Rôle:
le compresseur aspire les vapeurs surchauffées, froides et basses pression produites dans l'évaporateur et les comprimes à une pression plus élevée afin de rendre ces vapeurs facilement condensables.
Classification:
Nous étudierons plus particulièrement les compresseurs alternatifs à pistons, ce sont les plus utilisés dans l'industrie frigorifique.
COMPRESSEURS
ALTERNATIFS A PISTONS
Elles sont fonctions des dimensions du compresseur, ce sont:
- la cylindrée C
- le volume balayé horaire Vb
A: Alésage
l: Course
N:Nombre de cylindres
Il représente le volume balayé par les pistons pendant 1 heure:
Vb = C x n x 60
n = vitesse de rotation du compresseur en tr/mn
Vb = volume balayé en m3/h
Elles sont fonctions du diagramme de fonctionnement du compresseur encore appelé diagramme indiqué
fig. 1: Le piston est au point mort bas (PMB), le clapet d'aspiration vient de se fermer, le cylindre est rempli de vapeur basses pression qu'il vient d'aspirer.
fig. 2: Le piston remonte diminuant ainsi le volume occupé par les vapeurs, c'est la phase de compression, la pression dans le cylindre va en augmentant, le clapet de refoulement reste fermé tant que la pression dans le cylindre est inférieure à la haute pression. c'est la course inefficace au refoulement.
fig. 3: La pression est devenue légèrement supérieure à la H.P., le clapet de refoulement s'est ouvert, le piston continuant sa remontée, évacue les vapeurs ainsi comprimées.
fig. 4: Le piston se trouve au point mort haut (PMH), l'espace entre le piston et le fond de cylindre s'appelle espace nuisible ou espace mort. Le clapet de refoulement s'est refermé, l'espace nuisible est rempli de vapeurs H.P.
fig. 5: Le piston redescend, mais il n'y a pas encore d'aspiration car les vapeurs contenues dans l'espace
nuisible sont encore à une pression supérieure à la B.P. C'est la course inefficace à l'aspiration.
fig. 6: Les vapeurs contenues dans le cylindre sont détendues à une pression inférieure à la B.P., le clapet d'aspiration s'est ouvert laissant ainsi passer les vapeurs B.P. dans le cylindre. C'est la course efficace à l'aspiration.
l.e.a: course efficace à l'aspiration
l.i.a: course inefficace à l'aspiration
l.e.r: course efficace au refoulement
l.i.r: course inefficace au refoulement
C'est la pression moyenne qui aurait régné dans le cylindre pendant un tour de l'arbre. Elle déduite du diagramme de fonctionnement du compresseur.
C'est le travail effectué en une seconde:
Pi = Wi x (n/60)
Pi: puissance indiquée en W
n: Vitesse de rotation en tr/mn
Travail indiqué (Wi):
C'est le travail du piston pour faire passer les vapeurs de p0 à pk.
Wi = pmi x C
Wi: travail indiqué en J
pmi: pression moy. indiquée en bars
C:
Cylindrée en cm3
C'est la puissance à fournir sur l'arbre du compresseur, elle supérieure à la puissance indiquée car il y a des frottements dans les pièces en mouvement: le rapport Pi/Pe nous donne la valeur du rendement mécanique du compresseur.
hm= Pi/Pe
Pe: puissance effective en W
C'est la puissance frigorifique que le compresseur est capable de développer dans des conditions de fonctionnement données telles que:
-nature du fluide
-pressions de fonctionnement
-températures de fonctionnement (surchauffe et sous-refroidissement)
-etc...
f0 s'exprime en Watt ou Fg/h
1 fg/h = 1,16W
Coefficient de performance : e
C'est le rapport de la recette (froid produit) à la dépense (travail fourni ). la valeur de ce rapport est toujours supérieure à 1.
Puissance
frigorifique massique (q0m)
C'est la puissance frigorifique brute divisée par le débit massique.
q0m= f0 / qm
q0m: Production frigo. massique en W/kg
e =f0 / W
e : coefficient de performance W : Puissance fournie en Watts
La puissance fournie théorique au compresseur est Pth = qm (H2th - H1), on a donc
eth= f0/ Pth
Le coefficient réel d'efficacité frigorifique est donné par la formule:
e réel= f0/ Pth.(hi. hm. ht. he)
hi: rendement indiqué
hv :rendement volumétrique
hm: rendement mécanique du compresseur
hm:rendement de transmission (groupe ouvert)
he:rendement électrique du moteur d'entraînement
C'est le rapport de la haute pression sur
la basse pression exprimées en valeurs absolues
t=pk/p0
La présence d'un espace nuisible dans le compresseur provoque un retard à l'aspiration (détente des vapeurs H.P. contenues dans le cylindre après compression), le rapport du volume réellement aspiré par rapport au volume que le compresseur pourrait aspirer si il n'y avait pas d'espace nuisible est appelé rendement volumétrique.
