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Auteur : les anciens

Eté 2008 : Brieuc.

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La régulation « tout ou rien » par marche / arrêt du compresseur

Appliquons le principe d’une régulation par « tout ou rien » à une machine frigorifique.

  • Le thermostat d’ambiance agit directement sur l’alimentation du compresseur. En général, il agit en parallèle sur l’électrovanne placée sur la ligne liquide.
  • Les pressostats de sécurité (pressostats HP et BP) peuvent également agir sur le compresseur et sur l’électrovanne de la ligne liquide, mais en cas de fonctionnement anormal cette fois.

C’est de cette manière, simple et fiable, que sont régulées les armoires de climatisation, les groupes de production d’eau glacée, …
Pour les machines plus puissantes, il y aurait un risque trop élevé d’échauffement des bobinages du moteur.

La régulation « tout ou rien » par vidange de l’évaporateur (ou « pumpdown »)

Le principe consiste à arrêter le fonctionnement du compresseur par le pressostat BP, suivant la cascade d’événements suivants :

  • supposons que le niveau de froid soit atteint dans l’ambiance : le thermostat coupe l’alimentation de l’électrovanne sur la ligne liquide,
  • le fluide frigorifique ne peut plus alimenter l’évaporateur,
  • le peu de fluide qui s’y trouve encore s’évapore,
  • comme le compresseur continue d’aspirer les vapeurs, la pression chute,
  • le pressostat BP détecte l’insuffisance de pression et arrête le compresseur.

La remise en marche suit la même logique :

  • la sonde d’ambiance informe le thermostat d’une remontée en température,
  • le thermostat alimente l’électrovanne qui s’ouvre,
  • le fluide frigorigène envahit l’évaporateur,
  • la pression remonte,
  • le compresseur se remet en marche sous l’impulsion du pressostat BP et le cycle continue.

Remarques.

  1. On constate cette fois que deux pressostats BP seront nécessaires : un pressostat BP d’arrêt ou de mise en marche du compresseur et un pressostat de sécurité qui intervient en cas de fonctionnement anormal.
  2. Suivant les schémas électriques :
    • soit le pressostat n’autorise le redémarrage que s’il y a demande de froid (mise en série des interrupteurs),
    • soit le pressostat enclenche le compresseur même s’il n’y a pas de demande de froid, ce qui est à éviter car cela entraîne des démarrages trop fréquents.

L’avantage de ce type de régulation est qu’il va vider l’évaporateur et le circuit basse pression de la majorité du fluide frigorifique. Or celui-ci risquait de se condenser à l’arrêt du groupe, de former des gouttes de liquide, gouttes dangereuses au redémarrage (coups de liquide au compresseur).

De plus, cette technique abaisse la pression du carter du compresseur. Le fluide frigorifique dissous dans l’huile, s’évapore en bonne partie grâce à cette basse pression. Et lors du redémarrage, l’émulsion de l’huile sera plus faible. Ceci ne permet pas de couper le chauffage de l’huile du carter pour autant.

  1. Ce type de régulation est couramment utilisé, particulièrement lorsqu’il est nécessaire de vider l’évaporateur du fluide frigorifique avant l’arrêt.

On le rencontre dans les groupes frigorifiques dont l’évaporateur travaille à « détente directe » (batterie de caissons de traitement d’air), dans les groupes de production d’eau glacée, …

La régulation « progressive » de la pression d’évaporation

Comment adapter la puissance frigorifique à la charge réelle de l’ambiance ? La régulation par « tout ou rien » entraîne un nombre élevé d’enclenchements et de déclenchements du compresseur, et une fluctuation de la température intérieure peu confortable.
On cherche dès lors une adaptation plus progressive de la puissance frigorifique aux besoins des locaux.

Le régulateur de pression d’évaporation

Imaginons une charge assez faible. Le compresseur va aspirer les vapeurs mais celles-ci sont peu importantes. La pression à l’aspiration va diminuer, entraînant une diminution de température d’évaporation, et même un risque de gel de l’évaporateur.
On introduit alors un régulateur de pression entre l’évaporateur et le compresseur, un robinet qui va laminer les vapeurs de fluide frigorigène et créer une perte de charge : la pression dans l’évaporateur restera constante mais la pression côté compresseur va baisser fortement.
On parle d’ailleurs d’un « robinet à pression constante. Il assure le « laminage des vapeurs aspirées ».

