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Un compresseur (aussi appelé « bloc de compression » ou « élément de compression ») est un mécanisme destiné à augmenter la pression d'un gaz.
Un compresseur est aussi, par extension, une machine complète dans laquelle est installé cet élément de compression; incluant châssis, moteur d'entrainement, échangeurs, filtres, tuyauteries, éléments de régulation, armoire électrique... Ces compresseurs assemblés peuvent être fixes (sur skid ou capotés) ou mobiles (compresseurs de Travaux Publics).
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Les compresseurs sont divisés en deux grandes familles selon leur principe de compression[1]:
- Les compresseurs « volumétriques » : la compression est réalisée 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 bien là d'une compression mécanique.
- Les compresseurs « dynamiques » : la compression est réalisée en transformant l'énergie cinétique liée à la vitesse de l'air (centrifuges, axiaux).
Schéma de principe d'un compresseur à turbine.
Symbole du compresseur sur un schéma tuyauterie et instrumentation.
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 membranes et les compresseurs à anneaux liquides 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) ou bi-étagés (1 premier élément de compression refoule à l'aspiration d'un 2e élément), jusqu'à 3 ou 4 étages...ou plus.
L'énergie primaire nécessaire à l'entraînement de l'élément de compression est généralement un moteur électrique ou un moteur thermique.
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Les compresseurs sont utilisés dans d'innombrables secteurs d'activité[2], et pour diverses applications :
1° En tant que machine complète et autonome :
- Compresseurs d'air comprimé : pour l'alimentation en énergie pneumatique de toute l'industrie et d'autres secteurs ( BTP, garages automobiles, dentistes, santé, bricoleurs...). Pour la production d'air respirable ou médical
- Compresseurs de gaz pour le transport ou le stockage dans l'industrie gazière (gazoducs)
2° En tant que sous-éléments dans des machines plus complexes (seul l’élément de compression est utilisé):
- Compresseurs de fluides frigorigènes dans les systèmes frigorifiques[3]
- Compresseurs de suralimentation pour les moteurs thermiques ( voitures, bateaux...)
- Compresseurs dynamiques pour les turbines à gaz et les moteurs d'avion
3° En tant que pompe à vide, en se servant du côté "aspiration" de l'élément de compression. Le refoulement à l'air libre n'étant alors pas utilisé pour être comprimé.
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Centrifuge
Les compresseurs centrifuges agissent principalement par accélération centrifuge d'un flux de fluide, on les retrouve également dans les turbines à gaz, turboréacteurs, turbocompresseurs.
Axial
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Le compresseur axial est un compresseur dont le flux d'air suit l'axe de rotation. Le compresseur axial génère un flux continu d'air comprimé[4] et fournit un rendement élevé pour une masse volumique donnée et une section donnée du compresseur. Il est nécessaire d'avoir plusieurs étages de pales pour obtenir des pressions élevées et des taux de compression équivalents à ceux d'un compresseur centrifuge.
Trompe hydraulique
Le terme peut également désigner, en tant que traduction littérale de l’anglais hydraulic air compressor, une trompe hydraulique. Ce dispositif est un type de compresseur isotherme, qui utilise une chute d'eau de grande hauteur pour générer de l'air sous pression. Cette technique, qui a disparu vers la fin du XXe siècle, reste cependant actuelle grâce à son rendement intéressant et l’absence de tout mécanisme[5].
Ejecteurs
Il existe également des éjecteurs, 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.
Compresseur hydraulique - n'est pas une bonne formulation -
Le terme compresseur ou compresseur hydraulique est aussi beaucoup utilisé (abusivement) pour nommer un groupe hydraulique ou une centrale hydraulique. Il peut être à pistons, palettes, engrenages, vis, etc. La technique est la même que les compresseurs classiques, mais doit supporter des pressions entre 20 et 700 bars, selon les applications.
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Compresseur à vis double
Ce compresseur fait partie de la famille des compresseurs volumétriques rotatifs; on joue sur une diminution mécanique du volume pour augmenter la pression[2]. La vis double est très répandue pour la compression d'air comprimé.
Alf Lysholm est l'inventeur[6] de cette technologie dont les premiers brevets furent déposés en 1935 et 1938[6].
Le compresseur "à vis" comporte deux vis sans fin (1 rotor mâle et 1 rotor femelle) installés dans un stator. Les 2 rotors sont généralement montés sur 3 roulements à bille chacun[7]
L'aspiration du gaz se fait côté aspiration, au plus près du flasque avant du stator, au milieu des 2 vis (du côté de l'arbre d'entrainement). Le refoulement est à l'autre extrémité des vis et du côté opposé.
