Les critères du compresseur
Température d'évaporation la plus haute possible.
La température d'évaporation est naturellement dictée par la nécessité de maintenir dans l'espace à réfrigérer une température définie en fonction du type de denrée à conservation.
Néanmoins, l'option de "coller" le plus haut possible à cette température nécessite de choisir des systèmes de régulation adéquats pour piloter la plupart des équipements du circuit frigorifique.
Le maintien d'une température "haute" ou "haute pression" dans l'évaporateur, quelle que soit la charge frigorifique au niveau de l'évaporateur, influence :
- le choix du détendeur et de sa régulation par rapport à la surchauffe;
- le choix de la régulation du compresseur.
Régulation de la surchauffe et du débit du compresseur.
Température de condensation la plus basse possible.
La température de condensation dépend en grande partie de la température de l'air pour un condenseur à air et de la température de l'eau pour un condenseur à eau.
Néanmoins, l'option de "coller" le plus bas possible à cette température nécessite de choisir des systèmes de régulation adéquats pour piloter la plupart des équipements du circuit frigorifique.
Le maintien d'une température "basse" ou "basse pression" au condenseur, quelle que soit la charge frigorifique et les conditions externes d'échange, influence :
- le choix du détendeur et de sa régulation par rapport à la différence de pression à laquelle il est soumis;
- le choix du condenseur et de sa régulation;
- le choix de la régulation du compresseur.
Régulation de la surchauffe et du débit du compresseur et de la pression de condensation.
Les critères de choix énergétique |
Le coût du placement des installations frigorifiques commerciales est important et les compresseurs en représentent une part importante. Pour cette raison, sur le plan énergétique, il est nécessaire d'établir des critères de sélection. En réalité ils sont peu nombreux et les seuls à émerger vraiment sont :
- le coefficient de performance énergétique EER (Energy efficience Ratio) ou couramment appelé COPfroid;
- le taux de compression HP/BP;
- le rendement volumétrique.
Le coefficient de performance COP
Tous les compresseurs ne présentent pas une performance égale. Cette performance peut être mesurée via le COP de la machine frigorifique dans laquelle ils seront insérés.
Contrairement au domaine de la climatisation, en froid commercial, la détermination d'un EER ou COPfroid ARI (Air-conditioning and Refrigeration Institute). global et annuel d'une machine frigorifique n'est pas évidente à évaluer. La plupart des grandes marques adoptent très peu les protocoles d'établissement de performance énergétique des standards comme EUROVENT et
Par contre, les fabricants de compresseurs renseignent de manière précise sur leur site des valeurs de EER ou permettent l'utilisation de leur logiciel de dimensionnement et de sélection en fonction de différents paramètres tels que :
- la température d'évaporation;
- la température de condensation;
- le type de fluide frigorigène envisagé;
- la valeur de sous-refroidissement
- la valeur de surchauffe;
Pour un même compresseur sélectionné, la variation des valeurs des paramètres de sélection influence de manière différente la valeur du COP.
Prévoir dès le départ la mesure du COP de l'installation : Pour la bonne gestion future d'une grosse installation, on peut imaginer de placer un compteur d'énergie sur l'eau glycolée d'un circuit colporteur et un compteur électrique sur le compresseur (coût de l'ordre de 5 000 Euros). Il sera alors possible d'imposer un COP moyen annuel minimum à la société de maintenance... en laissant celle-ci se débrouiller pour y arriver. Un remboursement de la différence peut être prévu comme pénalité en cas de non-respect. |
Le taux de compression HP/BP
Le taux de compression HP/BP d'un compresseur, comme son nom l'indique, est le rapport de la pression absolue de refoulement par celle d'aspiration. C'est une caractéristique principalement :
- intrinsèque aux compresseurs à vis et scroll (caractéristiques géométriques et mécaniques du compresseur);
- extrinsèque aux compresseurs à piston.
Mais comme toute machine au sens large du terme, la choisir hors de son contexte ne rime à rien. Les conditions de pression au niveau du condenseur pour la haute pression et de l'évaporateur pour la basse pression.
Le taux de compression influence les performances énergétiques du compresseur en influençant le rendement volumique de la machine.
