Metierium
Chapter III

Compresseurs

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Chapitre 3 — Compresseurs

Les quatre types de compresseurs — piston, scroll, vis, centrifuge (animation) Les quatre types de compresseurs À piston (alternatif) Asp. Ref. 5 – 500 kW COP moyen Pièces mobiles ++ Scroll (à spirale) 2 – 100 kW COP élevé Silencieux À vis (rotatif) 50 – 2000 kW COP élevé Industriel Centrifuge (turbine) 200 – 10 000 kW COP très élevé Grands bâtiments

Objectifs d'apprentissage

À la fin de ce chapitre, vous serez en mesure de :

5.Expliquer le rôle du compresseur dans le cycle frigorifique et son importance pour l'efficacité du système.
6.Distinguer les quatre types principaux de compresseurs (piston, vis, scroll, centrifuge) et leurs applications.
7.Diagnostiquer les pannes courantes des compresseurs à partir des symptômes observables.
8.Planifier et exécuter un programme d'entretien préventif conforme à la CSA B52.
9.Comprendre les systèmes de lubrification, de refroidissement et de protection des compresseurs.

3.1 Concepts pour débutants

Le compresseur établit l'écart de pression qui rend possible l'évaporation à basse température et la condensation à température plus élevée. Avant de comparer les technologies, il faut maîtriser les notions de débit massique, rapport de compression, retour d'huile, refroidissement du moteur et protections contre le coup de liquide.

Le compresseur, cœur du système

Imaginez votre cœur qui pompe le sang dans votre corps : il doit générer suffisamment de pression pour que le sang circule jusqu'aux extrémités de vos membres et revienne. Le compresseur fait exactement la même chose pour le frigorigène : il le fait circuler dans tout le circuit frigorifique et augmente sa pression pour qu'il puisse se condenser à température ambiante.

Deux fonctions essentielles :

15.Augmenter la pression : Le frigorigène à basse pression sortant de l'évaporateur doit être comprimé à une pression suffisante pour que sa température de saturation soit supérieure à la température ambiante. Sans cette augmentation de pression, la condensation serait impossible.
16.Assurer la circulation : Le compresseur crée la différence de pression qui fait circuler le frigorigène dans tout le circuit. C'est le « moteur » du cycle.

Les paramètres de base à connaître

Débit volumétrique (m³/h) : Volume de gaz que le compresseur peut aspirer par unité de temps. Dépend de la cylindrée (pour un piston) ou du volume balayé (pour un vis ou un scroll).

Rapport de compression (π) : Rapport entre la pression absolue de refoulement et la pression absolue d'aspiration. Plus ce rapport est élevé, plus le travail de compression est important.

π = P_refoulement_abs / P_aspiration_abs
Un rapport de 3:1 à 5:1 est typique pour les systèmes moyenne température
Au-delà de 10:1, une compression à deux étages est nécessaire

Rendement volumétrique (η_v) : Rapport entre le volume réellement aspiré et le volume théorique (cylindrée). Ce rendement est toujours inférieur à 100 % à cause de :

L'espace mort (clearance volume) entre le piston et la culasse.
L'échauffement du gaz aspiré au contact des parois chaudes.
Les fuites aux soupapes et aux segments.
Les pertes de charge à l'aspiration.

Exemple numérique : Un compresseur à piston a une cylindrée de 50 m³/h. Le rendement volumétrique est de 80 %. Le débit réel est de 50 × 0,80 = 40 m³/h.

3.2 Types de compresseurs — Analyse détaillée

Chaque type de compresseur impose ses propres limites de rendement, de modulation, de lubrification et de maintenance. Le choix entre piston, vis, centrifuge ou scroll dépend de la capacité, du frigorigène, des conditions d'exploitation, du bruit, de la redondance et de la criticité du procédé frigorifique.

3.2.1 Compresseurs à piston (alternatifs)

Principe de fonctionnement détaillé :

Le piston se déplace de haut en bas dans un cylindre grâce au mouvement rotatif du vilebrequin transformé en mouvement linéaire par la bielle. Lorsque le piston descend (course descendante), il crée une dépression dans le cylindre. La soupape d'aspiration s'ouvre et le gaz est aspiré. Lorsque le piston remonte (course montante), il comprime le gaz, forçant la fermeture de la soupape d'aspiration et l'ouverture de la soupape de refoulement.

