Théorie et Conceptions des Compresseurs

Théorie et Conceptions des Compresseurs

• Cette présentation détaille la théorie et les conceptions des compresseurs.
• Cette formation est conçue pour les mécaniciens de machines fixes au Québec.
• Les sujets abordés incluent la terminologie technique, les effets de l'humidité et de l'altitude, ainsi que les avantages et inconvénients des différentes conceptions.

Terminologie des Compresseurs

• Le taux de compression est le rapport entre la pression de refoulement et la pression d'admission, exprimées en pressions absolues.
• La capacité est la quantité d'air comprimé acheminé par le compresseur, mesurée en m³/min d'air libre, et est aussi appelé débit à l'air libre.
• Les étages sont utilisés pour résoudre les problèmes de rendement volumétrique faible et de température élevée.
• La compression en plusieurs étages permet un taux de compression plus modéré dans chaque cylindre.
• Le volume d'encombrement est le volume balayé par le piston, exprimé en mètres cubes par minute.
• Dans un compresseur multi-étages, il correspond au volume balayé par le piston du premier étage uniquement.

Refroidisseurs Intermédiaires et Postrefroidisseurs

• Les refroidisseurs intermédiaires refroidissent l'air comprimé entre les étages d'un compresseur à plusieurs étages.
• Ils abaissent la température de l'air sous la température atmosphérique, condensant et éliminant la vapeur d'eau avant le passage à l'étage suivant.
• L'utilisation d'un refroidisseur intermédiaire réduit la puissance nécessaire pour la compression d'environ 15%, augmentant ainsi la capacité globale du système.
• Les postrefroidisseurs refroidissent l'air comprimé avant le point d'utilisation ou le récepteur.
• La température est abaissée sous la température atmosphérique existante, facilitant l'élimination de l'humidité et de la vapeur d'huile.
• La vapeur d'huile doit être condensée et éliminée pour éviter des effets néfastes sur les instruments pneumatiques et prévenir les accumulations de dépôts inflammables.

Effet de l'Humidité

• L'air atmosphérique contient toujours de l'humidité sous forme de vapeur d'eau, dépendant de la température de l'air.
• L'air saturé à température et pression normales contient environ 0,5 kg d'humidité pour chaque 28 m³ d'air.
• Cette humidité est entraînée dans le compresseur avec l'air.
• Une partie de l'humidité se dépose sous forme de condensat lorsque le volume d'air est réduit par compression.
• L'eau doit être éliminée de l'air comprimé car elle est néfaste pour les instruments et les outils pneumatiques.
• L'eau peut geler dans les conduites d'air, causant des obstructions et des dysfonctionnements.

Effet de l'Altitude

• La pression atmosphérique diminue à mesure que l'altitude augmente.
• Un compresseur en altitude a besoin d'un taux de compression plus élevé pour la même pression.
• Un kg d'air occupe plus de volume en altitude qu'au niveau de la mer.
• Le compresseur achemine une masse moins grande d'air en altitude.
• Les performances nominales des compresseurs sont généralement spécifiées pour des conditions au niveau de la mer.

Compresseurs Alternatifs

• Type de compresseur où l'air est comprimé par un piston se déplaçant de manière alternative dans un cylindre.
• Le cylindre est équipé de robinets d'admission et de refoulement pour contrôler le débit d'air.
• Ces compresseurs sont utilisés dans une grande variété d'applications, incluant les centrales électriques, les installations commerciales, industrielles et minières.
• Ils conviennent à toutes les gammes de pression.
• Les compresseurs alternatifs se divisent en simple effet, double effet, à un étage, à deux étages, tandem, ou à piston libre.
• Dans un compresseur à simple effet, la compression se déroule à une extrémité du cylindre, donnant un temps de compression par révolution.
• L'air est comprimé pendant la course ascendante du piston, et plus d'air est aspiré pendant la course descendante.

Compresseurs à Double Effet

• La compression et le refoulement se produisent des deux côtés du piston, permettant deux temps de compression par révolution.
• Quand le piston se déplace vers la gauche, un vide partiel est créé à droite, aspirant l'air par le robinet d'aspiration.
• Simultanément, l'air est comprimé à gauche et forcé vers l'extérieur par le robinet de refoulement.
• Lorsque le piston change de direction, il comprime l'air à sa droite et le force par le robinet de refoulement.
• En même temps, l'air est aspiré dans le cylindre par le robinet d'aspiration du côté gauche.

