Énergie pneumatique

« Pneumatics » (Cyclopaedia, 1728)

L'énergie pneumatique est l'énergie emmagasinée dans un gaz comprimé. Elle est exploitée dans un système pneumatique.

Dans un système pneumatique, le gaz comprimé est utilisé comme moyen de transport et de stockage d’énergie. De production facile, le système pneumatique présente un certain nombre d’avantages.

Comme un système hydraulique, un système pneumatique est fondé sur une différence de pression entre deux zones, qui crée une force, puis un mouvement. Mais un système hydraulique utilise un fluide non compressible, un liquide, alors qu'un système pneumatique s'appuie sur un fluide compressible, un gaz. Un système hydraulique comprend souvent un système pneumatique pour un stockage d'énergie, au moins temporaire, le gaz étant utilisé à la manière d'un ressort.

Choix du gaz

L'air est souvent utilisé, sauf quand des contraintes diverses conduisent à choisir d'autres gaz :

• Par exemple, une préoccupation de résistance à l'oxydation conduit à utiliser de l'azote ou un autre gaz neutre.
• Des températures particulières peuvent conduire à utiliser des matériaux ayant une phase vapeur aux températures recherchées : les machines à vapeur utilisent un mélange d'air et de vapeur d'eau.
• Enfin, les moteurs à combustion interne sont des systèmes pneumatiques dont le gaz comprimé est issu de la combustion d'un combustible dans de l'air.

Le cas particulier de l'usage de l'air est traité dans l'article air comprimé.

Principes de mise en œuvre

Un système pneumatique repose sur une différence de pression entre deux zones, différence de pression qui crée une force mécanique.

La force (F) résultant de la différence de pression entre les deux zones est proportionnelle à la différence de pression (P1 - P2) et à la surface (S) sur laquelle elle s'exerce : F = (P1 - P2) * S

Toute la matière fermant la zone subira cette force, tant qu'elle peut y résister.

Si la zone est fermée par une partie déformable et/ou mobile, que l'on nomme « piston », alors le piston bougera, en modifiant le volume des zones.

Selon la conception du système, le piston bougera par exemple de manière linéaire, à l'intérieur d'un cylindre.

Il peut bouger avec un mouvement de rotation, plus ou moins complexe, on peut parler alors de « turbine ».

Dans les armes servant à lancer des projectiles, le projectile est le piston, animé d'une très grande vitesse linéaire, combinée à une rotation servant à le stabiliser sur sa trajectoire.

Un avion est porté par ses ailes, qui forment un piston entre la zone avec moins de pression, au-dessus de l'aile, par rapport à la zone sous l'aile.

Enfin, le piston peut être déformable (ballon, diaphragme) voire être liquide (baromètre à mercure, bulle) et des phénomènes de dissolution et de vaporisation entrent en jeu.

Souvent, l'une des zones est à la pression atmosphérique. Il s'agit d'une référence pratique, mais la pression atmosphérique varie selon le lieu, selon son altitude et selon les conditions météorologiques.

Bases de la modélisation physique

Le domaine des systèmes pneumatiques est lié à la science de la thermodynamique.

Il s'agit d'un domaine extrêmement complexe, car de nombreux paramètres interviennent en même temps, ce qui rend les systèmes difficiles à décrire et à maîtriser.

Par exemple, la loi de Mariotte décrit les gaz parfaits sous la forme : PV = nRT.

Cette loi fait déjà intervenir en même temps la Pression, le Volume, le nombre de molécules de gaz et la température, pour décrire une situation statique à l'équilibre.

Or une différence de pression va entrainer des mouvements, ayant une incidence sur les pressions locales, sur le volume, sur les températures locales et sur le nombre de molécules s'il y a des fuites.

Les mouvements de fluides, étudiés par l'aérodynamique, peuvent être complexes et créer des résonances, c'est-à-dire des sons.

Les différences de température vont entrainer des transferts de chaleur, qui vont modifier les pressions, avec les conséquences indiquées précédemment.

