Compresseurs centrifuges
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Compresseurs centrifuges

Principe des turbo compresseurs

Les compresseurs centrifuges utilisent l'accélération du gaz par un impulseur pour créer une surpression. Ils font partie de la famille des compresseurs dynamiques ou encore turbo-compresseurs.
Par opposition aux compresseurs volumétriques, leurs performances ne se déduit pas directement de leur géométrie.

On distingue deux grandes familles de compresseurs dynamiques se distinguant par la forme de leur rotor:
- les compresseurs axiaux
- les compresseurs centrifuges radiaux

On nomme parfois hélico-centrifuges des compresseurs équipés d'impulseurs de forme intermédiaire entre axial et centrifuge radial.

Dans les compresseurs axiaux, l'impulseur est une roue possédant des ailettes sur sa périphérie seulement. Le gaz est accéléré par les ailettes dans le sens de l'axe de l'impulseur.

Dans les compresseurs centrifuges radiaux le gaz est entrainé par l'impulseur dans un mouvement rotatif qui le propulse radialement vers l'extérieur. Un diffuseur et une volute convertissent ensuite l'énergie cinétique acquise par le gaz, en pression statique.

Les compresseurs axiaux sont adaptés au traitement de grands volumes de gaz, et les compresseurs radiaux sont adaptés pour générer des taux de compression élevés.

Compresseurs multi-étagés

Si la pression de refoulement recherchée est élevée, on peut être amené à utiliser plusieurs impulseurs, le gaz circulant successivement au travers de chacun d'entre eux. Le taux de compression global sera le produit des taux de compression obtenus sur chaque étage.
Les différents impulseurs, souvent de forme et diamètre différents, peuvent être montés sur le même arbre; ils tourneront alors à la même vitesse. Ils peuvent aussi être montés sur des arbres différents accouplés par un jeu d'engrenages; ils pourront ainsi tourner à des vitesses différentes.
Si un refroidissement intermédiaire est nécessaire, des volutes distinctes permetront de calmer le flux gazeux avant d'enter dans les échangeurs.

Courbes de performance

Courbe caractéristique ypique d'un compresseur centrifugeLes performances des compresseurs centrifuges dépendent fortement des données géométriques des impulseurs et des volutes. Contrairement aux compresseurs volumétriques, la prédiction des performances de la machine à partir des seules données géométriques est très difficile. C'est pourquoi, comme pour les pompes centrifuges, les compresseurs sont livrés avec des courbes de performance déterminées par des tests avec un fluide de référence.

Fondamentalement les performances d'un compresseur centrifuge de géométrie donnée sont décrites par trois courbes en fonction du débit volumique de gaz en entrée:
 - hauteur de relevage (H en m de fluide en entrée) ou travail polytropique du compresseur (Wp en J/kg)
 - rendement
 - limite de pompage

Le travail polytropique du compresseur (Wp) est relié à la hauteur de relevage (H) par l'accélération dûe à la pesanteur (g = 9,81 m/sec²): Wp =gH

Une courbe donnant la puissance absorbée est souvent présente. Elle n'est qu'une combinaison des courbes de relevage et de rendement.

Exprimées ainsi, ces performances sont indépendantes de la  nature du gaz ou des conditions du procédé. Elles dépendent seulement de la vitesse de rotation du compresseur et du diamètre de l'impulseur. Leur inconvénient principal est de se référer à des variables peu pratiques:
 - le relevage est en pratique plutôt apprécié par une augmentation de pression
 - le débit de gaz dans le procédé est plus souvent exprimé en masse

Pour comparer les relevés de performance du compresseur avec les valeurs attendues des courbes du constructeur, il est nécessaire de les convertir en tenant compte de la masse molaire du gaz, des pression et température en entrée.

Le constructeur du compresseur peut fournir également une courbe de performance  donnant directement le taux de compression en fonction du débit. Elle est déterminée pour:
 - une température et une pression d'aspiration,
 - une nature de gaz
Sauf demande expresse, il ne fournit pas de courbe de performance pour d'autres conditions.
L'exploitant soucieux de vérifier les performances de son compresseur devra extrapoler les valeurs fournies par le constructeur pour les comparer aux données actuelles.