Compresseurs à Un Étage

• Peut compter un ou plusieurs cylindres.
• Pour des pressions jusqu'à 850-1000 kPa, l'air est comprimé à la pression voulue dans un seul cylindre, à simple ou double effet.
• Si plusieurs cylindres sont utilisés, ils sont tous de même taille.
• Chaque cylindre comprime l'air de l'atmosphère environnante à la pression finale désirée.
• Ces modèles utilisent souvent des soupapes à plaque-bague coussinée et des robinets d'aspiration avec poussoirs à membrane pour le déchargement.
• Le refroidissement est assuré par des chemises d'eau.

Compresseurs à Deux Étages

• Consiste en au moins deux cylindres, avec le diamètre du premier étage étant plus grand que celui du deuxième.
• Pour des pressions entre 1000 kPa et 6900 kPa, l'air est d'abord comprimé dans un cylindre à basse pression.
• Après la compression initiale, l'air est ensuite comprimé davantage à la pression finale dans un cylindre à haute pression.
• Les cylindres peuvent être à simple ou double effet, selon la taille du compresseur.
• Deux variations principales existent: un compresseur à deux étages avec deux cylindres, ou une configuration où deux cylindres à basse pression refoulent dans un seul étage à haute pression.
• Un refroidisseur intermédiaire installé entre les deux étages réduit la température de l'air, améliorant l'efficacité et réduisant la consommation d'énergie.

Compresseurs Tandem

• Comporte trois étages, avec un cylindre du premier étage à double effet, tandis que les cylindres du deuxième et troisième étage sont à simple effet.
• Permet une charge répartie presque uniformément entre les temps extérieur et de retour, résultant en un fonctionnement stable.
• Un seul presse-garniture de tige de piston est nécessaire.
• Les tubes des refroidisseurs intermédiaires du premier et deuxième étage sont contenus dans une enveloppe commune.
• Avec des dispositifs pour la séparation et la vidange de l'humidité condensée.

Compresseur à Piston Libre

• Les pistons diesels opposés se déplacent vers l'intérieur, comprimant l'air entre eux.
• L'air comprimé dans le cylindre amortisseur ramène les pistons ensemble.
• Après injection du combustible, les pistons sont forcés de se séparer.
• Le piston du compresseur comprime l'air et l'achemine au collecteur.
• Comprend une chambre de combustion centrale du type diesel contenant des pistons opposés qui contrôlent chacun un autre piston dans un cylindre à air.
• Un des cylindres agit comme amortisseur à air pendant que l'autre cylindre agit comme section de production d'air comprimé.

Composantes des Compresseurs Alternatifs : Cylindres

• Fabriqués en fonte pour des pressions jusqu'à 1000 kPa, en acier moulé pour des pressions jusqu'à 6900 kPa, ou en acier forgé pour des pressions supérieures.
• Le cylindre est chauffé en raison de la chaleur de compression et du frottement des segments de piston, et cette chaleur doit être éliminée pour maintenir le cylindre à la température de service recommandée.
• Les méthodes de refroidissement incluent le refroidissement à l'eau via une chemise d'eau entourant le cylindre ou le refroidissement à l'air avec des ailettes moulées intégrées.

Pistons et Têtes de Piston

• Les pistons sont fabriqués en acier, fonte ou aluminium.
• Les pistons de type fourreau (type automobile) sont utilisés pour les compresseurs à simple effet, tandis que les pistons des compresseurs à double effet sont massifs ou creux.
• Avec le piston à simple effet, la bielle sert aussi de tige de piston, tandis que le piston à double effet est fixé à la tête de piston par une tige en acier.
• Si le cylindre est lubrifié, les segments de piston sont en fonte.
• Pour un service sans huile, les segments sont en téflon ou en carbone.
• Ces matériaux permettent un fonctionnement efficace tout en minimisant l'usure.
• La tête de piston est en acier avec des surfaces d'appui supérieure et inférieure.
• La tige du piston s'ajuste dans un trou fileté à une extrémité.
• La goupille de tête de piston, reliée à la bielle, peut être fixée soit dans la bielle, soit dans la tête.

