Fonction des éléments principaux du circuit frigorigène 'Compresseur'

Le compresseur a pour fonction de comprimer le fluide frigorigène d’un niveau de pression d’évaporation faible à un niveau de pression de condensation élevée. Il doit en effet garantir le débit de transport nécessaire (débit massique du Fluide Frigorigène) pour la puissance frigorifique requise.
1. Capacité de transport du compresseur
La capacité de transport du compresseur dépend des paramètres ci-après.
Volume géométrique de compression
Le volume géométrique de compression d’un compresseur est déterminé par les dimensions de la cylindrée
(longueur de la course, nombre de cylindres, diamètre du piston). Plus le volume de compression géométrique est important, plus le flux massique atteint du fluide frigorigène est élevé.
Débit volumétrique géométrique de compression
Il faudra, si l’on doit déterminer le débit volumétrique (capacité de transport en fonction du temps), tenir compte du régime du compresseur. Les indications sont généralement fournies en m3/h. Plus le régime du compresseur est élevé, plus le débit est important. Si le régime augmente, les pertes augmentent également.
Débit volumétrique d’aspiration
Afin de répondre à certains critères de tolérances de fabrication et de robustesse du compresseur (p.ex. reste de liquide dans la vapeur d’aspiration), un volume résiduel (espace nuisible) est prévu au-dessus du point mort haut (PMH). Après la compression, du gaz résiduel sous haute pression est enfermé dans cet „espace nuisible“.

Espace résiduel d‘un compresseur à piston

Lors du mouvement descendant du piston précédent le temps d’aspiration, le gaz doit se détendre pour atteindre la pression d’aspiration avant que la soupape d’aspiration s’ouvre. Il s’ensuit une réduction de volume spécifique d’aspiration; la cylindrée n’est pas entièrement utilisée. Le débit volumétrique réel requis est moins important que le débit géométrique volumétrique de compression.

Effet de l’espace nuisible

Coefficient de rendement
Le rapport existant entre le débit volumétrique d’aspiration et le débit volumétrique de la course du piston est
appelé le coefficient de rendement du compresseur.

λ :Coefficient de rendement en m3/m3
VV1 :Débit volumétrique d’aspiration réel en m3/s
Vg :Débit volumétrique géométrique en m3/s
Outre différents autres facteurs d’influence, tels que p.ex. la température du fluide frigorigène, le pourcentage
d’huile etc., la pression à l’avant et à l’arrière du compresseur exerce une très grande influence sur l’évolution du coefficient de rendement. Il est donc judicieux de représenter le coefficient de rendement en fonction du taux de compression. Il faudra veiller, dans le calcul du taux de compression, à utiliser des pressions absolues.

π : Taux de compression -
pV2 : Pression de compression finale in bar
pV1 : Pression d’aspiration in bar

Coefficient de rendement en fonction du taux de compression

L’augmentation du taux de compression entraîne une diminution constante du coefficient de rendement. Le
coefficient de rendement dépend surtout du volume nuisible et du gaz qui se détend à nouveau. C’est la raison pour laquelle les très petits compresseurs disposant d’un volume résiduel relativement important et de plusieurs pistons ont un mauvais coefficient de rendement.
Densité d’aspiration
Le débit d’un compresseur dépend également de la densité du fluide frigorigène à l’orifice d’aspiration. Si le compresseur aspire un gaz de densité plus faible, la cylindrée ne reçoit qu’une petite masse de fluide frigorigène. Il s’ensuit par course une alimentation en fluide frigorigène réduite.
La surchauffe croissante de la vapeur d’aspiration entraîne une diminution de la densité du fluide frigorigène et par conséquent une baisse du débit de transport

Une diminution de la pression d’aspiration entraîne également une baisse de la densité du fluide frigorigène et par conséquent également une baisse du débit de transport.
2. Capacité frigorifique
Étant donné que le condenseur n’est autre chose dans le cas présent qu’une installation de transport de fluide frigorigène,l’indication d’une puissance frigorigène dépend de l’état du fluide frigorigène en amont et en aval de l’échangeur de chaleur (évaporateur) et du débit de transport..
Outre le compresseur et le fluide frigorigène, les facteurs suivants jouent un rôle important dans l’obtention d’une puissance frigorifique élevée :
– Pression d’évaporation élevée (pression d’aspiration) et par conséquent température d’évaporation élevée
– Pression de condensation faible et par conséquent température de condensation faible
– Température faible du fluide frigorigène en amont de l’organe de détente
– Surchauffe d’aspiration faible
montre les influences de la température d’évaporation et de condensation sur la puissance frigorifique

Puissance frigorifique au-dessus de la température d’évaporation pour différentes températures de condensation