Courbes de performance en invariants

Pour s'affranchir totalement de la nature du gaz, des conditions du procédé ou du diamètre et de la vitesse de l'impulseur, les courbes de performance sont exprimées en coefficients sans dimension appelés invariants:

 Invariants des compresseurs centrifuges:
Coefficient de débit      Coefficient manométrique
avec:
Φ : Coefficient de débit
Ψ :  Coefficient manométrique
Qv : Débit volumique (m3/sec)
R2 : Rayon extérieur de l'impulseur (m)
U2: Vitesse périphérique de l'impulseur (m/sec)
Wp :
Travail polytropique en Joule/kg
H : Hauteur de relevage (m)
ω : Vitesse angulaire de rotation (rad/sec)
g = 9,81 m/sec²
- le coefficient de débit (Φ)
- le coefficient manométrique (Ψ)
Ils permettent de relier le débit d'aspiration et le relevage à:
- la dimension de la roue
- la vitesse de rotation

Attention: Il règne une grande confusion dans la formulation de ces coefficients publiés dans la littérature. Certain même sont affublés d'une ... unité! Donc, avant de les utiliser il est prudent de vérifier leur définition.

Effet de la nature du gaz

 Expression du taux de compression
 et de la température au refoulement:

   Expression du taux de compression connaissant le travail polytropique
Température de sortie en compression polytropique adiabatique
 
avec:
Wp : Travail polytropique en kJ/kg
Pasp : Pression à l'aspiration
Pref : Pression au refoulement
Tasp : Température à l'aspiration  (K)
Tref : Température au refoulement  (K)
M : Masse molaire du gaz  (g/mole)
Z : Facteur de compressibilité
R = 8,3145 J/K/mole
k : Exposant polytropique
γ = Cp / Cv
ηp : Rendement polytropique
La nature du gaz a un effet sur:
 - le taux de compression qui est proportionnel à la masse molaire du gaz
 - la température au refoulement qui dépend du taux de compression et de l'exposant polytropique


Le tableau ci-dessous indique le taux de compression et la température au refoulement qui serait obtenu pour différents gaz avec un compresseur générant un relevage de 50kJ/kg
Nature du Gaz   
Masse molaire
(g/mole)
Cp/CvTaux de compression
@ 50kJ/kg
rdt=75%
Tasp=25°C
Température au refoulement
(°C)
Hydrogène          21,4 1,04 30
Helium41,671,0838
Méthane161,31,4 55
Ammoniac171,31,456
Vapeur d'eau181,321,460
Azote 281,41,789
Dioxyde de carbone441,32,2106
Propane441,12,357
n Butane581,013,230
Dioxyde de soufre641,23,1111
Chlore711,363,2176
R2286,51,184,5131
R1141711,0918,6 138

Constitution des compresseurs centrifuges

Types d'impulseurs

Les impulseurs peuvent être ouvert ou fermé. Un impulseur ouvert autorise des vitesses de rotation supérieures, Le taux de compression obtenu sera donc supérieur lui aussi. Le taux de compression sera limité à 3 avec un impulseur fermé mais pourra être supérieur à 10 avec un impulseur ouvert. Cependant l'efficacité d'un compresseur équipé d'impulseurs ouverts sera plus faible à cause des fuites internes et des recyclages qui se trouvent favorisés.

Matériau de construction

 Vitesse limite de l'impulseur:
   Expression du taux de compression connaissant le travail polytropique 
avec:
Ulim : Vitesse périphérique limite  (m/sec)
Rp : Limite élastique  (Pa)
ρ : Masse volumique du matériau (kg/m3)
La vitesse de rotation de l'impulseur est le paramètre le plus important pour ajuster le relevage du compresseur. La vitesse de rotation est limitée par la résistance mécanique du matériau de construction soumis à la force centrifuge.
Pour permettre une vitesse de rotation maximum, le matériau de construction doit être le moins dense possible et avoir une limite élastique la plus élevée possible.
Le tableau suivant regroupe les matériaux les plus courants ainsi que leurs propriétés:
Matériau Limite élastique
MPa
Masse volumique
kg/m3
Vitesse périphérique maxi autorisée
m/sec
Relevage maxi
kJ/kg
Acier carbone 415 7870 230 25
Acier inox (17-4 PH H900) 1350 7780 410 85
Alliage d'aluminium A356 T6 180 2685 260 35
7075 T6 450 2810 400 80
Alliage de Titane (TA6V) 1000 4500 470 110
Fibre de verre 1900 2100 950 450

Aubage

Types d'aubage
Type d'aubage Avantages Inconvénients
Aubes vers l'avant
  • Transfert élevé de l'énergie
  • Vitesse élevé du gaz en sortie d'impulseur et dans le diffuseur
  • Réalisation difficile
Aubes vers l'arrière
  • Faible vitesse du gaz en sortie d'impulseur et dans le diffuseur
  • Limite de pompage plus lointaine
  • Faible transfert de l'énergie
  • Réalisation difficile
Aubes radiales
  • Compromis raisonnable entre faible transfert d'énergie et vitesse élevée du gaz dans le diffuseur
  • Réalisation facile
  • Limite de pompage proche du point de fonctionnement

Plan de joint

Pour des pressions inférieures à 50 bars, on préfèrera un plan de joint horizontal. Les tubulures d'aspiration et de refoulement seront généralement solidaires du demi-corps inférieur, permettant de démonter plus facilement le demi-corps supérieur pour les besoins de maintenance.
Pour des pressions supérieures ou des gaz contenant de l'hydrogène, on préfèrera un plan de joint vertical pour une meilleure étanchéïté.

