Que fait le compresseur dans un système de réfrigération ?

Le compresseur est le cœur de tout système de réfrigération. Sa mission première est de comprimer la vapeur de réfrigérant à basse pression en vapeur à haute pression et à haute température , qui s'écoule ensuite vers le unité de condensation où la chaleur est rejetée dans le milieu environnant. Sans compresseur fonctionnel, tout le cycle de réfrigération s’arrête : pas de refroidissement, pas de transfert de chaleur, pas de contrôle de la température.

En termes pratiques, le compresseur agit comme une pompe qui maintient le réfrigérant en circulation dans le système. Il absorbe la vapeur à basse pression revenant de l'évaporateur, augmente considérablement sa pression et sa température et la pousse vers le serpentin du condenseur à l'intérieur de l'unité de condensation. Cette différence de pression est ce qui entraîne le mouvement du réfrigérant et permet à l’ensemble du cycle thermodynamique de fonctionner en continu.

Comment le compresseur s'intègre dans le cycle de réfrigération complet

La réfrigération fonctionne selon un cycle de compression de vapeur impliquant quatre composants clés : le compresseur, le condenseur, le détendeur et l'évaporateur. Chacun joue un rôle distinct, mais le compresseur initie et entretient le cycle en créant le différentiel de pression dont dépend tout le reste.

Voici comment le cycle se déroule étape par étape :

1. Le réfrigérant pénètre dans l'évaporateur sous forme de liquide à basse pression et absorbe la chaleur de l'espace réfrigéré, s'évaporant en vapeur.
2. Cette vapeur à basse pression se déplace vers le compresseur, qui la comprime, augmentant ainsi considérablement la pression et la température.
3. La vapeur chaude à haute pression pénètre dans l'unité de condensation, où le serpentin et le ventilateur du condenseur rejettent la chaleur vers l'air extérieur, provoquant la condensation du réfrigérant en un liquide.
4. Le liquide à haute pression traverse le détendeur, perdant en pression et en température avant de rentrer dans l'évaporateur.

Le compresseur est le seul composant de cette boucle qui ajoute de l'énergie au réfrigérant. Une étape sur deux transfère la chaleur de manière passive ou utilise une mécanique de pression. C'est pourquoi l'efficacité du compresseur détermine directement la consommation énergétique globale de l'ensemble du système.

Ce que fait réellement le compresseur au réfrigérant

Lorsque la vapeur de réfrigérant pénètre dans le compresseur à une pression d'aspiration - généralement comprise entre 10 PSI et 70 PSI en fonction du type de réfrigérant et de l'application, le compresseur réduit mécaniquement le volume de cette vapeur. Selon les lois sur les gaz, réduire le volume tout en maintenant la masse constante augmente la pression. Le compresseur augmente la pression de refoulement à n'importe quel niveau de 100 PSI à plus de 400 PSI dans les applications à haute température.

Parallèlement à la pression, la température augmente fortement. Une vapeur de réfrigérant qui entre dans le compresseur à peut-être 20 °F (−7 °C) peut sortir à des températures de refoulement supérieures à 150 °F (65 °C) ou plus. Cette vapeur chaude et sous pression est exactement ce dont l’unité de condensation a besoin pour évacuer efficacement la chaleur dans l’air ambiant.

C'est pourquoi la relation entre le compresseur et le groupe de condensation est indissociable. L'unité de condensation, qui abrite le compresseur, le serpentin du condenseur, le ventilateur du condenseur et les commandes associées, s'appuie sur le compresseur pour fournir du réfrigérant à la pression et à la température appropriées pour que la condensation se produise efficacement.

Types de compresseurs utilisés dans les systèmes de réfrigération

Tous les compresseurs ne fonctionnent pas de la même manière. Le type utilisé dans une unité de condensation a un impact significatif sur les performances, le niveau sonore, les exigences de maintenance et l'adéquation à l'application.

