Séminaire Compresseur
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FORMATION INDUSTRIE
SEMINAIRE
COMPRESSEURS
Animateur : M. BOULAHDID
1 Animateur M. BOULAHDID
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INTRODUCTION
Les compresseurs sont des machines réceptrices, qui transforment l’énergie mécanique
fournie par le moteur d’entraînement en énergie de pression. Ils sont considérés les
plus répondus dans l’industrie pétrolière et pétrochimique, et sont largement utilisés
dans les systèmes : automatique; pneumatique et surtout dans les stations de
compression (expédition et injection des gaz), etc.….
Le rôle des compresseurs est primordial dans le domaine d’activité industrielle, ils
accélèrent les cycles de production.
Dans toutes les branches de l’industrie pétrolière, on utilise les compresseurs grâce à
la simplicité de leur construction et à la facilité de leur exploitation.
Dans les compresseurs axiaux, le gaz se déplace le long de l’axe de rotation des roues
à aubes.
Dans les compresseurs rotatifs, le mouvement du gaz est effectué par la rotation de
l’élément de refoulement (à vis sans fin; à palettes etc.…..)
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COMPRESSEUR A PISTON
Description
Comme toutes les machines à piston , nous retrouvons les éléments généraux :
cylindre , piston P , tige de piston T , bourrage Bo , glissière G, crosse avec patins P ,
bielle B , arbre coudé AC , paliers , volant V .
Fonctionnement théorique
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Le travail théorique nécessaire pour cette compression est donné par la surface
hachurée Ω.
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Remarques :
Le compresseur fonctionne suivant un cycle à deux temps.
Il y a donc un cycle par tour de manivelle (360 °).
Particularités
Fonctionnement réel
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Remarques
Ce qui vient d’être signalé ne concerne que la cavité gauche du compresseur.
Pour la cavité droite (double effet) on retrouve un cycle analogue, mais symétrique
et décalé d’un volume correspondant à celui du piston.
Ainsi, pour la position x du piston se déplaçant de droite à gauche, on a
- cavité gauche : pression mm′ (phase de compression)
- cavité droite : pression nn′ (phase d’aspiration)
Données
Diamètre d (m)
Course c (m)
Vitesse n (tr/min)
Rapport d’espace mort ε
Pression finale P2
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Inconnues
Rappelons cependant :
PiVi K = PfVfK
1
COMPR W= ( ـــــــــPfVf –PiVi )
k-1
1
DET W= ( ـــــــــPiVi –PfVf )
k-1
Unités : v en m3
p en n/m2
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d et c en m
n en tr/min
Calculs
πd2
Cylindrée : v = ــــــــــــــ.c
4
πd2
Espace mort : V3=ε x cylindré =ε. ــــــــــــــ.c
4
2
πd
Volume fin aspiration : V1= ــــــــــــــ.c (1+ε)
4
kP1
V2=V1 ــــــــــ
P2
La température fin de compression :
k-1
ـــــــــــــ
P2 k
T2 =T1 ـــــــــ
P1
πd2
V3 =ε . ــــــــــــــ.c
4
k P3
V4=V3 ــــــــــ mais P4=P1
P4
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Avec
1
abcd = ( ـــــــــــP2 V2-P1 V1)
k-1
dcef= P2 (V2-V3)
1
fehg = ( ـــــــــــP3 V3-P4 V4)
k-1
ghba = P1 (V1-V4)
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Exemple numérique
Données :
Compresseur : double effet
d= 300 mm
c= 450 mm
n = 180 tr/min
θ= 20° C
K= 1.25
ε=8%
P adm = 10N/cm2
P ref = 40N/cm2
Inconnues
Cylindrée
Espace mort
Températures
Volumes
Travail poly tropique
Puissance poly tropique
Calcul :
πd2
Cylindrée : v = v1-v3 = ــــــــــــــ.c
4
3.14 X 0.32
= ــــ ــــــــــــــــــــــــــx 0.45 = 0.0318 m3
4
Espace mort : v3=ε.v= 0.08 X 0.0318 = 0.0025 m3
K p1
a. V2 = V1 ــــــــــ
P2
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log V2 = log 0.0343 + 1/k log 10/40 après calculs V2= 0.0116 m3
k-1
ـــــــــــــ
P2 k
b. T2 = T1 ـــــــــ
P1
1.25 -1 40
log T2 = log 293 + ـــــــــــــــــــlog ـــــــــaprès calculs T2 = 386°k ; θ =113°C
1.25 10
k P3
a. V4 = V3 ــــــــــ
P4
1 P3
log V4 = log V3 + ـــــــــــlog ـــــــــ
k P4
1 40
= log 0.0025 + ـــــــــــlog ـــــــــ après calculs V4 = 0.0079 m3
1.25 10
k-1
ـــــــــــــ
P4 k
b.T4 = T3 ـــــــــ
P3
1.25- 1 10
log T4 = log 386 + ـــــــــــــــــــlog ـــــــــaprès calculs T4=293°k ; θ4=20°C
1.25 40
1 1
W = ( ــــــــــــP2 V2 - P1V1) +P2 (V2 - V3) - ( ـــــــــــP3 V3 - P4V4) - P1 (V1 - V4).
