Principes fondamentaux de la compression : les compresseurs alternatifs évoluent pour répondre à l’utilisation croissante de l’air comprimé

Compresseur d'air duplex Rand Drill Company d'avant 1900.

Avec le remplacement des perforatrices à vapeur par des perforatrices pneumatiques plus performantes, les compresseurs d'air à piston ont connu une évolution rapide . Aux États-Unis, la Rand & Waring Drill and Compressor Company a commercialisé le premier compresseur d'air Rand destiné à alimenter les perforatrices en 1872. À peu près à la même époque, l'inventeur et homme d'affaires Simon Ingersoll a fondé l'Ingersoll Rock Drill Company, poursuivant la recherche et le développement de compresseurs d'air à piston et de perforatrices. Ces deux entreprises new-yorkaises ont développé des modèles de compresseurs nouveaux et plus grands, connaissant une expansion rapide et devenant les deux principaux fabricants de compresseurs d'air. Presque tous les compresseurs d'air de cette période étaient entraînés par des machines à vapeur. Cependant, outre les modèles à vapeur intégrée, les deux fabricants ont développé des modèles à courroie, comme le grand compresseur d'air duplex Rand d'avant 1900 (Fig. 1). Ces derniers ont tiré parti de l'utilisation croissante de l'énergie électrique, tant en courant continu qu'en courant alternatif, pour les entraînements de moteurs à partir des années 1890.

Dès les années 1890, Ingersoll-Sargeant et Rand Drill concevaient des compresseurs haute pression produisant 1 000 psig (69 bars) pour des applications initiales telles que les canons à air comprimé et les locomotives. Durant cette décennie, les deux entreprises fabriquaient des équipements pratiquement identiques pour les secteurs minier et de la construction, mais leurs zones de commercialisation différaient. Le chevauchement de leurs marchés a exacerbé la rivalité, et en 1905, elles ont fusionné pour former la célèbre société Ingersoll-Rand, qui allait dominer l'industrie des compresseurs d'air pendant une grande partie du siècle suivant.

Au milieu des années 1880, la Westinghouse Machine Company commença à fabriquer de petits compresseurs d'air pour l'industrie des freins pneumatiques ferroviaires. Elle produisait également de petits compresseurs d'air de démarrage pour ses moteurs à essence et à mazout , qui nécessitaient une pression d'air de 7 à 10 bars (100 à 150 psig) injectée dans les cylindres pour le démarrage. Au début des années 1890, Westinghouse fabriquait des compresseurs entraînés par des machines à vapeur, comme celui illustré à la figure 2, pour des applications industrielles.

Compresseur d'air à vapeur Westinghouse, vers 1890.

Avec l'avènement de l'ère industrielle, la compression de l'air trouva de nouvelles applications dans le domaine manufacturier. En 1888, Viktor Popp, un ingénieur autrichien, mit au point la première centrale électrique européenne fonctionnant à l'air comprimé, d'une puissance initiale de 2 000 ch (1 500 kW). Située à Paris, la centrale atteignit une puissance de 24 000 ch (18 000 kW) en 1891. Rapidement, d'autres inventeurs brevetèrent divers outils et accessoires fonctionnant à l'air comprimé. Paris devint le théâtre d'un débat passionné : l'air comprimé allait-il supplanter l'électricité comme technologie d'avenir ?

La Norwalk Iron Works , devenue par la suite la Norwalk Compressor Company , de Norwalk (Connecticut), a breveté un compresseur d'air mono-étagé à double effet en 1876, puis le premier compresseur d'air multi-étagé au monde en 1881. La figure 3 présente un des premiers compresseurs d'air bi-étagés de Norwalk, équipé d'un refroidisseur intermédiaire entre les cylindres. La tringlerie latérale actionnait mécaniquement les soupapes du compresseur, selon un principe similaire à celui utilisé pour les machines à vapeur de l'époque.