Guidage du rotor

Guidage en rotation

Le guidage en rotation est assuré par des paliers positionnés aux extrémités du rotor. Il permettent la formation d'un film de lubrifiant sur lequel l'arbre glisse.
Des capteurs de vibration permettent de contrôler le fonctionnement du rotor. Des capteurs de température insérés dans le métal des coussinets des paliers permettent de contrôler l'efficacité de la lubrification.

Guidage axial

Par principe une roue centrifuge subit une poussée permanente en direction de l'entrée du gaz. Le rotor est maintenu en position par une butée.
Si les impulseurs sont orientés dans le même sens un piston d'équilibrage permet de soulager la butée.Il est solidaire de l'arbre et est positionné coté refoulement.
Un capteur de position axial du rotor permettra de contrôler l'état de la butée.

Etancheïtés

Etancheïté interne

Fuites internesIl faut limiter les fuites entre les étages dont l'effet serait de diminuer le rendement de la machine.
Ces fuites peuvent se produire:
 - aux ouies d'aspiration (1)
 - derrière la roue (2)
 - au niveau du piston d'équilibrage (3)
Ces fuites sont limitées en disposant des labyrinthes sur le parcours indésirable du gaz.


Etanchéïté de sortie d'arbre

Si le gaz ne présente aucun danger et peut être mis à l'atmosphère sans risque, une étanchéïté à labyrinthe peut suffir.
Si le gaz est dangereux (toxique, inflammable, corrosif,...) une étanchéïté par garniture sera nécessaire.

Domaine d'application

Domaine d'application des compresseurs centrifuges

Quand utiliser un compresseur centrifuge

 - si la fiabilité de l'équipement est impérative
 - si un équipement de secours ne peut pas être installé (pour des raisons de coût, d'encombrement,...)

Quand ne pas utiliser un compresseur centrifuge

 - si le débit aspiré est inférieur à 1000 m3/h ou le débit au refoulement inférieur à 500m3/h les sections de passages sur l'impulseur et dans le diffuseur seront si faibles que leur réalisation sera délicate
 - si le débit de gaz est supérieur à 100000 m3/h et la pression au refoulement inférieure à 7 bars. Plus le débit est grand, plus la section d'entrée et le diamètre de l'impulseur sont importants. Dans ce cas préférer un compresseur axial.
 - si la température au refoulement excède 230°C en raison du risque de dégradation des joints et étanchéïtés
 - si le gaz est acide (H2S, CO2, eau)  et si la vitesse périphérique de l'impulseur excède 250m/sec
 - si du liquide venant du procédé en amont peut être entrainé avec le gaz vers le compresseur

Ajustement de la capacité

La capacité du compresseur aux besoins du procédé peut être ajusté de différentes manières:

Vanne à l'aspiration

Variation de débit par variation du taux de compressionEn étranglant une vanne à l'aspiration du compresseur on crée une perte de charge et on réduit la pression à l'entrée de la machine. On augmente donc le taux de compression, le point de fonctionnement du compresseur se déplace vers la gauche de sa courbe caractéristique. La puissance absorbée par le compresseur diminue. Ce mode d'ajustement est souvent privilégié pour cette raison.
Cette méthode est cependant limitée par le risque de pompage (surge en anglais) du compresseur.

Variation de la vitesse de rotation

Ajustement du débit par variation de la vitesseEn faisant varier la vitesse de rotation du compresseur on fait varier à la fois le débit et le taux de compression de la machine. Le débit est proportionnel à la vitesse mais le taux de compression est proportionnel au carré de la vitesse. Le domaine de variation est donc souvent limité par la pression minimum à maintenir au refoulement. Là encore la puissance absorbée diminue avec la vitesse.

Recyclage du gaz vers l'aspiration

Lorsque les possibilités précédentes sont épuisées, le recyclage du gaz excédentaire vers l'aspiration du compresseur reste la seule méthode utilisable. Le gaz au refoulement étant plus chaud qu'à l'aspiration, il est indispensable de le refroidir avant de le réintroduire à l'aspiration sous peine de ne pas contrôler les températures et de dégrader la machine.

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