Compresseurs à vis

La technologie du compresseur à vis fut développée dès les années 1930 et perfectionnée à la fin des années 1940 par Svenska Rotor Maskiner AB (SRM), une société Suédoise. Elle céda ensuite des licences de fabrication à plusieurs constructeurs en Europe, Amérique du Nord et Japon. Son développement commercial débuta au début des années 1950 dans les procédés de production de gaz combustible.

La première génération de compresseurs à vis fonctionnait à sec (sans huile). Les compresseurs avec injection d'huile ont été ensuite développés. Ils permettent des jeux augmentés entre vis, une construction simplifiée et des vitesses périphériques plus faibles.

Dans les années 1960 les compresseurs à vis ont été utilisés dans l'industrie de l'air comprimé et de la production du froid.

La première édition de l'API 619 qui spécifie les règles de construction des compresseurs à vis paru en 1975. Elle ne visait que les compresseurs secs (sans huile) qui étaient alors utilisés dans certains procédés pour lesquels le gaz à traiter pouvait contenir des poussières ou du liquide.

Les principaux intérêts des compresseurs à vis sont:

• Fiabilité et maintenance aisée
• Faible coût d'investissement et fondations simplifiées
• Faible consommation d'énergie à faible charge
• Tolérance aux variations de composition du gaz et de conditions opératoires

Les compresseurs à vis (screw compressor) sont du type volumétrique ou à déplacement positif.

Domaine d'application:
- de 300 à 60000m3/h
- de 0,1 bar en pompe à vide à 40bars en plusieurs étages
- jusqu'à 7000cv de puissance

Deux types:
- sec
- avec injection de liquide (huile ou eau), pour le refroidissement ou l'étancheïté des vis.

L'injection de liquide permet d'atteindre des taux de compressions supérieurs:
- 4,5 à 7 pour les compresseurs secs
- jusqu'à 21 pour les compresseurs à huile.

La température au refoulement sera limitée à:
- 250°C pour les compresseurs secs
- 90°C pour les compresseurs lubrifiés.

Principe des compresseurs à vis

Deux vis de pas inverse, une mâle et une femelle, montées côte à côte et s'imbriquant l'une dans l'autre, tournent de manière synchronisée en sens inverse, enfermées dans une chambre qui épouse leur forme.
La vitesse périphérique des vis va de 40 à 120 m/sec.

Les vis enferment entre leurs filets, un volume gazeux qui est véhiculé d'une extrémité à l'autre de la vis. Les vis sont profilées pour que le volume emprisonné se réduise au fur et à mesure que le gaz avance vers la sortie. Le volume emprisonné est progressivement comprimé.

La position des lumières de sortie détermine le ratio volumique de construction V_ini ⁄ V_finde la machine.

Le gaz s'échauffant pendant la compression, le ratio des pressions, lui, est plus grand que le ratio des volumes.

Le taux de compression de construction est relié au ratio volumique par:

avec k: exposant polytropique tel que

avec η_p rendement polytropique du compresseur.

Ainsi par exemple pour un gaz avec k = 1,3 on pourra obtenir les taux de compression suivants:

Si le ratio de pression du procédé dans lequel le compresseur est inséré est différent de celui de la machine, le rendement de la machine s'en trouvera dégradé.

• si le ratio de pression du procédé est plus grand, du gaz provenant du circuit aval, sera détendu en  pénètrant à rebours dans la vis, et qu'il faudra à nouveau comprimer pour le refouler.
• si le ratio de pression du procédé est plus faible, le gaz dans le compresseur sera inutilement comprimé à une pression excessive avant d'être détendu vers le circuit aval.

Contrairement aux compresseurs centrifuges, un taux de compression excessif ne provoquera pas de pompage.

Le taux de compression ne sera limité que par la puissance du moteur d'entraînement et la tenue mécanique de la machine.

Standards de construction

- en Amérique du Nord les compresseurs à vis seront construits selon le standard API619.
- en Europe ils seront construits selon le standard Allemand VDI2045.

Réglage du débit

par variation de la vitesse de rotation

la vitesse peut être réduite jusqu'à 50% de sa valeur maximum.
La puissance absorbée sera réduite dans la même proportion.

par recyclage interne du gaz

un système de "vanne à tiroir" (slide valve) permet de prélever, au début de la vis, une partie du gaz aspiré avant que la compression soit importante, pour le renvoyer par un circuit intégré à la machine, vers l'aspiration. Cette vanne est actionnée de l'extérieur de la machine et peut être intégré à une régulation.
Cette méthode, extrêmement répandue, n'est cependant possible que si elle a été prévue à la construction de la machine.

par recyclage externe du gaz

le gaz recyclé doit être refroidi avant de rejoindre l'aspiration.

par étranglement de l'aspiration

le débit massique de gaz et la puissance consommée sont réduit avec la diminution de la pression à l'aspiration.

Avantages

- moins sensibles que les compresseurs centrifuges à la variation de masse molaire du gaz.
- peu sensibles à l'encrassement et acceptent des entraînements de liquides ou poussières.
- plus efficaces que les compresseurs à anneau liquide.
- plus petits et moins coûteux que les compresseurs alternatifs.

Limitations

- la température au refoulement est limitée.
- les performances se dégradent rapidement en cas de corrosion ou usure des vis ou du stator.
- ils génèrent un bruit important et des vibrations.
- le choix des matériaux de construction est limité.