etude des compresseurs(tous les aspects)

3. Les compresseurs

2.3.3.1. Applications

Les applications des compresseurs sont très diversifiées. La liste ci-après donne des exemples d'utilisation de ces machines :

• fabrication d'air comprimé (air instrumentation, nettoyage de pièces, peinture...) ;
• compression et déplacement des gaz procédés ;
• transport des matières pulvérulentes (transports « pneumatiques » des poudres) ;
• réalisation de vide et de dépression (distillation, cristallisation sous vide, évaporation...) ;
• assainissement des locaux (ventilation, climatisation...) ;
• brassage de bassins de fermentation.

2.3.3.2. Généralités

2.3.3.2.1. Critères de choix

• Qualité du gaz
• Propreté du gaz
• Nocivité du gaz
• Débit, pression (taux de compression)

Pour ces deux derniers points, la figure 14 donne une information sur les plages habituelles de fonctionnement des diverses catégories de compresseurs.

Figure 14

2.3.3.2.2. Taux de compression

Le taux de compression est le rapport de la pression au refoulement à la pression d'aspiration .

La dénomination classique des machines suivant le taux de compression est :

• ventilateur, pour ;
• soufflantes pour ;
• compresseurs pour .

2.3.3.2.3. Compression : aspect énergétique

2.3.3.2.3.1. Température

La compression nécessite du travail et dégage de la chaleur ; cette chaleur contribue à l'augmentation de la température du gaz (cf. augmentation de température du corps de la pompe à vélo lors du gonflage d'un pneumatique).

Dans le cas d'une compression adiabatique, cette température est donnée par la relation :

2.3.3.2.3.2. Travail de compression

Pour un compresseur parfait, le travail de compression () est égal au travail de transvasement du fluide () et vaut

Cette intégrale peut être déterminée par l'aire de la courbe dans un diagramme de Clapeyron .

La courbe est déterminée par le type de la compression (cf. thermodynamique) :

• compression isotherme (réalisée à température constante soit ) ;
• compression adiabatique (pas d'échange de chaleur avec l'extérieur soit ) ;
• compression polytropique (compression réelle déterminée par ).

Figure 15

Pour la compression isotherme par exemple, le travail de compression est représenté par l'aire hachurée de la figure 15.

On peut alors constater que W_isotherme < W_polytropique < W_adiabatique.

Il est donc plus intéressant d'un point de vue énergétique de réaliser une compression isotherme.

En conséquence, pour fournir un travail minimum, il est souhaitable de refroidir le compresseur (ou le gaz entre 2 étages de compression) et de ne pas le calorifuger.

2.3.3.3. Classification

Comme pour les pompes, les compresseurs sont classés en deux catégories suivant le mode de transfert de l'énergie au gaz : les compresseurs volumétriques et les compresseurs dynamiques (turbo-machines).

2.3.3.4. Compresseurs volumétriques

2.3.3.4.1. Compresseurs alternatifs

2.3.3.4.1.1. Étude du cycle de compression

Le volume balayé par le piston — du Point Mort Bas (PMB) au Point Mort Haut (PMH) — est appelé la cylindrée V_C. Le volume résiduel non balayé au-dessus du PMH s'appelle le volume mort ; il sera représenté par une fraction E de la cylindrée soit EV_C.

L'étude du cycle (cf. figure 16) commence alors que le piston se trouve au point mort haut (PMH). Il va alors se déplacer vers le point mort bas (point 1) et donc aspirer du gaz à la pression P₁. Lorsque le piston arrive au PMB (point 1), la phase de compression en vase clos commence (suivant la courbe de compression polytropique) pour atteindre la pression P₂ (point 2) : le clapet de refoulement s'ouvre et la phase de refoulement s'amorce et se poursuit jusqu'au point 3 (PMH). Là, commence la détente du gaz emprisonné dans le volume mort (EV_C) suivant une courbe de détente polytropique où la pression P₁ est atteinte au point 4.

