LES COMPRESSEURS

Il existe deux grands types de compresseurs à vapeur :
1- les compresseurs volumétriques dans lesquels la compression des vapeurs est obtenue par la réduction du volume intérieur d’une chambre de compression, c’est le type de compresseur le plus répandu sur les installations frigorifiques.
2-  les compresseurs centrifuges aussi appelés turbocompresseurs dans lesquels la compression résulte de la force centrifuge obtenue par entraînement dynamique au moyen d’une roue à aubes, c’est un type de compresseurs destiné à des applications spécifiques et utilisés pour de grandes puissances (groupes frigorifiques de grande puissance en génie climatique par exemple).

Les compresseurs volumétriques
Il existe plusieurs types de compresseurs volumétriques et la classification retenue permet de distinguer :

1- les compresseurs à pistons dont le plus connu est le compresseur à pistons alternatif c’est le type de compresseur le plus répandu ; la compression des vapeurs est obtenue par le déplacement d’un ou de plusieurs pistons dans une capacité donnée (cylindre); il faut également signaler les compresseurs à pistons axial (compresseurs à plateau oscillant) rencontrés surtout dans le domaine de la climatisation automobile
2-  les compresseurs rotatifs aussi appelés compresseurs à palettes dans lesquels la compression des vapeurs est obtenue par déplacement d’un corps cylindrique creux d’une masse excentrée agissant sur une palette mobile

3- les compresseurs à spirales aussi appelés compresseurs scroll dans lesquels la compression des vapeurs est obtenue par la rotation d’une spirale mobile dans une spirale fixe
4- les compresseurs à vis parmi lesquels il faut distinguer les compresseurs mono vis (mono rotor) et les compresseurs double vis (bi rotors)

Les compresseurs centrifuges
Un compresseur centrifuge est une turbomachine qui communique l’énergie au fluide frigorigène grâce à une ou plusieurs roues tournant dans un carter : l’énergie cinétique résultant de la force centrifuge est ensuite transformée en pression statique dans un canal à section croissante appelée volute.

Association Moteur Compresseur

Lorsqu’on parle de compresseur, on sous entend moto compresseur, le compresseur étant la partie mécanique entraînée par un moteur électrique.

Suivant le type de liaison ou d’association entre les deux parties, on distingue :
- les compresseurs hermétiques

- les compresseurs ouverts

- les compresseurs semi hermétiques ou semi ouverts

 Les compresseurs hermétiques
Le moteur électrique et le compresseur sont enfermés dans la même enveloppe sans possibilité d’accès « en principe » à chacune des parties de manière isolée, l’ensemble est supporté généralement par ressorts pour éviter la transmission des vibrations.

Le compresseur aspire les vapeurs de fluide frigorigène à l’intérieur de l’enveloppe et le refoulement est effectué au travers d’une tuyauterie souple brasée à l’enveloppe.

Le moteur électrique est alimenté par des fils reliés à des bornes étanches.

L’étanchéité de ces compresseurs est assurée par des joints fixes (passage des fils et des tuyauteries).

Ce type de compresseur est utilisée pour les petites puissances (réfrigérateurs, climatiseurs…) et les moyennes puissances (refroidisseurs de liquides, armoires de climatisation…).

Les compresseurs ouverts
Le moteur électrique et le compresseur sont associés par un organe de liaison qui peut être un manchon d’accouplement ou une ou plusieurs courroies.

L’accès aux différents éléments du compresseur de même que ceux du moteur est possible.

Dans ce type de compresseur, la vitesse de rotation est ajustable et modifiable en changeant la poulie du moteur par exemple, cependant ce type nécessite un joint d’étanchéité tournant (joint rotatif) à la traversée du carter par l’arbre. Il est utilisé pour toutes les puissances.

