Compresseurs alternatifs à piston

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.

Description des compresseurs à piston

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

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:

1. 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:
   PV^γ=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.
2. 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.
3. 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 PV^γ=constant. Cette expansion s'accompagne d'un refroidissement qui dépend de la nature du gaz.
4. 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.

Taux de compression

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.

Capacité volumique

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

Effet du taux de compression sur la capacité

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

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.