Auteur : Manouane Dubois, relecture Laurent Georges

Mise en page – Sylvie (08.2010)

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Les compresseurs volumétriques à pistons

Dans les compresseurs volumétriques à pistons, les vapeurs de fluide frigorigène sont comprimées à l’aide du mouvement alternatif de pistons dans des cylindres. Ces derniers sont pourvus de clapets d’aspiration et de refoulement. En plus de ces éléments, le compresseur se compose :

  • d’un excentrique, qui sert à transformer un mouvement circulaire en un mouvement rectiligne alternatif,
  • d’un carter, qui contient le moteur d’entraînement électrique et qui forme la réserve d’huile de graissage (car le compresseur a besoin d’être constamment lubrifié),
  • d’une pompe à huile, qui assure la distribution de l’huile aux paliers et bielles.

Quelques remarques sur les compresseurs à pistons :

  • Les gaz aspirés pénètrent dans le compresseur généralement à la partie haute du moteur électrique, évitant ainsi l’introduction de liquide frigorigène dans les cylindres en cas de fonctionnement anormal de l’installation. Le refoulement est effectué au travers d’une tuyauterie souple brasée à l’enveloppe.
  • Le compresseur à piston est très sensible à l’arrivée de fluide liquide : si quelques gouttes de liquide pénètrent au niveau des soupapes, elles en provoquent une usure lente. Si du fluide liquide pénètre en grande quantité, la destruction des clapets est immédiate. Il faut donc des protections anti-coups de liquide (ressort puissant sur le chapeau de cylindre, capable de se soulever en cas d’arrivée de liquide). Le carter joue aussi en quelque sorte un rôle analogue à celui d’une bouteille anti-coup de liquide, mais sa capacité est très limitée en volume et le rôle protecteur ne sera réel que pour de faibles admissions de liquide à l’aspiration.
  • Le fluide frigorigène et bien sûr l’huile de lubrification doivent être compatibles avec les matériaux qui composent le moteur.
  • La vitesse de rotation du moteur d’entraînement est de 3000 tours/min la plupart du temps, pour des raisons d’encombrement et de coût de fabrication. Certaines rares séries sont cependant encore réalisées avec des moteurs dont la vitesse de rotation est de 1500 tours/min.
  • Le moteur électrique est alimenté par des fils reliés à des bornes étanches.

Les compresseurs volumétriques à pistons sont de trois types :

  • hermétique  : le moteur et le compresseur sont situés à l’intérieur d’une cloche et ne sont pas accessibles. Ils sont généralement supportés par des ressorts pour éviter la transmission des vibrations. Le nombre de cylindres varie entre 1 et 4 suivant la puissance désirée (un seul cylindre entre 0 et 2 kW, 2 cylindres entre 2 et 5,5 kW et 4 cylindres entre 5,5 et 15 kW).

  • semi-hermétique : le moteur est accolé au compresseur et certaines parties du compresseur peuvent être démontées pour une réparation ou un entretien. Une des extrémités de l’arbre du vilebrequin porte le rotor du moteur qui entraîne le compresseur. Le moteur est refroidi en grande partie par le fluide frigorigène aspiré par le compresseur, mais aussi parfois par un ventilateur ou un serpentin d’eau enroulé autour du moteur. Le nombre de cylindres varie entre 1 et 16 et ils sont disposés en ligne, en V, en W ou en étoile. La puissance est réglée par mise hors service de certains cylindres ou par changement de régime du moteur d’entraînement.

  • ouvert : le compresseur est accouplé au moteur soit simplement en bout d’arbre par un manchon d’accouplement, ou bien à l’aide de poulies et courroies. Le nombre de cylindres varie entre 1 et 16 et ils peuvent être disposés en ligne, en V, en W ou en étoile. La vitesse de rotation est ajustable par exemple en changeant la poulie du moteur, en arrêtant certains cylindres ou en changeant le régime de fonctionnement du moteur.

Le compresseur volumétrique hermétique spiro-orbital (Scroll)

Un compresseur Scroll comprime un gaz en continu en faisant tourner une partie mobile en forme de spirale autour d’une autre spirale fixe identique à la première. Ces deux spirales sont déphasées de 180°. Elles forment plusieurs volumes qui se créent à l’aspiration, se réduisent progressivement au fur et à mesure du déplacement orbital de la spirale mobile pour déboucher vers l’orifice de refoulement central.

   

Le type de compresseur ne nécessite pas de clapets d’aspiration et de refoulement, mais un clapet existe cependant afin d’éviter l’équilibrage des pressions haute et basse au moment de l’arrêt et la rotation en sens inverse de la spirale mobile.
Le moteur d’entraînement est situé à l’intérieur du carter. L’huile de lubrification se trouve en fond de carter et est envoyée par pompage vers les pièces mobiles.
Les compresseurs Scroll encaissent facilement les coups de liquide à l’aspiration par désolidarisation radiale des deux spirales. Ceci est un avantage important pour les systèmes à inversion de cycle.
Pour les applications en pompe à chaleur à haute température, il est possible d’effectuer une injection de liquide intermédiaire au milieu des spirales dans le but d’abaisser la température de refoulement et d’augmenter la puissance et le COP.
Diverses méthodes de régulation de vitesse sont possibles :

  • Régulation « tout ou rien ».
  • Régulation par moteur à 2 vitesses.
  • Régulation par variateur de vitesse
Attention : en cas de rotation en sens contraire, il n’y a pas de compression et un bruit insolite avertit le technicien !

Le compresseur volumétrique à vis

Ces compresseurs peuvent comporter une ou deux vis et être du type semi-hermétique ou ouvert.

Compresseur à vis mono-rotor.

