Uncompresseur est unmécanisme destiné à augmenter lapression d'ungaz. C'est aussi, par extension, unemachine complète dans laquelle est installé ce mécanisme de compression (aussi appelé « élément de compression »), et incluant châssis, moteur d'entrainement,échangeurs, filtres, tuyauteries, éléments de régulation, armoire électrique… Ces compresseurs assemblés peuvent être fixes ou mobiles.
Les compresseurs sont divisés en deux grandes familles selon leur principe de compression[1].
Un compresseur « volumétrique » réalise la compression d'un fluide gazeux par la diminution mécanique du volume d'une chambre de compression (pistons et membrane pour les compresseurs alternatifs, palettes, vis, scroll et lobes pour les compresseurs rotatifs). Il s'agit d'une compression mécanique.
Un compresseur « dynamique » réalise la compression du gaz en transformant l'énergie cinétique liée à la vitesse de l'air (compresseurs centrifuges et axiaux).
Classification des compresseurs par type de compression
Ils peuvent être lubrifiés ou non lubrifiés. Un compresseur est dit lubrifié lorsque le fluide comprimé est mis en contact direct avec un lubrifiant lors de la compression. Les compresseurs dynamiques, les compresseurs à membrane et les compresseurs à anneau liquide sont toujours non lubrifiés. Les autres techniques de compression existent en lubrifié et non lubrifié.
Les compresseurs peuvent être mono-étagés (un seul étage de compression), bi-étagés (un premier élément de compression refoule à l'aspiration d'un deuxième élément), jusqu'à trois ou quatre étages, voire plus.
Les éléments de compression sont entraînés par une variété de moteurs qui leur donne lemouvement rotatif nécessaire pour assurer la compression d'un gaz : lesmoteurs électriques sont prédominants depuis la seconde moitié duXXe siècle pour les compresseurs stationnaires; lesmoteurs thermiques (à combustion interne) équipent la majorité des compresseurs mobiles de chantier; desturbines sont parfois utilisées; laroue à aubes hydrauliques et lesmachines à vapeur, désormais désuets, sont employés au cours de l'histoire. La transmission de cette énergie mécanique vers l'arbre d'entraînement du compresseur est assurée par unaccouplement, direct ou par courroies. La vitesse de rotation souhaitée pour l'élément de compression est obtenue par le choix d'un rapport de transmission : diamètre despoulies pour un accouplement par courroies, avec ou sansengrenage pour un accouplement direct.
Les compresseurs sont utilisés dans d'innombrables secteurs d'activité et pour diverses applications[2].
Machine complète et autonome
Les compresseurs d'air comprimé alimentent enénergie pneumatique toute l'industrie et d'autres secteurs (BTP, garages automobiles, dentistes, santé, bricoleurs...). Ils servent également à la production d'air respirable ou médical. Les compresseurs de gaz servent dans le transport ou le stockage dans l'industrie gazière (gazoducs).
Sous-éléments dans des machines plus complexes
Seul l’élément de compression est utilisé. Les compresseurs de fluides frigorigènes servent dans lessystèmes frigorifiques[3], les compresseurs de suralimentation dans les moteurs thermiques (voitures, bateaux...), les compresseurs dynamiques dans les turbines à gaz et les moteurs d'avion.
Pompe à vide
Un compresseur peut servir depompe à vide en utilisant le côté aspiration de l'élément de compression, le refoulement à l'air libre n'étant alors pas utilisé pour être comprimé.
Ils sont capables de produire de gros débits de fluide avec un bon rendement spécifique. Les taux de compression en mono-étagé[5] (jusqu'à 10:1) sont les plus élevés des compresseurs dynamiques mais restent toutefois inférieurs aux taux de compression des compresseurs volumétriques (alternatifs ou à vis)[6].
Lecompresseur axial est un type de turbomachine qui comprime des gaz, et dont le flux d'air suit l'axe de rotation. Le compresseur axial génère un flux continu d'air comprimé[7] et présente l'avantage de produire de gros débits de fluide avec un bon rendement spécifique, tout en conservant une surface réduite en façade.
Ce type de compresseur dynamique génère de gros débits de fluide avec un bon rendement spécifique mais son faible taux de compression nécessite d'avoir plusieurs étages de compression pour obtenir des pressions élevées et des rapport de compression équivalents à ceux d'uncompresseur centrifuge[8].
Ils sont essentiellement utilisés comme éléments de compression dans les turbines à gaz et les turboréacteurs; mécanismes dans lesquels ils sont souvent associés en série avec des compresseurs centrifuges.
Principaux éléments constituant une trompe hydraulique.
Latrompe hydraulique est une installation utilisant unechute d'eau pour souffler de l'air, en l'aspirant dans untube pareffet Venturi puis en le comprimant, du fait de lahauteur de chute.
