De nombreuses installations
chimiques utilisent des compresseurs
alternatifs à piston. Contrairement aux compresseurs dynamiques
(centrifuges ou axiaux) ils sont capables de générer de fortes
pressions indépendamment de la nature du gaz. Ce sont les seules
machines capables de générer des pressions supérieures à 1000 bars. Ils
sont particulièrement destinés à comprimer de faibles volumes de gaz à
très haute pression.
Le compresseur pourra
être:
- mono étagé
Si le
taux de compression désiré est faible (2 à 4 selon la nature du gaz).
On appelle taux de compression de
rapport de la pression absolue de refoulement sur la pression absolue
d'aspiration.
- multiétagé
Pour atteindre des taux de
compression supérieurs.
Les contraintes limitant le taux de compression sur un seul
étage peuvent être:
- la température de refoulement qui dépend de la nature des
segments de piston (température souvent limitée à 150°C)
- la contrainte admissible par la tige de piston
- l'efficacité volumique du cylindre qui diminue lorsque le
taux de compression augmente
La température de refoulement est souvent le
paramètre limitant le taux de compression.
Le gaz issu du premier
étage de compression est utilisé à l'aspiration de deuxième étage et
ainsi de suite. Si le taux de compression de chaque étage est de 2, le
taux de compression global sera de 4 avec deux étages, 8 avec trois
étages, 16 avec quatre étages, ...
Cylindres
- à simple effet
La
compression ne s'effectue que d'un seul coté du piston. Les clapets
d'aspiration et de refoulement sont disposés dans la tête du cylindre.
C'est la version la plus simple du compresseur à piston, réservé aux
machines de faible capacité.
- double effet
Pour doubler
approximativement la capacité volumique du cylindre la
compression s'effectue des deux cotés du piston, alternativement coté
tête (effet 1) et coté vilebrequin (effet 2). Chaque chambre est
équipée de clapets d'aspiration et de refoulement connectés à des
circuits d'aspiration et de refoulement communs. Les capacités
d'aspiration des deux effets peut être légèrement différente en raison
du volume occupé par la tige du piston coté vilebrequin et des volumes
morts qui peuvent être différents.
- à piston étagé
Pour
simplifier la conception mécanique d'un compresseur multi étagé, les
pistons des étages 1 et 2 peuvent être superposés et coulisser dans
deux cylindres concentriques et de diamètres différents. L'étage 1 est
affecté au cylindre de plus grande capacité. Les efforts sur
l'entraînement sont très irréguliers puisque les phases de compression
des deux étages sont simultanées.
- piston différentiel
pour
avoir deux
étages avec un seul piston. L'étage 2 doit nécessairement avoir la
section la plus faible. Les efforts sur l'entraînement sont moins
intenses qu'avec un piston étagé puisque le début de la
détente
d'un étage correspond au début de la compression de l'autre.
- à cylindres verticaux
Pour les compresseurs de faible puissance, quand la place au sol est
limitée.
- à cylindres horizontaux
Pour les compresseurs de forte capacité.
Leur
construction est modulaire; des chassis standards de différentes
puissances, peuvent accueillir un nombre variable de cylindres. Ceux-ci
sont généralement à double effet.
Vitesse
de rotation
On distingue trois types de compresseurs différentié par leur vitesse:
- vitesse lente et course longue
- vitesse modérée et course courte
- vitesse rapide et course courte
Le tableau ci-dessous résume leurs caractéristiques
|
rapide |
modérée |
lente |
rotation (t/mn) |
1000-1800 |
700-1200 |
300-700 |
piston (m/sec)
si lubrifié |
4,5-6 |
2,8-4,5 |
2,8-4,8 |
piston (m/sec)
si non lubrifié |
|
2,3-3,8 |
2,3-3,8 |
course (m) |
0,08-0,2 |
0,08-0,2 |
0,2-0,5 |
Lubrifié ou
sec
Les cylindres peuvent être lubrifiés ou non.
Les éléments mécaniques qui ne sont pas au contact du gaz (vilebrequin,
embiellage, ...) sont quant à eux toujours lubrifiés.
