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Les compresseurs à pistons - ESIReims 2020 - 2021 Technologie du froid industri

Les compresseurs à pistons - ESIReims 2020 - 2021 Technologie du froid industriel Les compresseurs à pistons Hélène MACCHI-TEJEDA – Jacques GUILPART helene.tejeda@gmail.com 2020 - 2021 1 Les compresseurs à pistons - ESIReims 2020 - 2021 Principe de la compression Caractéristiques géométriques Rendements du compresseur La compression multi étagée Les compresseurs ouverts Les compresseurs hermétiques Les compresseurs semi-hermétiques La lubrification La variation de puissance Les dispositifs anti coup de liquide Plan 2 Les compresseurs à pistons - ESIReims 2020 - 2021 3 Principe de la compression à pistons Principe de la compression Les compresseurs à pistons - ESIReims 2020 - 2021 Principe de la compression Principe de la compression à pistons 4 Vilebrequin Bielle Piston Cylindre Clapets (permettent l’aspiration et le refoulement) Chaque piston présente un mouvement alternatif dans un cylindre. Lors de l'aller, le piston aspire le fluide à une certaine pression puis le comprime au retour. Pour cela, chaque piston est muni d'une entrée et d'une sortie à clapet. • Le clapet d’aspiration ne peut laisser passer le gaz que vers la chambre du piston. • À l'inverse, le clapet de refoulement ne peut laisser passer le gaz que vers le circuit extérieur. De plus, il offre une certaine résistance, de façon à ne s'ouvrir que lorsque la pression de l'intérieur de la chambre du cylindre atteint une valeur suffisante. Les compresseurs à pistons - ESIReims 2020 - 2021 5 Aspiration gaz BP Refoulement gaz HP Le piston est au PMB (point mort bas), le cylindre est rempli de vapeur BP. Le clapet d’aspiration vient de se refermer. Le clapet de refoulement est fermé. Lubrification par barbotage des pieds de bielle 1 Voici le fonctionnement pas à pas : 1. Le piston « descend » jusqu’au point mort bas PMB : la dépression créée à l'intérieur du cylindre entraîne l'ouverture du clapet d'aspiration et le fluide est aspiré. Le clapet de refoulement est fermé, car il ne marche que dans un sens. Principe de la compression Les compresseurs à pistons - ESIReims 2020 - 2021 6 2 2. Le piston commence sa « remontée » : le fluide commence à se comprimer, car il ne peut sortir par le clapet d'admission (clapet anti- retour) et sa pression n'est pas suffisante pour pousser le clapet de refoulement (maintenu en place par un ressort contre-clapet par exemple). Le fluide ne pouvant s'échapper, il se comprime, car la « remontée » du piston diminue le volume dans le cylindre. Principe de la compression Les compresseurs à pistons - ESIReims 2020 - 2021 7 Principe de la compression 3. La pression du fluide atteint la pression voulue : cette pression est suffisante pour ouvrir le clapet de refoulement et le fluide sous pression s'échappe donc. Le piston finissant sa remontée (point mort haut PMH), il chasse le fluide tout en maintenant sa pression. 3 Collecteur de refoulement Les compresseurs à pistons - ESIReims 2020 - 2021 8 Principe de la compression 4. Un nouveau cycle recommence alors, le clapet d'échappement se fermant lorsque le piston arrive à sont point mort haut. 4 < Un compresseur à piston est muni de plusieurs pistons, dont les phases d'admission et d'échappement sont décalées pour avoir une sortie de fluide plus constante. Espace mort Les compresseurs à pistons - ESIReims 2020 - 2021 9 Caractéristiques géométriques du compresseur Caractéristiques géométriques Les compresseurs à pistons - ESIReims 2020 - 2021 10 • Le cylindre peut être usiné directement dans la fonderie du carter ou bien être constitué par une chemise amovible en fonte extrafine. Le diamètre interne du cylindre est l’alésage D. Le cylindre est surmonté par les clapets et fermé par la culasse qui peut être commune à plusieurs cylindres. • Le piston est en alliage d’aluminium avec un usinage particulier de la tête s’adaptant au mieux à la partie inférieure des clapets d’aspiration pour réduire l’espace mort. Il comporte 2 ou 3 segments en fonte chromée et un segment râcleur d’huile. • Dans la jupe sont prévus les logements de l’axe du piston, généralement en tube épais en acier à haute résistance, oscillant dans le pied de bielle. • Le déplacement du piston entre son PMH et son PMB constitue la course C. Caractéristiques géométriques du compresseur Caractéristiques géométriques ε = espace mort Course C D : alésage Aspiration à l’évapo Refoulement (vers Cd) Pied de bielle Axe du piston PMH PMB Les compresseurs à pistons - ESIReims 2020 - 