Compresseur mécanique

Un compresseur est un mécanisme destiné à augmenter la pression d'un gaz. (aussi appelé "bloc de compression" ou "élément de compression")

Par extension, le mot compresseur désigne également une machine complète dans laquelle est installé cet élément de compression; incluant châssis, moteur d'entrainement, échangeurs, filtres, tuyauteries, éléments de régulation, armoire électrique... Ces compresseurs assemblés peuvent être fixes (sur skid ou capotés) ou mobiles (compresseurs de Travaux Publics])

( Pour exercer la même fonction sur un liquide, quasi incompressible, on utilise une pompe. )

Les compresseurs sont divisés en 2 grandes familles selon leur principe de compression :

• Les compresseurs "Volumétriques" : la compression est réalisée par la diminution mécanique du volume d'une chambre de compression. (Pistons et membrane pour les compresseurs alternatifs // palettes, vis, scroll et lobes pour les compresseurs rotatifs) Il s'agit bien là d'une compression mécanique.
• Les compresseurs "Dynamiques" : la compression est réalisée en transformant l'énergie cinétique liée à la vitesse de l'air (Centrifuges, axiaux)

familles de compresseurs selon les technologie de compression

Schéma de principe d'un compresseur à turbine.

Symbole du compresseur sur un schéma TI.

les compresseurs peuvent être mono-étagé (un seul étage de compression) ou bi-étagé (1 premier élément de compression refoule à l'aspiration d'un 2^e élément)...jusqu'à 3 ou 4 étages.

L'énergie primaire nécessaire à l'entraînement de l'élément de compression est généralement un moteur électrique ou un moteur thermique.

Utilisations

Les compresseurs sont utilisés dans d'innombrables secteurs d'activité, et pour diverses applications :

1° En tant que machine complète et autonome :

• Compresseurs d'air comprimé : pour l'alimentation en énergie pneumatique de toute l'industrie et d'autres secteurs ( BTP, garages automobiles, dentistes, santé, bricoleurs...). Pour la production d'air respirable ou médical
• Compresseurs de gaz pour le transport ou le stockage dans l'industrie gazière (gazoducs)

2° En tant que sous-éléments dans des machines plus complexes (seul l’élément de compression est utilisé):

• Compresseurs de fluides frigorigènes dans les systèmes frigorifiques
• Compresseurs de suralimentation pour les moteurs thermiques ( voitures, bateaux...)
• Compresseurs dynamiques pour les turbines à gaz et les moteurs d'avion

Compresseurs Dynamiques

Centrifuge

Les compresseurs centrifuges agissent principalement par accélération centrifuge d'un flux de fluide, on les retrouve également dans les turbines à gaz, turboréacteurs, turbocompresseurs.

Axial

Animation d'un compresseur axial.

Le compresseur axial est un compresseur dont le flux d'air suit l'axe de rotation. Le compresseur axial génère un flux continu d'air comprimé et fournit un rendement élevé pour une masse volumique donnée et une section donnée du compresseur. Il est nécessaire d'avoir plusieurs étages de pales pour obtenir des pressions élevées et des taux de compression équivalents à ceux d'un compresseur centrifuge.

Ejecteurs

Il existe également des compresseurs sans aucun organe mécanique, ce sont les thermocompresseurs, plus communément appelés éjecteurs.

Trompe hydraulique

Le terme peut également désigner, en tant que traduction littérale de l’anglais hydraulic air compressor, une trompe hydraulique. Ce dispositif est un type de compresseur isotherme, qui utilise une chute d'eau de grande hauteur pour générer de l'air sous pression. Cette technologie, qui a disparu vers la fin du XX^e siècle, reste cependant actuelle grâce à son rendement intéressant et l’absence de tout mécanisme.

Compresseur hydraulique - n'est pas une bonne formulation -

Le terme compresseur ou compresseur hydraulique est aussi beaucoup utilisé (abusivement) pour nommer un groupe hydraulique ou une centrale hydraulique. Il peut être à pistons, palettes, engrenages, vis, etc. La technologie est la même que les compresseurs classiques, mais doit supporter des pressions entre 20 et 700 bars, selon les applications.

Compresseurs Volumétriques Rotatifs

À palettes (Multi-cellulaire)

Compresseur à palettes.

Le compresseur à palettes est un compresseur volumétrique "rotatif"

Il est constitué d'un stator cylindrique dans lequel tourne un rotor excentré. Ce dernier est muni de rainures radiales dans lesquelles coulissent des palettes qui sont constamment plaquées contre la paroi du stator par la force centrifuge.

La capacité comprise entre deux palettes est variable. Devant la tubulure d'aspiration, le volume croît : il y a donc aspiration du gaz. Ce gaz est ensuite emprisonné entre deux palettes et transporté vers la tubulure de refoulement. Dans cette zone, le volume décroît et le gaz comprimé s'échappe dans la tuyauterie de refoulement.

