Fonctionnement et caractéristiques des compresseurs CVA

Un compresseur est un mécanisme destiné à augmenter la pression d'un gaz. Les compresseurs sont omniprésents dans les secteurs de l'industrie, de la climatisation ou du transport, mais aussi dans des objets du quotidien comme les pompes à vélo ou les réfrigérateurs. Le débit et la pression sont les caractéristiques fondamentales d'un compresseur.

Apparu dès le nouvel empire égyptien, le soufflet est le précurseur de tous les compresseurs, mais la première machine soufflante à piston considérée comme un compresseur apparait en 1776, invention de l'écossais James Watt et du britannique John Wilkinson. Les compresseurs d'air comprimé alimentent en énergie pneumatique toute l'industrie et d'autres secteurs (BTP, garages automobiles, dentistes, santé, bricoleurs...). Ils servent également à la production d'air respirable ou médical.

Typologie CVA et logique de classification

Un compresseur « volumétrique » réalise la compression d'un fluide gazeux 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). Les compresseurs dynamiques, les compresseurs à membrane et les compresseurs à anneau liquide sont toujours non lubrifiés. Ils peuvent être lubrifiés ou non lubrifiés. Un compresseur est dit lubrifié lorsque le fluide comprimé est mis en contact direct avec un lubrifiant lors de la compression.

La transmission de cette énergie mécanique vers l'arbre d'entraînement du compresseur est assurée par un accouplement, direct ou par courroies. Les éléments de compression sont entraînés par une variété de moteurs qui leur donne le mouvement nécessaire pour assurer la compression d'un gaz : les moteurs électriques sont prédominants depuis la seconde moitié du XXe siècle pour les compresseurs stationnaires; les moteurs thermiques (à combustion interne) équipent la majorité des compresseurs mobiles de chantier; des turbines sont parfois utilisées; la roue à aubes hydrauliques et les machines à vapeur, désormais désuets, sont employés au cours de l'histoire.

Principe de fonctionnement des compresseurs dynamiques

Le compresseur centrifuge, ou compresseur radial, est un type de turbomachine qui comprime des gaz. La compression, dynamique, est réalisée par accélération centrifuge d'un flux de fluide, puis transformation de l'énergie cinétique en pression. Ils sont capables de produire de gros débits de fluide avec un bon rendement spécifique. Compresseur axial. Le compresseur axial est un type de turbomachine qui comprime des gaz, et dont le flux d'air suit l'axe de rotation.

Spécificités opérationnelles CVA

Ils sont capables de produire de gros débits de fluide avec un bon rendement spécifique. Le débit et la pression sont les caractéristiques fondamentales d'un compresseur. La transmission de cette énergie mécanique vers l'arbre d'entraînement du compresseur est assurée par un accouplement, direct ou par courroies.

Compresseurs volumétriques alternatifs

Principe de fonctionnement (voir schéma ci contre) : un piston effectue un mouvement alternatif dans un cylindre, faisant ainsi varier le volume de la chambre de compression. Phase d'admission d'air : lorsque le piston s'éloigne de la culasse, le volume de la chambre de compression s'agrandit. La dépression créée aspire l'air ambiant au travers de la culasse puis du clapet d'admission (ou d'aspiration). Phase de compression : lorsque le piston se rapproche de la culasse, l'air présent est comprimé par la réduction du volume de la chambre de compression. Le clapet d'aspiration se referme sous l'effet de sa fonction anti-retour. L'échappement d'air oppose une certaine résistance qui provoque un échauffement. Cumulé avec la chaleur provoquée par la compression, cela entraîne des températures de compression très élevées (>100 °C). Les clapets de compresseurs, pièce maîtresse des compresseurs, sont des éléments très sollicités, surtout au refoulement, tant en efforts mécaniques qu'en températures.

Un compresseur à piston peut être équipé d'un ou plusieurs pistons, il sera alors désigné en tant que mono-cylindre, bi-cylindres, six-cylindres, etc. (il y a autant de cylindres que de pistons). En cas de multi-cylindres, les phases d'admission et d'échappement sont décalées pour mieux répartir les efforts mécaniques, et cela diminue les effets de pulsation de la production du fluide comprimé (les mouvements alternatifs des pistons induisent une production d'air par a-coups, inconvénient propre aux compresseurs alternatifs), spécificité des multi-étages des compresseurs à pistons. Les compresseurs à piston existent en versions lubrifiées ou non-lubrifiées.

Les premiers compresseurs à piston étaient des compresseurs à double effet, dont l'unique piston ne comprimait pas directement l'air, mais agitait une masse d'eau qui remplissait les chambres de compression. Cette eau, mise en mouvement par le piston, jouait elle-même le rôle de piston en se déplaçant dans des cylindres de manière alternative, comprimant ainsi l'air contenu dans ces cylindres, comme dans le compresseur Sommeiller. Le compresseur à piston libre, ou compresseur junkers, serait inventé par Pescara, deux pistons sont mis en mouvement par l'explosion d'un combustible, sans embiellage.

Un compresseur à diaphragme, ou compresseur à membrane, est une technique de compression non lubrifiée. Un compresseur ionique ou compresseur a piston liquide est un compresseur volumétrique alternatif à pistons liquides, destiné initialement à comprimer de l'hydrogène. Des pistons flottants, qui ne sont pas rattachés sur un embiellage traditionnel, sont mus par une énergie hydraulique.