Bielles et Vilebrequins

• Les bielles de compresseur sont en acier forgé et comportent un palier de tête de bielle à une extrémité et une ouverture pour le tourillon de la tête de piston à l'autre extrémité, transmettant la force.
• Les vilebrequins sont également en acier forgé, généralement en un seul forgeage usiné et meulé avec précision.
• Ils sont percés pour permettre des passages d'huile assurant une lubrification à pression positive.
• Pour équilibrer les forces alternatives et rotatives, ils peuvent être munis de contrepoids ou utiliser des manetons opposés.

Soupapes de Compresseur à Plaque

• Les soupapes s'ouvrent et se ferment automatiquement en fonction d'une différence de pression.
• L'air entre dans le corps supérieur cannelé et force les disques vers le bas.
• L'air passe entre les disques et les sièges, puis sort par le corps inférieur.
• Composants critiques qui contrôlent le flux d'air dans le système.
• Les types à plaque sont une des deux conceptions couramment utilisées avec les types à canaux.

Soupapes de Compresseur à Canaux

• Comprennent une plaque de passage et une plaque de siège qui s'adaptent ensemble avec des ouvertures correspondantes.
• Les canaux s'ajustent au-dessus des ouvertures et sont maintenus contre la plaque du siège par des ressorts installés dans les canaux et fixés par la plaque d'arrêt.
• L'air entrant par la plaque de passage soulève les canaux contre les ressorts, permettant son passage par les ouvertures dans la plaque d'arrêt.
• Des bandes de matériau autolubrifiant sont placées dans les canaux pour empêcher le contact métal-métal entre les canaux et les ressorts, prolongeant ainsi la durée de vie.

Lubrification du Compresseur

• L'huile fournit un film protecteur entre les surfaces mobiles, empêchant le contact direct métal-métal et réduisant l'usure des composants.
• L'huile réduit le frottement et la perte de puissance qui en résulte, améliorant l'efficacité énergétique.
• L'huile aide à éliminer la chaleur produite par le frottement, maintenant les composants à des températures de fonctionnement optimales.
• L'huile réduit le risque de corrosion et prolonge la durée de vie des composants.
• Assure une étanchéité autour des segments de piston, des ailettes et des soupapes améliorant l'efficacité de la compression.

Types de Lubrification

• La lubrification extérieure concerne les pièces mobiles à l'extérieur du cylindre ou du boîtier : paliers du vilebrequin, paliers de bielle, tête de piston, avec une pompe commandée par l'arbre acheminant l'huile.
• Dans les petits compresseurs à simple effet, un système par projection est utilisé, avec l'huile projetée grâce au mouvement du vilebrequin.
• La lubrification intérieure fournit l'huile aux parois des cylindres et aux pistons grace á un lubrificateur mécanique commandé par le vilebrequin ou la tête de piston qui alimente l'huile directement aux parois des cylindres.
• Dans un compresseur à simple effet avec le bas du cylindre ouvert vers le carter, l'huile projetée du carter assure la lubrification.

Compresseurs rotatifs

• Tous les compresseurs rotatifs transmettent l'énergie au fluide comprimé via l'arbre d'entrée d'un ou plusieurs éléments rotatifs.
• N'ont pas de soupapes d'admission ou de refoulement contrairement aux compresseurs alternatifs.
• Les conceptions les plus courantes sont : à palettes coulissantes, à lobes rotatifs et à vis rotative, chacun présentant des avantages spécifiques.
• Un compresseur à palettes coulissantes consiste en un rotor cylindrique avec des palettes coulissantes plates installées dans des rainures radiales.
• Le rotor est excentré par rapport au boîtier, créant des poches de gaz qui diminuent en volume lors de la rotation.

Compresseur à Palettes Coulissantes : Fonctionnement

• À mesure que le rotor tourne, les palettes coulissantes se déplacent contre la paroi du boîtier en raison de la force centrifuge, créant des poches de gaz entre les palettes et la paroi.
• En raison de l'excentricité, ces poches diminuent en volume, comprimant ainsi le gaz alors que les palettes se déplacent de l'admission au refoulement.
• Les compresseurs à palettes coulissantes sont souvent disposés en deux étages, avec un boîtier à basse pression qui refoule l'air par un refroidisseur intermédiaire vers un boîtier à haute pression.
• Les compresseurs rotatifs fonctionnent à des vitesses jusqu'à 3000 tr/min, avec des pressions de refoulement jusqu'à 1000 kPa.

