L'air comprimé est de l'air atmosphérique comprimé à une pression supérieure à celle de l'atmosphère à l'aide de compresseurs. vignette|Manomètre permettant la lecture de la pression d'air comprimé. C'est un vecteur énergétique ou une énergie finale, comme l'électricité, qui est utilisé dans de nombreux secteurs d'activité (l'industrie, le BTP, la Santé) et pour de multiples applications : comme matériau et source d'énergie pneumatique, depuis l'Antiquité.
Parmi les utilisations les plus connues, on peut citer le soufflet, la sarbacane, le gonflage des pneus, notamment avec une pompe à vélo, les bouteilles de plongée sous-marine, la fraise du dentiste ou bien encore le marteau-piqueur. Dans l'industrie, en , 10 % de l'électricité consommée sert à produire de l'air comprimé, cette consommation s'élevant à par an en Europe; pour l'alimentation d'actionneurs variés tels que des moteurs pneumatiques ou des vérins, souvent associés à des automatismes; ou pour les propriétés de ce fluide.
Caractéristiques de l'air comprimé L'air comprimé est un fluide à l'état gazeux caractérisé par sa pression, sa température et sa pureté. Il est composé, comme l'air atmosphérique, d'environ 78 % d'azote (N2), 21 % d'oxygène (O2), et de 1 % de gaz rares (argon, dioxyde de carbone...), de vapeur d'eau et de potentiels polluants. Sa compression est possible grâce aux caractéristiques de compressibilité de l'air atmosphérique. Après compression, Il peut facilement être stocké, dans des réservoirs, et acheminé au travers d'un réseau de distribution jusqu'aux points d'utilisation. L'énergie qu'il contient sous forme comprimée sera libérée lors de sa détente (c'est-à-dire son expansion pour revenir à la pression atmosphérique) et pourra alors être transformée en travail.
En thermodynamique, l'air comprimé à basse pression obéit notamment à la loi des gaz parfaits qui définit les relations entre volume, pression et température lors du changement d'état d'une de ces variables :
à température constante, la pression est inversement proportionnelle au volume. C'est la Loi de Boyle-Mariotte ; à pression constante, le volume varie proportionnellement à la température absolue. C'est la Loi de Charles ; à volume constant, la pression varie proportionnellement à la température absolue. C'est la Loi de Gay-Lussac . Le gaz parfait est un modèle thermodynamique décrivant le comportement des gaz réels à basse pression. La loi des gaz parfaits n'est exacte que pour certains gaz, dont l'air, et dans des limites de pression et de température.
Pression vignette|centrale de production d'air comprimé dans l'industrieLa pression est couramment exprimée en bars relatifs à la pression atmosphérique, ou en psi dans les pays anglophones. L'unité de pression du système international d'unité est le Pascal (Pa). = = . Les pressions possibles sont supérieures à la pression atmosphérique () jusqu'à plus de ; les notions de basse, moyenne, ou haute pression de l'air comprimé font référence à des gammes de pression, différentes selon les secteurs d'activité dans lesquelles elles sont employées, mais sans définition normative. La norme ISO 13349:2010 fixe la limite de pression de production de l'air de ventilation à , au delà de laquelle un ventilateur sera nommé un turbocompresseur. Cette valeur de pression de peut définir la frontière entre la production d'air ventilé et la production d'air comprimé.
On peut distinguer plusieurs gammes de pression correspondantes aux usages les plus fréquents :
jusqu'à pour le soufflage, l'aération de bassins ou le transport pneumatique...; de pour une majorité d'usages pour l'industrie, les travaux publics ou la santé; les actionneurs et outils pneumatiques sont généralement prévus pour fonctionner entre ; de pour l'injection plastique d'emballages alimentaire (notamment les bouteilles en PET), ou le démarrage de moteurs diesel ; de pour les bouteilles de plongée.
Débit
Le débit volumique est souvent exprimé en mètres cubes heure (m3/h), en litres par minute (l/min), ou en litres par seconde (); et à la pression de absolu ou absolu selon le référentiel utilisé. Selon la loi des gaz parfaits, le volume de l'air est variable en fonction de sa température et de sa pression; il est donc nécessaire de préciser les valeurs de température et de pression auxquelles ce débit se réfère; l'absence de ces précisions conduit à des approximations, voire des incohérences. Le poids de vapeur d'eau contenu dans l'air ambiant aspiré influence également le débit final d'air comprimé, la référence au taux d'humidité relative apporte de la précision aux résultats.
Trois normes définissant des conditions de référence sont principalement utilisées pour l'air comprimé : DIN1343, ISO2533, et ISO1217; elles facilitent les comparaisons techniques et les transactions commerciales. La norme ISO1217 est fréquemment utilisée par les fabricants de compresseurs volumétriques (température , pression , Humidité relative 0%). La norme DIN1343 est la plus utilisée dans les secteurs scientifiques et en métrologie (température , pression , Humidité relative 0%). La norme ISO2533 est très employée dans le secteur gazier (température , pression , Humidité relative 0%). Le débit massique, en , est employé dans certains secteurs comme la chimie ou la recherche; il présente l'intérêt de s'affranchir des variations de température ou de pression.
Les débits possibles vont de quelques m3/h à plus de . Une petite carrosserie peut consommer , soit ; un gros site industriel , soit ).
