On distingue deux grandes familles de compresseurs:
- Les
compresseurs à déplacement ou volumétriques
Un
système mécanique isole le gaz dans une chambre dont le volume est
variable.
L'augmentation du volume de cette chambre crée une entrée du gaz côté
aspiration. La réduction de son volume augmente sa pression avant de
l'expulser côté refoulement. Ils peuvent être alternatifs ou rotatifs.
- Les
compresseurs dynamiques
Un
impulseur en rotation rapide accèlère le gaz à son contact.
L'énergie dûe à la vitesse acquise par le gaz est ensuite
convertie en pression au cours de son ralentissement.
Quand
choisir un compresseur volumétrique?
- Quand le débit d'aspiration est inférieur à 3000m
3/h
-
Quand la masse molaire du gaz est faible (gaz riches en hydrogène), les
compresseurs dynamiques ont besoin de vitesses excessives
- Quand le relevage est supérieur à 500kJ/kg. Le nombre
d'étages en compresseur centrifuge serait alors supérieur à 10.
-
Quand il est prévu d'exploiter le compresseur à un débit inférieur à
40% du débit nominal pendant de longues périodes. Pour éviter le
phénomène de pompage, le taux de recyclage du gaz sera important
pénalisant le rendement du compresseur.
- Quand la composition du gaz subit de grandes variations. Le
design d'un compresseur centrifuge sera difficile.
Quand
choisir un compresseur dynamique?
- Quand un service continu sans interruption pendant
plusieurs années est souhaité.
- Quand le débit d'aspiration est supérieur à 300000m
3/h. Un
compresseur axial sera le seul choix.
Compresseurs
alternatifs à piston
Un
piston coulisse dans un cylindre dans un mouvement alternatif de va et
viens. Un volume variable de gaz est isolé entre le piston et
l'extrémité du cylindre. Le piston aspire le gaz pendant son mouvement
de retrait, et l'expulse dans le mouvement opposé. Des clapets dont les
mouvements sont opposés, permettent de sélectionner le circuit
d'aspiration et le circuit de refoulement.
La compression peut se produire sur une seule face du piston (simple effet), ou sur ses deux faces (double effet).
Ils peuvent être lubrifiés (usure réduite et vitesse maximum)
ou à piston sec (pas de pollution du gaz par le lubrifiant).
Plusieurs cylindres peuvent être entrainés par le même arbre,
agissant en parallèle ou en série sur le gaz.
Les cylindres peuvent être disposés verticalement,
horizontalement ou en "V".
L'ajustement du débit peut être fait:
- par seuils sur une plage réduite en agisant sur les effets
en service ou le volume mort des cylindres
- en continu sur une large plage par variation de la vitesse
Le
taux de compression sera limité à 3:1 environ par étage avec une
pression de refoulement maximale de 300 bars si les pistons sont
lubrifiés, mais 100 bars seulement si les pistons sont secs.
Compresseurs
alternatifs à membrane
Fonctionne
selon le même principe qu'un compresseur alternatif à piston mais une
membrane souple et résistante isole le piston du gaz à traiter. Un
liquide intercalée permet de transmettre le mouvement du piston à la
membrane.
Ce type de compresseur est adapté
au traitement de gaz toxiques, corrosifs pour lesquels une étanchéité
absolue est requise.
La membrane peut être en métal noble, en
polymère ou en métal revêtu. La membrane elle-même n'est
soumise
à aucune pression différentielle.
Compresseurs
rotatifs à palettes
Un
rotor muni de palettes radiales, est excentré dans une enceinte
cylindrique. Les palettes peuvent de déplacer pour leur permettre
d'assurer une étanchéité en étant plaquées contre la paroie de
l'enceinte.
En
tournant le rotor isole des volumes de gaz qui sont en expansion au
voisinage de l'admission du gaz, et se contractent au voisinage du
refoulement. C'est un compresseur
volumétrique.
Le débit volumique de gaz est proportionel à la vitesse de rotation.
Cette technologie est fréquement utilisée comme pompe à vide.
Compresseurs rotatifs à anneau liquide
Un
rotor muni de palettes radiales, est excentré dans une enceinte
cylindrique. Les palettes sont fixes, mais leur extrémité plonge dans
un liquide. En tournant, le rotor entraine avec lui le liquide qui
forme un anneau plaqué sur la paroi de l'enceinte.
Le liquide peut être de l'eau, une huile, ..., de faible viscosité, et exempt de matière abrasive.
Des
ouies pour le transfert du gaz sont ménagées près de l'axe du rotor.
