samedi 28 mai 2011

Principes des machines frigorifiques

On a coutume de dire que l'on produit du froid, mais cela est physiquement faux car on ne fait que déplacer la chaleur d'un point à un autre grâce à la particularité du gaz réfrigérant (dit fluide frigorigène). Ce fluide circule dans un circuit fermé (complètement étanche) et subit un cycle thermique comprenant quatre phases :

  1. compression du fluide à l'état gazeux
  2. condensation du gaz
  3.   détente du liquide
  4.   vaporisation du liquide (production de froid)

Donc nous retrouverons toujours les quatre organes suivants dans une installation :
  1. compresseur
  2. condenseur
  3. détendeur
  4. évaporateur

Ils se représenteront comme suit :



Le compresseur:

Il aspire les vapeurs provenant de l'évaporateur (vapeur se situant à un bas niveau de température et de pression) et les comprime jusqu'à un plus haut niveau de température et de pression.



Le condenseur:
Il évacue la chaleur contenue dans le fluide afin de le liquéfier. Donc pour liquéfier le fréon, on va échanger de la chaleur avec un médium qui peut être de l'air ou de l'eau.


  1.   AB : désurchauffe (évacuation par chaleur sensible)
  2. BC : condensation (évacuation par chaleur latente)
  3. CD : sous refroidissement (évacuation par chaleur sensible)



Le détendeur:
Son rôle est de créer une grande perte de charge (baisser la pression) pour permettre la vaporisation (ébullition) à basse température dans l'évaporateur. Il régule aussi la quantité de liquide arrivant à l'évaporateur en fonction des besoins de "froid" (uniquement pour les détendeurs thermostatiques). Le débit de fréon pour les tubes capillaire est fonction :



  1. du diamètre intérieur (de 0.6 à 1.5 mm)
  2. de la longueur (de 1.80 m à 3.50 mm
  3. de la différence de pression entre le condenseur et                 l'évaporateur



L'évaporateur:
Il collecte la chaleur du milieu à refroidir pour que le fluide froid et à basse pression, absorbe celle-ci et passe de l'état liquide à l'état de vapeur,  passant par deux phase :
  
  1.  AB: évaporation (aspiration de chaleur latente)
  2. BC: surchauffe (aspiration de chaleur sensible)









lundi 16 mai 2011

La réfrigération



La production de froid ne date pas d'hier puisque déjà en 1600 des scientifiques se sont aperçus qu'un mélange de neige et de sel abaissait suffisamment la température de l'eau pour former de la glace. La première machine de réfrigération à compression a vu le jour à Londres en 1834 et son inventeur est Jacobi Perkins. Il s'est servi de l'éther comme réfrigérant. C'est en 1931 que l'industrie du froid connaît un bond majeur avec l'arrivée des gaz réfrigérants R12, R22 (en 1935) et R502 (en 1961), puis la réglementation évoluant, de nouveaux gaz sont apparus au fil des années (exemple du R134 vers 1993).

Il y a deux procédés de production du froid :


§  le procédé purement physique : changement d'état avec compression puis détente
§  le procédé physico-chimique : échange de chaleur mis en jeu par l'absorption ou la désorption d'un gaz dans un liquide 


Nous développerons uniquement le procédé par compression qui est le plus performant et le plus utilisé de nos jours.

Principe du système à compression

Avant d'aller plus loin dans les explications techniques, il faut que je vous donne des notions de physique indispensables à la compréhension du système. Tous les fluides (eau, fréon, etc.) ont des particularités, et celles qui nous intéressent sont :

§  la relation qui existe entre pression et température du fluide
§  leur chaleur latente et sensible
§  leur capacité à se condenser et s'évaporer facilement


La chaleur sensible (ou capacité calorifique) c'est l'augmentation, ou la diminution, de la température d'un fluide sans changement de son état .


La chaleur latente c'est l'absorption, ou la diminution, de la quantité d'énergie calorifique, sans augmentation de température mais avec un changement d'état du fluide(La chaleur latente d'un fluide est supérieure à sa chaleur sensible).

Exemple pour l'eau à pression atmosphérique :


§  chaleur sensible : 115.3 W.h/kg
§  chaleur latente : 627.3 W.h/kg


Il existe plusieurs états physiques ou phases physiques : état solide, liquide et gazeux.
La relation pression-température
Il existe aussi une correspondance entre la température de fusion et la pression, ce qu'on peut visualiser sur le diagramme suivant. Le point de rencontre entre les courbes s'appelle le point triple, c'est uniquement en ce point précis que le fluide peut se trouver dans les 3 états simultanément :




La chaleur totale emmagasinée par un corps se concrétise par la chaleur sensible (liée à la température) et la chaleur latente (à état physique). L'addition des deux nous donne l'enthalpie, une grandeur qui sert à déterminer la chaleur donnée ou reprise à un corps. Si on applique tout ça (pression, température, état physique et enthalpie) dans un diagramme, on obtient un diagramme de Mollier, en ce qui nous concerne le diagramme du R290 :









jeudi 17 mars 2011

Compresseur Hermétique


Le compresseur hermétique se présente :
  1. 1-     comme une enveloppe en acier constitué de deux parties soudées électriquement l’une sur l’autre et de forme cylindrique.
  2. 2-    De cette enveloppe sorte  2  tuyauterie d’aspiration, une pour les vapeurs aspirées, l’autre pour le remplissage de frigorigène) et une tuyauterie de refoulement sont soudées sur cette  enveloppe.
  3. 3-    Des pattes de fixation sont soudées sur cette enveloppe, sur la quelle sont également placées les bornes de raccordement électriques du moteur du compresseur.