2021 • La cylindrée = avec nc nombre de cylindres cylindrée en cm3 si C et D en cm, en m3 si C et D en m • Le débit volume balayé ou engendré : • Le rendement volumétrique du fait de l’espace mort et des fuites entre piston et cylindre • L’espace mort des compresseurs frigos se situe entre 1 et 4% => assez bon rendement volumétrique 11 Caractéristiques géométriques € Vcylindre nc = π D2 4 C nc € ηv = V aspiré V balayé = Va Vb € V . b = π D2 4 C nc N N la vitesse de rotation € = V . aspiré V . balayé = V . a V . b ⎛ ⎝ ⎜ ⎜ ⎞ ⎠ ⎟ ⎟ Les compresseurs à pistons - ESIReims 2020 - 2021 12 Rendements du compresseur Rendements du compresseur Les compresseurs à pistons - ESIReims 2020 - 2021 13 Cycle du compresseur (1/3) Espace mort : jeu entre le fond du cylindre et le piston à son point mort haut (contrainte technologique) aspiration compression refoulement détente Vr : réel ε = espace mort Course C D : alésage Vth : théorique Aspiration à l’évapo Refoulement (vers Cd) Compresseur réel (avec espace mort) Compresseur parfait sans espace mort 4’ 2’ Diagramme indiqué (de Clapeyron) : tracé dans les axes p,v de l’évolution de la vapeur déplacée par le Cp par tour d’arbre. L’aire est proportionnelle au travail des forces de pression. Pour superposer les cycles, on décale l’axe des pressions de la valeur de l’espace mort. Rendements du compresseur Les compresseurs à pistons - ESIReims 2020 - 2021 14 Cycle du compresseur (2/3) aspiration compression refoulement détente Vr : réel Vth : théorique 4’ 2’ Compresseur réel (avec espace mort) Compresseur parfait sans espace mort Compresseur à pistons parfait (isentropique) sans espace mort 34’ détente nulle 4’1 course d’aspiration (en l’absence d’espace mort, c’est la totalité du Vbalayé par le piston) 12’ course de compression isentropique 2’3 course de refoulement Pour un aller et retour du piston, le compresseur parfait sans espace mort déplace un volume Vth du frigorigène. Rendements du compresseur Les compresseurs à pistons - ESIReims 2020 - 2021 15 Cycle du compresseur (3/3) aspiration compression refoulement détente Vr : réel Vth : théorique 4’ 2’ Compresseur réel (avec espace mort) Compresseur parfait sans espace mort Compresseur à pistons réel avec espace mort 34 détente du gaz dans l’espace mort qui entraîne un retard à l’ouverture du clapet d’aspiration 41 course d’aspiration (fraction de la course géométrique) 12 course de compression réelle 2’3 course de refoulement Pour un aller et retour du piston, le compresseur réel avec espace mort déplace un volume Vr < Vth du frigorigène en raison du retard à l’ouverture du clapet d’aspiration. € ηv = Vr Vth = rendement volumétrique Rendements du compresseur Les compresseurs à pistons - ESIReims 2020 - 2021 16 Rendements d’un compresseur (1/5) La qualité d’un compresseur réel peut être caractérisée par les rendements suivants, Rendement indiqué Ce rapport caractérise la compression réelle (puissance indiquée) du frigorigène par rapport à la compression théorique (puissance théorique). Cette comparaison peut être faite sur le diagramme indiqué. € ηi = puissance théorique du Cp parfait puissance réellement transmise au fluide € = puissance théorique puissance indiquée soit ηi = Wis . Wi . ηi prend donc en compte les irréversibilités de la compression et l’espace mort. En première approche ηi = ηv Rendements du compresseur Les compresseurs à pistons - ESIReims 2020 - 2021 17 Rendements d’un compresseur (2/5) Rendement mécanique Un compresseur réel subit des pertes mécaniques par lesquelles une partie de la puissance effectivement fournie sur l’arbre est dégradée et transformée en chaleur (dégradation due aux irréversibilités thermodynamiques). Le rendement mécanique est le rapport de la puissance indiquée à la puissance effective (fournie sur l’arbre du compresseur). € ηm = W . i W . eff • Pour les compresseurs de petite puissance (jusqu’à 10 kW), ηm est de l’ordre de 0,80 à 0,85 ; • pour des puissances supérieures à 50 kW ηm ≈ 0,90 à 0,93 Rendement effectif (ou global) Par rapport au compresseur parfait. Il compare la puissance minimale nécessaire pour assurer la compression du frigorigène (compresseur parfait), et la puissance réellement fournie au compresseur. € ηeff = W . is W . eff Rendements du compresseur Les compresseurs à pistons - ESIReims 2020 - 2021 ηélec Moteur : ηelec 18 Rendements du compresseur Rendements d’un compresseur (3/5) Transmission ηtr Compresseur : ηm , ηi => ηeff frigorigène € W . elec Puissance électrique absorbée € (1−ηélec ).Wélec uploads/Geographie/ 3a-esireims-pistons-part-1-2021-v2 1 .pdf