Deux conceptions de compresseur existent :

• fonctionnement avec lubrification : les palettes sont en général en acier et l'huile, outre la diminution du frottement entre palettes et stator, assure l'évacuation des calories et améliore aussi l'étanchéité au niveau des contacts palettes/stator. Dans cette configuration, le gaz comprimé est pollué par l'huile, il est donc parfois indispensable de purifier le gaz comprimé par un procédé adéquat (décantation ou filtrage) ;
• fonctionnement à sec avec des palettes en matériau composite chargé en graphite ou en téflon.

À vis

Ce compresseur fait partie de la famille des compresseurs volumétriques rotatifs; on joue sur une diminution mécanique du volume pour augmenter la pression.

Alf Lysholm est l'inventeur ce cette technologie

Le compresseur "à vis" comporte deux vis sans fin (1 rotor mâle et 1 rotor femelle) installés dans un stator. Les 2 rotors sont généralement montés sur 3 roulements à bille chacun

L'aspiration du gaz se fait côté aspiration, au plus près du flasque avant du stator, au milieu des 2 vis (du côté de l'arbre d'entrainement). Le refoulement est à l'autre extrémité des vis et du côté opposé.

L'air aspiré est emprisonné entre les rotors et le stator lors de la rotation des vis. Chacun de ces espaces constitue une chambre de compression dont le volume est ensuite réduit par les lobes de la vis opposée au fil de la rotation des rotors. le gaz comprimé s'évacue du bloc vis par l'orifice de refoulement.

Les frottements entre les vis sont faibles relativement à ceux des pistons, dans les cylindres, qui utilisent des segments pour assurer l'étanchéité.

Vis de compresseur.

Il y a 2 types principaux de compresseurs rotatifs à vis* :

• Compresseur à vis à injection d'huile
  • Une seule des 2 vis (le rotor mâle) est couplée au moteur d'entraînement . Elle assure l'entraînement de la seconde qui est libre en rotation
  • L'huile utilisée dans ces compresseurs assure une triple fonction : étanchéité ^{[réf. nécessaire]}, lubrification et refroidissement. Si l'huile est trop chaude, elle n'est plus assez visqueuse pour garantir l'étanchéité et la lubrification. Il est donc nécessaire d'en assurer son refroidissement, via un échangeur huile-air ou huile-eau.
  • Un réservoir séparateur, équipé d'un filtre à coalescence, réalise le déshuilage de l'air avant qu'il ne puisse être utilisé. ( La teneur résiduelle en huile en sortie est de l'ordre de 3 ppm pour les compresseurs d'air comprimé )

• Compresseur à vis non lubrifié

• La rotation des 2 vis est synchronisée par un train d'engrenage. Ce synchronisme assure qu'elles n'entrent pas en contact l'une avec l'autre.
• L'absence d'étanchéité entre les 2 rotors et le stator (assuré par le film d'huile dans le cas des compresseurs à vis lubrifiées) nécessite des vitesses de rotation importantes pour compenser les fuites internes au bloc vis, et engendre des taux de compression moindre que les vis lubrifiées.
• Le gaz comprimé produit est alors totalement exempt d'huile (à l'exception des polluants présents dans l'air ambiant aspiré avant compression)

*Sur le même principe que les compresseurs rotatifs à vis lubrifiées, il existe des compresseurs à vis à injection d'eau

Scroll

Mouvement du compresseur spiro-orbital.

Cycle de compression d'un système spiro-orbital (compresseur scroll).

Le compresseur à spirale, également connu sous le nom de Compresseur G ou scroll, fait partie des compresseurs volumétriques rotatifs. Il emploie deux spirales intercalées pour pomper et comprimer des fluides. Souvent, une des spires est fixe, alors que l'autre se déplace excentriquement sans tourner, de sorte à pomper, emprisonner puis comprimer des poches de fluide entre les spires, comme dessiné ci-contre.

Ce type de compresseur est communément utilisé dans la plupart des réfrigérateurs modernes.

L'histoire du compresseur G ou à spirales débute avec le XX^e siècle, inventé dans son principe en 1905 par le français Léon Creux, et breveté aux États-Unis le 3 octobre de la même année. À l'époque il était techniquement impossible de le construire du fait de la précision d'usinage nécessaire pour qu'il soit efficace.

C'est au milieu des années 1980 que Volkswagen décide de donner sa chance au compresseur G sur les modèles Polo G40 phase 2, et les Polo G40 phase 3, Corrado G60 et Golf II G60 et Rallye et Passat G60.

Le qualificatif 40 ou 60, informe sur la largeur de la spirale. En réalité le G60 devrait se nommer G59.5, puisque la spirale ne mesure que 59,5 mm de large (au lieu de 60).

Le compresseur se compose de deux spirales fixes et deux spirales mobiles. Il est entraîné par la poulie d'un vilebrequin.

Dans la suite du texte, nous nous concentrons sur un seul couple, les mêmes explications étant correctes pour l'autre couple, mutatis mutandis.