La puissance frigorifique va diminuer, mais les températures à la sortie du compresseur vont s’élever (parfois jusqu’à 100°C).
Bien sûr, si la charge augmente, la vanne s’ouvre et le débit de fluide augmente. A charge thermique maximale, le robinet est totalement ouvert.
Le régulateur de pression d’évaporation prévient contre le risque de gel de l’évaporateur, en supprimant le risque d’avoir une pression si basse que l’évaporateur ne prenne en glace.
Mais le rendement énergétique de la machine s’en trouve dégradé… Et pourtant ce type de régulation est fréquemment employé, lorsque la réduction de puissance n’excède pas 40 à 50 %.

La régulation par « étages »

Comme pour les cascades de chaudières, le principe consiste à découper la tâche par palier !
La puissance frigorifique totale est éclatée en plusieurs machines en parallèle qui s’épauleront en fonction de la puissance à atteindre.
Différentes configurations sont possibles.
> un évaporateur et plusieurs compresseurs : il est alors fréquent que l’évaporateur soit lui aussi décomposé en plusieurs circuits. Il est nécessaire d’égaliser les niveaux d’huile dans les carters, à partir une tuyauterie de connexion.

On rencontre parfois le fait que les deux moto-compresseurs sont enfermés dans le même carter.
> deux machines frigorifiques distinctes en parallèle : il faut alors qu’un fluide caloporteur fasse la liaison entre les évaporateurs. C’est par exemple le cas du réseau d’eau glacée d’une installation de climatisation importante.

Ce système est recommandé, tout particulièrement lorsque les variations de charge sont importantes. Le montage est simple et fiable puisque les machines restent indépendantes. De plus, il permet une variation progressive de la puissance énergétiquement favorable (aucune machine n’est dégradée dans son fonctionnement).
Bien sûr, le coût d’investissement est plus élevé que si l’on utilisait une seule grosse machine.

La régulation de la vitesse de rotation ou « inverter »

Le contrôle traditionnel par mode MARCHE/ARRET entraîne des fluctuations inconfortables de la température à l’évaporateur et des mauvaises conditions de rendement du compresseur.

Les compresseurs dont on fait varier la vitesse vont comprimer un volume de fluide variable et ainsi adapter leur puissance frigorifique à la charge thermique du local. Quand l’écart mesuré entre le point de consigne et la température du local augmente, le système de régulation agit sur la vitesse de rotation du compresseur qui voit sa puissance frigorifique augmenter. Ce mode de régulation est appelé « INVERTER ». Il permet une variation de vitesse du compresseur sans pertes importantes de rendement.

Notons que le démarrage du compresseur se fait toujours à basse vitesse, contrairement au fonctionnement MARCHE/ARRET. La pointe de courant nécessaire au démarrage est ainsi fortement réduite.
La technologie INVERTER de plus en plus utilisée dans les machines frigorifiques ainsi que dans les pompes à chaleur car elle engendre des économies importantes à charge partielle.
Dans ce but, la technique traditionnelle du compresseur alternatif (piston et vilebrequin), d’une fiabilité légendaire, est progressivement remplacée par :
> le compresseur rotatif :

  • rendement similaire,
  • niveau sonore moindre,
  • fonctionnement à vitesse variable.

> le compresseur scroll :

  • rendement plus élevé,
  • niveau sonore encore plus faible,
  • fonctionnement à vitesse variable.
Dans certains cas, compresseurs à vis travaillant souvent à faibles charges se voit remplacé par des compresseurs Turbocor (dont le COP est proche de 10 entre 20 % et 60 %).

La mise hors service de cylindres

Le réglage de la puissance frigorifique peut se faire par la mise hors service d’un ou de plusieurs cylindres de compresseurs à pistons. Pour supprimer l’action d’un piston, il suffit de maintenir ouvert en permanence la soupape d’aspiration. C’est une méthode très répandue.
Un tel système est simple et fiable, moyennement efficace sur le plan énergétique. Les cylindres tournant à vide ont pour conséquence que, pour une puissance de réfrigération de 50 % par exemple, la machine absorbe encore environ 65 % de la puissance d’entraînement.
Avantage : pour éviter les pointes de courant de démarrage, il est possible de démarrer à vide le compresseur.
Par contre, la variation de la puissance n’est pas continue (sauts de puissance). Et, autre inconvénient, l’usure de la machine est pratiquement identique à vide ou en charge.

