Compresseurs a piston

PRINCIPE DE BASE DU COMPRESSEUR A PISTON

 

Tables des matières détaillée

 

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Le compresseur de base à un étage

  • Selon la figure ci-dessous, le compresseur à un étage se compose :
  • d’un cylindre ;
  • d’un piston ;
  • d'un clapet d’aspiration * ;
  • d'un clapet de refoulement * ;
  • d'une bielle ;
  • d'un volant d'entraînement.

Remarques :

- * Le clapet et son siège constituent une soupape. Le clapet est la partie mobile, le siège la partie fixe. Dans le langage courant, on utilise souvent le mot clapet au lieu de soupape pour désigner l'ensemble (c'est l'inverse dans le langage automobile).

- Les soupapes sont contenues dans la culasse qu'on appelle plus généralement boîte à clapets.


































Compresseur de base

Fonctionnement

Lorsque le volant tourne, entraîné lui-même par une machine électrique ou thermique, le piston est animé d’un mouvement alternatif quasi sinusoïdal.

Lorsqu’il descend, la pression dans le cylindre diminue. Dès qu'elle est inférieure à celle en amont du clapet d’aspiration, celui-ci s'ouvre, laissant l'air entrer à l'intérieur. (Aspiration)

Lorsqu’il monte, la pression dans le cylindre augmente. Dès qu'elle dépasse la pression au-dessus du clapet de refoulement, celui-ci s’ouvre et laisse échapper l’air vers la sortie. (Échappement)

Ici, les clapets sont actionnés par des différences de pression et non par un arbre à cames comme dans les moteurs de voiture. 

Cycles de compression

Les cycles de compression représentés dans la figure suivante montrent l'évolution de la pression en fonction des déplacements du piston.

Le cycle idéal

Compression : Le piston amorce son mouvement vers les clapets. L'air contenu dans le cylindre est comprimé, sa pression et sa température augmentent. Cette phase correspond à l'arc de courbe AB.

Refoulement

Au moment où la pression dans le cylindre atteint la pression P2, le clapet de refoulement s'ouvre et l'air est évacué vers l’utilisation sous la pression P2, jusqu'au moment ou le piston atteint la fin de sa course. Cette phase est représentée par la droite BC. Nous supposons qu'en fin de course le piston vient exactement toucher le bas de la culasse et donc qu'il n'y a plus d'air dans le cylindre.

Aspiration

Le piston amorce son retour en s'éloignant des clapets. Comme, en théorie, il n'y a pas d'air résiduel dans le cylindre, on a simultanément et instantanément : fermeture du clapet de refoulement, chute de la pression de P2 à P1 et ouverture du clapet d'aspiration.

Cette phase est représentée par la droite CD. Ceci fait, de D en A, c'est-à-dire pendant la totalité de la course du piston, l'air pénètre dans le cylindre. Arrivé en A, le piston amorce son mouvement de retour, le clapet d'aspiration se ferme et un nouveau cycle commence.





















Cycles de compression

Cycle théorique

En fait : les clapets présentent une certaine résistance à l'ouverture, due aux ressorts de rappels dont ils sont munis. Leur ouverture ne s'effectue donc que lorsque la pression aval est légèrement inférieure à la pression amont.

Pour la même raison, la fermeture se fait avec une légère avance. Il s'ensuit que la phase d'aspiration "DA" s'effectue, pour une pression dans le cylindre légèrement inférieure à la pression atmosphérique P1 et que la phase de refoulement BC s'effectue pour une pression dans le cylindre légèrement supérieure à P2.

Par ailleurs, le passage de l'air à travers les clapets crée une légère perte de charge dont l'effet s'ajoute au précédent.

De plus, contrairement à l'hypothèse précédente, il existe toujours un volume résiduel appelé "espace mort" entre le piston et la culasse (la distance étant de 0,5 à 1mm). Pour que le clapet d'aspiration s'ouvre, il faut que le piston redescende suffisamment de façon que la pression à l'intérieur du cylindre tombe en dessous de la pression en amont.

Le cycle réel

Enfin l'inertie des clapets et l'inertie du gaz en mouvement provoquent des phénomènes complexes qui font que les pressions ne peuvent varier brutalement et, que parfois, elles oscillent avant de se stabiliser. Ceci a pour effet de déformer la courbe du cycle théorique.

