Compresseurs centrifuges – Ils ne se limitent plus à la charge de base

Cet article explique comment le compresseur centrifuge moderne à plusieurs étages et réduction interne peut répondre à divers besoins de pression, de débit et de réduction de capacité, pour être utilisé à la fois comme charge de base et pour les applications de complément des compresseurs.

Historique
La technologie du compresseur centrifuge existe depuis bien longtemps. On peut en retracer l'origine à l’an 1689, où les physiciens français Denis Papin et hollandais Christian Huyghens ont collaboré à une expérience sur un compresseur qui utilisait la force centrifuge pour comprimer l'air. Au fur et à mesure d'une meilleure compréhension par la communauté des physiciens de la thermodynamique et de la mécanique des fluides, le compresseur centrifuge a évolué d'une simple soufflante de base à roue unique au compresseur moderne multi-étage que nous utilisons aujourd'hui.

Les bases de la compression
Les composants fondamentaux de compression d'un compresseur centrifuge à gaz sont au nombre de quatre :

• Aspiration – une structure de canalisation qui guide le gaz vers la chambre de compression
• Roue centrifuge – le plus souvent un disque à haute résistance monté sur un arbre avec un centre surélevé portant des pales radiales
• Diffuseur – une plaque plane en forme de tore autour de l'extérieur de la roue, le plus souvent avec des pales fixes en relief
• Collecteur – structure recueillant le gaz comprimé. Aussi appelé volute ou scroll

Ces composants forment ce qu'on appelle un "étage de compression". Il est possible d'utiliser plusieurs étages en série pour obtenir divers débits et pressions. Quand plusieurs étages sont installés sur un châssis commun avec un même arbre moteur d'entrée, on l'appelle "compresseur multi-étage à réduction interne".

Le processus de compression commence par l'entrée d'un gaz dans la conduite d'aspiration. L'aspiration guide le gaz vers la roue centrifuge tournant à haute vitesse. La force centrifuge de la roue augmente la vitesse du gaz jusqu'à une valeur élevée. À la sortie du gaz par le diamètre extérieur de la roue, il pénètre dans un espace étroit entre l'aspiration et la plaque du diffuseur. Cet espace étroit ainsi que les pales du diffuseur créent un ralentissement rapide de ce gaz à haute vitesse. Cette décélération brutale entraîne une compression des molécules d'air, qui augmente la densité et la pression relative du gaz. Le gaz sous pression est recueilli dans le collecteur et évacué de façon efficace de l'étage de compression. Cette méthode de compression est aussi appelée "compression dynamique".

Conception en fonction du débit et de la pression
Les fabricants de compresseurs conçoivent les étages de compression de diverses formes et dimensions pour produire les débits et les pressions voulus. En général, plus la pression est élevée, plus il faudra d'étages. Plus le débit est important, plus les composants de l'étage de compresseur sont grands. La plupart des compresseurs centrifuges modernes ont un moteur principal à régime fixe. C'est parce que la compression dynamique s'appuie sur l'obtention d'une haute vitesse du gaz à la sortie de la roue. Si la roue devait ralentir, le procédé de compression dynamique serait largement réduit. Donc, on ne change généralement pas les régimes de roue pour réguler le débit ou la pression.

Commande de débit et de pression dynamique
Il existe trois méthodes courantes pour commander le débit et la pression :