Selon les conditions de température et de pression, des espèces chimiques peuvent changer d'état, entre gaz, liquide, voire solide, ce qui change la densité volumique, la compressibilité, l'énergie disponible, les pressions et les températures.

Et d'éventuelles interactions chimiques vont modifier les espèces de molécules et leur nombre, les températures, et les pressions...

On peut aussi noter les interactions avec les champs électromagnétiques, domaine de la magnétohydrodynamique, même si ces application sont peu connues.

La loi de Mariotte décrit un gaz simplifié, et demande des compléments complexes pour les gaz réels et mélangés utilisés, car il s'agit de simplifications statistiques appliquées à des molécules en très grand nombre : dans le domaine des systèmes pneumatiques, rien ne remplace les expériences réelles.

Pour réussir à comprendre les interactions entre tous les paramètres, on essaye de se ramener à des situations simples, en gardant certains paramètres constants. On parlera de « transformation » :

• isotherme : à température constante ;
• isobare : à pression constante ;
• isochore : à volume constant ;
• adiabatique : à énergie thermique constante ;

On essaye aussi de faire les transformations lentement, afin de rester proche des équilibres :

• si un piston de pompe à vélo est poussé rapidement, l'air va sortir très chaud ;
• s'il est poussé plus lentement, l'air s'échauffera moins et plus de pression sera disponible. L'efficacité de la compression sera meilleure.

Estimation de l'énergie

Estimation à valider (provenance article véhicule à air comprimé)

Un réservoir de volume V contenant de l'air à la pression Pa qu'on laisse se détendre contient effectivement de l'énergie mécanique qu'on peut récupérer.

Dans le meilleur des cas (détente adiabatique réversible, rendement égal à 100 %), la puissance délivrée (en J/kg d'air) sera :

$W= -\frac{\gamma}{\gamma-1}* Z * r * Ta * [{\frac{Pr}{Pa}}^{(\frac{\gamma-1}{\gamma})} - 1]$

avec gamma = Cp/Cv = 1,4 pour de l'air Z = coefficient de compressibilité = 1 r = constante du gaz = R/M R= 8,314 J/mole.K et M masse molaire en kg/mole (= 0,028 pour de l'air) Ta = température absolue (en °K) à l'aspiration = t (en °C) +273

Si t = 27 °C alors Ta = 300 °K Si P^r =1 bar ( = atmosphère) alors W = -311 775*[(1/Pa)^0,286 -1)

pour Pa = 300 bar W = 250,76 kJ/kg et Ro = 423 kg/m³ pour Pa = 100 bar W = 228,24 kJ/kg et Ro = 141 kg/m³

où Ro est la masse volumique de l'air à la pression considérée

Si on a un réservoir de 300 litres (soit cinq fois un réservoir normal), soit 0,3 m³ pour Pa = 300 bar on a 126 kg d'air (en supposant le gaz parfait, ce qui n'est vraiment exact dans cette gamme de pression) pour Pa = 100 bar on a 42 kg d'air

On peut donc produire (en supposant que la pression est toujours maximale jusqu'à l'utilisation du dernier kg d'air ce qui majore considérablement ...) pour Pa = 300 bar Energie = 31 500 kJ = 8,75 kWh pour Pa = 100 bar Energie = 9 576 kJ = 2,7 kWh

Estimation à valider (provenance article air comprimé)

L'énergie $\displaystyle E$ contenu dans un volume $\displaystyle V$ de gaz comprimé à une pression $\displaystyle P$ vaut : $E = \frac{i}{2} \cdot P \cdot V$ où
i = 3 pour un gaz monoatomique, (par exemple du He)
i = 5 pour un gaz diatomique et (par exemple de l'O₂ ou du N₂ )
i = 6 pour un gaz triatomique ou plus (par exemple du CO₂ )

Cette énergie peut être récupérée par décompression adiabatique, c'est-à-dire sans échange de chaleur avec l'environnement.

