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Les compresseurs dans les pompes à chaleur

Nombre Parcourir:29     auteur:Éditeur du site     publier Temps: 2022-06-29      origine:Propulsé

Les pompes à chaleur, associées à des rigidités de plus en plus strictes dans la construction, sont choisies comme une source primaire ou secondaire de l'énergie nécessaire au chauffage ou au refroidissement des bâtiments, ainsi qu'à la production d'eau chaude sanitaire. Cet article décrit l'élément structurel de base de la pompe à chaleur pompe à chaleur - le compresseur. L'article traite de la fonction du compresseur de la pompe à chaleur, présente l'ampleur d'utilisation des différents types de machines de travail en fonction de la puissance. Les auteurs décrivent diverses options de construction des compresseurs, ainsi qu'une indication de certains avantages et inconvénients. De plus, l'article montre le principe du choix du compresseur dans la pompe à chaleur et sous la forme d'un plan d'action. sélection du compresseur dans une pompe à chaleur et présente sous forme de tableau les propriétés de fonctionnement des compresseurs. Mots clés : pompes à chaleur, compresseur, propriétés de fonctionnement des compresseurs. 


Introduction 

Les pompes à chaleur sont des moteurs thermiques qui permettent d'utiliser la chaleur à basse température pour le chauffage et la production d'eau chaude sanitaire. et la production d'eau chaude sanitaire. L'intérêt pour l'utilisation des pompes à chaleur est en constante augmentation ; ceci est lié à l'augmentation des prix des combustibles énergétiques comme le charbon ou le gaz naturel. En outre, les pompes à chaleur sont des machines qui n'émettent pas de dioxyde de carbone dans l'atmosphère. de carbone dans l'atmosphère. Le fonctionnement de ces machines implique l'utilisation de la chaleur d'une température inférieure pour générer de la chaleur d'une température supérieure. température plus basse afin de générer de la chaleur à une température plus élevée qui peut être utilisée pour la préparation d'eau chaude ou le chauffage des bâtiments (généralement par le sol). Le processus d'élévation de la température nécessite d'amener la question de l'entraînement système énergétique. Le type d'apport énergétique dépend de la solution structurelle de la pompe à chaleur (par ex. pompe à chaleur (par exemple, électricité, énergie mécanique ou chimique, etc.


Composants structurels des pompes à chaleur 

Cet article se concentre sur l'un des composants les plus importants de la pompe à chaleur, à savoir le compresseur. pompe à chaleur, à savoir le compresseur. A l'exception du compresseur, les principaux composants formant la pompe à chaleur sont - les condenseurs, - l'évaporateur, - les dispositifs d'étranglement / vannes de régulation, - les pressostats et les thermostats, - les dispositifs auxiliaires et les dispositifs de sécurité. Afin de visualiser le processus des changements qui se produisent dans la pompe à chaleur, un un graphique d'un cycle théorique dans une pompe à chaleur à compression pression-enthalpie (ph). compression est présenté dans la (Fig. 1).


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Le réfrigérant à l'état liquide s'écoulant du condenseur est est décompressé de la pression pk régnant dans le condenseur à la pression d'évaporation p0 (ligne 3-4) dans le détendeur. d'évaporation p0 (ligne 3-4) dans le détendeur. Afin de changer la phase du frigorigène (ligne 4-1), de la chaleur est prélevée de la source de chaleur inférieure (il peut s'agir par ex. l'air atmosphérique, les eaux souterraines ou les eaux de surface). Le fluide de travail qui provient de l'évaporateur est comprimé dans le compresseur (ligne 1-2) jusqu'à la pression de condensation pg. pression de condensation pg ; ceci est possible grâce à l'ajustement de l'énergie supplémentaire externe au système. système. Ensuite, le fluide frigorigène cède de la chaleur dans le condenseur (ligne 2-3), dans lequel le processus commence.


Les fluides de travail jouent un rôle important dans le processus de compression, Ils sont également appelés fluides de fonctionnement, car ils permettent de transporter la chaleur d'une température inférieure à une température supérieure. de transporter la chaleur d'un niveau de température inférieur à un niveau supérieur. les plus courants sont les réfrigérants de travail : R134a, R407C et R410A (Gużda, 2015). Lors de la conception des pompes à chaleur, malgré certaines caractéristiques communes les reliant avec les dispositifs de refroidissement, les conditions spécifiques d'utilisation de ces dispositifs doivent être doivent être prises en compte. La principale différence est une charge thermique variable ; les pompes à chaleur fonctionnent dans des conditions de consommation de chaleur plus variables que les équipements de réfrigération. que les équipements de réfrigération.