Taux de compression

La pression maximum que peut fournir un compresseur est égale au produit de la pression de l’air prélevé par le taux de compression qui s’écrit " t ", en lettre grecque. Le taux de compression est, en théorie, le rapport entre le volume maximum et minimum qui se trouve au-dessus du piston pendant son mouvement alternatif. (Voir figure ci-dessous)

Lorsqu’on comprime de l'air, il s’échauffe, donc il se dilate, ce qui provoque une augmentation supplémentaire de pression. Cette augmentation de pression n’est pas utilisable, car, de toute façon après un certain temps, l’air revient à la température ambiante.

Le taux de compression que l’on peut obtenir avec un seul étage est inférieur à 10. En effet, pour des raisons mécaniques, il est limité par le volume mort minimum que l'on peut réaliser, par les fuites aux pistons, aux clapets et par l'élévation de température que peuvent supporter les matériaux utilisés.

D'autre part, on n'utilise pas souvent un étage de compression à la pression maximum qu'il peut fournir. On ne peut donc pas, avec un seul étage, atteindre les hautes pressions de 200 à 300 bars dont on a besoin.

 





















Pressions inter étages

Débit engendré

C'est le produit de la cylindrée du premier étage du compresseur par la vitesse de rotation.

Rendement volumique

C'est le rapport : volume aspiré / volume engendré. Ce rendement varie avec la pression qui règne, en aval de l'étage et dans l'espace mort, lorsque le piston est au point mort haut. Cette pression empêche le clapet d'aspiration de s'ouvrir immédiatement, dès que le piston commence à redescendre.

Appelons :

  • g : le rendement volumique en % (g se prononce gamma en lettre grecque) ;
  • Pam : la pression en amont en bars ;
  • Pav :la pression en aval en bars ;
  • Va : le volume aspiré en litres par tour ;
  • Ve : le volume engendré en litres par tour ;
  • Vm : le volume mort en litres.

Avant de pouvoir aspirer une nouvelle quantité d'air, le piston doit redescendre de telle façon que le volume au-dessus du piston deviennent :

Vm x Pav / Pam. Le volume total étant Ve + Vm, le volume aspiré sera donc

Va = (Ve + Vm) – (Vm x Pav / Pam).

On en déduit le rendement volumique : g = Va / Ve




Pour Ve = 100 cm3 ; Vm = 5 cm3 ; Pav = 8 bar ; Pam = 1 : on a un rendement de 65%.

Pour Ve =100 cm3 ; Vm = 10 cm3 ; Pav = 11 bar ; Pam = 1 : on a un rendement qui tombe à zéro. Onze bars est donc la pression maximum que peut délivrer un tel étage.

On remarque aussi que quand la pression de sortie de l'étage augmente, son rendement volumique diminue.

Le compresseur multi étagé

Taux de compression

Le faible taux de compression possible avec un compresseur à un étage conduit à disposer plusieurs étages en série.

Si on appelle t 1, t 2, t 3... le taux respectif de chaque cylindre, le taux résultant sera :



et, la pression de sortie maximum sera :



On réalise ainsi couramment des compresseurs de 3 ou 4 étages, en utilisant des taux de compression de 4 à 6, par étage. Ceci permet d’obtenir des pressions utiles de 200 à 360 bar (Voir les 2 figures suivantes).

On voit aussi l’importance de ne pas avoir de filtre d'entrée colmaté. Cela réduit la pression à l’entrée du compresseur ce qui réduit proportionnellement la pression à la sortie. Il en est de même en altitude ou la pression atmosphérique est plus faible. Il faut alors que la réserve de pression soit suffisante pour atteindre la pression souhaitée.

On remarque que la course des différents pistons est la même. Pour équilibrer les efforts sur le moteur, les manetons sont décalés de 30 à 90°. On peut envisager de décaler les cylindres eux-mêmes et tenter de les mettre dans un même plan. On obtient ainsi des compresseurs en V, en W ou en étoile beaucoup plus compacts et faciles à ventiler.

Il y a plusieurs avantages à utiliser des compresseurs multi étagés :

  1. Le rendement volumétrique est supérieur.
  2. La puissance absorbée est plus faible.
  3. Les températures en sortie de chaque étage sont moins élevées.