Dans le cas d'une décompression isotherme, c'est-à-dire à température constante, on peut récupérer plus d'énergie, car une partie vient de l'environnement sous forme de chaleur.
Dans ce cas, l'énergie récupérée vaut : $E = ln(P_2 / P_1) \cdot P \cdot V$

$\displaystyle P_2$ étant la pression avant décompression et $\displaystyle P_1$ après décompression.

$P \cdot V$ étant constant, on peut prendre $P_2 \cdot V_2$, avant décompression ou $P_1 \cdot V_1$ après décompression.

Par exemple :
l'énergie contenue dans 300 litres d'air ( 0,3 m³ ) à 300 bars $\scriptstyle(\; 3 \cdot 10^7 [N/m^2]\; )$ vaut : $\scriptstyle E \;=\; \frac{6}{2} \cdot 3 \cdot 10^7 \cdot 0,3 \;=\; 27 \;[MJ]$, soit 7,5 kWh.
Ceci correspond à l'énergie contenue dans 0,6 [kg] d'essence, soit 0,83 litres d'essence.

Si la décompression est isotherme, $\scriptstyle {E \;=\; ln(300/1) \cdot 3 \cdot 10^7 \cdot 0,3 \;=\; 51,3 \;[MJ]}$, soit 14,2 kWh.
Ceci correspond à l'énergie contenue dans 1,14 kg d'essence, soit 1,6 litre d'essence.

Références :
"Physique" de Eugene HECHT, 1ère Edition, 4ème tirage 2004, ISBN : 2-7445-0018-6
Chapitre 16, section 16.1 formule 16.6 combinée avec la loi des gaz parfaits.
Exercice 60 du chapitre 16.

Classification par fonction

Les systèmes pneumatiques utilisent quatre fonctions principales :

• compression ;
• transport ;
• stockage, avec charge et décharge ;
• moteur ou actuateur.

Des composants supplémentaires vont être utilisés dans les systèmes :

• vanne ;
• échangeur thermique ;
• détendeur ou régulateur de pression ;
• régulateur de débit ;
• clapet anti-retour ;
• filtres ;
• capteurs pour les mesures de paramètres.

Si la modularité (1 matériel = 1 fonction) est toujours recherchée pour la simplification de la conception et la standardisation de la production, certains matériels peuvent combiner plusieurs fonctions pour des raisons d'optimisation.

Classification par utilisation

Les systèmes pneumatiques sont utilisés dans tous les domaines de la vie quotidienne occidentale :

• amortisseurs ;
• accumulateurs pour les systèmes hydrauliques, accumulateurs pour la génération d'électricité ;
• armes à feu, armes à air comprimé ;
• automatisation de machines outil ;
• avions ;
• instruments de musique à vent ;
• machines frigorifiques, qui utilisent un gaz compressible sur toute une partie du cycle de fonctionnement ;
• moteurs à vapeurs, turbines à vapeur, moteurs à combustion interne, outils à air comprimé, moteurs à air comprimé, turbines à gaz, réacteurs, éoliennes ;
• postes pneumatiques ;
• système respiratoire.

Sans oublier notre Terre, dont l'atmosphère est le plus complexe système pneumatique existant.

Classification par niveau de pression

• De quelques mbars à 1 bar : domaine de la régulation, de la fluidique
• De 1 à 10 bars : domaine de la commande, de la puissance (usage courant)
• De 20 à 40 bars : domaine de la navigation (démarrage diesel)
• De 150 à 250 bars : stockage en bouteilles pour la plongée, avec de l'air où des mélanges spécifiques
• De 200 à 500 bars : pression pour les systèmes de grande puissance (avions de chasse,...)

Annexes

Articles connexes

• Air comprimé
• Moteur à air comprimé
• Architecture des moteurs à pistons
• Système pour stocker l'énergie sous forme d'air comprimé

Liens externes

• Guide de dimensionnement des vérins pneumatiques [PDF]
• Glossaire des termes associés à l'air comprimé
• Accessoires pneumatiques