Compresseurs volumétriques rotatifs

Le compresseur à palettes est un compresseur volumétrique rotatif. Il est constitué d'un stator cylindrique dans lequel tourne un rotor excentré. 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. 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.

Il existe des vis doubles, les plus répandues, et des monovis. Le compresseur à vis double est aujourd'hui la technique la plus utilisée pour la production d'air comprimé dans l'industrie dans les gammes de pression de 5 à 15 bar et les plages de débit de 100 à 3 000 m3/h. Le compresseur à engrenage ou à lobes, souvent appelé compresseur Roots, est un compresseur volumétrique rotatif. Le mécanisme comprend deux rotors synchronisés en rotation, installés dans un stator, qui emprisonnent l'air lors de leur rotation pour le comprimer par une diminution mécanique du volume de la chambre de compression. Le volume emprisonné et la vitesse de rotation déterminent le débit. Les compresseurs à becs sont très voisins des compresseurs à lobes, seuls les profils des lobes sont différents (au lieu des deux lobes en « 8 » du schéma ci-contre, on peut imaginer deux « 9 »).

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. Ce compresseur est inventé dans son principe en 1905 par le français Léon Creux. Ce type de compresseur est utilisé dans des systèmes de réfrigération ou les climatisations en tant qu'élément de compression, ou en tant que machine 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 exempt d'huile (excepté les COV aspirés).

Application guidage linéaire à billes

Solutions spécifiques: anneau liquide et effets hydrauliques

Un compresseur à anneau liquide est une pompe rotative constituée d'un corps de pompe fixe et d'une roue à aubes entraînée en rotation; utilisée comme pompe à vide ou comme compresseur de gaz. Le rotor est excentré dans un stator. Un liquide, souvent de l'eau, est injecté dans le stator et forme, sous l'effet de la force centrifuge, un anneau collé au stator. Le terme compresseur hydraulique est utilisé abusivement pour nommer un groupe hydraulique ou une centrale hydraulique. Progressivement abandonnées pour diverses raisons, les trompes de Frizell-Taylor restent une technologie valable et sont régulièrement étudiées.

Organes auxiliaires et intégration CVA

Des réservoirs sous pression stockent l'énergie produite lors de la compression et permettent la régulation du fonctionnement des compresseurs. Ces réservoirs, soumis à des pressions internes, stockent une énergie considérable. Seul l’élément de compression est utilisé.

Lire aussi: TVA : France

Lubrification et propreté du gaz comprimé

Ils peuvent être lubrifiés ou non lubrifiés. Un compresseur est dit lubrifié lorsque le fluide comprimé est mis en contact direct avec un lubrifiant lors de la compression. Les compresseurs dynamiques, les compresseurs à membrane et les compresseurs à anneau liquide sont toujours non lubrifiés. La chambre de compression n'est pas lubrifiée, ce qui permet de délivrer un air exempt d'huile (excepté les COV aspirés).

Exemples d’applications et moteurs d’entraînement

Les éléments de compression sont entraînés par une variété de moteurs qui leur donne le mouvement nécessaire pour assurer la compression d'un gaz : les moteurs électriques sont prédominants depuis la seconde moitié du XXe siècle pour les compresseurs stationnaires; les moteurs thermiques (à combustion interne) équipent la majorité des compresseurs mobiles de chantier; des turbines sont parfois utilisées; la roue à aubes hydrauliques et les machines à vapeur, désormais désuets, sont employés au cours de l'histoire. Les compresseurs d'air comprimé alimentent en énergie pneumatique toute l'industrie et d'autres secteurs (BTP, garages automobiles, dentistes, santé, bricoleurs...). Ils servent également à la production d'air respirable ou médical.

Tableau de correspondance type-usage

Type	Principe	Plage typique	Usages
Vis double	Diminution mécanique du volume entre rotors	5 à 15 bar; 100 à 3 000 m3/h	Industrie, air comprimé
Centrifuge	Accélération et conversion d’énergie cinétique	Gros débits	Procédés, turbines à gaz
Piston	Mouvement alternatif, clapets	Mono à multi-étages	Ateliers, gaz spéciaux
Scroll	Deux spirales intercalées	8 à 10 bars	Réfrigération, CVC
Palettes	Rotor excentré, cellules variables	Lubrifiés fréquents	Services généraux
Anneau liquide	Anneau d’eau centrifuge	Non lubrifié	Pompes à vide, gaz humides

Notions avancées et variantes historiques

Un rotor cylindrique, excentré dans un stator, tourne de façon orbitale à l'intérieur du stator. Une palette assure l'étanchéité entre le rotor et le stator pour séparer le côté admission et le côté compression. W.L. Saunders, Compressed air production, New-York, 1898, 58 p. Joseph Costa, Traité élémentaire de l'air comprimé, Paris, Librairie Polytechnique, Baudry et Cie, 1888, 150 p. Atlas Copco, Manuel Atlas copco, Paris, Atlas copco france R.C.

↑ (en) Dean L. ↑ (en) W.T. ↑ (en) W.L. Saunders, Compressed air production, New-York, 1898, 58 p. ↑ Joseph Costa, Traité élémentaire de l'air comprimé, Paris, Librairie Polytechnique, Baudry et Cie, 1888, 150 p.

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