Compresseurs alternatifs

Ceux-ci utilisent des pistons entraînés par un vilebrequin pour comprimer le réfrigérant. Ils sont très polyvalents et gèrent une large gamme de pressions et de réfrigérants. Commun dans les unités de condensation de réfrigération commerciale de 1 CV à 15 CV , les compresseurs alternatifs sont durables mais peuvent être bruyants et nécessiter un entretien périodique des vannes.

Compresseurs Faire défiler

Les compresseurs à spirale utilisent deux spirales imbriquées en forme de spirale pour comprimer le réfrigérant. Une volute reste stationnaire tandis que l’autre tourne, réduisant progressivement le volume de gaz. Ils sont plus silencieux, plus efficaces et comportent moins de pièces mobiles que les types alternatifs. La plupart des unités de condensation résidentielles et commerciales légères modernes utilisent des compresseurs scroll. Les cotes d'efficacité (EER) pour les systèmes à défilement sont souvent 10 à 15 % plus élevé que les modèles alternatifs équivalents.

Compresseurs rotatifs

Les compresseurs rotatifs utilisent un piston roulant à l'intérieur d'un cylindre pour comprimer le réfrigérant. Ils sont compacts, légers et on les trouve couramment dans les petites unités de réfrigération et les climatiseurs de fenêtre. Leur conception simple se traduit par de faibles vibrations et un fonctionnement silencieux, bien qu'ils soient mieux adaptés aux applications de plus petite capacité sous 2 CV .

Compresseurs à vis

Les compresseurs à vis utilisent des rotors hélicoïdaux jumeaux pour comprimer le réfrigérant en continu. Ils sont conçus pour les grandes applications de réfrigération commerciale et industrielle, allant généralement de 20 CV à plusieurs centaines de CV . Présents dans les grandes unités de condensation utilisées dans les entrepôts frigorifiques, les usines de transformation des aliments et les refroidisseurs industriels, les compresseurs à vis offrent des performances constantes et peuvent être facilement modulés en capacité.

Compresseurs centrifuges

Utilisés dans les systèmes de refroidissement à très grande échelle, les compresseurs centrifuges s'appuient sur des turbines rotatives à grande vitesse pour accélérer la vapeur de réfrigérant et convertir la vitesse en pression. Ils sont plus efficaces sous des charges élevées et sont généralement utilisés dans des systèmes dépassant 200 tonnes de capacité de refroidissement .

Le rôle du compresseur à l'intérieur de l'unité de condensation

Une unité de condensation est un ensemble autonome qui comprend généralement le compresseur, le serpentin du condenseur, le moteur du ventilateur du condenseur, les pales du ventilateur, les conduites de réfrigérant, les commandes électriques et une armoire de protection. Le compresseur est monté à l’intérieur de cette unité – généralement à la base – et est le composant qui consomme le plus d’énergie électrique.

Dans une unité de condensation refroidie par air standard, le compresseur met le réfrigérant sous pression et l'envoie directement dans le serpentin du condenseur, qui est positionné de manière à ce que le ventilateur du condenseur puisse aspirer ou pousser l'air ambiant à travers celui-ci. L'efficacité du rejet de chaleur au niveau du serpentin du condenseur dépend directement du compresseur qui délivre le réfrigérant à la pression de refoulement correcte.

Si le compresseur ne fonctionne pas correctement – ​​en raison de plaques de soupape usées, de fuites de réfrigérant ou de défauts électriques – l'unité de condensation dans son ensemble perd sa capacité à rejeter la chaleur de manière adéquate. Cela provoque une augmentation de la température de condensation saturée du système, augmentant ainsi la pression de refoulement, réduisant l'efficacité et conduisant finalement au verrouillage du système sur les commandes de sécurité haute pression.

Le compresseur représente environ 70 à 90 % de l'énergie électrique totale consommée par une unité de condensation. pendant le fonctionnement normal. Cela en fait l’élément le plus important à entretenir et à protéger.