Figure 16

Dans la suite, on notera V_i le volume au point i du cycle (cf. figure 16).

On constate alors que le volume aspiré par cycle est .

Le rendement volumétrique du compresseur est alors .

La compression étant supposée polytropique (cf. cours de thermodynamique), elle est définie par la relation .

En utilisant la relation précédente appliquée aux points i (exemple : ) et en remarquant que , le rendement volumétrique indiqué peut être mis sous la forme :

Il ressort de cette relation que :

• diminue si le volume mort augmente ;
• diminue si le taux de compression augmente.

Des remarques précédentes, il peut être déduit deux éléments essentiels dans le fonctionnement des compresseurs :

• la variation du volume mort peut être utilisée dans la régulation de débit d'un compresseur alternatif ;
• il n'est pas toujours possible d'obtenir le taux de compression souhaité en un seul étage ; au contraire, pour augmenter , il est préférable de réaliser une compression étagée (utilisation de compresseurs bi-étagés par exemple).

2.3.3.4.1.2. Différents types de piston

Le piston simple effet travaille sur une seule face.

Le piston double effet travaille sur ses deux faces: pendant qu'une face est en phase de compression, l'autre est en phase d'aspiration, le débit étant de ce fait plus régulier.

Le piston étagé comporte deux pistons superposés se déplaçant dans des cylindres concentriques.

Le piston différentiel comporte deux diamètres différents : il travaille en double effet mais sur des niveaux de pression différents et il permet de réaliser une compression bi-étagée.

Figure 17 - Différents types de piston

2.3.3.4.1.3. Schéma du compresseur à piston

Dans le cas d'un compresseur à double effet, le mouvement rectiligne du piston (nécessaire pour assurer l'étanchéité de la tige du piston côté mécanisme) est assuré par une crosse coulissant dans une glissière (encrossage).

Figure 18 - Compresseur alternatif

2.3.3.4.1.4. Compresseur à membrane

C'est la déformation élastique d'une membrane qui assure l'aspiration et la compression du gaz. Un système hydraulique permet d'assurer la flexion de la membrane : un piston se déplace dans le cylindre et agit sur le fluide hydraulique qui transmettra son mouvement oscillatoire à la membrane. Le rôle du plateau à trous est d'assurer une bonne répartition du fluide sous la membrane. Celle-ci est souvent constituée de trois disques métalliques : ce système a l'avantage de permettre la détection de la rupture de la membrane par une mesure de pression.

La membrane assure une étanchéité statique côté gaz procédé. De ce fait, les compresseurs à membrane sont utilisés pour des gaz dangereux, nocifs et corrosifs. La membrane permet également de réaliser l'étanchéité vis à vis de la partie mécanique.

Figure 19 - Compresseur à membrane

2.3.3.4.1.5. Les clapets

La majorité des clapets utilisés actuellement sont des clapets dits passifs : leur mouvement d'ouverture ou de fermeture est obtenu par la différence de pression s'exerçant sur ses deux faces ; la fermeture est toutefois aidée par des ressorts.

Il existe deux grandes catégories de clapets: les clapets à lamelles et les clapets à disques.

Figure 20 - Clapets (d'après Doc. SULZER)

2.3.3.4.2. Compresseurs rotatifs

2.3.3.4.2.1. Compresseur à palettes

Il est constitué d'un stator cylindrique dans lequel tourne un rotor excentré. Ce dernier est muni de rainures radiales dans lesquelles coulissent des palettes qui sont constamment plaquées contre la paroi du stator par la force centrifuge (cf. Figure 21).

Figure 21 - Compresseur à palettes

La capacité comprise entre deux palettes est variable. Devant la tubulure d'aspiration, le volume croît : il y a donc aspiration du gaz. Ce gaz est ensuite emprisonné entre deux palettes et transporté vers la tubulure de refoulement. Dans cette zone, le volume décroît et le gaz comprimé s'échappe dans la tuyauterie de refoulement.

