air comprimé

Air puisé dans une certaine ambiance, à une certaine pression (en général dans l’atmosphère, à la pression barométrique), et porté à une pression supérieure au moyen d’un appareil appelé compresseur.

Introduction

L’air comprimé peut être emmagasiné dans des réservoirs résistants et étanches, en vue d’un emploi ultérieur, ou être utilisé en concomitance avec la production, soit pour le transport de force motrice, soit pour l’insufflation d’air à des fins diverses : dans ce dernier cas, l’ensemble compresseur et dispositif de soufflage est lié indissolublement et porte le nom de soufflerie.

La compression de l’air peut être isotherme (réalisée à température constante, par élimination de la chaleur produite au moyen d’eau réfrigérée), adiabatique (réalisée sans échange de chaleur avec l’extérieur) ou polytropique (réalisée avec échange partiel de chaleur avec l’extérieur).

En désignant par p la pression, par V le volume de l’air à cette pression, par le rapport des chaleurs spécifiques de l’air respectivement à pression constante et à volume constant, les relations de base des calculs sont :
pV = C^te pour la compression isotherme,
pV^Υ = C^te pour la compression adiabatique
pVⁿ = C^te pour la compression polytropique

En compression isotherme, le travail du compresseur est moindre, la température ne s’élevant pas durant la compression : c’est donc le type de compression le plus avantageux. Pratiquement, on ne peut pas réaliser intégralement la compression isotherme, en raison des inerties dans les échanges. Elle est toujours légèrement polytropique (pVⁿ = C^te avec 1 < n < 1,4 ; n = 1,1 ou 1,2 par exemple). Aussi, dans l’industrie, l’énergie dépensée est-elle toujours supérieure à l’énergie théoriquement nécessaire pour la compression isotherme en raison des particularités des appareils de compression. Dans la compression par piston par exemple, il existe toujours un espace mort, ou espace nuisible, dans le cylindre : le volume d’air aspiré à la température t₀ et à la pression p₀, rapporté au volume de la cylindrée, est inférieur à 1 : c’est le coefficient de remplissage ; d’où un rendement ρ inférieur à 1.

Production

Les appareils de production sont de plusieurs types très distincts ; chacun a des possibilités ou des avantages particuliers selon la pression produite, le débit obtenu, la constance ou la progressivité de ces deux caractéristiques, l’encombrement de l’appareil, l’économie de fonctionnement, d’entretien ou de main-d’œuvre et surtout l’emploi auquel il est destiné.

Dans une soufflerie, le travail total indispensable au fonctionnement comprend le travail de compression, le travail de refoulement et le travail de frottement nécessaire pour vaincre les obstacles à l’avancement suivant une vitesse déterminée.

Soufflerie à roue

Soufflerie centrifuge. Un ventilateur est une soufflerie centrifuge, produisant de faibles compressions de quelques millimètres de hauteur d’eau jusqu’à 500 mm (0,05 bar). Il peut aspirer ou souffler : il aspire quand l’échappement se fait dans l’atmosphère et il refoule quand, au contraire, il aspire dans l’atmosphère. La pression, mesurée en hauteur d’eau, est obtenue par différence entre la pression à l’aval et la pression à l’amont du ventilateur. Le ventilateur (ou roue) centrifuge, avec son diffuseur, qui transforme en pression la vitesse de l’air, à la sortie des aubes, par un ralentissement dû à l’évasement progressif de l’appareil, est établi sur le même principe que la pompe centrifuge pour liquides.

Soufflerie à hélice (ou ventilateur à hélice). Pour un même débit, les dimensions d’une soufflerie à hélice sont plus réduites que celles d’une soufflerie centrifuge ; elle est donc plus économique et moins encombrante. On l’utilise de préférence pour mobiliser des quantités d’air très élevées sous de faibles pressions : chauffage, aération des locaux, climatisation, dépoussiérage, séchage, réfrigération. Les ailettes sont droites et, plus souvent, de la forme des hélices de bateaux. Elles sont assez bruyantes, mais leur rendement peut atteindre 80 p. 100.

Le diamètre extérieur de la roue est donné par la formule dans laquelle Q est la quantité d’air mise en mouvement, exprimée en m³/s, et v₀ la vitesse d’entrée de l’air, qui varie entre 8 et 10 m/s.

Turbocompresseur et soufflerie à turbine

Un turbocompresseur est un ensemble constitué par une turbine accouplée à un compresseur centrifuge à haute pression. On les utilise pour les transmissions de force motrice, avec des pressions de 6 à 12 bars. Les souffleries à turbine transportent jusqu’à 100 000 m³/h, à des pressions variant de 0,3 à 3 bars selon la nature de l’utilisation : de 0,3 à 0,75 bar pour les hauts fourneaux, et jusqu’à 3 bars pour les aciéries, les fabriques de produits chimiques, les cokeries.

Compresseur à piston

Le compresseur à piston est, économiquement, le plus avantageux. Son encombrement est assez faible et ses fondations exigent des massifs moins onéreux ; mais la constance du courant d’air qu’il entretient est un peu moins grande que celle des souffleries à turbine. Il est utilisé soit comme soufflerie de haut fourneau, avec un débit pouvant atteindre 2 000 m³/mn sous une pression de 0.3 à 0,75 bar, soit comme soufflerie d’aciérie pour les convertisseurs Bessemer ou Thomas, avec un débit de 500 m³/mn sous une pression de 2 bars. Il sert également pour la transmission de force motrice, avec des pressions de 5 à 8 bars et des volumes d’air aspiré de 350 m³/mn. Enfin, on l’emploie avec des pressions extrêmement élevées, jusqu’à 70 et 80 bars, pour le remplissage des réservoirs d’air comprimé et pour le chargement des torpilles marines. On atteint 150 bars dans les locomotives de mines.

Soufflerie rotative

Elle diffère de la soufflerie centrifuge par sa vitesse de rotation, qui est plus faible. On l’utilise pour le transport d’air à pression peu élevée dans les convertisseurs, les cubilots, le décapage au jet de sable, les feux de forge, etc. Son débit peut atteindre 300 m³/mn et le nombre de tours varie de 250 à 300 tr/mn.