Les compresseurs à piston
non lubrifié seront préférés pour les usages où un entraînement d'huile
dans le gaz comprimé est néfaste pour l'utilisation qui en est faite en
aval (empoisonnement de catalyseurs ou encrassement de tamis
moléculaires par exemple). Leurs performances sont plus limitées
(vitesse <4m/sec, taille, pression <300 bars) et la
maintenance des étanchéités
travaillant à sec plus fréquente.
Les
cylindres disposés
verticalement peuvent être équipés d'une étanchéité sans contact entre
piston et
cylindre. Elle est assurée par un système de labyrinthe.
Une très faible fuite subsiste affectant l'efficacité volumique de la
machine. Mais l'absence de contact assure un fonctionnement prolongé
sans maintenance.
Pour
les pistons disposés horizontalement certains constructeurs peuvent
proposer un système de supportage par un coussin de gaz (Free Floating
Piston™) qui réduit le
frottement contre le cylindre et prolonge la durée de vie de
l'étanchéité fonctionnant à sec. C'est le gaz comprimé qui est utilisé
pour cela. Un très faible recyclage du gaz en est la conséquence.
Si l'entraînement d'huile n'est pas rédhibitoire, un compresseur
lubrifié sera un meilleur choix.
Segments
et anneaux supports
L'étanchéité
entre piston et cylindre est généralement assurée par des segments
disposés dans des gorges ménagées à la périphérie du piston. Le choix
du matériau pour les réaliser est de la plus haute importance pour:
- s'opposer au passage du gaz de la chambre àhaute pression
vers la chambre à basse pression
- résister à l'usure pour maintenir l'étanchéité aussi
longtemps que possible
- conserver ses propriétés à la température de travail la
plus haute possible
Dans
les compresseur non lubrifiés, des anneaux supplémentaires sont
disposés à la périphérie du piston et destinés à empêcher le piston de
frotter sur le métal du cylindre.
Clapets
Les
clapets (ou soupapes) doivent laisser passer librement le gaz pendant
les phases d'aspiration et de refoulement, mais doivent être
parfaitement étanches pendant la phase de compression. La perte de
charge qu'ils génèrent doit être aussi faible que possible. Pendant le
travail du compresseur, cette perte de charge viendra s'ajouter à la
différence de pression qu'il doit générer et se traduira en énergie
supplémentaire consommée.
Le mouvement des clapets n'est dû qu'à la
différence de pression entre la chambre de compression et le collecteur
d'aspiration ou de refoulement. Aucun dispositif mécanique n'est
nécessaire pour assister leur mouvement. Par contre, pour ajuster la
capacité du compresseur, les clapets d'aspiration peuvent être
maintenus ouvert dans certaines phase de fonctionnement de la machine.
Dans ce but, un dispositif mécanique est installé, destiné à empêcher
la fermeture pendant la phase de compression.
Bouteilles
anti-pulsatoires
Généralement
connectées aux aspirations et aux refoulement du compresseur, leur but
est d'amortir les ondes de pression générées par le fonctionnement
discontinu et alternatif de la machine.
Elles peuvent aussi servir à recueillir le liquide entraîné vers le
compresseur.
Leur
dimensionnement précis résulte de l'analyse acoustique de l'ensemble
compresseur, capacités, échangeurs et tuyauteries, pour rechercher en
particulier les fréquences de résonnance du système. Il existe
cependant une règle empirique, qui suggère les volumes suivants pour
des pressions de gaz jusqu'à 40 bars:
- pour l'aspiration, un volume égal à 7,5 fois le volume
balayé par les pistons
- pour le refoulement, un volume égal à 5 fois le volume
balayé par les pistons
Si les cylindres sont à double effet, doubler ces valeurs.
On retrouve cette règle dans la norme EN ISO 13631, qui la prolonge par
une courbe allant jusqu'à une pression de 150 bars.
Refroidissement
Le
refroidissement des cylindres est souvent requis par le constructeur.