L’obturation de l’orifice d’aspiration

Dans les compresseurs à piston, un obturateur commandé par une électrovanne bouche l’entrée d’un ou de plusieurs cylindres, réduisant ainsi le débit et donc la puissance de la machine frigorifique.
Ce système provoque un échauffement du compresseur, ce qui n’est énergétiquement pas favorable, et entraîne le besoin de laisser au moins un ou deux cylindres sans obturateur.

La régulation par injection des gaz chauds

Le principe consiste à reboucler les gaz chauds sortis du compresseur vers l’entrée de l’évaporateur, juste après le détendeur. Un régulateur de capacité (ou de puissance) maintient la pression d’évaporation à la grandeur préréglée. Tandis que le détendeur régule toujours la surchauffe à la sortie de l’évaporateur, donc la température des vapeurs en sortie de l’évaporateur reste constante.
Tout ceci permet de rendre constant le débit de frigorigène qui traverse l’évaporateur.

Lorsque la charge thermique diminue (= lorsque le besoin de refroidir les locaux est faible), le régulateur de capacité s’ouvre (il maintient la pression en injectant du fluide frigorigène) et des vapeurs, chaudes mais détendues, constituent une charge thermique complémentaire de l’évaporateur. (Voir aussi « fonctionnement global de la machine frigorifique« ).
De même, dans les compresseurs centrifuges, une tuyauterie relie le condenseur à l’évaporateur, par la partie des échangeurs où le fluide frigorigène est à l’état vapeur. Un robinet solénoïde placé sur cette tuyauterie isole normalement les deux appareils (commande manuelle ou automatique).
Bien sûr, avec un tel système, la puissance de l’évaporateur peut varier pratiquement de 0 à 100 % !
Mais ce fonctionnement est pervers : si le besoin de froid diminue, et que le compresseur pourrait « être mis au chômage », on réinjecte de la chaleur pour donner du travail au compresseur !!!
Comparaison : imaginons une pompe qui vide un réservoir « bas » vers un réservoir « haut ». De peur du risque qu’elle se désamorce si elle n’a plus assez d’eau à pomper, on lui réinjecte de l’eau venant du réservoir « haut ». Ainsi elle peut continuer à fonctionner sans problème !
Il faut qualifier cette technique de « pur anéantissement d’énergie ». En effet, la puissance absorbée reste la même lorsque la puissance de réfrigération diminue. De plus, elle provoque un échauffement du moteur. Elle se rencontre assez souvent car elle met en œuvre un matériel peu coûteux. Dans la mesure du possible, il faut mettre ce système hors service dans les installations existantes.

La régulation « par tiroir » des compresseurs à vis

Les compresseurs à vis sont munis d’un dispositif qui rend leur puissance réglable dans une plage allant de 100 à 10 %. Le rendement reste satisfaisant, du moins jusqu’à 50 % de la charge nominale. En dessous, le rendement se dégrade et il faut donc éviter ces fonctionnements à basse puissance. L’intérêt de ne pas surdimensionner les installations reste déterminant.
Le principe consiste à limiter la course de la vis : en délaçant un « tiroir », c.-à-d. un élément du stator déplaçable par translation comme un tiroir, on modifie la section d’entrée du volume aspiré et donc on module le débit.
Un tel mécanisme permet d’assurer également le démarrage à vide de la machine.

La prérotation du fluide frigorigène dans les turbocompresseurs

Des ailettes pivotantes sont disposées dans la tuyauterie d’aspiration. En se fermant progressivement, elles génèrent un mouvement giratoire des gaz frigorigènes pénétrant dans l’ouïe d’aspiration. Comme pour un ventilateur, le point de fonctionnement se modifie par déplacement sur une nouvelle courbe caractéristique du compresseur.
C’est le mode de régulation le plus souvent rencontré dans les turbocompresseurs.