20 En parallèle, de l'air chaud est insufflé à l'intérieur du réservoir 100 pour régénérer les propriétés absorbantes du matériau dessicant contenu dans ce réservoir 100. Pour cela, le deuxième flux d'air F2" réchauffé par le radiateur 8 est acheminé vers le réservoir 100. Les vannes V2 et V4 sont alors commandées pour connecter les conduits 22 et 24 et fermer la communication entre les conduits 24 et 38 respectivement. L'air chaud traverse 25 le réservoir 102 et absorbe l'humidité emmagasinée par le matériau dessicant. Le deuxième flux d'air F2- ressort du réservoir 100 chargé en humidité et est évacué par le conduit d'échappement 40. Pour cela, la vanne V6 est commandée de manière à mettre en communication les conduits 28 et 40 et à fermer la communication entre les conduits 28 et 32. 30 Le sécheur 10 bascule périodiquement de la première configuration à la seconde configuration et inversement, ce qui permet de produire de l'air comprimé asséché en continu. Les vannes V1 et V2 et l'unité électronique de commande 16 forment des moyens pour diriger automatiquement le premier flux d'air F1' en sortie de l'échangeur 6 vers le 35 second réservoir 102 et le deuxième flux d'air F2" vers le premier réservoir 100 lorsque le 3064051 8 matériau dessicant contenu dans le premier réservoir 100 n'est plus capable d'absorber de l'humidité. En variante non représentée, l'installation comprend un filtre en sortie du sécheur 10, c'est-à-dire en aval du flux F2-. 5 Bien entendu, l'invention ne se limite pas à l'exemple décrit ci-dessus et de nouveaux modes de réalisation peuvent être envisagés sur la base de variantes non représentées. REVENDICATIONS1. Installation (2) de production d'air comprimé, comprenant un compresseur (4), un échangeur de chaleur air-air (6), configuré pour refroidir un premier flux d'air (F1) en sortie du compresseur par échange de chaleur avec un deuxième flux d'air (F2), un sécheur d'air par adsorption (10), comprenant deux réservoirs (100, 102) d'un matériau dessicant, un premier conduit (18, 32, 28), pour acheminer le premier flux d'air (F1'), en sortie de l'échangeur de chaleur, vers un premier réservoir (100) afin de sécher le premier flux d'air (F1') au contact du matériau dessicant, un radiateur (8) pour chauffer de l'air, un deuxième conduit (22, 26) pour acheminer l'air (F2") chauffé par le radiateur vers le second réservoir (102) de sorte que l'humidité stockée par le matériau dessicant contenu dans le second réservoir est absorbée par l'air chaud insufflé à l'intérieur du second réservoir, l'installation étant caractérisée en ce qu'elle comprend un troisième conduit (20) pour acheminer le deuxième flux d'air (F2'), en sortie de l'échangeur de chaleur (6), vers le radiateur (8), le flux d'air chauffé par le radiateur comprenant le deuxième flux d'air (F2') en sortie de l'échangeur. 2. Installation selon la revendication 1, dans laquelle l'échangeur de chaleur air-air (6) est un caisson aéraulique comprenant un ventilateur (60) permettant d'utiliser l'air ambiant pour former le deuxième flux d'air (F2). 3. Installation selon la revendication 2, comprenant des moyens (16) de contrôle la puissance du ventilateur (60). 4. Installation selon l'une des revendications précédentes, comprenant en outre un séparateur cyclonique (12) agencé au niveau du premier conduit (18). 5. Installation selon l'une des revendications précédentes, comprenant en outre des moyens (16, V1, V2) pour diriger automatiquement le premier flux d'air (F1') en sortie de l'échangeur vers le second réservoir (102) et le deuxième 3064051 10 flux d'air (F2") vers le premier réservoir (100) lorsque le matériau dessicant contenu dans le premier réservoir n'est plus capable d'absorber de l'humidité. 6. Installation selon la revendication 5, dans laquelle les moyens comprennent : 5 une première vanne (V1) configurée pour diriger le premier flux d'air (F1') en sortie de l'échangeur vers le premier réservoir (100) lorsqu'elle est dans un premier état et vers le second réservoir (102) lorsqu'elle est dans un deuxième état, une deuxième vanne (V2) configurée pour diriger le deuxième flux d'air 10 (F2") vers le second réservoir (102) lorsqu'elle est dans un premier état et vers le premier réservoir (100) lorsqu'elle est dans un deuxième état, et - une unité électronique (16) de commande des vannes. 15 7. Installation selon la revendication 5, dans laquelle l'unité électronique de commande (16) est programmée pour changer l'état de chacune des deux vannes (V1, V2) après une période prédéterminée. 8. Installation selon l'une des revendications précédentes, comprenant en outre 20 un filtre en sortie du sécheur. 9. Installation selon l'une des revendications précédentes, comprenant en outre un capteur de température (14), pour mesurer la température du deuxième flux d'air (F2") en sortie du radiateur (8) et des moyens (16) pour réguler la 25 puissance du radiateur (8) en fonction de la température mesurée par le capteur. 10. Installation selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle les deux réservoirs (100, 102) sont des colonnes remplies de billes en matériau 30 dessicant.