On utilisera une formule empirique pour
calculer le rendement volumétrique:
hv=1- (0,05 . t)
t: taux de compression
Rendement
indiqué :hi
Ce rendement caractérise la compression réelle du fluide par rapport à la compression théorique. On prendra
hi = hv
C'est le rapport de la puissance indiquée à la puissance effective fournie sur l'arbre du compresseur.
hm = Pi / Pe
Le carter et le corps du compresseur peuvent être d'une seule pièce, c'est souvent le cas des compresseurs commerciaux dont la puissance n'excède pas 10 kW, pour les compresseurs de puissances supérieures cylindres et carter peuvent être assemblés par boulonnage. Enfin pour les compresseurs de très grosses puissance, les cylindres peuvent être chemisés à l'instar des moteurs de voitures automobiles.
Le corps du compresseur est toujours surmonté d'une culasse fixé par goujons, elle est démontable, ce qui permet d'accéder aux clapets.
Deux variantes sont utilisées pour les compresseurs frigorifiques:
-Système arbre excentriques bielles pistons.
-Système arbre vilebrequin bielles pistons
Les pistons doivent être légers, étanches au fluide et être ajustés dans les cylindres avec le minimum de jeu pour éviter les pertes par fuite entre pistons et cylindres.
Les
segments doivent être libres dans leur gorges et être élastiques. L'élasticité
est obtenue par une coupure du segment qui a tendance à s'ouvrir lorsqu'il
n'est pas dans le cylindre. Ils sont de sections rectangulaires.
Les segments racleurs d'huile sont pourvus de petits trous sur leur pourtours permettant le retour de l'huile, le piston étant aussi percé . La section des segments racleurs d'huile est telle que les angles vifs raclent l'huile sur le cylindre.
Le corps du compresseur comprend deux logements pour la mise en place des paliers. Les paliers sont réalisés en bronze ou en métal antifriction, on utilise plus rarement les roulements à billes car ils sont plus bruyants. Une butée à bille ou en acier nitruré et rectifié assure un blocage de l'arbre en translation.
Les clapets devront être parfaitement étanches quand ils reposeront sur leur siège. Il faut que le temps de réponse des clapets soit rapide donc ils devront être le plus légers possible, il faut aussi qu'ils laissent suffisamment de passage au gaz. On distingue deux sortes de clapets:
- Les clapets à lame flexible
- Les clapets annulaires
Les clapets sont librement commandés par le fluide il n'y pas de mécanisme permettant de les ouvrir ou les fermer. Ils sont très minces et indéformables, on trouve parfois sur les clapets de refoulements une butée qui limite sa levée.
Ils sont placés sur le pourtour du cylindre, ils ont l'avantage d'offrir une grande section de passage malgré une faible levée.
On distingue deux sortes de dispositifs de lubrification:
-Par barbotage
-Par pompe à huile sous pression.
Lubrification par pompe à huile
Ces dispositifs ont pour rôle d'éviter toute communication entre l'air extérieur et le fluide frigorigène contenu dans le carter du compresseur. Il existe deux sortes d'étanchéité sur un compresseur:
-L'étanchéité statique
-L'étanchéité dynamique
Ce sont les joints, ils assurent l'étanchéité entre les parties statiques du compresseur. Ils devront être réalisé en matières suffisamment souples mais résistantes à l'écrasement, les matières utilisées doivent résister aux huiles et aux fluides utilisées dans les installations frigorifiques. L'épaisseur du joint est d'une importance primordiale surtout entre les cylindres et la boîte à clapets car c'est lui qui définit l'espace nuisible.
Les matières utilisées sont la klingérite et le Néoprène, éventuellement le cuivre et l'aluminium.
L'étanchiété dynamique sur un compresseur ouvert doit être réalisé à la sortie de l'arbre, en effet
l'arbre est en rotation et il ne doit pas y avoir de fuites de fluide frigorigène, pour cela on a recourt à des garnitures d'étanchéité. Il en existe de deux types:
- La garniture d'étanchéité à soufflet.
Plusieurs cas de figure peuvent se présenter, selon le type de compresseur:
-Cas des compresseurs hermétiques et semi hermétiques:
L'arbre du moteur et le vilebrequin sont communs, il n'y a donc pas de dispositif d'entraînement.
-Cas des compresseurs ouvert:
Le moteur d'entraînement peut être situé en ligne avec le compresseur, et est accouplé par un manchon élastique, ce qui nécessite une parfaite mise en ligne des deux machines. Dans ce cas la vitesse du compresseur est celle du moteur électrique. ce dispositif est appelé dispositif direct.
Le moteur d'entraînement et le compresseur sont placés parallèlement l'un à l'autre, alors on aura recours a un dispositif indirect, constitué d'une poulie motrice, d'une poulie réceptrice et d'un dispositif de liaison. Le dispositif à courroies est le plus couramment utilisés.
Rôle
C'est de permettre d'ajuster la puissance
frigorifique d'un compresseur aux besoins fluctuants de l'installation. Si le compresseur est surpuissant par rapport aux besoins alors:
- Les cycles sont courts (démarrages fréquents).