Progressivement abandonnées pour diverses raisons, les trompes de Frizell-Taylor restent une technologie valable et sont régulièrement étudiées. En effet, elles peuvent valoriser l'énergie hydraulique de faibleshauteurs de chute avec uninvestissement faible, tout en garantissant un rendement supérieur à 70 %[9].
Il existe également deséjecteurs, parfois comparés à tort à des compresseurs mais qui n'en sont pas : ils n'augmentent pas la pression initiale mais créent une amplification du débit.
Le compresseur à vis fait partie de la famille des compresseurs volumétriques rotatifs ; la compression du gaz est réalisée par une diminution mécanique du volume des chambres de compression[2].
Il existe des vis doubles, les plus répandues, et des monovis. Les vis doubles se déclinent en deux catégories : vis non lubrifiées et vis lubrifiées (par injection d'huile ou injection d'eau).
Le compresseur à vis double est aujourd'hui la technique la plus utilisée pour la production d'air comprimé dans l'industrie dans les gammes de pression de 5 à 15 bar et les plages de débit de 100 à 3 000 m³/h. Il équipe également une grande part des systèmesfrigorifiques industriels et tertiaires.
Le compresseur à palettes est un compresseur volumétrique rotatif. Il est constitué d'unstator 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 laforce centrifuge.
La capacité comprise entre deux palettes est variable. Devant latubulure 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 compresseurs à palettes existent : à palettes sèches ou à palettes lubrifiées :
fonctionnement aveclubrification : les palettes sont en général enacier et l'huile, outre la diminution du frottement entre palettes et stator, assure l'évacuation des calories et améliore aussi l'étanchéité au niveau des contacts palettes/stator. Dans cette configuration, le gaz comprimé est pollué par l'huile, il est donc indispensable de procéder à une étape de déshuilage, comme pour le compresseur à vis lubrifiées, avant l'utilisation de l'air comprimé ;
Un compresseur à anneau liquide est unepompe rotative constituée d'un corps de pompe fixe et d'uneroue à aubes entraînée en rotation; utilisée commepompe à vide ou comme compresseur de gaz. le rotor est excentré dans un stator.. Un liquide, souvent de l'eau, est injecté dans le stator et forme, sous l'effet de la force centrifuge, un anneau collé au stator. Le principe est un peu semblable au compresseur à palettes
Lecompresseur à spirale, également connu sous le nom de compresseur G ou scroll, fait partie des compresseurs volumétriques rotatifs. Il emploie deux spirales intercalées pour pomper et comprimer des fluides. Souvent, une des spires est fixe, alors que l'autre se déplace excentriquement sans tourner, de sorte à pomper, emprisonner puis comprimer des poches de fluide entre les spires, comme dessiné ci-dessus.
Ce compresseur est inventé dans son principe en 1905 par le françaisLéon Creux. À l'époque, il est toutefois techniquement impossible de l'industrialiser du fait de la précision d'usinage nécessaire.
Ce type de compresseur est utilisé dans des systèmes de réfrigération ou les climatisations en tant qu'élément de compression, ou en tant que machine dans l'industrie pour comprimer de l'air à 8, voire10bars. La chambre de compression n'est pas lubrifiée, ce qui permet de délivrer un air exempt d'huile (excepté les COV aspirés). Ils ont des avantages sur les compresseurs à piston — plus répandus — (masse, taille, moins de pièces mobiles, fiabilité), mais sont aussi plus chers à produire, limitant leur emploi aux applications ou le coût à une moindre importance que les avantages cités.
Ce compresseur connait une brève application dans l’automobile au milieu des années 1980;Volkswagen l'utilise comme compresseur de suralimentation dans les moteurs dePolo G40 phase 2,Golf II G60, Corrado G60 etPassat G60. Le qualificatif 40 ou 60 désigne la profondeur de la spirale.
Schéma d'un compresseur Roots. 1 et 3 : rotors 2 : support a : basse pression b : fluide comprimé c : sortie haute pression.
Animation d'un compresseur à lobes.
Le compresseur à engrenage ou à lobes, souvent appelé compresseur Roots, est un compresseur volumétrique rotatif. Le mécanisme comprend deux rotors synchronisés en rotation, installés dans unstator, qui emprisonnent l'air lors de leur rotation pour le comprimer par une diminution mécanique du volume de la chambre de compression[2]. Le volume emprisonné et la vitesse de rotation déterminent le débit. Le taux de compression dépend du profil, de la conception, des jeux fonctionnels et des fuites internes, des vitesses et puissances engagées... Plus simplement des limites technico-économiques de la technique utilisée[10].
Les compresseursà becs sont très voisins des compresseurs à lobes, seuls les profils des lobes sont différents (au lieu des deux lobes en « 8 » du schéma ci-contre, on peut imaginer deux « 9 »). Il existe également des profils de compresseurs tri-lobes.
