Il existe généralement deux méthodes pour compresser de l’air et produire de l’air comprimé : la compression dynamique et la compression volumétrique. En fonction des différents besoins, l’une ou l’autre sera plébiscité. Mais pour déterminer laquelle, il est important de bien comprendre leur fonctionnement et les différents principes de bases de la compression d’air.
Pour compresser l’air, il existe deux techniques éprouvées : la compression dynamique et la compression volumétrique. Au niveau de la compression dynamique, le gaz est attiré comme dans un aspirateur puis accélérer par un mécanisme rotatif axial ou radial. L’air ressort au niveau du diffuseur sous une pression statique grâce à l’énergie cinétique produite. Pour permettre son fonctionnement, le compresseur dynamique nécessite un ou plusieurs turbocompresseurs pour faire tourner le mécanisme rotatif.
Dans la catégorie des compresseurs qui fonctionnent selon le principe de la compression volumétrique, on retrouve les compresseurs orbitaux ou scroll, les compresseurs à piston, et de nombreux modèles de compresseurs rotatifs (à palette, à lobes rotatifs ou à vis). Ces compresseurs aspirent l’air dans des chambres, de plus en plus petites, où le gaz est compressé. Lorsque la compression de l’air correspond au besoin, le gaz est envoyé dans le système par un mécanisme de clapet ou un orifice spécifique.
Dans ce type de compresseur, l’air est accéléré par un système de lames rotatives. Suivant la direction principale que prend l’air dans le système, on parle de système axial ou radial. Les vitesses obtenues sont souvent très élevées. Ainsi, la pression statique est obtenue par la décélération du gaz au sein d’un diffuseur à la sortie du système d’accélération du gaz. À la différence des compresseurs volumétriques, un changement de pression (bien que léger) de service engendrera des modifications considérables du débit. La surveillance est donc de mise pour un bon fonctionnement du système.
De plus, les impulseurs qui accélèrent l’air disposent de débits maximums et minimums de fonctionnement. Donc, dans les cas où la vitesse est trop faible et le débit trop bas, la pression obtenue deviendra plus importante que celle du compresseur. Alors, le risque de voir l’air revenir génèrerait des dommages. Avec un débit très important, le gaz peut atteindre la vitesse du son. Finalement, ce système, lorsqu’il ne fonctionne pas à un régime adéquat entraine du bruit, des dégradations potentielles et des vibrations.
Pour bien comprendre son fonctionnement, il suffit de savoir comment fonctionne le compresseur le plus simple de cette catégorie. Le meilleur exemple pour imager le fonctionnement de ce système est la pompe à vélo. Dans un premier temps, l’air est attiré dans la chambre de compression, puis il est compressé généralement par le piston. Dans les compresseurs volumétriques à piston, ce dernier fonctionne comme dans un moteur de voiture avec un vilebrequin qui tourne et une bielle. La compression est donc cyclique.
Parfois, le piston peut effectuer la compression sur ces deux faces, on parle alors d’un compresseur à double effet. Si le piston agit uniquement d’un côté, c’est un compresseur simple effet. Pour connaitre le rapport de pression de ce type de compresseur, il suffit d’évaluer la pression de sortie et celle d’entrée. Par exemple, pour une pression atmosphérique (1 bar) et une pression de sortie à 9 bar de surpression, le rapport de pression répond à la formule : (9+1)/1 soit 10.
Selon la théorie des gaz parfaits, une compression de gaz peut s’effectuer à température constante (de manière isotherme) ou sans transfert de chaleur vers l’extérieur (de manière isentropique). Théoriquement, ces deux systèmes peuvent s’intégrer dans un cycle réversible. Dans le cas où le gaz compressé s’utiliserait dès sa sortie, le second procédé (isentropique) serait l’idéal. Toutefois, le besoin d’air comprimé est rarement immédiatement après la compression. En effet, classiquement, l’air comprimé est amené à température ambiante avant son utilisation, c’est pourquoi la méthode de compression isotherme reste privilégiée. En effet, dans ces conditions, la manière isentropique nécessiterait environ 40 % de consommation supplémentaire pour obtenir le même résultat.
La manière isotherme permet de limiter la consommation à l’aide d’enchainement d’étages de compression. Ainsi, avant le passage de chaque étage, l’air est refroidi puis comprimé à nouveau. Ce processus s’effectue jusqu’à l’obtention de la pression souhaitée. Pour améliorer encore plus le rendement énergétique, il suffit d’avoir le même rapport de pression entre chaque étage. Plus le nombre d’étages est important et plus la compression s’apparente complètement à une compression isotherme. La seule contrainte de ce système reste le volume nécessaire pour l’installation d’un compresseur idéal.
En théorie, les compresseurs volumétriques possèdent une relation pression/volume idéale et un rendement théorique exceptionnelle. Toutefois, en comparant la théorie et la réalité à l’aide de différentes mesures, le ratio n’est pas toujours le même qu’escompté. Il existe différentes raisons à ces différences. Une des principales, mécanique, est l’obligation de la présence de vannes d’entrée et de sortie au-dessus du piston. Il existe alors dans le compresseur volumétrique un espace mort qui n’est pas pris en compte par la théorie. Il existe alors une différence entre la cylindrée (volume du cylindre que le piston déplace lors de la phase d’aspiration) et le volume réel d’aspiration. Cette différence est occasionnée par l’expansion du gaz qui stagne dans l’espace mort.
De plus, les vannes d’entrée et de sortie ne peuvent pas être complètement étanches. En effet, il existe toujours de minimes fuites qui s’associent à l’impossibilité de fermeture ou d’ouverture immédiates des vannes. Ce court délai engendre une baisse de la pression lorsque le gaz circule dans les canaux. Enfin, à la différence de la théorie, lors du passage dans les canaux, il existe une augmentation de la température du gaz. La théorie du gaz parfait ne s’applique pas totalement au compresseur, mais les possibilités de différentes mesures offrent aujourd’hui de nombreuses garanties au bon fonctionnement de ces systèmes.
En fonction des besoins ou des contraintes d’une installation, le turbocompresseur et le compresseur volumétrique auront des atouts à mettre en valeur. Pour établir un choix, il faut se baser sur la courbe de débit/pression et voir comment réagit l’une avec l’autre. Le compresseur volumétrique est un appareil à débit constant avec une pression variable. Le turbocompresseur quant à lui propose une pression variable et un débit variable. En fonction de cette relation entre pression et débit, le turbocompresseur est généralement associé à des débits d’air haut. Les compresseurs volumétriques offrent quant à eux un rapport de pression supérieur même à faible vitesse.