Il peut être obtenu par des aillettes disposées sur la surface externe,
ou par un liquide circulant dans une double enveloppe. Le premier
objectif du refroidissement est d'éviter des échauffements excessifs
aux parois du cylindre ou aux étanchéités afin de limiter la
dégradation des joints et des segments.
La mission du
refroidissement des cylindres n'est pas de refroidir le gaz. Cependant
si un bilan énergétique du compresseur doit être fait, la chaleur
évacuée par ce refroidissement doit être prise en compte.
Le liquide
de refroidissement doit être protégé contre le risque de gel en période
d'arrêt hivernal de la machine. On utilisera alors un classique mélange
d'eau et de glycol en circuit fermé.
La température du liquide de
refroidissement doit être telle qu'elle ne permette pas l'apparition de
liquide par condensation partielle du gaz traité. Une température
froide du liquide de refroidissement 10°C au dessus de la température
d'entrée du gaz est souvent recommandée.
Le liquide de
refroidissement peut aussi servir de fluide de préchauffage des
cylindres avant un démarrage. En effet une température minimale de
l'ordre de 40°C est souvent recommandée par le constructeur, pour
limiter les tensions mécaniques sur la machine. Le circuit de
refroidissement devra donc comporter, en plus du refroidisseur, un
réchauffeur.
Normes
applicables
Les compresseurs à vitesse faible, lubrifiés ou non, font l'objet de
l'API 618.
Le compresseurs à vitesse élevée ou modérée font l'objet de l'API 11b
ou de l'ISO 13631.
Description
du fonctionnement
Un piston
coulisse dans un cylindre
obturé à une extrémité.
Le volume compris entre le piston et la tête du cylindre est nommé la
chambre.
La tête du cylindre et équipé de deux clapets; un clapet d'aspiration
et un
clapet de refoulement. Ces clapets mettent en communication le
cylindre avec
deux circuits distincts : le circuit d’aspiration et le
circuit de
refoulement.
Le piston est raccordé à un vilebrequin au moyen d'une bielle. Le
vilebrequin
est entraîné par un moteur externe dans un mouvement de rotation.
Celui-ci entraîne
le piston dans un mouvement linéaire alternatif. On distingue deux
phases
principales :
1-
ASPIRATION: le piston s’éloigne de la tête du cylindre, le clapet
d’aspiration s’ouvre sous l’effet de la dépression créée par le
mouvement du piston ; le gaz entre dans la chambre.
2-
REFOULEMENT: le piston se rapproche de la tête du cylindre ; le clapet
de refoulement s’ouvre sous l’effet de la surpression créée ; le gaz
est refoulé à l’extérieur de la chambre.
La position la plus proche de la tête
du cylindre est
appelée Point Mort Haut (PMH)
La position la plus éloignée est
appelée Point Mort Bas
(PMB)
Cette dénomination se réfère à un
compresseur dont le
cylindre serait vertical, les clapets disposés en point haut et le
vilebrequin
en point bas. Mais en fait le cylindre peut être disposé dans n’importe
quelle
orientation, aussi bien vertical qu’horizontal, la tête de cylindre
aussi bien
en haut qu’en bas. Les définitions des PMH et PMB restent identiques.
La distance entre le PMH et le PMB
est appelée COURSE du piston.
Le volume entre le PMH et le PMB est
appelée CYLINDRÉE
Le volume entre le piston en PMH et
la tête du cylindre est
appelé VOLUME MORT. Ce volume n’est pas balayé par la course du piston.
Il doit
être le plus faible possible pour optimiser le rendement volumique du
compresseur.
Cycle
de compression
Le cycle de compression peut être décomposé en quatre phases:
- Compression:
Le volume du gaz est réduit par le mouvement du piston. La température
et la pression augmentent. L'évolution de la pression suit la
loi
suivante:
PVγ=constant
L'augmentation de la pression du gaz
provient de la réduction de volume et de l'augmentation de température.
L'échauffement du gaz dépend de sa nature. Les gaz dont γ=Cp/Cv
sont
les plus élevés s'échaufferont plus. La montée en pression sera plus
rapide.