Rôle :
son rôle est d’aspirer les vapeurs produites par l’évaporation du fluide frigorigène dans
l’évaporateur a une pression faible, et de refouler à une haute pression ces vapeurs
comprimées dans le condenseur.

Principe de fonctionnement :

Le fonctionnement du compresseur se déroule en deux étapes essentielles : l’aspiration et refoulement.

L'aspiration :

Lorsque le moteur est en fonction, le rotor tourne et entraîne un vilebrequin qui permet au piston de descendre dans le cylindre par l'intermédiaire de la bielle. Pendant cette phase, le clapet 2, s’ouvre permettant l'entrée du fluide frigorifique venant du circuit réfrigérant de l'appareil (à l'état gazeux) dans la chambre.



Le refoulement :

Après l'entrée du gaz réfrigérant, le piston continu sa course et vient comprimer la chambre.  le clapet 2 se ferme hermétiquement. Sous la pression le clapet 1 peut alors s'ouvrir et laisser s'échapper le fluide qui part directement dans le circuit réfrigérant de l'appareil. Le cycle peut alors reprendre son cours à l'étape 1.


Vue éclatée d'un compresseur :


Légende:

1- Cylindre (Bloc métallique)
2- Guide d'aspiration (Oriente le gaz vers la chambre du cylindre) 
3- Culasse (Assure l'étanchéité entre cylindre et clapets)
4- Clapets (Permettent l'aspiration et le refoulement)
5- Silencieux (Atténuent le sifflement du gaz pendant les phases de refoulement)
6- Couvercle de silencieux (Assurent l'étanchéité entre silencieux et tuyau de refoulement)
7- Tuyau de refoulement (Assure l'étanchéité du refoulement vers le circuit réfrigérant)
8- Contrepoids (équilibre la force rotative du vilebrequin)
9- Piston (Assure la compression du gaz)
10- Bielle (Assure l'intermédiaire entre piston et vilebrequin) 
11- Vilebrequin (Permet la transmission désaxée entre rotor et piston) 
12- Rotor (Crée l'énergie rotative)
13- Stator (Crée le champ magnétique)
14- Ressort de suspension (équilibre et stabilise le moteur dans la cloche)
15- Connectique moteur (Assure l'apport du courant dans le moteur)
16- Système de démarrage (ici CTP)
17- Pompe à huile (Lubrifie la mécanique du montage)

Le démarrage du compresseur :
On peut en distinguer deux variantes d'aide au démarrage:


Le démarrage par relais :
Ici on trouve en série avec l'enroulement principal (ou "de marche") un relais prêt à commander un contact permettant l'alimentation de l'enroulement auxiliaire ( ou dit "de démarrage"). Lors de la mise sous tension, le courant électrique demandé par l'enroulement principal est très important. De par ce fait, le relais (excité) pourra commander le contact, alimentant ainsi l'enroulement auxiliaire (démarrage). Le moteur pourra alors se lancer, le courant diminuera dans l'enroulement principal et donc dans le relais (désexcité).Le contact s'ouvrira, (arrêt de l'alimentation de l'enroulement auxiliaire) et le moteur continuera à tourner sur sa lancée, grâce à l'enroulement principal. Ce système n'est plus utilisé dans les appareils domestiques modernes.



Le démarrage par CTP :

Ce type de démarrage est désormais courant sur tous les compresseurs équipant les appareils nouvelle génération. La CTP est un organe dont la résistance électrique (capacité à freiner le courant) augmente lorsque sa température augmente. A la mise sous tension les enroulements principal (marche) et auxiliaire (démarrage) sont alimentés. Le moteur peut donc s'élancer. Comme pour le démarrage par relais, une fois lancé, l'enroulement auxiliaire doit être coupé. C'est la CTP qui va s'en charger. Grâce au courant la traversant, il se produit un échauffement et, par conséquent, une augmentation de sa résistance, jusqu'au blocage complet du passage du courant. Le moteur reste lancé et alimenté sur l'enroulement de marche.




Remarque:



Ces deux systèmes de démarrage ne sont pas interchangeables, car ils imposent une fabrication propre des moteurs du compresseur. Sur les moteurs à démarrage par relais, l'enroulement auxiliaire est égal à environ deux fois la valeur de l'enroulement principal. Sur les moteurs à démarrage par CTP, les valeurs des deux enroulements sont sensiblement identiques.

La sécurité thermique :

Sur les représentations schématiques précédentes, on peut remarquer, en série avec les enroulements du moteur, une sécurité thermique. Celle-ci à pour but de protéger le moteur contre une éventuelle surchauffe en cas de dysfonctionnement. Elle est constituée d'un bilame (alliage de 2 métaux collés sous la forme d'un disque) qui a la particularité de se déformer sous l'action de la chaleur. Ainsi lorsque le moteur surchauffe, ce système coupe l'alimentation électrique. De même, si le moteur force au démarrage, le courant électrique augmentera, le bilame s'échauffera, se déformera, et coupera de fait l'alimentation.

Quels symptômes et diagnostics en cas de panne ?

Pas de froid dans le réfrigérateur:

-Enroulement coupé: Mesure à l'ohmmètre

-Clapet HS: tester la compression et l'aspiration du moteur (matériel adéquat nécessaire)
-Problème mécanique.
Le compresseur "clique": La sécurité thermique s'enclenche (surchauffe, problème de démarrage, blocage mécanique, problème dans le circuit frigorifique).

























lundi 21 février 2011

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