Un compresseur est un mécanisme destiné à augmenter la pression d'un gaz. C'est aussi, par extension, une machine complète dans laquelle est installé ce mécanisme de compression (aussi appelé « élément de compression »), et incluant châssis, moteur d'entrainement, échangeurs, filtres, tuyauteries, éléments de régulation, armoire électrique… Ces compresseurs assemblés peuvent être fixes ou mobiles.
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. La production de froid ou d'air comprimé, le transport du gaz naturel, la climatisation, les moteurs à réaction des avions ou les turbocompresseurs des voitures sont autant d'applications qui utilisent des compresseurs de gaz.
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 , invention de l'écossais James Watt et du britannique John Wilkinson. De nombreuses autres techniques de compression de gaz sont ensuite inventées dans la seconde moitié du et au début du ; dont une partie est issue de mécanismes existants pour les fluides liquides (on parle alors de pompes, les compresseurs ne compriment que des gaz).
Typologie des compresseurs
Les compresseurs sont divisés en deux grandes familles selon leur principe de compression..
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). Il s'agit d'une compression mécanique.
Un compresseur « dynamique » réalise la compression du gaz en transformant l'énergie cinétique liée à la vitesse de l'air (compresseurs centrifuges et axiaux).
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. Les autres techniques de compression existent en lubrifié et non lubrifié.
Les compresseurs peuvent être mono-étagés (un seul étage de compression), bi-étagés (un premier élément de compression refoule à l'aspiration d'un deuxième élément), jusqu'à trois ou quatre étages, voire plus.
Caractéristiques communes aux compresseurs Le débit et la pression sont les caractéristiques fondamentales d'un compresseur. Le débit est la quantité de fluide produite par unité de temps, souvent exprimé en et toujours ramené aux conditions d'aspiration.
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 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. La transmission de cette énergie mécanique vers l'arbre d'entraînement du compresseur est assurée par un accouplement, direct ou par courroies. La vitesse de rotation souhaitée pour l'élément de compression est obtenue par le choix d'un rapport de transmission : diamètre des poulies pour un accouplement par courroies, avec ou sans engrenage pour un accouplement direct.
Utilisations
Les compresseurs sont utilisés dans d'innombrables secteurs d'activité et pour diverses applicationsThierry DESTOOP, Compresseurs volumétriques par , sur free.fr consulté le 16 juillet 2018..
Machine complète et autonome
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. Les compresseurs de gaz servent dans le transport ou le stockage dans l'industrie gazière (gazoducs).
Sous-éléments dans des machines plus complexes
Seul l’élément de compression est utilisé. Les compresseurs de fluides frigorigènes servent dans les systèmes frigorifiques., les compresseurs de suralimentation dans les moteurs thermiques (voitures, bateaux...), les compresseurs dynamiques dans les turbines à gaz et les moteurs d'avion.
Pompe à vide
Un compresseur peut servir de pompe à vide en utilisant le côté aspiration de l'élément de compression, le refoulement à l'air libre n'étant alors pas utilisé pour être comprimé.
Compresseurs dynamiques Compresseur centrifuge
vignette|compresseur centrifuge 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. Ces compresseurs sont utilisés comme machine complète et autonome pour produire de l'air comprimé ou comprimer du gaz naturel; et comme éléments de compression dans les turbines à gaz, turboréacteurs, turbocompresseurs, ou les systèmes frigorifiques.
Ils sont capables de produire de gros débits de fluide avec un bon rendement spécifique. Les taux de compression en mono-étagénote 1 (jusqu'à 10:1) sont les plus élevés des compresseurs dynamiques mais restent toutefois inférieurs aux taux de compression des compresseurs volumétriques (alternatifs ou à vis).
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. Le compresseur axial génère un flux continu d'air compriméVoir : Les compresseurs axiaux, sur lavionnaire.fr, consulté le 10 février 2019. et présente l'avantage de produire de gros débits de fluide avec un bon rendement spécifique, tout en conservant une surface réduite en façade.
Ce type de compresseur dynamique génère de gros débits de fluide avec un bon rendement spécifique mais son faible taux de compression nécessite d'avoir plusieurs étages de compression pour obtenir des pressions élevées et des rapports de compression équivalents à ceux d'un compresseur centrifuge.
Ils sont essentiellement utilisés comme éléments de compression dans les turbines à gaz et les turboréacteurs; mécanismes dans lesquels ils sont souvent associés en série avec des compresseurs centrifuges.
Trompe hydraulique
vignette|Principaux éléments constituant une trompe hydraulique.|270x270px La trompe hydraulique est une installation utilisant une chute d'eau pour souffler de l'air, en l'aspirant dans un tube par effet Venturi puis en le comprimant, du fait de la hauteur de chute.
Progressivement abandonnées pour diverses raisons, les trompes de Frizell-Taylor restent une technologie valable et sont régulièrement étudiées. En effet, elles peuvent valoriser l'énergie hydraulique de faibles hauteurs de chute avec un investissement faible, tout en garantissant un rendement supérieur à 70 %..
Éjecteurs
Il existe également des éjecteurs, parfois comparés à tort à des compresseurs mais qui n'en sont pas : ils n'augmentent pas la pression initiale mais créent une amplification du débit.
Compresseur hydraulique
Le terme compresseur hydraulique est utilisé abusivement pour nommer un groupe hydraulique ou une centrale hydraulique. Il peut être à pistons, palettes, engrenages, vis Le principe est le même que les compresseurs de gaz, mais doit supporter des pressions entre 20 et 700 bars et s’adapter aux contraintes de l'incompressibilité des liquides.
Compresseurs volumétriques rotatifs Compresseur à vis
vignette|Principe de compression par 2 vis hélicoïdales. Le compresseur à vis fait partie de la famille des compresseurs volumétriques rotatifs ; la compression du gaz est réalisée par une diminution mécanique du volume des chambres de compression.
Il existe des vis doubles, les plus répandues, et des monovis. Les vis doubles se déclinent en deux catégories : vis non lubrifiées et vis lubrifiées (par injection d'huile ou injection d'eau).
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 et les plages de débit de . Il équipe également une grande part des systèmes frigorifiques industriels et tertiaires.
Compresseur à palettes (Multi-cellulaire) vignette|Compresseur à palettes.|250x250px
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 compresseurs à palettes existent : à palettes sèches ou à palettes lubrifiées : 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 indispensable de procéder à une étape de déshuilage, comme pour le compresseur à vis lubrifiées, avant l'utilisation de l'air comprimé ; fonctionnement à sec avec des palettes en matériau composite chargé en graphite ou en téflon.
Compresseur à anneaux liquides vignette|Compresseur à anneau liquide.
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 principe est un peu semblable au compresseur à palettes
Compresseur à spirales (ou compresseur Scroll)
vignette|left|Mouvement du compresseur spiro-orbital.|157x157px
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-dessus.
Ce compresseur est inventé dans son principe en par le français Léon Creux. À l'époque, il est toutefois techniquement impossible de l'industrialiser du fait de la précision d'usinage nécessaire.
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 . La chambre de compression n'est pas lubrifiée, ce qui permet de délivrer un air exempt d'huile (excepté les COV aspirés). Ils ont des avantages sur les compresseurs à piston (masse, taille, moins de pièces mobiles, fiabilité), mais sont aussi plus chers à produire, limitant leur emploi aux applications ou le coût à une moindre importance que les avantages cités.
Ce compresseur connait une brève application dans l’automobile au milieu des années 1980 ; Volkswagen l'utilise comme compresseur de suralimentation dans ses moteurs G40 et G60.
Compresseur à lobe(s)