Il est cependant rare de dépasser 5 étages car, cela augmente considérablement la complexité mécanique et diminue le rendement en raison des pertes de charges qui ne manquent pas de se produire dans les différentes parties du compresseur.

















Compresseur multi étagé

Débits

Débit engendré

Il est le même que pour le compresseur mono étagé. Cependant comme nous le verrons, dans certains cas, il y a parfois lieu de tenir compte de la présence de 2 pistons pour un seul étage.

Débit de remplissage

C'est le débit calculé à partir du temps mis à remplir une capacité de volume connu, à une pression définie. La différence avec le débit engendré vient essentiellement des pertes par les fuites qui ne manquent pas de se produire entre le piston et le cylindre et les purges, indispensables, que nous étudierons plus loin.

Le résultat doit, en toute rigueur, être affecté de corrections en fonction de la température et de la pression, voir figure 3. Un compresseur qui, par exemple, absorbe 45 m3 d'air peut n'en restituer que 30.

A la pression atmosphérique et à 20°C le débit de remplissage s'exprime en m3/heure ou en litre/minute. C'est l'une des caractéristiques principales d'un compresseur

A la pression atmosphérique, mais à 0°C, la quantité d'air délivrée est exprimée en Normaux m3. Dans ce cas m3 devra être précédé de la lettre N (Nm3).

Production de chaleur

Comme nous l’avons vu au chapitre précédent, la compression de l’air s’accompagne toujours d’une forte élévation de température.

Les compresseurs à 3 étages ont des taux de compression plus élevés que ceux qui en ont 4. Chaque étage chauffe donc davantage. Le compresseur étant une machine mécanique, les différents frottements provoquent aussi des échauffements.

Il existe des craies dont la couleur change avec la température et qui peuvent être utilisée pour surveiller le fonctionnement d’un compresseur (Craies "Thermo chrome" au chlorure de cobalt qui sont bleues et virent au noir au-dessus de 200° C).

Production de particules métalliques

Les frottements, métal contre métal, libèrent des particules métalliques.

Production d'huile

L’utilisation d’un lubrifiant permet de réduire les frottements donc la production de particules métalliques et de participer au refroidissement des différentes pièces.

Mais, l'addition d'huile dans le circuit d'air du compresseur implique que l'on en retrouve à la sortie, sous différentes formes : vapeur, aérosol ou liquide. Or l'huile, quelle qu'elle soit, est toxique. De plus, une certaine partie, en brûlant forme des dépôts de calamine sur les clapets et les parties les plus chaudes des boîtes à clapets. L'huile est ainsi le principal polluant dans un compresseur.

Production d'eau

La compression de l'air, surtout suivie d'un refroidissement, provoque la condensation de la vapeur d'eau qui y est contenue.

Il est bon de rappeler les inconvénients de la présence d'eau dans l'air comprimé :

  • L'eau produite étant incompressible, risque de provoquer des dégâts mécaniques dans le compresseur. Ce n’est pas une pompe hydraulique.
  • Détérioration par corrosion des tuyauteries et des volumes de stockage.
  • Détérioration des bouteilles par oxydation. L'eau augmente, par catalyse, l'oxydation de l'acier en modifiant les règles électrochimiques de surface. De plus, bien que distillée, elle est légèrement acide ; elle contient des impuretés (SO2, NO2, CO2) qui ont une action d'acidification de l'eau par création des acides correspondants (H2SO4, H2NO3…) Elle a ainsi un effet oxydant néfaste si elle se retrouve dans les bouteilles de plongée.
  • Pertes de charge supplémentaires.
  • Risque de gel et d'obstruction des tuyaux, par temps froid.
  • Gel par combinaison détente/froid, dans les détendeurs de plongée.

La quantité d'eau qui s'élimine par condensation dépend de l'humidité relative de l'air prélevé. Celle-ci peut aller de 40 à 100%. Elle dépend aussi du taux de compression et du refroidissement. La quantité d'eau produite est inversement proportionnelle à la température en Kelvin.

Les condensats

L'eau, l'huile, les poussières forment une émulsion de couleur laiteuse qu'on appelle condensats. On les retrouve après les différents étages et il est nécessaire de les éliminer. Nous allons étudier cela au chapitre suivant.






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