- Refoulement:
Lorsque la
pression à l'intérieur de la
chambre dépasse la pression du circuit de refoulement, le clapet de
refoulement peut s'ouvrir et le gaz est refoulé. La pression cesse de
croître. Elle doit néanmoins être supérieure à la pression du circuit
de refoulement pour vaincre la perte de charge des clapets. La perte de
charge comme le débit ne sont pas constants, car le piston, entraîné
par un système bielle-manivelle, ne se déplace pas à une vitesse
constante; elle est maximum à mi-course, et nulle aux points morts.
- Expansion:
Lorsque le piston s'éloigne de la tête du
cylindre, le gaz emprisonné sous pression dans le volume mort se détend
d'abord. Comme dans la phase de compression, l'évolution de la
pression
suit la loi PVγ=constant. Cette
expansion s'accompagne d'un
refroidissement qui dépend de la nature du gaz.
- Aspiration:
Lorsque la pression dans la chambre devient inférieure à la pression du
circuit d'aspiration, le clapet d'aspiration peut s'ouvrir. Le gaz
pénètre dans la chambre.
Contrairement aux compresseurs centrifuges, le taux de
compression
n'est pas une donnée de performance d'un compresseur alternatif à
piston. C'est le procédé amont et aval qui fixe les pressions
correspondantes.
Contrairement aux compresseurs à vis, il n'existe
pas de taux de compression interne correspondant à un optimum de
fonctionnement de la machine.
Cependant le taux de compression
existant affecte la capacité volumique d'aspiration du cylindre. Cette
dernière sera plus faible pour un taux de compression plus élevé. Cette
sensibilité dépend de la fraction de volume mort, et du rapport Cp/Cv
du gaz.
Théoriquement, le taux de compression n'est limité que par la
résistance mécanique de l'entraînement et par le volume mort du
cylindre.
Le taux de compression limite pour lequel le volume
effectivement
engendré devient nul est:
volume
mort %
|
taux
de compression limite
|
2
|
165
|
5 |
53
|
8
|
30
|
En pratique, c'est souvent la température de refoulement qui
limite
le taux de compression. Il sera choisi tel que la température du
gaz sortant du compresseur ne dépasse pas 150°C.
Le volume théoriquement engendré (ou aspiré) par le
compresseur est égal au produit de la section du piston par son
déplacement.
La vitesse du piston est en général de 2 à 4m/sec.
La capacité du compresseur est proportionnelle à la vitesse de rotation
du vilebrequin.
La capacité réelle est inférieure en raison de:
- l'échauffement du gaz à l'aspiration au contact du corps du cylindre
qui dilate le gaz
- la perte de charge créée par les clapets à l'aspiration et au
refoulement qui provoquent une dépression (à l'aspiration) et une
surpression (au refoulement).
- le volume mort du cylindre (celui qui n'est pas balayé par le
mouvement du piston)
Le rendement volumétrique est le rapport:
- du volume effectivement engendré
- sur le volume théoriquement engendré
La capacité d'un compresseur à piston est influencée par:
- le taux de compression demandé
- la compressibilité du gaz
Les graphiques ci-contre donnent le rendement volumique
d'un compresseur à piston en fonction de:
- le Cp/Cv du gaz
- le taux de compression
- le % de volume mort
Le rendement volumique est le rapport:
- du volume effectivement aspiré
- sur le volume théoriquement aspiré (cylindrée)
avec:
% de volume mort:
= volume mort / volume balayé
taux de compression:
= pression absolue au refoulement divisée par la pression absolue à
l'aspiration
Modes
de régulation des compresseurs à piston
Les
compresseurs à piston sont des machines volumiques. Le volume de gaz
aspiré lors de chaque cycle est défini par sa géométrie et sa vitesse
de rotation. Il est constant si la pression au refoulement est
constante.
Si
la capacité de la machine
n'est pas en accord avec le débit fourni par le procédé amont, des
variations de pression
très importantes pourront être observées. Si la capacité de la machine
est trop grande, la pression à l'aspiration baissera. Inversement si la
capacité de la machine est trop faible.