Comment les performances du compresseur affectent l'efficacité du système

L'efficacité du compresseur est mesurée par le coefficient de performance (COP) et le ratio d'efficacité énergétique (EER). Un COP plus élevé signifie une puissance de refroidissement plus élevée par unité d’énergie électrique consommée. Les compresseurs scroll modernes à haut rendement utilisés dans les unités de condensation commerciales peuvent atteindre des COP de 3,5 à 5,0 , ce qui signifie qu'ils fournissent 3,5 à 5 unités d'énergie de refroidissement pour chaque unité d'énergie électrique consommée.

Plusieurs facteurs affectent l'efficacité du compresseur dans son travail :

• Taux de compression : Le rapport entre la pression de refoulement et la pression d'aspiration. Des ratios plus élevés signifient que le compresseur travaille plus fort et consomme plus d'énergie. Maintenir les températures de condensation basses (en maintenant les serpentins du condenseur propres) réduit le taux de compression et améliore l'efficacité.
• Surchauffe d'aspiration : Le réfrigérant entrant dans le compresseur doit être légèrement surchauffé (5 à 10 °F / 3 à 6 °C au-dessus de la température de vapeur saturée) pour éviter les coups de liquide, qui peuvent détruire les composants de la vanne.
• Température ambiante : À mesure que la température extérieure augmente, l'unité de condensation doit fonctionner dans une température ambiante plus élevée, ce qui augmente la pression de refoulement et réduit l'efficacité du compresseur. À une température ambiante de 95 °F (35 °C), une unité de condensation typique peut consommer 15 à 25 % d'énergie en plus qu'à 70°F (21°C).
• Charge de réfrigérant : Un système surchargé ou sous-chargé oblige le compresseur à fonctionner en dehors de sa plage de pression conçue, réduisant ainsi l'efficacité et risquant de subir des dommages mécaniques.
• Efficacité du moteur : Les compresseurs à vitesse variable (entraînés par un inverseur) peuvent moduler la capacité de 20 % à 100 %, correspondant à la demande de charge réelle et évitant le gaspillage d'énergie lié aux cycles marche/arrêt.

Problèmes courants de compresseur et ce qu'ils signifient pour le système

Lorsque le compresseur présente des problèmes, les symptômes apparaissent souvent dans l’ensemble du système de réfrigération, et pas seulement au niveau du compresseur lui-même. Comprendre ces modes de défaillance permet de diagnostiquer les problèmes avant qu’ils n’entraînent un grillage complet du compresseur, qui constitue l’une des réparations les plus coûteuses de toute unité de condensation.

Défaillance de la vanne

Dans les compresseurs alternatifs, les soupapes d'aspiration et de refoulement peuvent se fissurer ou se déformer à cause des coups de liquide ou du vieillissement. Une vanne défectueuse réduit la capacité du compresseur à maintenir une pression différentielle, ce qui entraîne faible pression de refoulement et faible capacité de refroidissement malgré le fonctionnement du compresseur. L'intensité absorbée tombe généralement en dessous de la valeur nominale de la plaque signalétique.

Épuisement électrique

Les défaillances des enroulements se produisent lorsque l'isolation du moteur se brise en raison d'une surchauffe, d'un déséquilibre de tension ou d'une contamination par l'humidité. Un compresseur grillé libère de l'acide dans le circuit frigorifique, qui doit être éliminé à l'aide de filtres déshydrateurs à aspiration avant d'en installer un de remplacement. Les pannes électriques représentent une part importante des pannes de compresseurs, selon les données de l'industrie. jusqu'à 30 à 40 % des pannes de compresseur avoir une origine électrique.