1. Modulation d'aspiration – la quantité de gaz pénétrant par l'aspiration du premier étage du compresseur est régulée par la vanne d'aspiration. Quand la vanne d'aspiration se ferme, le débit de gaz et la puissance à l'arbre sont réduits. La modulation d'aspiration permet de modifier le débit du compresseur, en fonction de la demande du circuit d'air comprimé auquel il est relié. Ces variations de débit sont surveillées et commandées par un système de commande moderne à micro-processeur qui mesure la pression dans le circuit d'air comprimé.
2. Charge et décharge – pendant les périodes de faible demande de débit, il peut être nécessaire de décharger ou d'arrêter le débit du compresseur. Ceci s'effectue en fermant complètement la vanne d'aspiration et en ouvrant une vanne de dérivation après l'étage de compression final. Bien que les roues continuent à tourner à plein régime, aucune compression d'air n'est effectuée. Cette méthode s'utilise si le circuit d'air comprimé peut tolérer des fluctuations de pression entre 5 et 10 psi (0,35 à 0,7 bar), car le compresseur sera mis en charge ou déchargé au besoin pendant les périodes de faible débit.
3. Décharge par clapet – pendant les périodes de faible débit, plutôt que de décharger le compresseur, nous évacuons l'air excédentaire. Le compresseur est maintenu en charge avec la vanne d'aspiration presque fermée. La vanne de dérivation est partiellement ouverte et fait décharger l'air comprimé excédentaire vers l'atmosphère, le compresseur continuant à fournir de l'air comprimé au circuit. Cette méthode s'utilise quand le circuit d'air comprimé ne peut tolérer des fluctuations de pression qu'entre 1 et 5 psi (0,07 à 0,35 bar).

La mauvaise réputation du clapet de décharge
Le compresseur centrifuge multi-étage à réduction interne s'est largement fait connaître comme un système fiable et économe en énergie pour les applications à fort débit d'air. Les compresseurs centrifuges ont aussi une réputation persistante de compresseur de charge de base -- ne convenant pas pour les circuits d'air comprimé aux variations de demande importantes. Ce mythe s'appuie sur les premières architectures de compresseur centrifuge où la réduction possible par modulation d'aspiration n'était que de 10 à 20 % de moins que le plein débit. Ceci se traduisait par le fait que si la demande en débit du circuit d'air comprimé tombait de 100 % à 60 %, le compresseur centrifuge d'architecture ancienne ne pouvait moduler l'admission que jusqu'à 80 % du débit, pour fournir 60 % au circuit d'air comprimé et décharger vers l'atmosphère les 20 % restants. La décharge de 20 % vers l'atmosphère est considérée comme une perte d'énergie. En conséquence, les opérateurs d'usine connaissant bien les anciens compresseurs centrifuges peuvent les éviter aujourd'hui sachant que leur circuit d'air comprimé peut avoir des variations de débit supérieures à 20 %.

La technologie moderne élimine la décharge par clapet
La conception traditionnelle des roues impliquait des calculs manuels et des expériences par essai et erreur. Avec l'arrivée des simulations informatiques de mécanique des fluides numérique dans les années 90, la conception et les performances des roues ont été spectaculairement améliorées. Les ingénieurs peuvent maintenant effectuer des milliers de simulations informatiques pour trouver les meilleurs compromis de performances, de rendement et de réduction de capacité.

Une autre avancée est le contrôleur moderne. Les contrôleurs à micro-processeur sont rapides et puissants, ils peuvent exécuter simultanément plusieurs boucles de commande. Ceci se traduit par des réponses plus rapides de la vanne de commande à la variation de la demande, ainsi que par un meilleur rendement énergétique global. Le compresseur centrifuge d'aujourd'hui peut réduire sa capacité jusqu'à 50 %, pour couvrir une large gamme de débits et de pressions. La réduction de capacité supérieure permet d'installer le compresseur centrifuge sur un circuit d'air comprimé à variabilité de débit importante sans décharge par clapet pendant les périodes de faible demande de débit.

Un compresseur pour toutes les applications
Le compresseur centrifuge moderne a largement progressé au cours des années pour devenir un élément fiable et efficace d'un circuit d'air comprimé. Les compresseurs centrifuges ont le plus souvent une longue durée de vie et des coûts d'entretien plus faibles que tout autre type de compresseur. En tant que compresseurs sans huile, ils assurent une qualité d'air ISO Classe 8573-1 Zéro. L'air sans huile exige moins de filtration en aval et réduit la contamination des produits et des équipements. La forte réduction de capacité et le meilleur rendement qualifient le compresseur centrifuge pour la plupart des programmes d'économie d'énergie proposés par les fournisseurs d'énergie locaux. Globalement, le compresseur centrifuge peut répondre aux besoins de la plupart des circuits d'air comprimé et doit être considéré comme premier candidat lors du choix d'un compresseur d'air.