L'air aspiré est emprisonné entre les rotors et le stator lors de la rotation des vis. Chacun de ces espaces constitue une chambre de compression dont le volume est ensuite réduit par les lobes de la vis opposée au fil de la rotation des rotors. le gaz comprimé s'évacue du bloc vis par l'orifice de refoulement.
Les frottements entre les vis sont faibles relativement à ceux des pistons, dans les cylindres, qui utilisent des segments pour assurer l'étanchéité.
Il existe des compresseurs à vis double lubrifiés, non lubrifiés, et à injection d'eau
Compresseur à vis lubrifiés à injection d'huile
- Une seule des 2 vis (le rotor mâle) est couplée au moteur d'entraînement . Elle assure l'entraînement de la seconde qui est libre en rotation
- L'huile utilisée dans ces compresseurs assure une triple fonction : étanchéité[8], lubrification et refroidissement[9]. Si l'huile est trop chaude, elle n'est plus assez visqueuse pour garantir l'étanchéité et la lubrification. Il est donc nécessaire d'en assurer son refroidissement, via un échangeur huile-air ou huile-eau.
- Un réservoir séparateur, équipé d'un filtre à coalescence, réalise le déshuilage de l'air avant qu'il ne puisse être utilisé. ( La teneur résiduelle en huile en sortie est de l'ordre de 3 ppm pour les compresseurs d'air comprimé )
Compresseur à vis non lubrifié
- La rotation des 2 vis est synchronisée par un train d'engrenage. Ce synchronisme assure qu'elles n'entrent pas en contact l'une avec l'autre.
- L'absence d'étanchéité entre les 2 rotors et le stator (assuré par le film d'huile dans le cas des compresseurs à vis lubrifiées) nécessite des vitesses de rotation importantes pour compenser les fuites internes au bloc vis, et engendre des taux de compression moindre que les vis lubrifiées.
- Le gaz comprimé produit est alors totalement exempt d'huile (à l'exception des polluants présents dans l'air ambiant aspiré avant compression)
Compresseur à vis à injection d'eau
Sur le même principe que les compresseurs rotatifs à vis lubrifiées, mais de l'eau en circuit fermé assure le rôle du lubrifiant.
Compresseur mono-vis Zimmern
Du nom de son inventeur français Bernard Zimmern, en 1965[10]
Une seule vis, dans l'axe de l'arbre d'entrainement, est supportée par deux satellites[11],[8].
Les compresseurs mono-vis sont majoritairement utilisés pour la compression de fluides frigorigènes.
Compresseur à palettes (Multi-cellulaire)
Le compresseur à palettes est un compresseur volumétrique "rotatif"
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.
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 compresseurs à palettes existent : à palettes sèches ou à palettes lubrifiées
- fonctionnement avec lubrification : les palettes sont en général en acier 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.
- fonctionnement à sec avec des palettes en matériau composite chargé en graphite ou en téflon.
Compresseur à anneaux liquides
Un rotor excentré dans un stator. Le rotor est constitué de palettes fixes. De l'eau est injectée en grande quantité dans le stator et forme, sous l'effet de la force centrifuge, un film d'épaisseur importante collé au stator. Principe un peu semblable au compresseur à palettes...
Compresseur Scroll (ou compresseur à spirales)
Le compresseur 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[12], comme dessiné ci-contre.
L'histoire du compresseur G ou à spirales débute avec le XXe siècle, inventé dans son principe en 1905 par le français Léon Creux[13], et breveté aux États-Unis le 3 octobre de la même année. À l'époque il était techniquement impossible de le construire du fait de la précision d'usinage nécessaire pour qu'il soit efficace.
Ce type de compresseur est utilisé dans des systèmes de réfrigération[14] ou les climatisations[13] en tant qu'élément de compression, ou en tant que machine dans l'industrie pour comprimer de l'air à 8, voire 10 bars. La chambre de compression n'est pas lubrifiée, ce qui permet de délivrer un air exempt d'huile (exceptés les COV aspirés)
application automobile : C'est au milieu des années 1980 que Volkswagen décide de donner sa chance au compresseur G sur les modèles Polo G40 phase 2, et les Polo G40 phase 3, Corrado G60 et Golf II G60 et Rallye et Passat G60.Le qualificatif 40 ou 60, informe sur la largeur de la spirale. En réalité le G60 devrait se nommer G59.5, puisque la spirale ne mesure que 59,5 mm de large (au lieu de 60).