k-1 k-1
Après calculs W = 4290 J
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Généralités
Nous avons signalé à la leçon précédente que le compresseur fonctionnait suivant
une loi poly tropique.
Il serait intéressant de connaître la loi exacte d’évolution de se rendre compte de son
bon fonctionnement.
A cet effet, les cylindres des machines sont
munis de tubulures appropriées et placées à
chaque extrémité et permettant d’y fixer un
appareil de prise de diagrammes appelé
indicateur de watt
(Du nom de son inventeur)
L’indicateur de watt
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On connaît :
- le diagramme et la ligne pa.
- l’échelle du ressort .
- le diamètre et la course du piston
- le coefficient d’espace mort.
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Calculs:
On choisit deux point A et B sur la courbe et on sait de ce fait mesurer
VA, VB, PA et PBB B
On écrit alors
PA.VAX = PB.VBX B
Ou bien
VA X PB
= ــــــــ ـــــــــ
VB B PA
Qui est une équation exponentielle qu’on résout par les logarithmes
VA PB B
PB B
log ــــــــــ
PA
d’ou x= = k recherché
VB B
log ــــــــــ
VA
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Calculs
Effort moyen sur le piston
πd2
F = Pm ــــــــــــــ
4
P en W
Pm en N/m2
d et c en m
n en tr/min
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Exemple numérique
Données voir figure
Calculs
Cylindrée : Л d2/4.c = 0.075 m3
Espace mort : 0.075x0.12=0.009 m3
Volume total : 0.075+0.009=0.084 m3
Volume réel aspiré : (diagr.)= 0.064 m3
Travail isotherme :
P2 350000
Wis = 2.3 P1V1log = ـــــــــــ2.3 x 103000 x 0.085 x log = ــــــــــــــــ10670 J
P1 103000
0.064
3
Wis rapporté à 0.064 m ; Wis =10600 x = ـــــــــــــ8040 J
0.084
Travail :
1
hm = [ ــــــــــ0+0+2(50+57+44+31+21+13+8+4+2)]=23 mm
2x10
23 mm
Pm = = ــــــــــــــــــــــــ ــــــــــــــ11.5 N/cm2
2 mm/N/cm2
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Compression étagée
Généralité
Si on comprime polytropiquement une masse
gazeuse depuis l’état initial A (Vi, Pi) jusqu’à
l’état final M (Vm, Pm).
La température finale se détermine par :
k-1
ـــــــــــــ
PM k
TM = T1 ـــــــــ
P1
k-1 TM
PM=P1 K T1
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b) On fait ensuite passer l’air comprimé chaud (T2) dans un réfrigérant dans lequel la
température est ramenée à la température de départ (20°C)
L’évolution dans le réfrigérant est l’isobare BC dont la relation des volumes est
VBB B TB
( ــــــــ = ـــــــــgay Lussac)
VC TC
L’état C est celui qu’on aurait obtenu en comprimant iso thermiquement suivant
AC .
c) On recomprime ensuite polytropiquement cette masse d’air depuis l’état C jusqu'à
l’état D.
( V3P3T3 ) tel que la pression P3 donne une température de 150° c
d) Ainsi de suite pour DEF.
Réalisation
Le schéma ci-contre montre le groupement des machines et l trajet du gaz.
Le diagramme montre les fluctuations de la pression (ligne en traits pleines fins) et les
fluctuations de la température (traits pointillés)
Remarques :
On ne refroidit plus après le dernier compresseur puisqu’il n’y a plus de risques au
point de vue graissage.
La température diminue cependant en raison de la présence du resevoir dans
l’atmosphère.
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Conclusion
La compression étagée :
- limite les températures dans les cylindres.
- améliore le rendement.