Les premiers compresseurs d'air étaient appelés « compresseurs à bain d'eau », car l'eau était en contact direct avec l'air pour le refroidir pendant la compression. L'eau était initialement introduite dans un flux avec l'air, puis injectée par pulvérisation. Cependant, la présence d'eau dans le cylindre d'un compresseur alternatif était extrêmement problématique, tant pour des raisons mécaniques que théoriques. Peu après l'invention par John Waring d'un cylindre à double enveloppe (voir l'édition du mois dernier), Norwalk abandonna également le système de contact direct et développa des cylindres et des culasses à double enveloppe pour le refroidissement de surface. Ils expérimentèrent même la circulation d'eau à travers une tige de piston creuse jusqu'au piston. Toutefois, le refroidissement du piston s'avéra difficile et fut rapidement abandonné.

Compresseur d'air à deux étages Early Norwalk.

Ces avancées, parmi d'autres, dans le domaine des compresseurs ont rapidement fait de Norwalk un chef de file de l'industrie, une entreprise si novatrice qu'elle a fait la une du Scientific American du 12 juin 1880. En 1885, la marine américaine a utilisé des compresseurs Norwalk pour tester un canon embarqué tirant des obus à l'air comprimé. Un catalogue de 1888 indiquait que les compresseurs Norwalk pouvaient produire des pressions de 5 000 psig (345 bars), ce qui était alors considéré comme la pression d'air la plus élevée jamais atteinte par une machine commerciale. Enfin, en 1891, une commission internationale réunie à Londres a décerné un prix de 1 000 dollars à Norwalk Iron Works pour le compresseur le plus performant au monde.

Compresseur d'air à vapeur Laidlaw-Dunn-Gordon classe BB, vers 1901.

À l'approche du XXe siècle, de nombreux fabricants de compresseurs d'air, grands et petits, firent leur apparition. La société Laidlaw-Dunn-Gordon, basée à Cincinnati et Hamilton (Ohio), commença à fabriquer des compresseurs d'air vers 1885. En 1899, Laidlaw-Dunn-Gordon fut intégrée à ce qui allait devenir la Worthington Pump & Machinery Company. La figure 4 représente un compresseur d'air à vapeur Laidlaw-Dunn-Gordon de classe BB, datant d'environ 1901. Ce compresseur avait une course de 254 mm (10 pouces), une puissance de 45 ch (34 kW) et une vitesse de 150 tr/min. Il était équipé de soupapes à champignon dans son cylindre de 254 mm (10 pouces). Laidlaw-Dunn-Gordon demeura un fabricant prolifique de compresseurs d'air, proposant de nombreuses machines de pointe, notamment de grands compresseurs tandem à double débattement de part et d'autre d'un volant d'inertie central. À titre d'exemple, le compresseur Cincinnati Classe 11 (vers 1904), illustré figure 5, était un compresseur duplex à vapeur, à deux étages, d'une course de 610 mm (24 pouces), d'une puissance de 345 ch (257 kW) et d'une vitesse de rotation de 125 tr/min. Il était équipé de cylindres pneumatiques de 813 mm (32 pouces) et 508 mm (20 pouces) de diamètre, d'une distribution Cincinnati et d'un refroidisseur intermédiaire intégré. Avant la Première Guerre mondiale, Laidlaw-Dunn-Gordon possédait la gamme de compresseurs d'air la plus étendue du marché.

Compresseur d'air à vapeur Laidlaw-Dunn Gordon Cincinnati Classe 11, vers 1904.

Profitant de l'utilisation croissante de l'air comprimé dans de nombreux secteurs industriels, la Gardner Governor Company, fabricant de régulateurs de vitesse pour machines à vapeur basé à Quincy, dans l'Illinois , produisait également des compresseurs d'air dès la fin du XIXe siècle. La figure 6 présente un exemple de compresseur d'air à vapeur Gardner des débuts, équipé du célèbre régulateur de vitesse Gardner. Au début du XXe siècle, la gamme de produits et le volume de production de Gardner connurent une croissance rapide, et l'entreprise fusionna avec la Denver Rock Drill Company dans les années 1920 pour devenir Gardner Denver.

Compresseur d'air à vapeur Gardner.

Le prochain numéro poursuivra l' évolution rapide des compresseurs d'air horizontaux qui ont soutenu la révolution industrielle .