Composants internes détaillés :

35.Piston et segments :
Segments de compression (2-3 segments supérieurs) : Assurent l'étanchéité entre le piston et la paroi du cylindre.
Segment racleur d'huile (segment inférieur) : Contrôle la quantité d'huile sur la paroi du cylindre.
Usure normale : 0,1 à 0,3 mm de jeu après 10 000 heures.
39.Soupapes :
Soupapes d'aspiration : Lamelles en acier trempé qui s'ouvrent lorsque la pression dans le cylindre est inférieure à la pression d'aspiration.
Soupapes de refoulement : S'ouvrent lorsque la pression dans le cylindre dépasse la pression de refoulement.
Durée de vie typique : 8 000 à 15 000 heures.
Cause fréquente de panne : Rupture par fatigue due aux pulsations de pression.
44.Vilebrequin et paliers :
Paliers lisses (coussinets) : Supportent les charges radiales du vilebrequin.
Paliers de bielle : Relient la bielle au vilebrequin.
Paliers d'axe de piston : Relient la bielle au piston.
Jeu de fonctionnement : 0,05 à 0,15 mm.
49.Joint de vilebrequin :
Joint à lèvre : Simple, économique, durée de vie 5 000-10 000 heures.
Joint mécanique : Plus coûteux, durée de vie 15 000-25 000 heures.
Une fuite au joint est une cause fréquente de perte de frigorigène.

Avantages développés :

Très large gamme de capacités (1 à plus de 500 TR).
Bon rendement à charge partiale (grâce à la régulation par cylindres inactifs).
Tolérance relative aux variations de conditions de fonctionnement.
Coût de fabrication bien établi et modéré.
Facilité d'entretien pour les modèles ouverts (accès aux composants internes).

Inconvénients développés :

Mouvement alternatif = vibrations importantes (nécessite des silentblocs).
Nombreuses pièces mobiles (soupapes, segments, paliers) = entretien fréquent.
Sensibilité aux coups de liquide (slugging) : le liquide est incompressible, et sa présence dans le cylindre peut plier la bielle ou casser la culasse.
Bruit élevé, surtout à pleine charge.
Rendement volumétrique réduit à haut rapport de compression.

Applications typiques au Québec :

Réfrigération commerciale (chambres froides, comptoirs réfrigérés, vitrines).
Congélateurs de grande capacité.
Conditionnement d'air de petite à moyenne puissance.
Systèmes de réfrigération pour les serres et les entrepôts.

3.2.2 Compresseurs à vis (rotatifs)

Principe de fonctionnement détaillé :

Deux rotors hélicoïdaux (un mâle à lobes convexes, un femelle à lobes concaves) tournent en sens inverse dans un carter usiné avec une précision de l'ordre du micron. Le gaz est emprisonné dans les espaces interlobes, transporté axialement, et comprimé progressivement par la réduction du volume des cavités.

Injection d'huile : Essentielle pour :

74.L'étanchéité entre les rotors (le jeu est de 0,05 à 0,15 mm).
75.La lubrification des roulements.
76.La dissipation de la chaleur de compression.
77.L'absorption des pulsations sonores.

Variation de capacité (VSD et glissement) :

Par variateur de vitesse (VFD) : 10 à 100 % de capacité.
Par glissement (slide valve) : Vanne coulissante qui by-passe une partie du gaz aspiré vers l'aspiration. Permet une modulation continue de 15 à 100 %.
Par by-pass de gaz chaud : Injection de gaz chaud dans l'aspiration pour réduire la capacité.

Avantages développés :

Faible vibration (mouvement rotatif continu sans pièces alternatives).
Rendement volumétrique élevé (≥ 90 % même à haut rapport de compression).
Capacité de modulation continue (très efficace à charge partielle).
Longue durée de vie : 20 à 30 ans avec entretien approprié.
Tolérance élevée aux coups de liquide (les rotors peuvent « digérer » une petite quantité de liquide).
Peu de pièces d'usure (pas de soupapes, pas de segments).