 Les compresseurs semi hermétiques ou semi ouverts
Il s’agit d’un type intermédiaire entre les précédents types. Le moteur électrique et le compresseur sont montés sur un arbre commun et sur le même bâti avec la possibilité d’accès à chaque élément, ce qui fait que ces compresseurs sont également appelés compresseurs hermétiques « accessibles ». L’accessibilité est réalisée par des plaques boulonnées sur le bâti. Ce type bénéficie des avantages du groupe ouvert (accès au mécanisme) et du groupe hermétique (pas de garniture d’étanchéité).Ils sont utilisés pour les moyennes puissance.

 compresseur hermétique

compresseur Semi hermétique

Compresseur Ouvert

Figure 3.5 : Associations moteur – compresseur.

Les compresseurs à pistons alternatifs peuvent se retrouver suivant les trois configurations et le tableau ci-dessous précis les applications associées.

Type	Vitesse de rotation (tr/mn)	Volume balayée (m3/h)	Applications	Régulation de puissance
Hermétique	3000	0.6 à 95	Froid ménager Froid commercial Climatisation	Moteur à deux vitesses
Semi hermétique	1500	3 à 180	Froid commercial Semi industriel	Hors service des cylindres
Ouvert	500 à 1800	0.81 à 1700	Froid commercial Semi industriel Froid Industriel	Hors service des cylindres Ouverture forcée des clapets BP

   Tableau : Caractéristiques des compresseurs à pistons suivant les différentes associations moteur – compresseur.

Comparaison des principales caractéristiques des compresseurs

Le tableau ci-dessous permet de faire une comparaison entre les principales caractéristiques des différents types de compresseurs.

Type	Volume balayée (m3/h)	Vitesse de rotation (tr/mn)	Taux de compression	Applications
Pistons	Jusqu’à 1500	Jusqu’à 1800	2 à 10	Ménager Commercial
Rotatif	de 350 à 5600	Jusqu’à 4000	5 à 6	Industriel Commercial
Spirales	de 10 à 200 de 500 à 5000	Jusqu’à 10000	Environ 5	Industriel Commercial
A vis	de 500 à 5000	Jusqu’à 3000	20 à 30	Industriel
Turbo	De 800 à 50000	Jusqu’à 30000	3.5 à 4	Industriel

Constitution d’une installation frigorifique :

Ce module a pour but l’étude technologique des différents éléments constitutifs d’une installation frigorifique.

Il semble logique, avant de commencer cette étude, d’opérer une classification par groupe des appareils et appareillages que l’on trouvera sur toute les installations frigorifique, qu’elle que soient simples ou complexes, et de rappeler succinctement, après cette énumération, les transformations subies par le fluide lors de son passage dans certains des appareils ou appareillage énumérés

Constitution d’une installation frigorifique :

La figure ci-dessous représente un simulateur didactique d’une installation frigorifique commerciale :

cette installation se compose de :

   Appareils principaux :

ü Compresseur

ü Condenseur

ü Evaporateur

ü Détendeur

   Appareils annexes :

ü  Le séparateur d’huile

ü  Le réservoir de liquide condensé

ü  Le déshydrateur

   Appareils d’automatisme :

·         Appareils de mise en service :

ü  Contacteur , discontacteurs, relais…

·         Appareils d’alimentation :

ü  Détendeurs, régleurs a flotteur…

·         Appareils de régulation :

ü  Thermostats, pressostats, hygrostats

·         Appareils de protection:

ü  Pressostats, relais thermique ou (et) magnétothermique….

·         Appareils de signalisation

ü  Ampèremètres, voltmètres, wattmètre, thermomètre…..

La machine frigorifique

          Fournir du froid à un corps, à un milieu, c’est lui extraire de la chaleur ce qui se traduit par un abaissement de sa température et aussi, bien souvent, par des changements d’états : condensation, solidification, etc. Ce sont ces effets du froid qui sont, dans leur grande diversité, au service de l’homme moderne. Les machines frigorifiques permettent, moyennant un apport énergétique, d’extraire de la chaleur aux milieux à refroidir. Elles rejettent cette chaleur, accompagnée de l’équivalent thermique de l’énergie reçue, à température plus élevée, dans le milieu ambiant.