Le compresseur se compose de deux spirales fixes et deux spirales mobiles. Il est entraîné par la poulie d'un vilebrequin.Dans la suite du texte, nous nous concentrons sur un seul couple, les mêmes explications étant correctes pour l'autre couple, mutatis mutandis.
Après le filtre à air, l'air entre dans le compresseur en étant « aspiré » entre les deux spirales (une fixe, l'autre mobile). Grâce à un arbre excentrique, la spirale mobile se rapproche et s'écarte de la spirale fixe, l'air emprisonnée est comprimée dans cet espace et est chassée vers le centre du compresseur (sortie), puis vers le conduit d'admission du moteur. Étant donné que cette étape se reproduit quatre fois (quatre couples de spirales), avec un décalage de 180°, il n'y a pas de baisse de pression entre l'arrivée des poches d'air comprimées au niveau de l'admission.On constate, en général, une pression de l'ordre de 0,7 bar pour les G60 avec une puissance de 160 ch pour 1,8 L de cylindrée.
application réfrigération: Ces compresseurs sont largement utilisés dans la climatisation et parfois dans la réfrigération[15]. Ils ont des avantages sur les compresseurs à piston -plus répandus- (poids, taille, moins de pièces mobiles, fiabilité). ils sont aussi plus chers à produire, limitant donc leurs emplois aux applications ou le coût à une moindre importance que les avantages cités.
Compresseur à lobe(s)
1 et 3 : rotors
2 : support
a : basse pression
b : fluide comprimé
c : sortie haute pression
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Famille des compresseurs Volumétriques rotatifs
Le compresseur à engrenage ou à lobes, souvent appelé compresseur Roots, est un système mécanique comprenant deux lobes qui emprisonnent l'air lors de leur rotation. Le volume emprisonné et la vitesse de rotation déterminent le débit. Le taux de compression dépendra 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.
Il existe des profils de compresseurs tri-lobes
Les compresseurs "à Becs" sont très voisins des compresseurs à lobes; seuls les profils des lobes sont différents (au lieu des deux "8" constitués par les lobes du schéma ci-contre, on peut imaginer deux "9")
Applications les plus fréquentes pour de basses pressions < 2 bars, et des débits très importants pouvant être > 100 000 m3/h (cas typiques de l'aération des bassins de traitement des eaux par "bullage")
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Compresseur à pistons
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Un compresseur à pistons 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. Des clapets 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'une culasse.
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.
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[16].
Un compresseur à piston peut être équipé d'un ou plusieurs pistons, il sera alors désigné de : mono-cylindre, bi-cylindres, ..6 cylindres...(il y a autant de cylindres que de pistons). En cas de multi-cylindres, les phases d'admission et d'échappement sont décalées pour mieux répartir les efforts mécaniques, et cela diminue les effets de pulsation de la production du fluide comprimé.(les mouvements alternatifs des pistons induisent une production d'air par a-coups, inconvénient propre aux compresseurs alternatifs.
Spécificité des multi-étages des compresseurs à pistons, qui présentent par ailleurs de très bon taux de compression, et sont très souvent privilégiés pour produire l'air comprimé à haute pression (plongée sous-marine-300 bars, injection PET-20 à 40bars...)
les compresseurs à piston existent en versions lubrifiés ou non-lubrifiés. Ils peuvent être à simple ou double effet (un simple effet comprime d'un seul côté du piston, un double effet à 2 chambres de compression, de chaque côté du cylindre)
Les compresseurs de réfrigérateurs sont habituellement de type hermétique à pistons.
La singulière histoire du piston Les 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 pistons en se déplaçant dans des cylindres de manière alternative, comprimant ainsi l'air contenu dans ces cylindres; par exemple le compresseur Sommeiller[17] ,du nom de son inventeur. Les clapets d'aspiration et de refoulement (les soupapes), comme les segments, étaient le plus souvent en cuir.
Compresseur à membrane (à diaphragme)
sur le même principe que le piston, mais une membrane (comme une rondelle pleine et souple) "remplace" le piston dans ses fonctions...souvent pour de plus petits débits que son grand frère le 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.
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Les compresseurs, en tant que machines complètes (notamment pour produire de l'air comprimé), seront le plus souvent associés à d'autres équipements indispensables à cette production :
- Des réservoirs sous pression : pour stocker l'énergie produite lors de la compression (et aussi permettre 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 (Equipements Sous Pression)
- Des filtres et des sécheurs d'air comprimé : pour obtenir la qualité d'air (ou de fluide) requise par le process utilisateur
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