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Le compresseur

Le compresseur est un élément essentiel pour le transfert énergétique de la source froide vers la source chaude. C’est le « moteur » de la PAC : Il fournit un travail mécanique pour comprimer et permettre la circulation du fluide frigorigène. Il permet également au fluide de circuler dans l’installation.


C’est donc l’élément principal de la PAC indispensable au bon déroulement du cycle frigorifique.

 

 


Tableau de synthèse



Voici un tableau reprenant chaque type de compresseur avec ses avantages, inconvénients, modes de raccordement, et la gamme de puissance qu’il couvre :

 

Type de compresseur

Avantage(s)

Inconvénient(s)

Modes de raccordement

Gamme de puissance

Volumétrique à pistons

-  Gamme de puissance étendue

-  Tous les modes de raccordements sont possibles

-  Bon marché

-  Non réversibles

-  Bruyant

-  Performances et longévité réduites

Hermétique, semi-hermétique, ouvert

Quelques KW à plus de 1000 KW

Volumétrique rotatif

-  Vitesse variable 

-  Bon rendement

-  Fonctionnement simple

-  Bon marché

-  Adapté aux petites puissances Hermétique Jusqu’à 10 KW maximum

Volumétrique spiro-orbital/ scroll

-  Vitesse variable

-  Faible risque de fuite

-  Silencieux

-  Très performant

-  Endurant

-  Relativement cher

- Puissances limitées

Hermétique

Jusqu’à 100 KW maximum

Volumétrique à vis

-  Conception simple

-  Très performant

-  Très robuste

-  Silencieux

-  Très énergivore

-  Uniquement grandes installation

-  Cher

Semi-hermétique ou ouvert

100 à 1200 KW

Centrifuge Très puissant

-  Uniquement grandes installation

-  Performances réduites

-  Fonctionnement complexe
Semi-hermétique ou ouvert 1000 à 4000 KW

 


Modes de raccordement


On classe tout d’abord les compresseurs selon leur mode de raccordement au moteur à savoir :


 

Mode Ouvert

 

Le moteur et le compresseur sont 2 entités indépendantes reliées par un arbre de transmission. Cela permet un accès manuel aux différents composants du compresseur. Ce mode de raccordement est généralement utilisé pour des installations réclamant une puissance importante (tranche de 50 à plus de 1000KW).

 

L’inconvénient  principal est un risque de fuite dut à la liaison entre le compresseur et l’arbre de transmission. De plus, ce type de compresseur est onéreux.

 

 

Mode Hermétique

 

Le moteur et le compresseur sont enfermés ensemble dans une cloche et sont par conséquent inaccessibles. Ce type de mécanisme protège le système contre les fuites mais il est impossible d’accéder au compresseur pour une réparation ou un entretien.

 

Ce mode de raccordement est destiné à des installations de petite puissance (jusqu’à 50KW environ). L’ensemble du système est généralement monté sur des ressorts afin d’atténuer les vibrations.


Par ailleurs, son coût est relativement bon marché.

 


Mode Semi-hermétique

 

Ce système est un compromis des deux précédents. Le moteur et le compresseur sont reliés directement l’un à l’autre dans un même espace confiné ce qui permet de limiter le risque de fuite mais certains composants sont démontables ce qui autorise un éventuel dépannage ou entretien.

 

Ce mode de raccordement nécessite un nombre de joints conséquent. L’étanchéité est donc moins bien assurée qu’un système hermétique. Contrairement au mode de raccordement ouvert, tous les éléments qui le composent ne peuvent être démontés. L’entretien ou le dépannage peuvent donc être plus compliqués que dans un système ouvert.

 

Ce mode de raccordement est principalement utilisé dans des moyennes installations (jusqu’à environ 400KW).

 

 

Il faut ensuite considérer les différentes catégories et sous-catégories de compresseurs.




Catégories de compresseurs


Compresseur à piston


                          

Fig : Compresseur à cylindre

 

Ce type de compresseur est très répandu. Il est relativement bon marché et fonctionne à l’électricité. Il faut néanmoins être prudent car ce type de compresseur ne supporte pas les infiltrations de fluide à l’état liquide et ne supporte que du fluide à l’état gazeux. Généralement, une « bouteille anti-coup de liquide » le protègera d’une éventuelle intrusion liquide.


Du fait de sa sensibilité aux coups de liquide, ce type de compresseur est impossible à utiliser dans des cas d’inversion de cycle.

 

Le compresseur à piston fonctionne par aspiration/refoulement (Voir Fig : Compresseur à cylindre).

 

Un inconvénient majeur de ce mode de fonctionnement est son niveau sonore. En effet, le mouvement des pistons est assez bruyant et risque parfois de faire bouger le compresseur s’il n’est pas solidement fixé. C’est pourquoi on monte souvent ce type de compresseur sur des ressorts.


Un autre inconvénient est la présence de pertes par frottements au niveau des pistons.

 

Un compresseur à piston peut être raccordé de manière ouverte, semi hermétique ou hermétique. Sa gamme de puissance s’étend de quelque KW à plus de 1000KW.

