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Deux principes de compression de base : la compression volumétrique et la compression dynamique

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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.

Quels sont les deux principes de base de la compression ?

compression volumétrique et compression dynamique

Il existe deux principes génériques de compression d'air (ou de gaz) : la compression volumétrique et la compression dynamique. La première comprend, par exemple, les compresseurs à pistons, les orbitaux (scroll) et différents types de compresseurs rotatifs (à vis, à lobes rotatifs et à palettes). 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 et l'air est 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. La compression dynamique fait le plus souvent appel à des turbocompresseurs avec un modèle d'écoulement radial ou axial.

Que sont les compresseurs volumétriques ?

compresseur à pistons

La pompe à vélo est la forme de compression volumétrique la plus simple, l'air y est aspiré dans un cylindre puis comprimé par un piston en mouvement. Le compresseur à piston a le même principe de fonctionnement et utilise 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.

Diagramme de compression des compresseurs volumétriques

Les deux graphiques ci-dessous illustrent (respectivement) la relation pression-volume d'un compresseur théorique et le schéma plus 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 juste 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 piston. Les vannes ne sont jamais totalement étanches et il y a 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.


Formule de la compression isotherme

Travail de compression sous compression isotherme :

Formule de la compression isentropique

Travail de compression sous compression isentropique :


Ces relations montrent que davantage de travail est nécessaire pour la compression isentropique que pour la compression isotherme.

Que sont les compresseurs dynamiques ?

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 lorsqu'il 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, les compresseurs dynamiques ont cette caractéristique qui fait qu'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. Ceci se traduit par une pulsation, du bruit et le risque de dommages mécaniques.

Compression en plusieurs étages

En théorie, l'air ou le gaz peut être comprimé de manière isentropique (à entropie constante) ou isotherme (à température constante). Les deux procédés peuvent faire partie d'un cycle réversible en théorie. Si le gaz naturel comprimé pouvait être utilisé immédiatement à sa température finale après compression, le processus de compression isentropique présenterait des avantages certains. En réalité, l'air ou le gaz sont rarement utilisés directement après la compression. Ils sont habituellement refroidis à température ambiante avant utilisation. Par conséquent, le processus de compression isotherme est préféré, car il nécessite moins de travail. Il existe une approche pratique pour l'exécution de ce processus de compression isotherme qui implique le refroidissement du gaz au cours de la compression. A une pression effective de service de 7 bar, la compression isentropique nécessite, en théorie, 37 % d'énergie de plus que la compression isotherme.


Une méthode pratique pour réduire le chauffage du gaz consiste à diviser la compression en plusieurs étages. Le gaz est refroidi après chaque étage avant la compression suivante, jusqu'à la pression finale. Cela augmente également l'efficacité énergétique, le meilleur résultat étant obtenu lorsque chaque étage de compression a le même rapport de pression. En augmentant le nombre d'étages de compression, l'ensemble du processus s'approche de compression isotherme. Cependant, il existe une limite économique au nombre d'étages à utiliser lors de la conception d'une installation réelle.


Quelle est la différence entre un turbocompresseur et un compresseur volumétrique ?

A vitesse de rotation constante, la courbe de débit/pression d'un turbocompresseur diffère sensiblement de la courbe équivalente d'un compresseur volumétrique. Le turbocompresseur est une machine à débit variable et à pression variable. En revanche, le compresseur volumétrique est une machine ayant un débit constant et une pression variable. Un compresseur volumétrique fournit un rapport de pression supérieur même à faible vitesse. Les turbocompresseurs sont conçus pour les débits d'air élevés.


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