En outre, la grande majorité des pompes à chaleur peuvent fonctionner en deux modes : chauffage et refroidissement. Le réarrangement de la pompe (du chauffage au refroidissement et vice versa) se produit, par exemple, pendant le dégivrage de l'évaporateur, et peut provoquer la formation de mousse dans l'huile et son expulsion du compresseur. et la rejeter du compresseur (Rubik, 2006).


Compresseurs utilisés dans les pompes à chaleur

Les pompes à chaleur utilisent généralement des compresseurs volumétriques et des compresseurs de flux (turbocompresseurs) (Rubik, 2006). compresseur (turbocompresseur) (Rubik, 2006). Les compresseurs volumétriques cycliques compriment le réfrigérant dans l'espace de travail fermé. Les principales caractéristiques de ce type de compresseur sont (Gaziński et. al, 2014) : 

    l'obtention d'une compression élevée en utilisant un compresseur à un seul étage, 

    aucune restriction sur le fonctionnement du compresseur en raison de la plage de pression d'aspiration , 

    l'absence de continuité dans le transport du réfrigérant.

    En revanche, dans les compresseurs à flux, la vapeur d'eau subit une accélération rapide dans le passage entre les pales d'un rotor, ce qui entraîne l'augmentation de l'énergie cinétique dont un diffuseur est          responsable. diffuseur est responsable. Les principales caractéristiques de ces compresseurs sont (Gaziński et. al, 2014) :

    réduction du facteur de compression,

    augmentation du débit du fluide frigorigène comprimé.


La figure 2 présente le champ d'utilisation des différents types de compresseurs.

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Compresseurs à pistons

Ils sont classés parmi les compresseurs à déplacement positif. Le principe de fonctionnement est basé sur des cycles d'aspiration, de refoulement et d'extrusion de la vapeur d'eau de facteur de travail. En raison du mouvement de va-et-vient, effectué par le piston dans un espace cylindrique fermé, le changement de volume de la vapeur d'eau est réduit. cylindre fermé, le changement de volume de la vapeur du facteur apparaît. Le site principal élément caractéristique de ce type de compresseur est un vilebrequin, qui est conçu pour convertir le mouvement rotatif de l'arbre d'entraînement en mouvement alternatif du piston. du piston. Pour améliorer le rendement du compresseur (Bae, Kim, Kim, Chang) ont mis au point une méthode de modulation de la capacité en deux étapes pour un compresseur à mouvement alternatif, en modifiant le volume mort. en modifiant le volume mort dans le cylindre. Classification des compresseurs à piston, selon (Rubik,2006), s'effectue avec les caractéristiques suivantes:

- système et nombre de soupapes,

- système et nombre de cylindres, 

- construction de la fermeture du corps du compresseur,

- nombre d'étages de compression et type de réfrigérant. 

La figure 3 présente un schéma simplifié d'un compresseur alternatif.

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Les compresseurs rotatifs 

Dans les compresseurs rotatifs, classés parmi les compresseurs volumétriques, le facteur de travail est comprimé par la rotation du piston dans le cylindre. facteur de travail est comprimé par la rotation du piston dans le cylindre. En utilisant l'utilisation du piston rotatif, il a été possible d'éliminer le vilebrequin, ce qui facilite le fonctionnement du compresseur. Les compresseurs dans les pompes à chaleur 75 construction compacte et de réduire le bruit par rapport à celui émis par les compresseurs à pistons. Le principe de fonctionnement est basé sur la compression du gaz par le piston rotatif, qui est monté de façon excentrée. piston rotatif, qui est monté de façon excentrique par rapport au cylindre. Une lame, sous la poussée du ressort, adjacente à la surface du piston, divise l'espace du cylindre en deux parties : l'aspiration et la compression. compresseur en deux parties : l'aspiration et la pression. 

La figure 4 montre un schéma d'un compresseur

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Compresseurs rotatifs 

Dans les compresseurs rotatifs, classés parmi les compresseurs volumétriques, le facteur de travail est comprimé par la rotation du piston dans le cylindre. facteur de travail est comprimé par la rotation du piston dans le cylindre. En utilisant l'utilisation du piston rotatif, il a été possible d'éliminer le vilebrequin, ce qui facilite le fonctionnement du compresseur. Les compresseurs dans les pompes à chaleur 75 construction compacte et de réduire le bruit par rapport à celui émis par les compresseurs à piston.