 

Les compresseurs à pistons ne sont modulants que pour des moyennes et grandes puissances (à partir de 50 KW). Pour des petites puissances, ils ne fonctionnent que sous des régimes tout ou rien.

 













Les compresseurs à piston, réputés bons marchés, sont pourtant actuellement de moins en moins présents dans les équipements PAC électriques. Leur faible coût ne domine plus les critères de performance, sauf dans certains cas, telles que pour les PAC géothermiques dont la source froide est stable ou pour le chauffage de piscine pour lequel un volume de stockage énergétique important est disponible.
Exemple de compresseur à piston


Compresseur rotatif

 

Le principe de ce type de compresseur est de disposer un rotor cylindrique excentré dans un stator cylindrique. On a ensuite affaire à 2 sous-types.

 

Ces types de compresseur sont utilisés pour des petites puissances (pas plus de 10KW). Leurs principaux avantages sont leur prix et leur simplicité de fonctionnement qui leur permet de limiter les pertes par frottement ce qui leur confère un bon rendement.

La vitesse de rotation peut-être variable pour moduler le débit du fluide et donc la puissance thermique de la machine.

Ils ne sont cependant pas adpatés à travailler à de hautes températures de condensation.

On peut donc généraliser en disant qu'ils sont plus performants que les compresseurs à piston mais qu'ils sont aussi moins performants et moins flexibles, bien que meilleurs marchés  par apport aux compresseurs à piston.


 

1. Compresseur à palettes

Dans ce type de compresseur, le fluide est amené par des palettes fixées sur un rotor. Les palettes, au fur et à mesure de la rotation, bougent axialement afin de garder un contact constant contre la paroi de la chambre. Ce rotor est fixé de manière excentrée sur le stator ce qui permet de créer un zone d’aspiration, de compression et de refoulement (voir schéma).

 

 

 

                                







Le compresseur tourne dans le sens horloger. De l’aspiration jusqu’au refoulement le fluide est constamment comprimé.

 

2.       Compresseur à piston roulant

 

Ce compresseur utilise également la rotation d’un rotor sur un stator mais sans l’intervention de palettes. Il s’agit ici de faire tourner le rotor de manière excentrée afin de piéger le fluide frigorifique dans un espace de plus en plus réduit.

 

 

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Compresseur à piston roulant (Source: energieplus-lesite.be)


Dans le schéma, on peut constater que le stator est situé dans l’espace de compression. Il va se mouvoir de manière excentrique dans cet espace pour comprimer le fluide jusqu’à son point de refoulement.

 
Compresseur spiro-orbital/scroll

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/c/c0/Cycle_de_compression_d%27un_compresseur_scroll_.jpg/350px-Cycle_de_compression_d%27un_compresseur_scroll_.jpg

Source: Wikipedia.org

 


Ce type de compresseur est constitué de deux spirales intercalées. L’une est fixe, l’autre est amenée à se déplacer excentriquement par le moteur. Le mouvement permet d’aspirer et de comprimer progressivement le fluide frigorigène jusqu’à le refouler par le centre de la spirale (voir schéma ci-dessus).

 


 

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Ce type de compresseur offre l’avantage de pouvoir se passer de clapets d’aspiration et de refoulement ce qui réduit ses pertes par frottement. Du fait de ce mode de fonctionnement, il est également très peu sensible aux coups de liquide ce qui le rend plus solide. Il possède pour les mêmes raisons un excellent rendement et fait peu de bruit.

Ses principaux inconvénients sont un coût élevé et sa puissance limitée (pas plus de 50KW). Ce deuxième défaut peut être résolu par une mise en parallèle de 2 compresseurs mais cela impactera fortement le coût d’achat.

 

Ce type de compresseur ne peut être raccordé que de manière hermétique.


 Exemple de compresseur scroll


Compresseur à vis

 

Le fluide est aspiré dans les cavités formées par les pas de vis. C'est l’action de rotation entre 2 vis, l’une mâle, l’autre femelle qui comprime le fluide.

comp vis.png

Ce type de compresseur bénéficie d'un rendement volumétrique élevé (c’est-à-dire que le fluide occupe l’entièreté du volume utile) car il est composé de peu de pièces. Cela lui permet également d’avoir des pertes par frottement quasiment inexistantes. Les seules pertes volumétriques sont provoquées par la présence d’huile dans le fluide.

Du fait du peu de vibrations résultant de son mécanisme, il est très silencieux.

Il consomme néanmoins beaucoup d’énergie et son coût est élevé. Son fonctionnement réside dans des applications de grosses puissances.

Ce type de compresseur peut être raccordé au moteur soit de manière semi-hermétique soit de manière ouverte. Sa puissance s’étend d’environ 100 à 1200 KW.