Inconvénients développés :

Coût initial élevé (usinage de précision).
Système de séparation d'huile complexe et coûteux.
Bruit aigu (nécessite un encoffrement acoustique).
Consommation électrique à pleine charge légèrement supérieure à un piston de même capacité.
Remplacement des roulements nécessaire après environ 40 000-60 000 heures.

Applications typiques au Québec :

Réfrigération industrielle à l'ammoniac (arénas, usines agroalimentaires).
Entrepôts frigorifiques de grande capacité.
Systèmes de refroidissement de procédés industriels.
Pompes à chaleur de grande puissance (remplacement du chauffage au mazout).

3.2.3 Compresseurs centrifuges

Principe de fonctionnement :

Une roue à aubes (impulseur) tourne à très haute vitesse (10 000 à 50 000 tr/min), accélérant radialement le gaz. L'énergie cinétique est convertie en pression dans le diffuseur et la volute. C'est le même principe qu'une pompe centrifuge, mais pour un gaz.

Phénomène de pompage (surge) :

Le surge est le défaut majeur des centrifuges. Il se produit lorsque le débit descend sous un seuil critique : le gaz ne peut plus vaincre la pression en aval, le flux s'inverse brutalement, puis reprend, créant des oscillations violentes qui peuvent :

Endommager les paliers.
Provoquer un déplacement axial du rotor.
Causer des fissures dans le carter.

Protection anti-surge : Vanne de by-pass qui recircule du gaz refoulé vers l'aspiration pour maintenir un débit minimal.

Avantages :

Très grandes capacités (jusqu'à 10 000 TR par unité).
Compacité exceptionnelle.
Flux de gaz parfaitement continu (pas de pulsations).
Fiabilité élevée (peu de pièces mobiles).

Inconvénients :

Sensible au surge (nécessite une régulation anti-surge).
Rapport de compression limité par étage (max 2:1 à 3:1 par étage, nécessite plusieurs étages pour les applications congélation).
Coût très élevé.
Nécessite une électronique de puissance sophistiquée.

Applications :

Conditionnement d'air de très grande puissance (hôpitaux, centres commerciaux, aéroports).
Refroidissement de procédés industriels.
Systèmes de chauffage urbain par pompe à chaleur.

3.2.4 Compresseurs scroll (à spirale)

Principe de fonctionnement :

Deux spirales en forme de « volute d'escargot » sont imbriquées. L'une est fixe, l'autre décrit un mouvement orbital excentrique (elle ne tourne pas sur elle-même). Ce mouvement crée des poches de gaz qui se déplacent progressivement du bord extérieur (aspiration) vers le centre (refoulement), avec un volume qui diminue et une pression qui augmente.

Avantages développés :

Très silencieux (niveau sonore de 45-55 dB(A) contre 65-75 pour un piston).
Très peu de pièces mobiles : une spirale orbitale, pas de soupapes, pas de segments.
Excellente résistance aux coups de liquide (les spirales s'écartent, le liquide passe).
Bon rendement saisonnier (particulièrement en climatisation).
Compact et léger (30-50 % plus petit qu'un piston équivalent).

Inconvénients :

Capacité limitée (généralement jusqu'à 30 TR).
Non réparable sur place (remplacement complet du compresseur).
Modulation de capacité limitée (marche/arrêt, ou modèles Inverter récents).

Applications :

Climatisation résidentielle et commerciale légère.
Pompes à chaleur.
Petits systèmes de réfrigération commerciale.
Équipements médicaux et de laboratoire.

3.3 Lubrification et refroidissement

La lubrification et le refroidissement conditionnent directement la durée de vie du compresseur. Une huile mal compatible, une température de refoulement trop élevée, une migration de fluide ou un retour d'huile déficient peuvent mener à une usure accélérée, à une dilution de l'huile ou à une défaillance majeure.

Lubrification détaillée

La lubrification du compresseur remplit six fonctions essentielles :

145.Réduire le frottement entre les pièces mobiles.
146.Évacuer la chaleur des paliers.
147.Assurer l'étanchéité entre le piston et le cylindre (compresseurs à piston).
148.Amortir les chocs mécaniques.
149.Protéger contre la corrosion.
150.Transporter les contaminants hors des surfaces de contact.