- La pression d'évaporation est très basse.
Au lieu d'installer un compresseur délivrant la totalité de la puissance frigorifique, on installe plusieurs compresseurs qui totaliseront ensemble la puissance totale.
ex: F0= 100 kW
a)On installe 4 compresseurs de 25kW chacun.
b)On installe des compresseurs de puissance différentes ex: 50kW, 25kW, 12,5kW et 12,5kW
Avantages: sécurité de fonctionnement.
Inconvénients: Coût plus élevé.
Montage plus complexe
Circuit électrique plus complexe
-Changement de poulie du compresseur, ce système n'est valable que sur les équipements saisonniers.
N1D1 = N2D2
-Variateur de vitesse mécanique, ce système est coûteux et à un rendement médiocre.
-Moteur électrique 2 vitesses, ce procédé à l'inconvénient de n'offrir que deux puissances frigorifiques.
-Variateurs de vitesse électronique, ce procédé permet de faire varier la puissance de l'installation de 10 à 100% , car les variateurs de vitesses font varier la vitesse à couple constant.
Principe: On augmente artificiellement l'espace nuisible alors le volume aspiré diminue et la puissance frigorifique aussi. Seulement quelques cylindres par compresseur sont équipés de système de variation d'espace nuisible.
Principe: On maintient ouvert le clapet d'aspiration lors de la remontée du piston de ce fait
les gaz retournent dans le collecteur d'aspiration. Ce procédé n'est utilisé que sur les compresseurs multi-cylindres et ne concerne au maximum qu'un tiers des cylindres car il faut continuer à produire des gaz H.P. lors de la réduction de puissance.
Principe: On met en communication la chambre de refoulement avec la chambre d'aspiration. 1/4 des cylindres doivent rester en fonctionnement normal. Au démarrage d'une installation équipée de ce système on met les cylindres concerné "Hors service" pour avoir un couple de démarrage plus faible.
Principe: On monte au niveau du circuit une tuyauterie de by pass entre le refoulement et l'aspiration du compresseur. Sur ce tube est installé une vanne de by-pass appelée régulateur de capacité.
Les problèmes d'étanchéité au niveau de la sortie de l'arbre du compresseur ouvert ont poussés à rechercher une solution pour rendre ces compresseurs hermétiques et permettre ainsi une utilisation domestique.
Le moteur électrique et le compresseur sont enfermés dans une cloche métallique soudée, de ce fait aucune réparation n'est possible sur les compresseurs hermétiques. L'arbre moteur et l'arbre du compresseur sont communs, la tuyauterie interne de refoulement est équipée d'un silencieux, l'ensemble moteur-compresseur est monté sur des suspensions.
Compte tenu des conditions de fonctionnement très étendues et des applications très variées, les constructeurs ont réparti les compresseurs hermétiques en trois catégories:
-Compresseurs Haute Pression
-Compresseur Basse Pression
-Compresseurs de conditionnement d'air (généralement au R22)
De ce fait tous les compresseurs n'auront pas le même type de démarrage, le couple au démarrage dépendra de l'application. Pour les très petites puissances (<2kW) les moteurs seront monophasés, au delà ils seront triphasés.
Les moteurs électriques équipant les compresseurs sont des moteurs asynchrones monophasés à rotor à cage en court circuit. Ces moteurs ne peuvent démarrer seul; ils nécessitent un dispositif spécial de démarrage.
Principe: On incorpore un enroulement auxiliaire qui crée un déphasage et provoque ainsi un champ tournant qui permet le démarrage du moteur.
Après la phase de démarrage il faut mettre hors service l'enroulement auxiliaire. On peut utiliser un relais d'intensité ou un relais de tension.
Des condensateurs de démarrage et permanent peuvent être inséré pour améliorer le couple de démarrage et diminuer l'intensité absorbée.
Les enroulements auxiliaire et permanent sont déjà reliés entre eux dans la carcasse du compresseur:
De la carcasse du compresseur sortent trois bornes de connexion du moteur; 1 2 3.:
Pour effectuer le repérage de ces trois bornes il faut mesurer à l'aide d'un ohmmètre la résistance entre chaque point. La résistance la plus faible correspond à l'enroulement permanent, la résistance intermédiaire correspond à l'auxiliaire et la résistance la plus élevée doit être la somme des deux autres.
exemple:
R entre 1 et 2 = 8 ohms
R entre 2 et 3 = 12 ohms
R entre 1 et 3 = 20 ohms
Conclusion la borne 2 est la borne commune C, la borne 1 est la borne de l'enroulement permanent P, le point 3 est celui de l'enroulement auxiliaire.
Remarque: il faut débrancher les fils électriques connectés sur les bornes pour effectuer les mesures de résistances. Il est recommandé aussi d'effectuer une mesure de résistance avec le calibre le plus élevé de l'ohmmètre entre une des borne et la masse, la résistance doit être infinie dans le cas contraire on peut affirmer qu'un des enroulements est en contact avec la carcasse du compresseur ( compresseur grillé).