Qualité d'air vignette|Teneur maximale de polluants dans l'air comprimé selon ISO 8573-1 L'atmosphère qui nous entoure, matière première de l'air comprimé, contient en suspension : des particules solides, de l'eau, des COV (Composés Organiques Volatils), des micro-organismes, des pollens... Tous ces éléments sont comprimés et concentrés dans l'air comprimé et sont, selon les applications attendues, des polluants potentiels. A ces polluants « naturels » s'ajoutent les pollutions issues des compresseurs et des réseaux de distribution (huiles, particules métalliques...). La production d'air comprimé peut s'accompagner d'une étape de traitement d'air pour retirer certains polluants et atteindre le niveau de qualité défini pour l'utilisation souhaitée. (souffler une forge pour attiser le feu ne requiert pas de filtration, faire respirer un être humain sous air médical exige quelques précautions avec des normes supplémentaires...)
La qualité d'air comprimé est définie par la norme ISO 8573-1 qui identifie 3 polluants principaux : Les particules solides - L'eau - Les hydrocarbures. Les particules et les hydrocarbures seront traités essentiellement par des filtres. L'eau sous forme de vapeur est traitée par des sécheurs d'air comprimé. L'eau sous forme liquide peut être piégée par des dévésiculeurs dédiés, ou fréquemment par les filtres ou les réservoirs qui en assurent également la fonction.
L'air comprimé à usage d'air respirable ou d'air médical est défini par des normes distinctes de l'ISO 8573-1. L'air respirable est encadré en Europe par la norme NF EN 12021 qui spécifie les teneurs en oxygène (), lubrifiant (<), sans odeur, dioxyde de carbone (<), monoxyde de carbone (<), et eau (point de rosée <) . L'air médical, souvent considéré comme un médicament, est encadré par d'autres textes comme ceux de la pharmacopée européenne ou la norme canadienne CSA Z7396.
La quantité de vapeur d'eau contenue dans l'air comprimé peut être exprimée en valeur absolue (g/m3); en température de point de rosée (PdR) qui est le plus employé en air comprimé, ou en % d'humidité relative. A chaque Point de rosée correspond une quantité maximale de vapeur d'eau (pression de vapeur saturante) contenue dans 1 m3 d'air à cette température; l'humidité relative est alors égale à . Lorsque la température de l'air comprimé chute en dessous de son point de rosée, la vapeur d'eau excédentaire se condense, ou plus précisément se liquéfie, provoquant l'apparition d'eau sous forme liquide, considérée comme un polluant dans l'air comprimé.
Histoire de l'air comprimé De l'antiquité au siècle Jusqu'au siècle, l'air comprimé est utilisé en tant que matériau, pour le soufflage des feus ou des forges, ou l'alimentation en air de cloches à plongeur; il est aussi employé comme énergie, pour la sarbacane ou le fusil à vent. vignette|Ancien soufflet à bouche en fer forgé. Le plus élémentaire et sans doute le plus primitif des soufflets. Le soufflet à bouche est constitué d'un long tube en fer ou en bois d'un mètre environ. Le soufflet La première utilisation connue de l'air comprimé date de l'Antiquité, et est associée à l'archéométallurgie. Des soufflets à bouche sont représentés sur les murs de tombeaux égyptiens de la fin de l'Ancien Empire (vers ) pour illustrer des scènes d'ateliers de fonderie.. L'air comprimé permet d'augmenter la température des feux et d'obtenir les nécessaires au travail du métal grâce au souffle combiné de plusieurs ouvriers. Le poumon humain peut fournir un débit d'air comprimé d'environ 50 l/min à une pression de ..
Des soufflets à pied, constitués d'une peau tendue sur un tambour de poterie, remplacent ensuite les soufflets à bouche. Ils sont représentés en Égypte dès le début du Nouvel Empire (vers ) mais seraient utilisés près d'un millénaire plus tôt en Mésopotamie et en Anatolie centrale. Le soufflet se développe ensuite jusqu'au siècle pour accompagner l'évolution de la métallurgie à côté des bas fourneau. La mécanisation de son entraînement par la force hydraulique de roues à aubes est attribuée au chinois Du Shi au début du 1er millénaire.
La sarbacane C'est un long tube étroit, creux, qui sert à propulser, par la force du souffle, des projectiles légers tels que des fléchettes ou des billes d'argile.
La cloche à plongeur Dès le siècle , Aristote évoque une cuve d'airain renversée et plongée sous l'eau pour permettre la respiration de plongeurs. Au siècle suivant Philon de Byzance démontre dans ses écrits que l'air est un corps en utilisant une amphore renversée qu'il plonge dans l'eau, et fait siffler des maquettes d'oiseaux en utilisant l'air comprimé dans ce vase..
Des expériences de cloches à plongeur sont faites au et siècles : en , deux grecs descendent dans le fleuve Tage au moyen d'une cloche à plongeur en présence de Charles-Quint.. Le britannique Edmond Halley améliore le principe entre et avec l'emploi de réservoirs annexes, suivi en de l'alimentation en air au moyen d'une pompe foulante par John Smeaton.
Le fusil à vent Le fusil à vent est une arme à air comprimé dont le principe remonte au siècle inventé en par Marin Bourgeois. Leurs descendants modernes sont les armes à air comprimé.
William Murdoch, employé par la firme Boulton and Walt, construit un monte-charge pneumatique qu'il fait fonctionner à l'aide de la soufflerie de la forge de Soho. Il invente la télégraphie pneumatique, un système de transport de paquets dans des tubes sous l'effet de l'air comprimé. vignette|Illustration de la machine soufflante de Smeaton dans le traité complet de mécanique appliquée aux arts de J.A. Borgnis (1819)
La machine soufflante En , la 1ère machine soufflante est construite par John Wilkinson et James Watt . Une machine à vapeur entraîne un piston qui coulisse dans un cylindre. Prototype des compresseurs à piston, la machine soufflante remplace progressivement les traditionnels soufflets pour fournir l'air de combustion des hauts-fourneaux.. D'énormes pistons de près de 2 mètres de diamètre fournissent un débit voisin de à une pression inférieure à .