Coups de liquide

Si du réfrigérant liquide ou de l'huile pénètre dans la chambre de compression du compresseur, il ne peut pas être comprimé (les liquides sont incompressibles) et le choc hydraulique qui en résulte peut fissurer les pistons, plier les bielles ou endommager les enveloppes de volute. Cela se produit lorsque le système est surchargé, que le détendeur ne s'ouvre pas ou que l'évaporateur devient trop froid et que le réfrigérant retourne vers le compresseur pendant le cycle d'arrêt.

Surchauffe

Les compresseurs dépendent du retour de vapeur de réfrigérant pour évacuer la chaleur des enroulements du moteur. Si la surchauffe de la conduite d'aspiration est trop élevée, par exemple au-dessus 65°F (36°C) à l'entrée du compresseur — le réfrigérant n'est pas assez dense pour refroidir efficacement le moteur, ce qui entraîne une surchauffe et une éventuelle panne des enroulements. Cela résulte souvent de conduites d'aspiration sous-dimensionnées, d'une charge excessive du système ou d'une faible charge de réfrigérant.

Usure des roulements

Les compresseurs lubrifiés à l'huile dépendent d'une bonne circulation de l'huile pour maintenir les roulements lubrifiés. Une faible charge de réfrigérant, une migration de réfrigérant diluant l'huile ou une mauvaise viscosité de l'huile peuvent entraîner une usure accélérée des roulements. Il en résulte une augmentation du bruit mécanique (cognements ou grincements provenant de l'unité de condensation) et un éventuel grippage mécanique.

Protéger le compresseur : des pratiques de maintenance importantes

Le compresseur étant à la fois le composant le plus critique et généralement le plus coûteux d’une unité de condensation, il est essentiel de le protéger grâce à un entretien et une gestion du système appropriés. Les pratiques suivantes prolongent directement la durée de vie du compresseur.

• Gardez les serpentins du condenseur propres : Les serpentins sales de l'unité de condensation augmentent la pression de refoulement, obligeant le compresseur à travailler plus fort. Les serpentins doivent être nettoyés au moins deux fois par an dans les applications commerciales, plus souvent dans des environnements poussiéreux ou riches en débris. Un Une augmentation de 10 °F (6 °C) de la température de condensation peut réduire l'efficacité du compresseur de 5 à 8 % et raccourcir la durée de vie.
• Maintenir une charge de réfrigérant correcte : Vérifiez et vérifiez la charge de réfrigérant à l’aide de mesures de sous-refroidissement et de surchauffe. Une sous-facturation de juste 10% peut réduire la capacité du système de 20 % et provoquer une surchauffe du compresseur.
• Surveiller régulièrement les pressions de fonctionnement : Des pressions d’aspiration ou de refoulement anormales sont des indicateurs précoces de l’apparition de problèmes. Enregistrez les pressions lors de chaque visite de service et comparez les tendances au fil du temps.
• Vérifier la qualité de l'alimentation électrique : Déséquilibre de tension supérieur à 2% entre les phases d'un compresseur triphasé peut provoquer un déséquilibre de courant jusqu'à 10 fois ce pourcentage, augmentant considérablement la chaleur du moteur et raccourcissant la durée de vie de l'isolation des enroulements.
• Installer les réchauffeurs de carter : Pour les systèmes exposés à de basses températures ambiantes, les réchauffeurs de carter empêchent la migration du réfrigérant dans l'huile du compresseur pendant le cycle d'arrêt, protégeant ainsi contre les coups de liquide au démarrage.
• Vérifiez les condensateurs et les contacteurs : Les condensateurs de démarrage et de fonctionnement affectent directement les caractéristiques de démarrage et de fonctionnement du moteur du compresseur. Des condensateurs faibles provoquent des démarrages difficiles qui sollicitent les enroulements du compresseur. Les contacteurs doivent être inspectés pour détecter les piqûres et remplacés avant qu’ils ne provoquent des problèmes de connexion intermittents.

