Compresseurs frigorifiques [Climatisation]

Compresseurs à pistons, construction ouverte

Dans ce groupe de compresseurs, le moteur et le compresseur ne sont pas dans le même logement. L’arbre d’entraînement (vilebrequin) émerge du carter du compresseur. On peut y raccorder un moteur électrique, diesel ou à gaz. L’association se fait soit par un manchon d’accouplement, soit par une courroie.

L’accès à tous les éléments du compresseur est possible.

La puissance est réglée par mise à l’arrêt de certains cylindres ou par changement de régime du moteur d’entraînement.

On utilise les compresseurs de construction ouverte dans les installations d’une puissance de réfrigération jusqu’à 500 kW.

Compresseurs à pistons, construction semi-hermétique
( ou “hermétique accessible”)

Compresseur et moteur d’entraînement sont logés dans un carter commun. L’entraînement est habituellement assuré par un moteur électrique. Il est généralement refroidi par les gaz froids du réfrigérant (gaz aspirés), quelquefois par un ventilateur ou un serpentin d’eau enroulé sur le bâti du moteur.

Pour des réparations, on peut accéder à chaque partie de la machine et même séparer le compresseur du moteur (plaques boulonnées sur le bâti, avec présence de joints intercalaires).

La puissance est réglée par mise hors service de certains cylindres ou par changement de régime du moteur d’entraînement.

On utilise des compresseurs de construction semi-hermétiques dans des installations jusqu’à 100 kW ou, en recourant à plusieurs compresseurs, jusqu’à 400 kW environ.

Compresseurs hermétiques à pistons

Compresseur et moteur électrique sont logés dans une enveloppe soudée. Ils sont généralement supportés par des ressorts pour éviter la transmission des vibrations. Le joint tournant disparaît et avec lui le risque de fuite.

Mais des contraintes nouvelles apparaissent :

• Le fluide frigorigène et bien sûr l’huile de lubrification doivent être compatibles avec les matériaux qui composent le moteur.

• Le refroidissement du moteur est réalisé par le fluide frigorigène lui-même, or cet échauffement est préjudiciable au cycle frigorifique puisque la température à l’aspiration du compresseur augmente et donc plus élevé au refoulement. De plus, lorsque si le moteur vient à griller, c’est l’ensemble du circuit frigorifique qui sera pollué : un nettoyage complet du circuit doit être réalisé si l’on veut éviter de nouveaux ennuis. En cas de problèmes, les réparations sont exclues… Dès lors, un organe de sécurité contre la surchauffe (Klixon) est incorporé. Grâce à cette sécurité thermique, montée dans les enroulements du moteur ou sur ces derniers, l’alimentation électrique sera coupée lors d’une surchauffe du moteur. Dans ce cas aussi, le moteur est refroidi par les gaz aspirés.

En principe, la puissance de réfrigération ne peut pas être réglée, sauf par variation de fréquence du courant d’alimentation.

On installe des compresseurs hermétiques à pistons dans de petits appareils (réfrigérateurs, climatiseurs compacts) ou dans des installations d’une puissance jusqu’à 30 kW environ.

Caractéristiques générales

Le compresseur à pistons a besoin d’être lubrifié en permanence. La partie inférieure du carter forme réserve d’huile. La pression régnant dans le carter est la pression d’aspiration. La pompe à huile délivre une pression supérieure de 0.5 à 4 bars à la pression régnant dans le carter.

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. De là, les protections anti-coups de liquide adoptées (ressort puissant sur le chapeau de cylindre, capable de se soulever en cas d’arrivée de liquide).

“L’espace mort” est le volume qui reste entre le piston et le fond du cylindre, lorsque le piston est en position haute maximale. Cet espace est nécessaire pour éviter les chocs lorsque le piston est en bout de course. Il représente 3 à 4 % du volume du cylindre. Il faut le réduire au maximum afin d’augmenter le rendement volumétrique du compresseur.

• Type : machine ouverte ou fermée.
• Plage de réglage : de 10 à 100 % avec un rendement assez constant.
• Fonctionnement : le fluide frigorigène gazeux est comprimé par une vis hélicoïdale (un peu comme dans un hache-viande) tournant à grande vitesse. Le compresseur est entraîné par un moteur électrique.

On rencontre des compresseurs à vis selon deux technologies : les bi-rotors (type SRM) et les mono-rotors (type ZIMMERN).

Le rendement volumétrique d’un compresseur à vis est bon grâce à l’absence d’espaces morts, comme dans les compresseurs à pistons. Cette propriété permet d’assurer des taux de compression élevés avec un bon rendement volumétrique.

Les compresseurs à vis modernes ont des rotors à profils asymétriques, ce qui est préférable au niveau énergétique.

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 piston, 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.

Les avantages du compresseur à vis sont sa faible usure et son réglage facile. Il est toutefois encore coûteux.

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.

Depuis peu, on utilise le compresseur à vis pour des puissances de réfrigération à partir de 20 kW environ.

• Type : machine ouverte ou fermée.
• Plage d’utilisation : les très grosses puissances, au-delà de 1 000 kW. Réservé aux grands centres industriels et commerciaux.
• Fonctionnement : une turbine à régime élevé comprime le gaz de réfrigération en transformant l’énergie cinétique centrifuge en pression statique. L’entraînement est assuré par un moteur électrique.

Les circuits de fluide frigorigène et d’huile sont bien séparés. Le fluide reste pur et on ne rencontre pas le problème de l’huile piégée dans l’évaporateur.

Le taux de compression engendré par un compresseur centrifuge à une roue est faible. Aussi, on le rencontre fréquemment en multi-étagé (2 ou 3 étages).

Les turbocompresseurs utilisés en climatisation sont montés et réglés en usine. Ils sont ensuite greffés sur un groupe de production d’eau glacée.

• Régulation : on peut facilement adapter la puissance des turbocompresseurs par prérotation du fluide frigorigène à l’entrée de la roue.
• Plage de réglage : de 100 à 30 % de la puissance nominale.

Les variations de puissance s’obtiennent par réglage des vantelles à l’ouïe d’aspiration de la turbine.

A 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.

Dans la famille des compresseurs centrifuges, on classe le compresseur turbocor. Du point de vue énergétique, il est apprécié pour son COP élevé à charge partielle, pouvant s’élever à 10 entre 20 % et 60 % de charge.

Pour atteindre ce COP, le compresseur turbocor s’est doté de différentes technologies :

• Des paliers magnétiques qui maintiennent en lévitation le rotor du compresseur évitant ainsi les frottements et la lubrification (avec son système de refroidissement).
• Une gestion électronique des paliers magnétiques.
• Un moteur synchrone à aimant permanent (moteur brushless).
• Une régulation à vitesse variable, Inverter.

Bien qu’il travaille à plus faible débit, le turbocor génère moins de bruit  (envrion -10db) et présente un encombrement plus faible que les compresseurs à vis.