Deux conceptions de compresseur existent :

• fonctionnement avec lubrification : les palettes sont en général en acier et l'huile, outre l'amélioration du frottement entre palettes et stator, assure l'évacuation des calories et améliore l'étanchéité au niveau des contacts palettes/stator. Dans cette configuration, le gaz comprimé est pollué par l'huile.
• Fonctionnement à sec avec des palettes en composites chargés en graphite.

2.3.3.4.2.2. Compresseur à vis

La partie tournante est composée de deux vis engrenant l'une dans l'autre. Ces deux vis tournent en sens contraire. Le passage du gaz s'effectue parallèlement aux axes des deux vis. La vis femelle comporte toujours un pas de plus que la vis mâle avec un profil différent.

Figure 22 - Vis (d'après Doc. AERZEN)

Le gaz est comprimé (cf. Figure 23) en traversant des capacités de plus en plus petites jusqu'à la tubulure de refoulement (les chambres sont formées par les parois du corps et les filets des deux vis).

Figure 23 - Cycle de compression (d'après Doc. AERZEN)

2.3.3.4.2.3. Compresseur à anneau liquide

Ces compresseurs utilisent un liquide auxiliaire pour assurer l'étanchéité entre le rotor et le stator ; ce liquide est plaqué contre la périphérie du stator par la force centrifuge reçue de la roue à ailettes.

Un étage de compression est composé des quatre éléments suivants (cf. figure 24) :

• une roue à ailettes fixes montée sur l'arbre du compresseur (2) ;
• un corps cylindrique (stator) d'axe excentré par rapport à l'axe de rotation (3) ;
• deux disques (flasques (1) et (4)) placés de part et d'autre du stator et portant chacun une ouverture (lumière ou ouïe) permettant l'entrée du gaz (lumière d'aspiration) et la sortie du gaz (lumière de refoulement).

Figure 24 - compresseur à anneau liquide : composition

Le fonctionnement du compresseur est illustré par la figure 25.

Le liquide auxiliaire forme un anneau concentrique au corps. La roue étant excentrée, des capacités de volumes variables sont générées entre deux ailettes et l'anneau liquide. En fonction du sens de rotation de la roue, la lumière d'aspiration est placée devant des capacités grandissantes : il se crée une dépression et donc l'aspiration du gaz ; il est ensuite transporté (car emprisonné entre deux ailettes et le liquide) vers la lumière de refoulement qui, elle, est placée devant des capacités qui diminuent de volume : il se crée donc une compression et le refoulement du gaz comprimé est possible.

Figure 25 - fonctionnement du compresseur à anneau liquide

En ce qui concerne l'alimentation en liquide de l'anneau, trois configurations sont possibles (cf. figure 26) :

• fonctionnement en liquide perdu : le liquide refoulé n'est pas réutilisé ;
• fonctionnement en recyclage partiel : le liquide est séparé du gaz dans un pot séparateur ; une partie de ce liquide est recyclé avec un complément de liquide propre ;
• fonctionnement en recyclage total : après séparation (pot séparateur), la totalité du liquide est recyclé après avoir été refroidi dans un échangeur.

Figure 26 - Mode d'alimentation de l'anneau liquide

Figure 27 - Compresseur à anneau liquide à 2 étages (Doc. SIHI)

2.3.3.4.2.4. Compresseur à lobes (Roots)

Le rotor est formé de deux lobes (ayant la forme d'un huit) s'imbriquant l'un dans l'autre. Le mouvement de rotation des rotors est synchronisé par des pignons extérieurs. Il n'y a aucun contact entre les rotors entre eux et entre les rotors et le carter.

Figure 28 - Lobes (d'après Doc. AERZEN)

Le gaz à véhiculer arrive dans la tubulure d'aspiration et est transporté de force du côté du refoulement.