Le principe de fonctionnement est basé sur la compression du gaz par le piston rotatif, qui est monté de façon excentrée. piston rotatif, qui est monté de façon excentrique par rapport au cylindre. Une lame, sous la poussée du ressort, adjacente à la surface du piston, divise l'espace du cylindre en deux parties : l'aspiration et la compression. compresseur en deux parties : l'aspiration et la pression. La figure 4 montre le schéma d'un compresseur rotatif. compresseur.

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Compresseurs Scroll

Les compresseurs Scroll sont également classés comme des compresseurs à déplacement positif. Deux volutes volutes effectuent le processus de compression. L'une d'entre elles est montée de manière fixe et la seconde effectue les mouvements planétaires.

En raison de la performance du mouvement planétaire, la diminution de la compression du côté de l'aspiration vers le côté de la pression se produit. Le principe de fonctionnement principe de fonctionnement du compresseur scroll est illustré à la figure 5.

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Pendant le mouvement de la spirale en orbite, le gaz est aspiré sur la circonférence extérieure circonférence extérieure du rouleau. La compression se produit en diminuant l'espace entre les deux volutes. Au cours du processus de compression, il existe trois degrés de compression (Butrymowicz et. al, 2014) : faible, moyen et élevé dans la partie centrale du rouleau.

de la volute. Par rapport aux compresseurs alternatifs, les compresseurs à spirales n'ont pas d'espace nuisible. l'espace nuisible, ce qui donne l'avantage d'un rendement de près de 100%. L'élément d'étanchéité entre les volutes est une fine couche de film lubrifiant (Butrymowicz et. al, 2014). En plaçant la spirale active sur l'arbre du compresseur avec un décalage excentrique, son orbite est réduite. déplacement excentrique, il est possible de la mettre en orbite. A son tour, la spirale est montée de manière stable sur le corps du compresseur. corps du compresseur, et une ouverture de décharge est située dans la partie fixe. Selon Selon (Jianguo, 2009), pour une machine à spirales, le rayon d'orbite doit être le paramètre de base le plus important car le mouvement orbital est le plus important. paramètre de base le plus important car le mouvement orbital de la spirale orbitale par rapport à la spirale fixe est sa caractéristique de base. par rapport à la spirale fixe est sa caractéristique de base. Par rapport aux compresseurs à piston, les compresseurs à spirales présentent les avantages suivants avantages suivants : (Rubik, 2006)

- moins de pièces mobiles, 

- taille réduite (ceci est dû à l'élimination du système de conversion du mouvement rotatif en mouvement alternatif),

 - résistance aux coups de bélier 

- faible variation de la charge dynamique de l'arbre moteur, 

- faible vibration, 

- durée de vie accrue. 


 Les compresseurs rotatifs à vis.

Ces compresseurs font partie des compresseurs volumétriques. Leurs principaux éléments structurels sont deux rotors hélicoïdaux dont le nombre de dents et d'encoches varie. d'encoches. Ils sont disposés parallèlement l'un à l'autre dans le corps fermé avec deux couvercles. Le jeu, qui doit être maintenu entre les rotors et la coque, est étanchéifié par un film lubrifiant pendant le fonctionnement du compresseur.

Le fluide de travail est aspiré à travers la chambre d'aspiration et extrudé par le côté pression, qui est situé dans le couvercle opposé. Le schéma du Le schéma d'un compresseur rotatif à vis est illustré à la figure 6. Dans le fonctionnement de ce type de compresseurs, il y a quatre phases (Butrymowicz et. al, 2014) :

- l'aspiration, 

- transport d'un facteur vers le côté pression, 

- compression, 

- l'extrusion.

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Les compresseurs rotatifs à vis, par rapport aux compresseurs à piston, sont sont caractérisés par les avantages suivants (Rubik, 2006) - absence de pulsation et de vibration du flux, grâce à la présence de la seule rotation, - pas de soupapes de fonctionnement, - ne sont pas sensibles aux coups de bélier, - donnent la possibilité d'une puissance de chauffage continuellement variable dans la gamme de 20-100% de la puissance maximale.

Jusqu'à récemment, les compresseurs rotatifs à vis étaient utilisés dans les pompes à chaleur à haut rendement. Les compresseurs à vis peuvent être des machines à un ou plusieurs étages. Les multiétages sont utilisés pour les compresseurs où les rapports de pression les plus élevés sont requis. L'optimisation des compresseurs multi-étagés constitue un défi particulier. car les paramètres de la géométrie du compresseur, les conditions de fonctionnement et les pressions interétages doivent être optimisés. et les pressions interétages sont optimisés (Stosic, Smith, Kovacevic, 2003). Un compresseur récemment lancé, appelé "minicrew", est utilisé dans les machines thermiques d'une capacité supérieure à 125 000 litres. machines thermiques d'une capacité supérieure à 125 kW. Ils présentent tous les avantages de leurs homologues plus grands, à savoir un petit nombre de pièces mobiles, un réglage flexible du rendement et de faibles vibrations (Rubik, 2006).