Compresseurs à Lobes Rotatifs

• Ce modèle compte deux rotors avec une section transversale en forme de huit qui tournent en directions opposées dans un boîtier.
• Les engrenages de distribution maintiennent les positions relatives des rotors.
• Lorsque chaque lobe passe par l'admission, une poche d'air est piégée entre le lobe et la paroi du boîtier, puis acheminée au refoulement du côté opposé du boîtier.
• La lubrification du boîtier n'est pas nécessaire puisque les rotors ne se touchent pas.
• Compacts, sans soupapes d'admission ou de refoulement, et produisent un débit égal d'air sans huile.
• Ils fonctionnent jusqu'à 1750 tr/min, avec des pressions relativement faibles : environ 100 kPa à un étage et 200 kPa à deux étages.

Compresseurs à Vis Rotative

• Consiste en deux rotors interpénétrants, usinés en forme de vis axiale et contenus dans un boîtier ajusté.
• Le rotor mâle compte quatre lobes convexes et le rotor femelle comporte six cannelures concaves
• Les rotors ne se touchent pas, éliminant le besoin de lubrification intérieure
• Le rotor mâle est commandé et entraîne le rotor femelle par des engrenages de distribution
• L'air est aspiré dans l'espace entre les lobes, puis comprimé progressivement à mesure que le lobe mâle occupe plus d'espace dans la cannelure femelle, avant d'aller vers la sortie
• Compact, marche sans vibration, débit stable, air sans huile et absence de soupapes d'aspiration ou de refoulement.
• Utile pour grande capacité à basse pression ou petite capacité à haute pression

Composantes d'un Compresseur à Vis Industriel

• Les éléments principaux incluent plusieurs composantes essentielles travaillant ensemble pour assurer le fonctionnement efficace et fiable
• Le dispositif de commande du compresseur, le filtre d'admission d'air, la commande à soupape papillon et la soupape spirale régulent l'entrée et le contrôle de l'air
• Le compresseur d'air lui-même et le séparateur d'air/fluide constituent le cSur du système, comprimant et séparant l'air et le fluide de lubrification
• Le refroidisseur de fluide/postrefroidisseur d'air, le séparateur d'humidité, le séparateur eau/huile, les préfiltres, l'assécheur à air et les filtres aval complètent le système pour un air comprimé propre

Schéma d'un Compresseur à Vis Industriel

• Est préassemblé et représente une solution complète et intégrée pour la production d'air comprimé de qualité industrielle
• Les débits de base incluent l'air et le fluide qui circulent entre les différentes composantes
• Le dispositif de commande consiste habituellement en un moteur électrique, mais selon les besoins peut être un moteur diesel ou une turbine à vapeur

Filtre d'Admission et Régulation d'Air

• Le filtre d'admission est essentiel pour empêcher la poussière et la saleté de contaminer le fluide de lubrification.
• Généralement de type sec, à deux étages pour service sévère, assurant une filtration efficace même dans des environnements difficiles.
• Le robinet à papillon fait partie du système de régulation de capacité variable avec contrôle Sullicon et optimise la consommation d'énergie.
• Le robinet spiral sert à ouvrir et fermer les passages de dérivation dans le stator et retourne l'air à l'aspiration permettant une régulation fine de la production.

Compresseur d'Air Tandem SULLAIR

• Compresseur volumétrique à deux étages, lubrifié par fluide permet un compression efficace pour applications industrielles
• La compression d'air est sans pulsation, continue à une pression de sortie maximale de 793 kPa.
• Caractéristique importante pour un débit d'air stable.
• Les rotors à lobes dans chaque étage diminue les besoins de maintenance et améliore la fiabilité.
• Les rotors tournent dans une grande quantité de fluide lubrifiant, minimisant l'usure et permet des rendements élevés.