Remarque
le gain n’est pas total parce que la circulation d’eau dans les réfrigérants nécessite
l’emploi d’une pompe de circulation qui absorbe une part de l’énergie récupérée .
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La réfrigération
La figure F montre la réfrigération d’un groupe bi étagé.
Une pompe P alimente l’étage BP , l’étage HP et le réfrigérant.
Les trois sorties son scindées et recueillies dont un entonnoir.
Pour les petites unités le refroidissement se fait par air avec des cylindres ailettes.
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L’entraînement se fait
-par moteurs électriques avec réducteurs à courroies
-par moteurs diesel avec réducteurs à courroies
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TURBO COMPRESSEURS
Ventilateurs centrifuges :
Généralités
Comparaison avec la pompe
En principe, le ventilateur est comparable à une pompe tant au point de
vue fonctionnement qu’au point de vue de descriptif
Toutefois, en raison de ce que le fluide véhicule est d’espèce gazeuse , les
chocs à l’entrée , à la sortie de la roue sont inférieurs à ceux de la pompe .
La construction en sera moins soignée.
But du ventilateur
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Unités
-l’unité de débit est le m3/s
-l’unité de pression est le n/m2 , mais on utilise plus généralement
le mm d’eau
La roue
Les roues sont exécutées :
- coulées ( fonte , aluminium , plastiques ) pour les petits diamètres :
Inférieurs à 30cm
- soudées (tôles d’acier) pour les grands diamètres.
Pour les roues soudées.
- Le moyen est en acier coulé ou étiré
- Les joues sont en tôles d’acier
- Les aubes en tôles d’acier sont soit droites (peu onéreuses, petit rendement) soit
incurvées (plus onéreuses ; meilleur rendement)
Le calage de la roue sur l’arbre s’effectue soit à chaud, soit à la presse, soit par
clavettes, mais dans ce dernier cas on aura recours à l’alésage conique qui permet
un excellent centrage.
Rôle de la roue
La théorie de l’élévation est identique à celle de la pompe :
ρ
Δp= [(U2-U′2) + (w′2-w2) + (v2-v′2)]
2
Variation de
Action de la Variation de l’énergie
force centrifuge vitesse dans la cinétique
(Prépondérant) roue
Conclusion
Le rôle prépondérant de la roue est donc de transformer en pressions les vitesses
dues à la force centrifuge communiquées aux particules liquides par la rotation des
aubes.
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La volute
Dans ce dernier cas, la volute n’a pas une forme circulaire mais rectangulaire.
Cette approximation n’est pas heureuse au point de vue aérodynamisme et le
rendement d’un appareil soudé est mois bon que celui d’un appareil coulé. Toutefois,
la construction en est mois onéreuse et plus expéditive.
Rôle de la volute
La volute joue à la fois
- le rôle de diffuseur (augmenter la pression en faisant tomber la vitesse)
- le rôle de collecteur de fluide.
Remarques
1- Dans la construction soudée, la section au refoulement est rectangulaire.
2- Certains groupes sont monoblocs, c'est-à-dire, ont leur roue montée directement
sur le bout d’arbre du moteur d’entraînement.
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Courbes caractéristiques
Des essais, similaires à ceux effectués sur la pompe centrifuge, sont effectués sur les
ventilateurs.
En raison des pressions faible, les monomètres métallique sont remplacés par des
tubes en U contenant de l’eau.
Nous retrouvons, pour un ventilateur donné tournant à vitesse donnée, et véhiculant de
l’air à 20°C , les trois courbes Caractéristiques de fonctionnement :
- courbe des pressions p =ƒ(Q) mm H2O
- courbes des puissances P= ƒ(Q) KW
- courbes des rendements η= ƒ(Q) %
QH
Pkw =
100 η
P En Kw ;H en mm H2O ; Q en m3/s
Lois
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Ventilateurs spéciaux
a- pour gaz nocifs : étanchéité absolue aux joints et aux bourrages (A)
b- pour gaz corrosifs : plastification des surfaces en
contact avec le fluide et utilisation d’aciers spéciaux .
c- pour gaz abrasifs : utilisation d’aciers spéciaux et de surépaisseurs
d- pour gaz chauds ( B)
- généralement doubles ouies
- paliers à circulation d’eau
- déflecteurs de radiation
- l’arbre creux obligeant le chaleur à passer par le déflecteur
- c’est le type de ventilateur aspirant des chaudières ( 450° quand les
récupérateurs sont hors service ).
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Soufflantes centrifuges
Généralités
Dans les ventilateurs centrifuges, la pression manométrique totale maximale, est
de l’ordre de 1300 mm d’eau ou 13 N/cm2.