Le compresseur à piston roulant est un compresseur volumétrique rotatif employé majoritairement dans les applications frigorifiques de petite puissance.
principe de fonctionnement compresseur à piston roulant
Un rotor cylindrique, excentré dans un stator, tourne de façon orbitale à l'intérieur du stator[12]. Une palette assure l'étanchéité entre le rotor et le stator pour séparer le côté admission et le côté compression. La chambre de compression a la forme d'un croissant dont le volume est successivement augmenté puis diminué lors du déplacement du rotor le long de la paroi interne du stator[13].
Principe de fonctionnement d'un compresseur à piston lubrifié.Compresseur alternatif pouvant tourner sur deux, quatre ou six cylindres.
Un compresseur àpistons reprend l'architecture des moteurs à pistons , mais l'analogie s'arrête là, l'usage de ce concept mécanique étant inversé du point de vue énergétique (le moteur à pistons crée un mouvement rotatif à partir d'une combustion interne, le compresseur à piston crée de l'air comprimé à partir d'un mouvement rotatif).
Principe de fonctionnement (voir schéma ci contre) : un piston effectue un mouvement alternatif dans un cylindre, faisant ainsi varier le volume de la chambre de compression. Desclapets anti-retour, ou soupapes, à l'admission et au refoulement, installés dans des plaques (ou des boîtes) à clapets couvrent le cylindre à son extrémité, surmontés d'uneculasse[2].
Phase d'admission d'air : lorsque le piston s'éloigne de la culasse, le volume de la chambre de compression s'agrandit. La dépression créée aspire l'air ambiant au travers de la culasse puis du clapet d'admission (ou d'aspiration). Le clapet de refoulement (ou d'échappement) est fermé, en fonction anti-retour.
Phase de compression : lorsque le piston se rapproche de la culasse, l'air présent est comprimé par la réduction du volume de la chambre de compression. Le clapet d'aspiration se referme sous l'effet de sa fonction anti-retour. L'air comprimé est donc contraint de s'échapper au travers du clapet de refoulement[14].
compresseur d'air à pistons.
L'échappement d'air oppose une certaine résistance qui provoque un échauffement. Cumulé avec la chaleur provoquée par la compression, cela entraîne des températures de compression très élevées (>100°C). Les clapets de compresseurs, pièce maîtresse des compresseurs, sont des éléments très sollicités, surtout au refoulement, tant en efforts mécaniques qu'en températures. Il existe des clapets concentriques et des clapets à lamelles pour des applications plus courantes, nécessitant tous une maintenance récurrente[15].
compresseur d'air (à piston monocylindre en accouplement direct, monté sur un réservoir).
Les compresseurs à piston existent en versions lubrifiées ou non-lubrifiées. Ils peuvent être à simple ou double effet : un simple effet comprime d'un seul côté du piston, un double effet a deux chambres de compression, une de chaque côté du cylindre[16].
compresseur de réfrigérateur (à piston, hermétique).
Les compresseurs de réfrigérateurs sont habituellement de type hermétique à pistons.
Histoire du pistonLes premiers compresseurs à piston étaient des compresseurs à double effet, dont l'unique piston ne comprimait pas directement l'air, mais agitait une masse d'eau qui remplissait les chambres de compression. Cette eau, mise en mouvement par le piston, jouait elle-même le rôle de piston en se déplaçant dans des cylindres de manière alternative, comprimant ainsi l'air contenu dans ces cylindres, comme dans le compresseurSommeiller[17],[18] du nom de son inventeur. Les clapets d'aspiration et de refoulement (les soupapes), comme les segments, étaient le plus souvent en cuir.
Le principe est le même que pour le compresseur à piston, mais une membrane (comme une rondelle pleine et souple) remplace le piston dans ses fonctions, souvent pour de plus petits débits que pour le compresseur à piston.
Un compresseur à diaphragme, ou compresseur à membrane, est une technique de compression non lubrifiée. L'air comprimé est exempt d'huile, à l'exception des polluants aspirés dans l'atmosphère.
Uncompresseur ionique ou compresseur a piston liquide est un compresseur volumétrique alternatif à pistons liquides, destiné initialement à comprimer de l'hydrogène. Des pistons flottants, qui ne sont pas rattachés sur unembiellage traditionnel, sont mû par une énergie hydraulique. Unliquide ionique recouvre ces pistons métalliques pour former un piston liquide, seul élément en contact avec l'hydrogène dans la partie basse des chambres de compression.
Les compresseurs, en tant que machines complètes (notamment pour produire de l'air comprimé), sont le plus souvent associés à d'autres équipements indispensables à cette production.
Desréservoirs sous pression stockent l'énergie produite lors de la compression et permettent la régulation du fonctionnement des compresseurs. Ces réservoirs, soumis à des pressions internes, stockent une énergie considérable. Ils représentent à ce titre un risque potentiel d'accident et sont soumis à une législation sur les ESP (Équipements Sous Pression).
Des filtres et dessécheurs d'air comprimé permettent d'obtenir la qualité d'air (ou de fluide) requise par le procédé utilisateur.