Séparateur d'Air / Fluide

• L'air atmosphérique est aspiré dans le compresseur dans la première étape
• Un fluide à base de silicone est injecté dans la cavité du rotor en deuxième étape
• Dans la troisième étape le fluide lubrifie, étanchéifie les jeux des rotors, et élimine la chaleur
• Le fluide entraîné est ensuite éliminé de l'air séparement du compartiment du rotor
• Dans les compresseurs à vis rotative noyés, le fluide joue un rôle crucial pour assurer l'efficacité et la durabilité du système

Refroidisseur de Fluide et Postrefroidisseur d'Air

• Un refroidisseur de type radiateur accompagné d'un ventilateur assure le refroidissement efficace des fluides circulant dans le compresseur.
• Divisé en deux sections : une moitié pour le fluide du compresseur et l'autre pour l'air comprimé refoulé.
• Le ventilateur de refroidissement déplace l'air à travers les deux sections simultanément assurant refroidissement uniforme
• Essentiel pour éliminer la chaleur de compression de l'air et du fluide, préservant ainsi l'intégrité des composants et améliorant l'efficacité globale.

Séparateur d'Humidité

• L'air comprimé sortant du refroidisseur dans le séparateur
• L’humidité y est éliminée par force centrifuge due aux changements de trajet
• L'air comprimé débarrassé de son humidité se dirige vers vers l'égout via préfiltres
• Rôle crucial dans le traitement de l'air comprimé en éliminant le gros de l'humidité
• Cette étape réduit considérablement la charge de travail des préfiltres situés en aval, prolongeant ainsi leur durée de vie et améliorant l'efficacité globale du système.

Séparateur d'Eau / Huile

• Construit en polyéthylène avec une capacité de 144 litres et réserve d'huile de 5 litres
• L'admissions au séparateur proviennent du séparateur d'humidité et des deux purges de filtre
• L'huile est recueillie dans le réservoir de 5 litres tandis que l'eau propre est évacuée à l'égout avec l'utilisation d'un entonnoir fait spécialement pour cette pratique

Préfiltres

• Deux préfiltres en série sont situés à l'admission de l'assécheur d'air.
• Ces filtres sont du type coalescent : les particules sont permis de collesent et être plus facilement éliminées.
• Le premier filtre est un filtre à huile coalescent qui élimine les particules inférieures à 1 micron soit huile, soit l'eau entrainée.
• Réduit la concentration d'eau à 0,5ppm à 21C
• Le deuxième filtre permet d'éliminer les particules inférieures à 0,001 micron et réduit la tneur en gouttelettes à seulement 0,001ppm, toujours à 21C
• Les drains électroniques permettent d'évacuer automatiquemen tl'huiles et l'eaux sans intervention manuelle.

Assécheur d'Air

• Comprend , un analyseur de point de rosée,ainsi qu'une alimentation électrique et pneumatique
• L'ensemble est modulaires, ce qui permet de le remplir de tamis moléculaires.
• Le robinet d'admission achemine l'air.dans les chambres de déshydratation pour décharger et vers le stator Tableau de Commande du Compresseur

Tableau de Commande du Compresseur

• Facilite la gestion du compresseur avec un ércan tactile.
• Multiples touches permettent l'accès aux paramètres,au démarrage, aux pannes ou la configuration
• Le system surveille des paramètres comme les pressions, les températures,l'entension et la température de dérivation

Mode de Démarrage du Compresseur

• Au démarrage la pression à =0kPa
• La pression monte à 345kPa rapidement
• Le papillon reste fermé durant 6 secondes
• Finalement le compresseur est en marche à pleine capacité

Le Mode à Pleine Charge

• 345kPa, le robinet libère l'air comprimé à la ligne desserrée.
• Le supervision du régulateur confirme constamment que la pression fonctionne de manière optimal.
• Sullair reste innactif quand il déploie sur le robinet et le maintient dans la position du charriot.
• L'électoimait est sollicitié et module et maintien un contrôle du robinnet indépendemment de la surchage dans les différentielles de pression

Mode de Modulation du compresseur

• 1- l'air comprimé graduel dans son trajet( 690 à 738kPa)
• 2 - le régistre de l'air est dans son débit maximal estimé de 50 à 100%
• 3- Le régulateur Sullicon entraine le registe , diminuant la pression dans le papillons d'admission (738 á 793kPa).
• 4- le spiral reste en position de déchargement

Mode de Retrait du Compresseur

• Au dela de 793 kPa, le regulateur coupe l'alimentation , entamant e retrait de la charge
• La pression dans les ports et conduites diminuant à environ 207-345
• Retour au cycle normal, remise sous tension du port pour charger adéquatement les ports et les papillon
• Les valves et ports et cylindres sont tous remis dans leur état d'équilibre.