Dimensionnement du compresseur et adaptation à l'unité de condensation

Le choix de la bonne taille de compresseur est l’une des décisions les plus importantes dans la conception d’un système de réfrigération. Un compresseur surdimensionné effectue des cycles courts (s'allume et s'éteint trop fréquemment), ce qui provoque des variations de température, une usure excessive et un fonctionnement inefficace. Un compresseur sous-dimensionné fonctionne en continu, ne peut pas atteindre les températures de consigne et fonctionne à des températures de refoulement élevées qui raccourcissent sa durée de vie.

Le dimensionnement du compresseur est exprimé en chevaux-vapeur (HP) ou en tonnes de réfrigération (TR), où 1 tonne de réfrigération équivaut à 12 000 BTU/h de capacité de refroidissement . Un dimensionnement approprié nécessite de calculer la charge thermique totale de l'espace réfrigéré, en tenant compte de :

• Charge de transmission (chaleur pénétrant à travers les murs, les sols et les plafonds)
• Charge d'infiltration (air chaud entrant par les ouvertures de porte)
• Charge de produits (chaleur qui doit être évacuée des produits stockés)
• Charges internes (éclairage, moteurs, personnes à l'intérieur de l'espace)
• Charge descendante (la capacité supplémentaire nécessaire pour ramener un espace chaud au point de consigne initial)

L'unité de condensation sélectionnée doit contenir un compresseur conçu pour gérer cette charge totale dans les conditions de fonctionnement prévues — en particulier à la température d'aspiration de conception (liée à la température d'évaporation) et à la température de condensation de conception (liée à la température ambiante plus la température d'approche du serpentin du condenseur).

La plupart des fabricants de compresseurs et d'unités de condensation publient des tableaux de performances indiquant la capacité à différentes températures d'aspiration et températures de condensation. Sélectionnez toujours en fonction des conditions de fonctionnement réelles, et pas uniquement des valeurs nominales indiquées sur la plaque signalétique, qui sont généralement données dans des conditions de test ARI standard qui peuvent ne pas correspondre à une application réelle.

Compresseurs à vitesse variable dans les unités de condensation modernes

Les compresseurs traditionnels fonctionnent à une vitesse fixe : ils sont soit complètement allumés, soit complètement éteints. Cette opération binaire signifie que le système fonctionne toujours à pleine capacité lorsqu'il est allumé, que la pleine capacité soit ou non nécessaire. Les unités de condensation modernes utilisent de plus en plus des compresseurs à vitesse variable entraînés par un inverseur qui ajustent continuellement leur vitesse pour correspondre à la demande réelle de refroidissement.

Les économies d'énergie peuvent être substantielles. Lorsqu'un système de réfrigération n'a besoin que de 60 % de sa capacité nominale, un compresseur à vitesse variable fonctionnant à vitesse réduite consomme beaucoup moins d'énergie qu'un compresseur à vitesse fixe cycliquement allumé et éteint. Des études ont montré que les unités de condensation à vitesse variable peuvent réduire la consommation d'énergie du compresseur de 30 à 50 % dans les applications avec des profils de charge variables par rapport aux équivalents à vitesse fixe.

Les avantages supplémentaires des compresseurs à vitesse variable comprennent :

• Températures des espaces réfrigérés plus stables grâce à la capacité de modulation au lieu des variations de température dues au cycle marche/arrêt
• Usure mécanique réduite grâce à l'élimination des cycles de démarrage/arrêt fréquents
• Faible consommation de courant de pointe au démarrage, réduisant ainsi les frais de demande sur les factures de services publics
• Meilleur contrôle de l'humidité dans les applications de refroidissement de précision

Les compresseurs à vitesse variable s'accompagnent certes d'un coût initial plus élevé et de commandes électroniques plus complexes, mais les économies d'exploitation réalisées dans les applications commerciales offrent généralement des périodes d'amortissement de 2 à 4 ans en fonction des heures d'ouverture et des coûts d'électricité locaux.

