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.

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

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).