Une variation de température d’évaporation (pression d’évaporation) agit sur la puissance frigorifique du compresseur de façon plus importante encore qu’une variation de la température de condensation. Il est donc recommandé de bien dimensionner l’évaporateur d’une installation frigorifique et de maintenir à un niveau aussi bas que possible les pertes de pression dans la conduite d’aspiration.
La puissance frigorifique peut être fortement augmentée dans les zones de bas régimes lorsqu’on augmente
le nombre de tours. Il en va différemment dans les zones à régimes élevés en raison des pertes croissantes
qui en résultent.
3 Puissance motrice du compresseur
Les besoins en énergie du compresseur dépendent des paramètres suivants :
– Type et construction du compresseur
– Régime du compresseur
– Fluide frigorigène
– Densité du fluide frigorigène à l’entrée du compresseur
– Pression du fluide frigorigène à l’entrée du compresseur
– Pression du fluide frigorigène à la sortie du compresseur
La puissance absorbée du compresseur est indiquée dans les documents du fabricant du compresseur. De
légères surchauffes ou une “aspiration humide“ entraîne une nette augmentation de la puissance absorbée. Il faudra tenir compte dans les compresseurs ouverts des pertes de transmission (rendements de courroies), des pertes mécaniques et des pertes motrices externes.
Influence du régime du compresseur
Étant donné qu’un régime plus élevé requiert un apport de fluide frigorigène plus important, il est également nécessaire de disposer d’une puissance absorbée du compresseur également plus importante.
Influence du fluide frigorigène
La quantité d’énergie nécessaire au transport du fluide frigorigène dépend de la densité d’aspiration et du taux de compression. Les différents fluides frigorigènes se différencient considérablement les uns des autres. Si le compresseur transporte un certain débit massique, la puissance frigorifique en résultant peut être très différente.
Ce phénomène s’explique par les chaleurs d’évaporation différentes. Le même compresseur développe
par exemple avec le fluide frigorigène R 134a une puissance frigorifique de 9 kW et avec le fluide frigorigène R502 une puissance de 16 kW. Les besoins en énergie d’un compresseur est avec le fluide frigorigène R 22 environ 50 % plus élevé qu’avec le fluide frigorigène R 134a..
Influence de la température (pression) de condensation
Une température (pression) de condensation plus élevée engendre en premier lieu une puissance absorbée plus importante du compresseur. Le taux de compression augmente pour une température d’évaporation constante. Ce phénomène entraîne un flux massique du fluide frigorigène (puissance frigorifique) plus faible.
Influence de la température (pression) d’évaporation
La densité du fluide frigorigène diminue au fur et à mesure que la température d’évaporation baisse, Le taux de compression augmente également à température de condensation constante. Il s’ensuit que le flux massique du fluide frigorigène et par voie de conséquence la puissance absorbée du compresseur diminuent..

Besoins en énergie en fonction de la température d’évaporation et de condensation

4 Limites d’utilisation du compresseur
Outre la puissance frigorifique et les besoins en énergie, les limites d’utilisation du compresseur revêtent un rôle important pour les utilisateurs.

Limites d’utilisation d’un compresseur à piston alternatif ouvert

Interprétation du diagramme de limites d’utilisation du compresseur
1) Le compresseur peut être utilisé jusqu’à une température d’évaporation to = 25 °C. Au-dessus de cette
température, le moteur serait surchargé (puissance motrice élevée). La production du froid ne revêt aucun
sens dans cette gamme de températures. Une soupape MOP est souvent utilisée pour la décharge du compresseur et du moteur de commande. Celle-ci limite la pression d’évaporation vers le haut..
2) Le compresseur peut être utilisé jusqu’à une température de condensation de tc = 70 °C. Cette limite résulte d’une part de la surpression de service tolérée du côté haute pression (p.ex. ptol = 25 bars) et d’autre part de la température critique des gaz chauds tV2h. Selon le fabricant et la construction du compresseur, la température des gaz chauds, mesurée au tube de pression du compresseur, est limitée de 120 °C à 140 °C. La température du gaz régnant à l’intérieur de la chambre de compression peut être de 20 à 30 K plus élevée. Il existe un réel danger de cokéfaction de l’huile. Les hautes températures des tubulures de pression favorisent entre autres les réactions chimiques éventuelles dans la combinaison fluide frigorigène, lubrifiant, eau et crasse. Des températures élevées de gaz chauds ont des effets négatifs sur la durée de vie du compresseur.
3) Le compresseur ne doit être utilisé, pour une température d’aspiration de la vapeur tV1h de plus de 20 °C
au-dessus de la ligne , qu’avec un refroidissement supplémentaire. L’huile risquerait de se cokéfier et le compresseur serait soumis à de fortes contraintes thermiques. Il est dès lors recommandé d’utiliser un thermostat à protection thermique. Il faudra également utiliser une huile présentant une grande stabilité à la chaleur.
4) Le compresseur est conçu pour fonctionner à une température d’évaporation to = -30 °C. La température
des gaz seraient trop élevée au-dessus de cette température. De plus, le débit massique du fluide frigorigène exigé diminuerait de façon dramatique. Les surpressions de fonctionnement maximales tolérées des parties haute et basse pression ainsi que le régime maximal et minimal du compresseur constituent également
des limites d’application. Le compresseur subit une surchauffe aux régimes élevés et les paliers ne sont pas suffisamment lubrifiés dans les bas régimes en raison d’un débit de refoulement trop faible de la pompe à huile.