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.
Les
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:
- 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
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/Cv | Taux de compression @ 50kJ/kg rdt=75% Tasp=25°C | Température au refoulement (°C) |
Hydrogène | 2 | 1,4 | 1,04 | 30 |
Helium | 4 | 1,67 | 1,08 | 38 |
Méthane | 16 | 1,3 | 1,4 | 55 |
Ammoniac | 17 | 1,3 | 1,4 | 56 |
Vapeur d'eau | 18 | 1,32 | 1,4 | 60 |
Azote | 28 | 1,4 | 1,7 | 89 |
Dioxyde de carbone | 44 | 1,3 | 2,2 | 106 |
Propane | 44 | 1,1 | 2,3 | 57 |
n Butane | 58 | 1,01 | 3,2 | 30 |
Dioxyde de soufre | 64 | 1,2 | 3,1 | 111 |
Chlore | 71 | 1,36 | 3,2 | 176 |
R22 | 86,5 | 1,18 | 4,5 | 131 |
R114 | 171 | 1,09 | 18,6 | 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
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
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 étanchéité.
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
Il 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 étanchéité à labyrinthe peut suffir.
Si le gaz est dangereux (toxique, inflammable, corrosif,...) une
étanchéité par garniture sera nécessaire.
Domaine
d'application
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 étanchéités
- si le gaz est acide (H2S, CO2, eau) et si la
vitesse périphérique de l'impulseur excède 250m/sec
-
si la masse volumique du gaz est faible (hydrogène, gaz à pression
réduite, ...), le taux de compression par étage sera faible.
- 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
En
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
En
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.