Le compresseur à vis bi-rotor est constitué de deux rotors à dentures hélicoïdales (un rotor mâle et un rotor femelle) tournants à grande vitesse. Le rotor mâle est entraîné par le moteur et entraîne à sa suite le rotor femelle.

Les deux rotors à dentures hélicoïdales d’un compresseur à vis.

Le volume du gaz frigorigène est réduit progressivement par la rotation qui provoque l’insertion des lobes du rotor mâle dans le rotor femelle. Quatre phases se succèdent lors de la compression du gaz frigorigène :

  • L’aspiration.
  • Le transfert : les dentures emprisonnent le gaz aspiré.
  • La compression : le gaz diminue de volume à cause de la rotation des dentures et est ainsi comprimé.
  • Le refoulement : le gaz s’échappe par l’orifice de refoulement lorsqu’il est découvert pendant la rotation.

Les variations de puissance s’obtiennent dans les grosses machines par l’action d’un « tiroir » qui décide de l’utilisation d’une plus ou moins grande longueur de vis dans la compression des gaz, et donc induit un plus ou moins grand taux de compression. Dans les petites machines (toujours très grandes comparées à des compresseurs à pistons), la modulation de puissance s’obtient par variation de la vitesse de rotation ou par utilisation de ports d’aspiration auxiliaires, soit par les deux.
Le compresseur à vis doit être abondamment lubrifié pour assurer l’étanchéité entre les pièces en mouvement et pour réduire le niveau sonore, mais aussi pour refroidir le fluide frigorigène. On peut alors atteindre des taux de compression élevés (jusqu’à 20) sans altérer le fluide frigorigène. Le circuit de graissage comprend un déshuileur, un réservoir d’huile, un refroidisseur d’huile et une pompe à huile.
Quelques caractéristiques des compresseurs à vis ouverts :

  • La garniture d’étanchéité au passage de l’arbre est indispensable.
  • Quelquefois (pour les plus gros compresseurs), les moteurs sont pourvus d’un refroidissement hydraulique permettant de récupérer également de la chaleur sur le circuit d’eau.

Dans la version semi-hermétique, le moteur électrique est accouplé directement sur l’arbre du rotor mâle, côté flasque de refoulement, et fait corps avec le compresseur. Le refroidissement du moteur est obtenu directement par les gaz de refoulement qui le traversent en totalité avant de pénétrer dans le séparateur d’huile.

> Pour connaître les avantages/inconvénients des compresseurs à vis, cliquer ici !

Le compresseur volumétrique rotatif

On rencontre deux technologies :

  • le compresseur rotatif à piston roulant,
  • le compresseur rotatif à palettes.

Compresseur rotatif à piston roulant et compresseur rotatif à palettes.

Dans les deux cas, un stator cylindrique renferme un rotor excentré par rapport à l’axe du stator. Un volume en forme de croissant est piégé. Du fluide frigorigène y est introduit (aspiration) et la rotation du rotor va comprimer cet espace jusqu’à atteindre la pression souhaitée (refoulement).
Les puissances frigorifiques atteignent 10 kW. Ils sont essentiellement utilisés pour les climatiseurs individuels et les petits refroidisseurs de liquide.

Le compresseur centrifuge

Les appareils centrifuges utilisés en pompes à chaleur dérivent des groupes centrifuges de production d’eau glacée. Ce sont tous des appareils du type eau/eau. Ils ne diffèrent des groupes à eau glacée que par leur régulation.
Les compresseurs centrifuges sont munis de roues qui tournent à grande vitesse, elles-mêmes pourvues d’aubages. L’entraînement est réalisé par un moteur électrique en version semi-hermétique ou par un autre type de moteur en version ouverte. L’énergie cinétique centrifuge est transformée en énergie de pression dans les roues et les aubages et cela comprime le gaz frigorigène. La première roue est précédée d’aubages de prérotation en acier inoxydable qui permettent de :

  • réguler la machine pour que la production calorifique corresponde aux besoins réels ;
  • donner aux gaz arrivant sur les aubes de la roue un angle d’attaque favorable ;
  • assurer un étranglement à l’aspiration.
Le corps du compresseur est réalisé soit en fonte spéciale étanche, soit en acier soudé, soit en alliage léger. Il comprend la buse d’aspiration convergente, les diffuseurs radiaux placés à la périphérie des roues, ainsi que le multiplicateur de vitesse éventuel. Les roues du rotor sont munies d’ailettes (en acier soudé ou en alliage léger coulé et usiné) qui sont couchées vers l’arrière. L’arbre du rotor est réalisé en fer forgé, il comporte sur son extrémité sortante une garniture d’étanchéité (cas uniquement du compresseur centrifuge type ouvert) et des paliers lisses.

Les organes à graisser sont les paliers, la butée et éventuellement le multiplicateur et la garniture d’étanchéité. Le dispositif de graissage se compose d’une pompe à engrenages ou à palettes, d’un réchauffeur électrique et d’un échangeur refroidisseur huile/eau. Il comporte aussi un dispositif de compensation de la poussée axiale.

Les variations de puissance s’obtiennent par réglage des vantelles à l’ouïe d’aspiration de la turbine. À faible charge, ils sont cependant plus délicats que les compresseurs à pistons. En effet, par faible débit, un phénomène de pompage apparaît : le débit oscille entre un débit nul et débit maximal, l’écoulement devient pulsatoire et engendre des vibrations qui peuvent endommager le compresseur. Les frais de réparation sont élevés. Les constructeurs prévoient généralement une mesure de sauvegarde de l’appareil par injection de gaz chauds. Ce n’est certainement pas une technique énergétiquement intéressante puisque la puissance absorbée reste constante. On évitera donc le surdimensionnement des équipements.