Les palettes isolent ainsi un volume de gaz dont le volume varie selon
la position du rotor; à proximité de l'ouie d'entrée du gaz, le volume
de gaz est en expansion, tandis qu'il se contracte près des ouies de
refoulement.
Le liquide doit être alimenté en permanence, et est
refoulé avec le gaz. Un ballon séparateur doit être installé sur le
refoulement. Le liquide récupéré peut être recyclé vers le compresseur;
il devra alors être refroidi dans un échangeur.
C'est un compresseur volumétrique. Le débit de gaz est proportionnel à la vtesse de rotation.
Il
est fréquemment employé comme pompe à vide. Le vide maximum qui peut
être atteint dépend fortement de la tension de vapeur du liquide
employé pour constituer l'anneau. Pour limiter la vaporisation du
liquide, celui-ci devra être maintenu à une température la plus basse
possible.
Compresseurs
à vis
Deux
vis de pas inverse, l'une mâle l'autre femelle, montées côte à côte, tournent en sens
inverse en s'imbriquant l'une dans l'autre.
Elles enferment entre leurs filets, un volume gazeux qui est véhiculé
d'une extrémité à l'autre de la vis, tout en réduisant son volume. C'est un compresseur volumétrique.
Les vis peuvent être lubrifiées ou sèches.
Un
liquide peut être injecté conjointement avec le gaz, qui permet de
limiter sa température et autorise des taux de compression élevés.
- 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 couteux que les compresseurs alternatifs.
Le
taux de compression peut atteindre 50:1 et la pression de refoulement
de 100 bars si les vis sont lubrifiées, mais sera limité à environ 5:1
avec une pression de refoulement de 40 bars avec des vis sèches.
Compresseurs
centrifuges
Un
impulseur tournant à vitesse élevée (jusqu'à 350 m/sec de vitesse
périphérique) accélère le gaz dans une direction radiale par effet
centrifuge. C'est un compresseur dynamique.
Si plusieurs étages sont
présents, les impulseurs peuvent être montés en ligne sur le même
arbre, ou bien sur des arbres différents accouplés par un jeu
d'engrenages. Ils peuvent alors tourner à des vitesses différentes.
Ce
type de compresseur permet des taux de compression élevés, mais est
très sensible à la densité du gaz. Le taux de compression sera limité
avec les gaz de masse molaire faibles. Pour les gaz riches en hydrogène
préférer les compresseurs volumétriques.
Turbo-compresseurs
axiaux
Les compresseurs axiaux utilisent les même principes que les
compresseurs centrifuges.
L'impulseur possède des ailettes sur sa périphérie qui accélèrent le
gaz dans la direction de l'axe de rotation.
Les
compresseurs axiaux sont adaptés à traiter des débits supérieurs aux
compresseurs centrifuges mais avec des taux de compression inférieurs.
Compresseurs
à lobes
Ce type de compresseurs est
aussi connu sous le nom de compresseur Roots du nom des inventeurs, les
frères Roots en 1860.
Deux
rotors tournent en sens inverse dans le corps du compresseur. Leur
mouvement est synchronisé par un jeu d'engrenages externe.
Leur
forme est telle qu'une poche de gaz est enfermée entre chaque rotor et
le corps du compresseur, qui est transférée de l'aspiration vers le
refoulement au cours du mouvement de rotation. Le faible jeu au point
de contact des deux rotors interdit le retour du gaz depuis le
refoulement vers l'aspiration.
Chaque rotor peut avoir deux ou trois lobes. Ceux-ci peuvent être
droits ou hélicoïdaux.
C'est un compresseur volumétrique.
Leur
capacité volumique est limitée à 50000m3/h environ et la pression
différentielle qu'ils peuvent générer est limitée à 2 ou 3bars.
Leur
application typique est la circulation de gaz dans des systèmes de
réaction ou des transports pneumatiques, pour des débit trop faibles
pour un compresseur centrifuge, avec des pressions différentielles de
l'ordre de 1 bar.
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Débit aspiré m3/h
|
Pression refoulée bars
|
Puissance absorbée kW
|
Soufflante centrifuge
|
>1000
|
<3
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Centrifuge
|
>2000
|
<300
|
>100
|
Axial
|
>50000
|
<50
|
|
Rotatif
|
<50000
|
<10
|
|
Vis sèches
|
1000 à 10000
|
<20
|
100 à 2000
|
Vis lubrifiées
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|
|
5 à 300
|
Pistons
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<10000
|
<300
|
0,5 à 500
|
Pistons secs
|
|
|
<50
|
Lobes
|
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|
20 à 50
|
Membrane
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|
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