Lecture des diagnostics du compresseur : pressions, températures et ampérage

Pour les techniciens et les gestionnaires d’installations, comprendre à quoi ressemblent les paramètres de fonctionnement normaux du compresseur rend le diagnostic des problèmes beaucoup plus simple. Trois mesures sont essentielles : la pression d'aspiration, la pression de refoulement et l'intensité absorbée.

Pression d'aspiration

La pression d'aspiration correspond à la température d'évaporation. Pour une application de réfrigération à moyenne température utilisant du R-404A avec une température de boîte de 35°F (2°C), la pression d'aspiration doit généralement être d'environ 45 à 55 livres par pouce carré , correspondant à une température d'évaporation d'environ 20 à 25 °F (-7 à -4 °C). Une faible pression d'aspiration indique généralement une faible charge de réfrigérant, un dispositif de dosage restreint ou un compresseur surdimensionné. Une pression d'aspiration élevée peut indiquer une surcharge de réfrigérant, une charge de produit élevée ou des vannes de compresseur défaillantes.

Pression de décharge

La pression de refoulement reflète la température de condensation à l'intérieur du serpentin du condenseur de l'unité de condensation. Pour le R-404A à une température ambiante de 95 °F (35 °C) avec un condenseur correctement propre, la pression de décharge doit être d'environ 250 à 280 livres par pouce carré . Une pression de refoulement élevée (au-dessus de 300 PSI dans ce scénario) indique des serpentins du condenseur sales, un débit d'air inadéquat autour de l'unité de condensation, une surcharge de réfrigérant ou des gaz non condensables dans le système.

Consommation d'ampérage

Comparer l'ampérage mesuré à la plaque signalétique du compresseur RLA (Rated Load Amperage) est un contrôle de santé rapide. Un ampérage nettement supérieur à RLA indique que le compresseur travaille trop fort, généralement à cause d'une pression de refoulement élevée ou de problèmes mécaniques. Un ampérage bien inférieur à RLA suggère une faible pression d'aspiration ou des soupapes de refoulement défaillantes qui réduisent le travail de compression efficace.

Quand remplacer ou réparer un compresseur dans une unité de condensation

Le remplacement du compresseur est coûteux, allant généralement de 500 $ à 3 000 $ ou plus pour le compresseur seul, plus la main d'oeuvre. La décision de remplacer ou de réparer (ou de remplacer l’ensemble de l’unité de condensation) dépend de plusieurs facteurs.

• Âge du groupe de condensation : Si l'unité est supérieure à 10-12 ans , remplacer uniquement le compresseur peut ne pas avoir de sens économique. D'autres composants tels que le serpentin du condenseur, le moteur du ventilateur et les commandes vieillissent également et peuvent tomber en panne peu de temps après le remplacement du compresseur.
• Type de panne : Une panne mécanique (vanne cassée, roulements usés) n'ayant pas contaminé le circuit réfrigérant peut justifier le remplacement du compresseur uniquement par une unité plus récente. Une panne électrique qui a propagé l'acide dans tout le système nécessite un nettoyage en profondeur et rend souvent le remplacement complet de l'unité plus pratique.
• Type de réfrigérant : Il serait peut-être préférable de remplacer entièrement les unités utilisant des réfrigérants progressivement abandonnés tels que le R-22 ou le R-404A par des unités de condensation plus récentes et plus efficaces fonctionnant avec des réfrigérants à faible PRG comme le R-448A ou le R-454C, évitant ainsi les coûts d'approvisionnement et de conformité continus.
• Identification des causes profondes : Avant de remplacer un compresseur, la cause sous-jacente de la panne doit être identifiée et corrigée. L'installation d'un nouveau compresseur dans un système présentant le même problème sous-jacent — serpentins de condenseur sales, charge de réfrigérant inappropriée, problèmes de tension — garantit également que le remplacement échouera prématurément.