Figure 29 - Compresseur à lobes

La rotation des rotors se faisant sans contact, il n'est pas nécessaire de les lubrifier et la compression est donc exempte d'impuretés.

2.3.3.5. Compresseurs dynamiques

2.3.3.5.1. Principe

Ce sont des machines dans lesquelles l'échange d'énergie a lieu entre un rotor muni d'aubages tournant autour d'un axe et un fluide en écoulement permanent (cf. mécaniques des fluides).

2.3.3.5.2. Types de machine

La classification de ces machines en deux catégories est basée sur la forme géométrique des roues :

• les machines centrifuges, dans lesquelles le fluide entre axialement dans la roue puis se répartit tout autour de cet axe dans une direction qui lui est perpendiculaire. Le fluide ressort en périphérie et est collecté par le biais d'une volute.

Figure 30 - Roue centrifuge (d'après Doc. SULZER)

• Les machines axiales, dans lesquelles le fluide conserve un parcours axial dans la traversée de la roue mobile.

Figure 31 - Roue axiale (d'après Doc. SULZER)

Figure 32 - Compresseur axial

Concernant leurs caractéristiques, les compresseurs centrifuges sont utilisés pour des taux de compression élevés, alors que les compresseurs axiaux le sont pour des débits importants (cf. diagramme d'utilisation des compresseurs en figure 14).

2.3.3.5.3. Constitution

Ces machines sont constituées des éléments suivants :

• de pâles d'entrée (ailettes orientables ou ventelles) dont le rôle est de guider le fluide dans la direction adaptée à son entrée dans la roue. Elles permettent d'adapter la caractéristique du compresseur à des variations de la caractéristique du réseau. Autrement dit, le débit du fluide peut être maintenu constant en agissant sur la position de ces pâles.

Figure 33 - pâles variables (Doc. AERZEN)

• De la roue mobile ;
• du diffuseur : son rôle est de transformer la pression dynamique du fluide en pression statique par réduction de la vitesse. Les ailettes se trouvant dans le diffuseur sont parfois orientables et jouent alors le même rôle que les ventelles.

L'association de ces trois éléments forme un étage de compression ou cellule. Compresseurs centrifuges et axiaux sont souvent composés de la juxtaposition de plusieurs étages montés en série: ces machines sont dites multicellulaires.

2.3.3.5.4. Conception du stator

Suivant le niveau de pression à assurer, deux conceptions sont possibles :

• Stator à plan de joint horizontal : cette conception est utilisée pour des pressions inférieures à 40 bars. Le stator est réalisé en deux parties dont l'assemblage est assuré par un joint horizontal (contact métal sur métal). Cette configuration est adoptée pour les compresseurs axiaux et les compresseurs centrifuges basses et moyennes pression.

Figure 34 - stator à plan de joint horizontal (Doc. SULZER)

• Stator à plan de joint vertical (« barrel ») : il est utilisé pour des pressions supérieures à 40 bars. Cette configuration est adoptée pour les compresseurs centrifuges haute-pression.

Figure 35 - stator de type barrel (Doc. SULZER)

2.3.3.5.5. Étanchéités

On distingue deux types d'étanchéité :

• les étanchéités internes : elles ont pour mission d'éliminer les fuites entre les étages de compression (retour du refoulement vers l'aspiration par exemple). Elles sont de type labyrinthe (cf. module étanchéités). Elles se situent (cf. figure 36) en A pour éviter le retour de gaz comprimé à l'aspiration de la roue et en B pour réaliser l'étanchéité entre deux cellules consécutives.

Figure 36 - Étanchéité par labyrinthes

• les étanchéités externes : leur rôle est d'éviter les fuites de gaz vers l'extérieur en particulier au niveau des sorties d'arbre.

Trois types de conception sont possibles :

• étanchéité de type labyrinthe : elle est possible si une légère fuite vers l'extérieur est acceptable (compresseur d'air par exemple) ;
• par labyrinthe et barrage: extracteur de fuite ou injection de gaz ou de liquide ;