Exemple de vis de compression

Compresseur centrifuge

Ce type de compresseur, aussi appelé turbocompresseur, transforme la force dynamique centrifuge en force statique de compression. Le fluide réalise un déplacement circulaire et axial constamment accéléré via des grandes roues munies d’aubages ou d’ailettes inclinées. La force centrifuge  provoque la compression du fluide qui est ensuite refoulé aux extrémités de la chambre de compression.

Ce type de compresseur se raccorde de manière ouverte ou semi-hermétique.

 

compresseur-centrifuge.gif

comp centrifuge.jpg





 



Schéma d’un compresseur centrifuge (source: www.abcclim.net)

 

Les compresseurs centrifuges possèdent généralement un coût relativement avantageux quand il s’agit d’installations d’importante puissance mais leur taux de compression n’est pas aussi bon que celui d’un compresseur volumétrique.

Ce type de compresseur fonctionnant grâce à l’amenée du fluide à grande vitesse, il n’est adapté qu’aux grandes puissances (1000 à 4000KW). A une puissance inférieure, un compresseur centrifuge ne serait pas rentable.

Exemple de compresseur centrifuge (source: www.carrier.fr)

 


Modes de fonctionnement

 

Afin de répondre aux besoins thermiques variables de l'utilisateur, chaque compresseur peut être entrainé de manière différente. On parle alors de régulation de la puissance thermique du compresseur.

Voici les modes de fonctionnement principaux :


 

Tout ou rien

 

Dans ce type de fonctionnement, le compresseur ne possède qu’une seule vitesse de rotation. Son fonctionnement se limite donc à un système de marche/arrêt. Ce mode correspond davantage aux systèmes de petite puissance. Utiliser un mode tout ou rien sur des grandes puissances aurait pour conséquence d’user plus vite le moteur.

La marche ou l’arrêt du compresseur est généralement commandée par une sonde extérieure ou un thermostat d’ambiance.

 

Ce type de fonctionnement est très utilisé dans les petites installations et se démarque pas sa simplicité de mise en œuvre. Néanmoins, il possède l’inconvénient de consommer à chaque fois son énergie maximale quand il est actif.

De plus, en cas de variations rapides de la demande en chaleur, le système va s’allumer et s’éteindre plusieurs fois de suite ce qui a pour conséquence d’user le moteur du compresseur. Ce phénomène, appelé « pompage », doit être pris en compte lors de la programmation d’une régulation en tout ou rien.

 

 

 

Modulation de capacité

  • Digital Scroll

Ce type de régulation, mise en place dans certains compresseurs scrolls, consiste à envoyer une partie du fluide frigorifique de l’aspiration au refoulement via un by pass sans le compresser. Cela permet de réduire le débit volumique du fluide compressé et donc de moduler la capacité du compresseur.

Le by pass s’ouvre ou se ferme selon la demande de puissance grâce à une électrovanne. Son ouverture permet une modulation de 10 à 100% de la capacité maximale.

 

 

digital scroll.png

 
Source: www.emersonclimate.com

 

  • By-pass de cylindre

Ce mode de fonctionnement est utilisé par des compresseurs à pistons utilisant plusieurs cylindres. Il s’agit de maintenir ouvert le clapet d’aspiration d’un des cylindres jusqu’à le mettre hors service. On réduit ainsi la puissance du compresseur.

Cette méthode est fort simple et fiable mais peu rentable d’un point de vue énergétique. Le compresseur continue en effet à consommer l’énergie nécessaire à sa puissance maximale malgré le blocage de son compartiment.

  • Modulation par tiroir

La modulation par tiroir s’applique aux compresseurs à vis. Il s’agit de placer un tiroir permettant de moduler le débit volumique de gaz refoulé du compresseur.

Principe d'un tiroir modulant
 

Comme schématisé dans la figure ci-dessus, ce tiroir fait dériver le fluide qui n’est pas refoulé vers l’aspiration.

Un tel procédé permet une modulation de capacité de 10 à 100 %.

 

Modulation de la vitesse de rotation "inverter"


La modulation de capacité comme les 3 exemples cités ci-dessus permet de modifier la capacité thermique de la PAC tandis que le compresseur travaille à puissance constante, ce qui est pénalisant au niveau du rendement mécanique et énergétique.


Comparaison des cycles de fonctionnement entre compresseurs "inverter" et "ON/OFF"


La modulation "inverter" varie la vitesse de rotation en modifiant la fréquence et l'intensité du courant électrique d'alimentation. Cette technologie est très intéressante car en faisant varier la vitesse du compresseur on module sa puissance et on évite de faire tourner constamment le compresseur à pleine puissance. Cela réduit son usure et sa consommation énergétique que ce soit en pleine charge de travail ou encore au démarrage.

Comme illustré sur le graphique, le mode "inverter" offre un démarrage rapide et contrôlé pour atteindre et ensuite se stabiliser sur la température ambiante de consigne.

Il existe deux types de modulation "inverter" : en continu (DC) et en alternatif (AC).

Cette technologie est particulièrement bien adaptée aux compresseurs rotatifs et scrolls.

Actuellement, la plupart des produits sur le marché sont équipés de cette technologie.


 

 


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