Avant de poursuivre sur les différentes méthodes de compression et les compresseurs, il faut d'abord s'arrêter sur les deux principes de base de compression des gaz. Après quoi, nous comparerons les deux méthodes et examinerons les différents compresseurs dans ces catégories.
Il existe deux principes génériques pour la compression de l'air (ou du gaz) : la compression volumétrique et la compression dynamique. Ces principes appartiennent à la théorie de la compression et de l'évacuation de l'air.
Dans la compression volumétrique, l'air est aspiré dans une ou plusieurs chambres de compression qui sont ensuite isolées de l'admission. Progressivement, le volume de chaque chambre diminue, et l'air est comprimé à l'intérieur. Quand la pression atteint le rapport de pression de consigne, un orifice ou un clapet s'ouvre. L'air est alors refoulé dans le système de sortie en raison de la réduction continue du volume de la chambre de compression.
Dans la compression dynamique, l'air est aspiré entre les lames sur un impulseur de compression à rotation rapide et accélère à une vitesse élevée. Le gaz est ensuite évacué par un diffuseur où l'énergie cinétique est transformée en pression statique.
Les compresseurs volumétriques fournissent un débit d'air constant, quelle que soit la pression du système. Ils compriment l'air en emprisonnant un volume fixe et en le comprimant mécaniquement, par exemple à l'aide de pistons ou de vis rotatives.
Ces compresseurs offrent des rapports de pression plus élevés, même à des vitesses plus basses, et sont idéaux pour les applications plus petites et stables, notamment dans la fabrication et l'automobile. Leur conception simple garantit fiabilité et facilité d'entretien.
Les compresseurs dynamiques utilisent des lames rotatives à grande vitesse pour comprimer de grands volumes d'air.
Leur débit et leur pression varient en fonction de la vitesse de fonctionnement, ce qui les rend adaptés aux applications à grand volume telles que la production d'énergie et le chauffage, la ventilation et la climatisation. Leur conception complexe est optimisée pour des débits variables et des opérations à grande vitesse efficaces.
La pompe à vélo est l'exemple de compression volumétrique le plus simple. L'air y est aspiré dans un cylindre, puis comprimé par un piston en mouvement. Les compresseurs à pistons suivent le même principe de fonctionnement. Ils utilisent un piston dont le mouvement avant et arrière s'effectue au moyen d'une bielle, et d'un vilebrequin en rotation.
Si seul un côté du piston est utilisé pour la compression, il s'agit de ce que l'on appelle un compresseur simple effet. Si les deux côtés du piston, supérieur et inférieur, sont utilisés, il s'agit alors d'un compresseur à double effet. Le rapport de pression est la relation entre la pression absolue à l'entrée et celle à la sortie.
Par conséquent, une machine qui aspire de l'air à la pression atmosphérique (1 bar(a)) et le comprime à 7 bar de surpression travaille à un rapport de pression de (7 + 1)/1 = 8.
Les deux graphiques ci-dessous illustrent (respectivement) la relation pression-volume d'un compresseur théorique et le schéma réaliste d'un compresseur à pistons.
La cylindrée correspond au volume du cylindre déplacé par le piston pendant la phase d'aspiration. L'espace mort du compresseur est le volume d'air situé sous les vannes d'entrée et de sortie, et au-dessus du piston qui, pour des raisons mécaniques, doit rester au point tournant en haut du piston.
La différence entre la cylindrée et le volume d'aspiration est due à l'expansion de l'air restant dans l'espace mort avant le début de l'aspiration. La différence entre le schéma p/V théorique et le schéma réel est due à la conception pratique du compresseur, par exemple, un compresseur à pistons.
Les vannes ne sont jamais totalement étanches, et il existe toujours un certain degré de fuite entre le piston et la paroi du cylindre. De plus, les vannes ne peuvent pas pleinement s'ouvrir et se fermer sans un délai minimal, ce qui entraîne une chute de pression quand le gaz s'écoule à travers les canaux. Du fait de cette conception, le gaz est également chauffé lorsqu'il traverse le cylindre.
Dans un compresseur dynamique, l'augmentation de pression a lieu pendant la circulation du gaz. L'écoulement du gaz est accéléré jusqu'à une vitesse élevée à l'aide de lames en rotation sur un impulseur. La vitesse du gaz est ensuite transformée en pression statique lorsque celui-ci est forcé de décélérer sous expansion dans un diffuseur.
En fonction de la direction principale du débit de gaz utilisé, ces compresseurs sont appelés compresseurs radiaux ou axiaux. Par rapport aux compresseurs volumétriques, chez les compresseurs dynamiques, un changement minime dans la pression de service entraîne un grand changement dans le débit.
La vitesse de chaque impulseur comporte une limite de débit supérieure et inférieure. A la limite supérieure, la vitesse d'écoulement du gaz atteint la vitesse du son. A la limite inférieure, la contre-pression devient supérieure à la pression du compresseur, ce qui signifie un débit de retour à l'intérieur du compresseur. Cela se traduit par une pulsation, du bruit et le risque de dommages mécaniques.
Pour en savoir plus sur la régulation des compresseurs dynamiques et l'optimisation des performances, lisez ce guide sur la régulation des compresseurs dynamiques.
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