Types d'huiles :

Huile minérale (MO) : Pour CFC et HCFC (R-12, R-22, R-502). Non miscible avec les HFC.
Huile POE (Polyolester) : Pour HFC et HFO (R-134a, R-404A, R-410A). Hygroscopique (absorbe l'humidité de l'air très rapidement). Une bouteille d'huile POE ouverte absorbe suffisamment d'humidité en 30 minutes pour dépasser les limites acceptables.
Huile PAG (Polyalkylène Glycol) : Pour R-134a dans la climatisation automobile. Très hygroscopique.
Huile AB (Alkylbenzène) : Pour ammoniac (R-717). Bonne stabilité chimique.

Analyse d'huile :

L'analyse d'huile est un outil de maintenance prédictive puissant :

Acidité (TAN — Total Acid Number) : Une augmentation indique une dégradation de l'huile par la chaleur et l'humidité. Seuil d'alerte : TAN > 0,3 mg KOH/g.
Humidité : L'eau dans l'huile accélère la formation d'acides et de boues. Seuil : < 100 ppm pour les HFC.
Particules métalliques : La présence de cuivre, fer, aluminium, plomb indique une usure anormale d'un composant spécifique.
Viscosité : Une baisse de viscosité indique une dilution par le frigorigène (trop de réfrigérant dans l'huile). Une hausse indique une oxydation de l'huile.

3.4 Références CSA B52 et RBQ

Article 5.2 — Protection contre les surpressions : Tout compresseur doit être protégé par un pressostat haute pression (PHP) à réarmement manuel. Le seuil de déclenchement ne doit pas dépasser la pression de service maximale du compresseur.

Article 5.5 — Protection contre le manque d'huile : Les compresseurs à lubrification forcée doivent être protégés par un pressostat différentiel d'huile (PDO) qui arrête le compresseur si la pression d'huile est insuffisante.

Article 7.2 — Salles des machines : Les compresseurs installés dans une salle des machines doivent être accessibles pour l'entretien, avec un dégagement minimum de 1 m autour de chaque composant principal.

RBQ : Les travaux de remplacement d'un compresseur sont considérés comme des travaux de réfrigération majeurs et doivent être effectués par un entrepreneur titulaire d'une licence RBQ sous-catégorie 2.2.

Code de l'électricité du Québec : Le circuit d'alimentation du compresseur doit être protégé par un disjoncteur ou des fusibles dimensionnés selon le courant nominal (FLA) et le courant de démarrage (LRA) du moteur.

3.5 Exemples pas-à-pas

Exemple 1 : Diagnostic d'un compresseur qui ne démarre pas

Symptôme : Le compresseur ne démarre pas, le contacteur électrique s'enclenche mais le moteur bourdonne.

Étapes de diagnostic :

172.Vérifiez la tension d'alimentation (nominale 208/230 V, tolérance ±10 %).
173.Mesurez le courant de démarrage (LRA) — s'il est très élevé et que le compresseur ne tourne pas, suspectez un blocage mécanique ou un problème électrique interne.
174.Vérifiez le condensateur de démarrage (si applicable) avec un capacimètre.
175.Vérifiez la résistance d'isolement entre les phases et la terre (> 1 MΩ au mégohmmètre 500 V).
176.Vérifiez le pressostat HP (s'il est déclenché, un réarmement manuel est nécessaire).
177.Vérifiez le thermostat de sécurité (enveloppe du compresseur).

Exemple 2 : Bruit anormal — Coup de liquide

Symptôme : Bruit métallique sourd et saccadé au démarrage du compresseur.

Cause probable : Du frigorigène liquide revient à l'aspiration du compresseur (slugging).

Actions correctives :

182.Arrêt immédiat du compresseur pour éviter les dommages mécaniques.
183.Vérifier le réglage de la surchauffe à l'évaporateur (doit être > 5 °C).
184.Vérifier le bon fonctionnement du détendeur thermostatique.
185.Vérifier l'isolation de la conduite d'aspiration (pas de condensation excessive).
186.Vérifier le niveau de charge (surcharge = retour de liquide).
187.Si le problème persiste, installer un accumulateur d'aspiration.

3.6 Pièges d'examen

Piège n° 1 — Rapport de compression : L'examen utilise la pression absolue, pas la pression relative. Si on vous donne P_refoulement = 1 200 kPa (relatif) et P_aspiration = 300 kPa (relatif), le rapport de compression n'est pas 1 200/300 = 4. C'est (1 200 + 101,3) / (300 + 101,3) = 1 301,3 / 401,3 = 3,24.