Pour rappel, les conditions de pression et de température sont dictées au niveau :
- du condenseur (haute pression) par les conditions externes de refroidissement (la température de l'air externe pour un condenseur à air par exemple);
- de l'évaporateur (basse pression) par la charge frigorifique à refroidir à une certaine température (et donc à une certaine pression).
Les compresseurs à vis et scroll
Pour les compresseurs à vis comme pour les compresseurs scroll, le risque est de sélectionner un compresseur dont le taux de compression est trop élevé : le compresseur travaillera "pour rien" puisque le fluide frigorigène sera trop comprimé puis se détendra au travers de l'orifice de refoulement jusqu'à atteindre la pression de condensation.
La pression de condensation est liée au régime de fonctionnement du condenseur de l'installation. Il importe que la pression interne de refoulement soit la plus proche possible de la pression de condensation.
Le concepteur choisira un "rapport de volume interne" (cela correspond au taux de compression, mais exprimé sous forme d'un rapport entre les volumes à l'entrée et à la sortie du compresseur) approprié au cas d'utilisation et pour lequel le compresseur exige la plus faible puissance d'entraînement possible.
Pour les cas où les conditions de pression de fonctionnement varient fortement, on a mis au point le compresseur à vis à rapport de volume interne variable.
Le taux de compression s'adapte automatiquement au rapport de pression utile en fonction des paramètres de température de condensation et de température d'évaporation.
Cette technique optimalise le rendement énergétique tant à pleine charge, qu'à charge partielle.
On peut atteindre sans problème des taux de compression importants sans trop dégrader les performances du compresseur. Des taux de compression importants sont obtenus grâce à l'huile qui réduit l'échauffement des gaz comprimés.
Les compresseurs à pistons
Pour les compresseurs à pistons, le taux de compression HP/BP est lié essentiellement aux conditions externes utiles en amont (évaporateur) et en aval (condenseur).
Pour rappel :
- Le clapet d'aspiration côté évaporateur (BP) ne s'ouvrira que pour autant que la pression à l'intérieur de la chambre de compression (au point mort bas) soit inférieure à celle dans la tuyauterie d'aspiration.
- De même, le clapet de refoulement côté condenseur (HP) ne s'ouvrira que pour autant que la pression à l'intérieur de cette même chambre e compression (au point mort haut) soit supérieure à celle régnant dans la conduite de refoulement.
En général, les compresseurs à pistons, pour des raisons mécaniques et d'étanchéité, n'admettent que des taux de compression de l'ordre de 8 voire maximum 10.
On en déduit que :
- pour les applications à froid positif (température d'évaporation de l'ordre de -3 à -14°C), les compresseurs mono étagés suffisent dans la plupart des cas.
- à l'inverse, pour les applications à froid négatif (température d'évaporation de l'ordre de -30 à -38°C), les compresseurs biétagés sont utilisés.
Le rendement volumétrique
A une vitesse donnée, un compresseur est garanti par un volume balayé; c'est une des caractéristiques de la plaque signalétique. Mais en réalité, pour certains compresseurs tel que celui à piston, le volume réel aspiré est inférieur au volume balayé. Le taux compression influence fondamentalement l'écart entre le volume réel et le volume balayé, cet écart augmentant avec l'augmentation du rapport HP/BP.
Le rendement volumétrique exprime le rapport entre le volume réel et le volume balayé. Ce rendement volumétrique souvent exprimé en fonction du taux de compression est différent pour les compresseurs à vis et ceux à piston.
Les compresseurs à vis
Étant donné que les compresseurs à vis ont un espace mort pratiquement inexistant, le rendement volumétrique de ces machines est assez bon même à des taux de compression élevés.
A titre d'exemple,
Le graphique ci-dessous illustre l'abaque que fournissent les fabricants de compresseurs à vis. Même si le taux de compression en croissant dégrade le rendement volumétrique, pour un rapport HP/BP de 12, le rendement volumétrique est toujours de 80 %. Le rendement volumétrique se dégrade lorsque la pression en aval augmente pour la simple raison que le reflux des gaz de refoulement vers l'aspiration augmente aussi.