En effet, lorsqu'une pression de service plus élevée est nécessaire, l'utilisation d'un compresseur à un seul étage s'avère non seulement inefficace, mais parfois même impossible. La compression à plusieurs étages permet au gaz d'atteindre progressivement la pression requise, grâce à une augmentation progressive de la pression par étapes.
Réduction de la consommation d'énergie
Grâce à la compression par étages, il est possible d'installer un refroidisseur intermédiaire entre les étages afin de refroidir le gaz après le premier étage de compression, ce qui permet de réduire sa température avant qu'il ne passe à l'étage suivant. Cette température plus basse facilite la poursuite de la compression, ce qui permet de réaliser des économies d'énergie par rapport à une compression en un seul étage. Plus le nombre d'étages est élevé, plus le processus se rapproche de la compression isotherme, et plus les économies d'énergie sont importantes.
Remarque : dans les compresseurs d'air à vis à injection d'huile, le processus de compression est déjà quasi isotherme. Si le refroidissement se poursuit au-delà du point de saturation, du condensat se forme. Si cette eau pénètre dans le séparateur d'huile, elle peut émulsionner l'huile de refroidissement, ce qui nuit à la lubrification. À mesure que la quantité de condensat augmente, le niveau d'huile s'élève, ce qui entraîne la pénétration d'huile dans le circuit d'air comprimé, ce qui peut causer de graves problèmes.
Pour éviter la formation de condensat, la température dans la chambre de compression doit rester supérieure au point de rosée. Par exemple, si la pression de refoulement est de 11 bars (A), le point de rosée est de 68 °C. Si la température de la chambre descend en dessous de 68 °C, de la condensation se formera, ce qui limitera l'application de la compression isotherme dans les compresseurs à injection d'huile.
Amélioration du rendement volumétrique
Pour des raisons liées à la fabrication, à l'installation et au fonctionnement, il existe toujours un volume libre dans le cylindre, ce qui réduit le volume effectif de celui-ci. Le gaz sous haute pression qui subsiste dans ce volume libre doit se détendre jusqu'à la pression d'admission avant que de l'air frais puisse y pénétrer, ce qui réduit encore davantage le rendement du cylindre.
Plus le rapport de pression est élevé, plus le gaz résiduel se dilate, ce qui réduit le volume effectif du cylindre. Dans les cas extrêmes, il peut arriver que le cylindre n'aspire plus d'air du tout. En recourant à une compression par étages avec des rapports de pression plus faibles à chaque étage, le gaz résiduel n'a besoin que d'une légère dilatation pour atteindre la pression d'admission, ce qui améliore le rendement du cylindre.
Réduction de la température des gaz d'échappement
À mesure que le rapport de pression augmente, la température des gaz d'échappement augmente également. Des températures élevées des gaz d'échappement peuvent entraîner des problèmes tels qu'une baisse de la viscosité du lubrifiant, une usure accrue et une accumulation de dépôts de carbone, pouvant conduire à des explosions. La compression par paliers permet de réduire la température des gaz d'échappement, garantissant ainsi un fonctionnement plus sûr.
Remarque : la compression par étages réduit la température des gaz d'échappement et rapproche le processus d'une compression isotherme, ce qui améliore le rendement. Cependant, pour les compresseurs à vis à injection d’huile dont la pression de refoulement est inférieure à 13 bars, l’huile de refroidissement maintient déjà le processus proche de la compression isotherme. L’ajout d’étages supplémentaires augmenterait la complexité, le coût et les pertes d’énergie en raison d’une résistance accrue au flux d’air, ce qui réduirait le rendement.
Réduction de la force exercée par le gaz sur la tige de piston
Dans les compresseurs à piston, lorsqu'on utilise un taux de compression élevé avec un seul étage, le grand diamètre du cylindre génère des forces gazeuses importantes sur le piston. Le recours à une compression à plusieurs étages permet de réduire ces forces, ce qui se traduit par une conception plus légère et un meilleur rendement mécanique.
Cependant, la compression à plusieurs étages n'est pas toujours la meilleure solution. Un nombre accru d'étages augmente la complexité, la taille, le poids et le coût du compresseur, et entraîne davantage de frottements ainsi qu'un risque accru de défaillances mécaniques. Il est donc important de trouver le juste équilibre pour obtenir des performances optimales.