Piège n° 2 — Rendement volumétrique : Il n'est jamais de 100 %. L'espace mort est une nécessité mécanique (pour éviter que le piston ne frappe la culasse), mais il réduit le volume effectif.

Piège n° 3 — Cylindres inactifs vs VFD : La régulation par cylindres inactifs (unloaders) fonctionne par paliers (0-33-50-66-100 %). Le VFD permet une modulation continue. Le VFD est plus coûteux mais plus efficace à très faible charge.

Piège n° 4 — Le pressostat HP doit être à réarmement manuel : C'est une exigence de la CSA B52. Un pressostat HP automatique ne serait pas sécuritaire. Le technicien doit diagnostiquer la cause du déclenchement avant de remettre en service.

Piège n° 5 — Séparateur d'huile : Essentiel pour les compresseurs à vis. Les compresseurs scroll ont généralement moins de pertes d'huile. Les compresseurs à piston ont un niveau d'huile visible au regard.

3.7 Questions de pratique

195.Un compresseur à piston a une cylindrée de 80 m³/h. Le rendement volumétrique est de 75 %. Quel est le débit réel ?

(Réponse : 80 × 0,75 = 60 m³/h)

197.Quelle est la cause la plus probable d'un bruit de cognement métallique au démarrage du compresseur ?

(Réponse : Coup de liquide — retour de frigorigène liquide à l'aspiration.)

199.Quel type de compresseur est le plus adapté pour une chambre froide de 5 TR au R-448A dans une épicerie ?

(Réponse : Compresseur scroll — capacité adaptée, silencieux, fiable pour le commerce de détail.)

201.Pourquoi l'huile POE est-elle dangereuse à manipuler ?

(Réponse : Elle est hygroscopique — elle absorbe rapidement l'humidité de l'air, ce qui entraîne la formation d'acides dans le système.)

203.Quelle est la fonction du pressostat différentiel d'huile (PDO) ?

(Réponse : Protéger le compresseur contre un manque de lubrification en arrêtant le compresseur si la pression d'huile est insuffisante.)

3.8 Résumé du chapitre

Le compresseur est l'élément central du système frigorifique. Le choix du type de compresseur (piston, vis, scroll, centrifuge) dépend de l'application, de la capacité requise, et du budget. Chaque type a ses avantages et ses inconvénients en termes de coût, d'efficacité, de fiabilité et d'entretien.

La lubrification est critique pour tous les compresseurs : le choix de l'huile, l'analyse périodique, et la maintenance du circuit d'huile sont essentiels à la longévité.

Les sécurités obligatoires (pressostat HP à réarmement manuel, pressostat BP, protection thermique, pressostat d'huile) sont imposées par la CSA B52 et ne doivent jamais être contournées.

Pour l'examen BNQ, maîtrisez le rendement volumétrique, le rapport de compression, et les applications typiques de chaque type de compresseur.

3.3 Compresseurs alternatifs — principe et maintenance

Compresseur alternatif à piston — aspiration et refoulement (animation) Compresseur alternatif à piston — le cycle de compression Descente du piston = aspiration (basse pression) · Montée du piston = compression + refoulement (haute pression) ASPIRATION gaz BP entre REFOULEMENT gaz HP sort culasse PISTON carter vilebrequin 1 · ASPIRATION — piston descend, clapet BP ouvert 2 · REFOULEMENT — piston monte, clapet HP ouvert

Le compresseur alternatif à piston est le type le plus répandu en réfrigération commerciale et résidentielle. Il fonctionne selon le principe du mouvement alternatif d'un piston dans un cylindre. Le cycle comporte quatre temps : aspiration (descente du piston, ouverture de la soupape d'aspiration), compression (montée du piston, fermeture des soupapes), refoulement (ouverture de la soupape de refoulement, expulsion du gaz à haute pression) et détente.

Les composants critiques d'un compresseur alternatif incluent les segments de piston (bagues d'étanchéité qui empêchent le reflux de gaz), les soupapes à lamelles (clapets d'admission et de refoulement), le vilebrequin, les bielles, le carter d'huile, et le moteur électrique d'entraînement. La lubrification est assurée par une pompe à huile qui distribue l'huile sous pression aux paliers et aux surfaces de frottement.