Par
exemple, si le procédé amont ne fourni que la moitié de la capacité du
compresseur, la pression à l'aspiration baissera et se stabilisera à la
moitié de la pression absolue initiale. Un compresseur à piston est
capable de générer des vides importants, potentiellement dangereux pour
les équipements (s'ils ne résistent pas au vide) ou si une entrée d'air
dans le procédé est redoutée.
Si le procédé aval ne peut absorber
le débit délivré par le compresseur, la pression de refoulement
augmentera. Le taux de compression augmentant, l'efficacité volumique
se dégradera et la capacité du compresseur diminuera. Le taux de
compression auquel se stabilisera la machine dépend de l'importance de
la perturbation du procédé aval.
A titre d'exemple
considérons un compresseur dimensionné pour un taux de compression de 2
avec un volume mort de 15%. Le rendement volumique est de 90%. Si le
débit acceptable par le procédé aval devient 50% du débit de
dimensionnement, le débit de gaz excédentaire provoquera une
augmentation de pression au refoulement. Le taux de compression
augmentant, le rendement volumique diminue. La capacité du compresseur
se trouvera réduite de 50% lorsque le rendement volumique deviendra
90*0,5= 45%. Cela se produira lorsque le taux de compression atteindra
la valeur de 7,5 soit une pression au refoulement 3 à 4 fois la valeur
normale. Peu de procédés sont capable d'accepter une telle augmentation
de pression. Cette auto régulation de la pression de refoulement,
acceptable pour un compresseur centrifuge ne l'est généralement pas
pour un compresseur à piston.
Les moyens classiques de réglage de la capacité du compresseur
sont les
suivants:
- Recyclage du gaz depuis le refoulement vers l'aspiration
- Variation de vitesse du moteur
- Forçage des clapets à l'ouverture
- Volumes morts additionnels
- Action variable sur les clapets
Plan de circulation des fluides
Exemple de PCF d'un compresseur
alternatif à deux étages
1: Cylindre à double effet du
premier étage
2: Cylindre à double effet du deuxième étage
3: Bouteille anti-pulsatoire d'aspiration
4: Bouteille anti-pulsatoire du refoulement
5: Ballon d'aspiration du premier étage
6: Ballon d'aspiration du deuxième étage
7: Refroidisseur inter-étage
8: Refroidisseur refoulement du compresseur
9: Filtre de protection du cylindre
10: Soupape de protection contre les surpressions
11: Vanne de recyclage du gaz
12: Clapet anti-retour amont compresseur
13: Clapet anti-retour aval compresseur
14: Actionneur de chambre de volume mort additionnel
15: Actionneur de blocage des clapets d'aspiration
Le schéma représenté est un compresseur à deux étages équipé de
deux cylindres double effet.
Chaque étage est précédé d'un ballon
séparateur équipé d'un matelas dévésiculeur pour éviter tout
entraînement de liquide vers le cylindre. La tuyauterie reliant de
ballon séparateur au cylindre est tracée pour éviter toute apparition
de liquide par condensation. Un filtre est en place pour
prévenir tout
entraînement de particules solides vers le cylindre.
Chaque cylindre
est équipé d'un amortisseur de pulsation sur l'aspiration et sur le
refoulement. Ces bouteilles anti-pulsatoires sont équipées d'une purge
afin de soutirer le liquide qui pourrait éventuellement s'accumuler
pendant les arrêts de la machine.
Chaque
étage est protégé contre les surpressions par une soupape, y compris
l'aspiration du premier qui peut subir la décompression du dernier
étage.
Le
gaz est refroidi en sortie de chaque cylindre pour limiter la
température au refoulement de l'étage suivant et accroître le rendement
du compresseur.
En
cas d'arrêt de la machine, le retour inverse du gaz depuis le procédé
aval (haute pression) vers le procédé amont (basse pression) est
empêché par des clapets anti-retour. Cette protection, si elle est
jugée insuffisamment fiable, peut être complétée par des vannes de
sectionnement.