Compresseurs

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 accélère le gaz à son contact. L'énergie due 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 3000m³/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 300000m³/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 vient. 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 entraînés 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 agissant 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 paroi 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 proportionnel à la vitesse de rotation.
Cette technologie est fréquemment 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 entraîne 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 ouïes 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 ouïes 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 vitesse 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 coûteux 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.

Domaine d'utilisation des compresseurs

	Débit aspiré m3/h	Pression refoulée bars	Puissance absorbée kW
Soufflante centrifuge	>1000	<3
Centrifuge	>2000	<300	>100
Axial	>50000	<50
Rotatif	<50000	<10
Vis sèches	1000 à 10000	<20	100 à 2000
Vis lubrifiées			5 à 300
Pistons	<10000	<300	0,5 à 500
Pistons secs			<50
Lobes			20 à 50
Membrane