            Comme la plupart des applications économiquement très importantes du froid, le conditionnement d’air de confort (climatisation) ou industriel, la production, la conservation et la distribution des denrées périssables appartiennent au domaine des cycles à compression, l’importance de ces cycles est considérable.


 La primauté écrasante des machines frigorifiques à compression s’explique d’abord par leur simplicité et leur efficacité. Mais elle s’explique aussi par la très importante diversité de leurs composants (compresseurs, échangeurs thermiques, organes de régulation, etc.) utilisables dans les plus petites machines comme dans les plus grandes, composants disponibles à peu près partout dans le monde, généralement fabriqués en série avec des prix très étudiés car la concurrence internationale est sévère. 


Il est ainsi possible de réaliser, à la demande, n’importe quel type de cycles à compression en assemblant ces composants.

Transfert de chaleur par conduction

La conduction thermique (ou diffusion thermique) est un mode de phénomène de transfert thermique généré par une différence de température entre deux régions d'un même milieu, ou entre deux milieux en contact, et se réalisant sans déplacement global de matière(à l'échelle macroscopique) par opposition à la convection qui est un autre transfert thermique. Elle peut s'interpréter comme la transmission de proche en proche de l'agitation thermique : un atome (ou une molécule) cède une partie de son énergie cinétique à l'atome voisin.

La conduction thermique est un phénomène de transport de l'énergie interne dû à une hétérogénéité de l'agitation moléculaire. C'est par conséquent un phénomène irréversible. Dans les fluides (liquides et gaz) ce transport d'énergie résulte de la non uniformité du nombre de chocs par unité de volume, de façon analogue au phénomène de diffusion. Dans les solides, la conduction thermique est assurée conjointement par les électrons de conduction et les vibrations du réseau cristallin (phonons) .

Loi de Fourier :

La conduction thermique est un transfert thermique spontané d'une région de température élevée vers une région de température plus basse, et obéit à la loi dite de Fourier établie mathématiquement par Jean-Baptiste Biot en 1804 puis expérimentalement par Fourier en 1822 : la densité de flux de chaleur est proportionnelle au gradient de température.

La constante de proportionnalité λ est appelée conductivité thermique du matériau. Elle  s'exprime en J. m^-1. K^-1. s^-1 ou, soit des W. m^-1. K^-1.
Équation de la chaleur :

Un bilan d'énergie, et l'expression de la loi de Fourier conduit à l'équation générale de conduction de la chaleur dans un corps homogène :

Où :

·         ΔT sert à désigner le Laplacien de la température,

·         P est l'énergie produite au sein même du matériau en W. m^-3. Elle est fréquemment nulle (cas des dépôts de chaleur en surface de murs, par exemple), mais on peut citer de nombreux cas où elle ne l'est pas ; citons parmi d'autres l'étude du transfert thermique par conduction au sein du combustible nucléaire, ou l'absorption de la lumière ou des micro-ondes au sein des matériaux semi-transparents...,

·         ρ est la masse volumique du matériau en kg. m^-3,

·         et c est la chaleur spécifique massique du matériau en J. kg^-1. K^-1.

Sous forme unidimensionnelle et dans le cas où P est nul, on obtient :

En régime stationnaire, quand la température n'évolue plus avec le temps et si P est nul, elle se réduit à :

ΔT = 0

qui est une équation de Laplace T est alors une fonction harmonique.

Dans le cas unidimensionnel, l'équation précédente se réduit à :

Dont la solution est :

T = Ax + B,

où A et B sont des constantes à fixer selon les conditions aux limites.

Régime stationnaire :

Surface plane simple:

 

La densité de flux thermique surfacique s'écrit :                                                               

Le flux thermique à travers une surface S vaut : ou