Après le filtre à air, l'air entre dans le compresseur en étant « aspiré » entre les deux spirales (une fixe, l'autre mobile). Grâce à un arbre excentrique, la spirale mobile se rapproche et s'écarte de la spirale fixe, l'air emprisonnée est comprimée dans cet espace et est chassée vers le centre du compresseur (sortie), puis vers le conduit d'admission du moteur. Étant donné que cette étape se reproduit quatre fois (quatre couples de spirales), avec un décalage de 180°, il n'y a pas de baisse de pression entre l'arrivée des poches d'air comprimées au niveau de l'admission.

On constate, en général, une pression de l'ordre de 0,7 bar pour les G60 avec une puissance de 160 ch pour 1,8 L de cylindrée.

Ce type de compresseur est également utilisé dans l'industrie pour comprimer de l'air à 8, voire 10 bars. La chambre de compression n'est pas lubrifiée, ce qui permet de délivrer un air totalement exempt d'huile.

Ces compresseurs sont largement utilisés dans la climatisation et la réfrigération car ils sont plus légers, plus petits et ont moins de pièces mobiles que les compresseurs à piston et ils sont également plus fiables. Cependant, ils sont plus chers, de sorte que les refroidisseurs Peltier ou les compresseurs rotatifs et alternatifs peuvent être utilisés dans des applications où la question du coût est la plus importante ou l'un des facteurs les plus importants à prendre en compte lors de la conception d'un système de réfrigération ou de climatisation.

À lobe(s)

Schéma d'un compresseur Roots.
1 et 3 : rotors
2 : support
a : basse pression
b : fluide comprimé
c : sortie haute pression

Famille des compresseurs Volumétriques rotatifs

Le compresseur à engrenage ou à lobes, souvent appelé compresseur Roots, est un système mécanique comprenant deux lobes qui emprisonnent l'air lors de leur rotation. Le volume emprisonné et le rapport de leur vitesse de rotation par rapport à celle du moteur qu'il alimente détermine le taux de compression.

Compresseurs Volumétriques Alternatifs

À pistons

Compresseur alternatif pouvant tourner sur deux, quatre ou six cylindres.

Dans un compresseur à pistons, chaque piston présente un mouvement alternatif dans un cylindre. Lors de l'aller, le piston aspire le fluide à une certaine pression puis le comprime au retour. Pour cela, chaque piston est muni d'une entrée et d'une sortie à clapet anti-retour. Le clapet d'admission ne peut laisser passer le gaz que vers la chambre du piston. À l'inverse, le clapet d'échappement ne peut laisser passer le gaz que vers le circuit extérieur. De plus, le clapet d'échappement offre une certaine résistance, de façon à ne s'ouvrir que lorsque la pression de l'intérieur de la chambre du cylindre atteint une valeur suffisante.

Voici le fonctionnement pas à pas :

• le piston « descend » : la dépression créée à l'intérieur du cylindre entraîne l'ouverture du clapet d'admission et le fluide est aspiré. Le clapet d'échappement est fermé, car il ne marche que dans un sens ;
• le piston commence sa « remontée » : le fluide commence à se comprimer, car il ne peut sortir par le clapet d'admission (clapet anti-retour) et sa pression n'est pas suffisante pour pousser le clapet d'échappement (maintenu en place par un ressort par exemple). Le fluide ne pouvant s'échapper, il se compresse, car la « remontée » du piston diminue le volume dans le cylindre ;
• la pression du fluide atteint la pression voulue (contrôlé par la raideur du ressort) : cette pression est suffisante pour ouvrir le clapet d'échappement et le fluide sous pression s'échappe donc. Le piston finissant sa remontée, il chasse le fluide tout en maintenant sa pression ;
• le clapet d'échappement se ferme lorsque le piston arrive au point mort haut et un nouveau cycle recommence.

Un compresseur à piston est souvent muni de plusieurs pistons, dont les phases d'admission et d'échappement sont décalées pour avoir une sortie de fluide plus constante dans le réservoir. En effet, pour chaque piston, la sortie du gaz comprimé n'occupe qu'une petite partie du cycle.

compresseur de bricolage

mono-cylindre, bi-cylindres...

compresseur frigo hermetique Kulthorn

Les compresseurs en froid ménager sont habituellement de type hermétique à pistons.

A membrane (à diaphragme)

sur le même principe que le piston, mais une membrane (comme une rondelle pleine et souple) "remplace" le piston dans ses fonctions...souvent pour de plus petits débits que son grand frère le piston

Équipements associés

L'humidité normalement présente dans l'air à pression atmosphérique se retrouve, après compression, dans un volume restreint et le volume d'eau dans l'air peut devenir important avec le risque de saturation en eau de l'air comprimé. Pour éviter ce problème on lui associe souvent un sécheur d'air.

Voir aussi

Articles connexes

• Turbocompresseur
• Suralimentation
• Pompe hydraulique
• Hydromécanique
• Compresseur à hydrures
• Air comprimé
• Sécheur d'air comprimé

Liens externes

• Notices dans des dictionnaires ou encyclopédies généralistes :

  • Enciclopedia italiana
  • Enciclopedia De Agostini
  • Gran Enciclopèdia Catalana
  • Store norske leksikon
  • Treccani
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