La maintenance préventive d'un compresseur alternatif comprend : la vérification du niveau d'huile (tous les 500 heures de fonctionnement), l'analyse de l'huile (recherche d'acidité, d'humidité et de particules métalliques), le contrôle du courant d'alimentation du moteur (détection de surcharge), la vérification des soupapes (débit, bruit anormal), et le remplacement des filtres d'aspiration. Un compresseur alternatif bien entretenu a une durée de vie de 10 à 15 ans.

3.4 Compresseurs à vis — fonctionnement et application

Le compresseur à vis est utilisé dans les installations frigorifiques industrielles de grande puissance (50 à 500 kW). Il comporte deux rotors hélicoïdaux (un mâle et une femelle) qui tournent en sens inverse dans un carter usiné avec précision. Le gaz est emprisonné entre les lobes des rotors et comprimé par la réduction progressive du volume des chambres.

Les avantages du compresseur à vis sont nombreux : débit élevé et régulier (pas de pulsation de pression), rapport de compression flexible (2 à 20), excellente fiabilité (peu de pièces d'usure), capacité de modulation par glissement du volet de régulation (20 à 100 % de la pleine charge), et compacité (rapport puissance/poids élevé).

La lubrification est essentielle au fonctionnement du compresseur à vis. L'huile injectée dans la chambre de compression assure l'étanchéité entre les rotors, le refroidissement du gaz et la lubrification des roulements. Le séparateur d'huile en sortie de compresseur doit réduire la teneur en huile du gaz à moins de 10 ppm.

3.5 Compresseurs centrifuges

Le compresseur centrifuge (turbocompresseur) est réservé aux très grandes puissances (500 kW à plusieurs MW) dans les installations de génie climatique et de réfrigération industrielle. Il comprime le gaz par accélération centrifuge dans une roue à aubes tournant à grande vitesse (10 000 à 50 000 tr/min).

La courbe de performance d'un compresseur centrifuge montre le débit en fonction du rapport de compression. Le pompage (surge) est un phénomène dangereux qui se produit à faible débit : le flux gazeux s'inverse brusquement, causant des vibrations et des dommages potentiels. Les systèmes de contrôle anti-pompage (bypass de gaz chaud) maintiennent le débit minimum.

3.6 Compresseurs scroll (à spirale)

Le compresseur scroll est devenu le standard pour les systèmes de climatisation et les pompes à chaleur de puissance modérée (5 à 30 kW). Il comporte deux spirales en volute (une fixe, une orbitale) qui créent des chambres de compression mobiles. Le gaz est aspiré à la périphérie, comprimé progressivement vers le centre et refoulé axialement.

Les avantages du scroll incluent un fonctionnement silencieux (50 à 55 dBA), une excellente efficacité à charge partielle, un nombre réduit de pièces mobiles (aucune soupape), et une grande fiabilité (durée de vie de 15 à 20 ans). L'inconvénient principal est l'absence de modulation de capacité sur les modèles standard.

3.7 Composants auxiliaires du compresseur

Le carter d'huile contient la réserve d'huile de lubrification. Les réchauffeurs de carter (résistance électrique de 30 à 150 W) empêchent la migration du frigorigène dans l'huile pendant les arrêts prolongés. Un niveau d'huile correct est maintenu par un régulateur de niveau (flotteur ou sonde capacitive).

Le séparateur d'huile installé sur la conduite de refoulement récupère l'huile entraînée par le gaz. L'huile retourne au carter par un tube capillaire ou un flotteur. Le filtre d'aspiration protège le compresseur des impuretés (calamine, particules métalliques, résidus de déshydratant) avec une filtration de 10 à 50 microns.

Les protecteurs de compresseur incluent le pressostat basse pression (arrêt en cas de perte de charge), le pressostat haute pression (arrêt en cas de pression excessive), le thermistor de bobinage (PTC, protection thermique du moteur), le protecteur de surintensité (relais thermique ou électronique) et le clixon de surchauffe.

Chapter 2Identification des dangersChapter 4Condenseurs et évaporateurs

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