Quand on désire obtenir des pressions supérieures, on a recours aux soufflantes
dont la pression peut varier entre 13 et 20 N/cm2
Les Soufflantes centrifuges sont constituées par un groupement en série de
ventilateurs rappelant, en quelque sorte, le groupement similaire des pompes
multicellulaires.
La figue montre bien
-le flasque d’aspiration
- corps constitué par la juxtaposition d’éléments identiques
- le flasque de roulement.
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Roue
C’est une roue de ventilateur étroite et
radiale en
tôles soudées par points .
L’élévation de pression vaut d’après
Euler
ΔP = ρ (U2 − U wU)
L’aube étant radiale on a wU = 0 et ΔP =
ρU2 .
Comme U = environ 150m/s
ΔP = 1.2 x 1502 = 27000 n/m2
= 2.7 n/cm2 par roue (théorique)
Diffuseur
Son rôle est de faire tomber la vitesse du fluide dans le but de transformer l’énergie
cinétique du gaz en énergie de pression
La machine
La coupe ci-contre montre :
− l’arbre A posant sur deux paliers P
− les roues R, (de 4 à 10)
− les diffuseurs D
− les aubes redresseurs AR
− le pavillon d’aspiration PA
− le pavillon de refoulement PR
le fonctionnement est tel que l’air sortant de la roue R entre dans le diffuseur D
passe dans le canal en U dont la branche de retour est garnie d’aubages redresseurs
AR afin de canaliser les filets fluides et d’éviter le tourbillonnement.
En raison de la faible élévation de température, il n’y a pas de réfrigération.
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Courbes caractéristiques
Elles sont toujours de trois types
− courbe des pressions p =ƒ(Q)
− courbe des puissances P= ƒ(Q)
− courbes des rendements η= ƒ(Q)
Qp P en kW
Par P kW = ــــــــــــــ Q en m3/s
1000 η p en n/m2
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Compresseurs centrifuges
Généralités
Le compresseur centrifuge se différencie de la soufflante par
− le nombre d’étages plus élevé qui procure une pression de refoulement
supérieure à 20 N/cm2.
− la présence d’un réfrigérateur su la machine.
La figue montre que le compresseur est à deux étages et que le moteur et les étages
du compresseur ont même ligne d’arbre.
La Machine
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Remarquez qu’un seul palier (P3) est un palier-butée; les autres permettent la libre
dilation.
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Courbes caractéristiques
P’ Q’ 5 x 480 000
PHP = ـــــــــــــــــــــــــــ = = ـــــــــــــ3 200 kW
1000η′ 1 000 x 0.75
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Remarque :
La loi des vitesses ainsi que la loi de similitude restent toujours valable.
Le phénomène de pompage
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Le taux de compression par cellule est toujours assez faible. Il augmente lorsque :
– la vitesse de rotation augmente
– la masse molaire du gaz augmente
– la caractéristique thermique du gaz (k) augmente
– la température d'aspiration diminue
– le rendement de la machine augmente
Pour comprimer un gaz à un taux de compression donné, il y a toujours intérêt à avoir une vitesse
périphérique élevée
• La résistance mécanique :
roues moulées : =250 m/s
roues rivées : =280 à 300 m/s
roues soudées : =350 m/s
roues usinées ouvertes : =400 m/s
Le schéma suivant montre la construction d'une roue soudée.
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On peut ainsi atteindre des taux de compression de l'ordre de 1,8 à 2 par roue pour de l'air pris à
20°C. Certaines formes de roue permettent de dépasser légèrement des taux de 2,5.
La compression de chlore ou du forane 22, cas de gaz lourds, ne permet pas de dépasser 1,5 à 1,7 de
taux de compression par roue car la vitesse de rotation est limitée par la vitesse du son.
La compression de l'hydrogène est rendue difficile par la très faible masse molaire. Les roues les plus
rapides dans ce cas ne permettent guère de dépasser 1,1 de taux de compression par roue.
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Il s'accompagne :
– de vibrations des aubages des roues
– d'inversion de la poussée axiale du rotor
– de vibrations à très basse fréquence de l'ensemble du compresseur (grondements
sourds)
qui sont bien sûr extrêmement préjudiciables à la bonne tenue mécanique de la machine.
À chaque vitesse de rotation (en gardant constantes les conditions d'aspiration et la nature du gaz),
correspond une courbe caractéristique. La limite de pompage est alors représentée par la courbe de
pompage.
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