Compresseurs centrifuges (débit).

Dans le compresseur centrifuge, la décharge du réfrigérant se produit par l'action de la force centrifuge. l'action de la force centrifuge. En outre, une augmentation de la pression statique peut être pression statique peut être obtenue grâce au diffuseur (en diminuant le débit du réfrigérant). Le sens d'écoulement de direction du flux peut être réglée à l'aide des aubes directrices. En fonction de la direction du flux de vapeur du réfrigérant, on distingue le compresseur axial et le compresseur radial. radial, mais pour la construction de pompes à chaleur, on choisit généralement des compresseurs radiaux. généralement choisis. Les compresseurs centrifuges sont le plus souvent utilisés dans les pompes à chaleur de grande puissance. pompes à chaleur de grande puissance ; cela implique que pour obtenir un rendement suffisamment élevé du rendement suffisamment élevé du compresseur d'écoulement, le débit minimal de vapeurs de réfrigérant qui est évacué du dernier étage de compression doit être de 0,2-0,3 m 3 /s, à une vitesse de rotation de n = 83,5 -167 1/s (Rubik, 2006). Sans aucun doute, un l'un des avantages du compresseur centrifuge est l'élimination du train d'engrenages lors de la phase de conception, ce qui apporte d'autres avantages. l'élimination du train d'engrenages au stade de la conception, ce qui présente d'autres avantages : réduction du nombre de roulements et la simplification du système de lubrification. Toutes ces caractéristiques entraînent une réduction des pertes mécaniques qui se produisent dans le compresseur et affectent la fiabilité du fonctionnement. fonctionnement. 


Sélection des compresseurs

La sélection du compresseur approprié dans la pompe à chaleur est largement déterminée par par la puissance thermique requise de cette machine, les paramètres de l'installation et le type de réfrigérant utilisé. et le type de fluide frigorigène utilisé. En plus de ces caractéristiques, au stade de la conception, les conditions d'exploitation dans lesquelles le compresseur fonctionnera doivent être déterminées. Le tableau 1 résume certaines des caractéristiques de performance des compresseurs utilisés dans les pompes à chaleur.

Le tableau 2 présente certaines des caractéristiques, notamment le type de compresseur utilisé dans une construction pour 28 pompes à chaleur air - eau avec un réservoir d'eau intégré. réservoir d'eau intégré. Le réfrigérant R134a a été utilisé dans toutes les pompes à chaleur décrites. Dans les Fig. 7 : Résultats des tests du coefficient de performance (COP) pour 28 pompes à chaleur. décrits. Les résultats des tests de COP ont été réalisés conformément à la nouvelle norme BS EN 16147 (Bulletin WPZ 08-2015, Fiche d'information du Centre d'essai des pompes à chaleur WPZ à Buchs, Suisse). Center WPZ à Buchs, Suisse).

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En se référant aux données contenues dans le tableau 2, avec les résultats présentés dans la Fig. 7, on peut remarquer que dans les pompes à chaleur air - eau testées avec un réservoir d'eau intégré, le compresseur rotatif (dans 25 cas), le compresseur alternatif (2 cas) et une pompe à chaleur avec compresseur scroll. une pompe à chaleur avec un compresseur scroll. Alors que le COP se situe dans la fourchette suivante 2,3 - 3,8 ; la valeur moyenne était d'environ 3,1. 


Résumé 

La sélection d'un compresseur approprié est un défi pour le constructeur de pompes à chaleur, car elle nécessite une connaissance appropriée et une définition stricte des paramètres de fonctionnement et du type de pompe. paramètres de fonctionnement et le type d'une telle pompe. Il est également important de déterminer la destination (utilisation) de la pompe à chaleur, sa puissance thermique, la sélection du bon fluide frigorigène et d'autres informations, comme par exemple la détermination des caractéristiques statiques du compresseur.

Actuellement, les pompes à chaleur utilisent des compresseurs alternatifs, des compresseurs à vis vis, les compresseurs à spirale et les compresseurs d'écoulement. Chacun d'entre eux a une recommandation d'utilisation dans certaines circonstances. De plus, lors de la conception de ces de ces machines à chaleur, il faut tenir compte du fait qu'elles fonctionnent sous une charge thermique charge thermique changeant de manière dynamique. Il convient de noter que (se référant aux données données incluses dans le tableau 2), les compresseurs rotatifs sont actuellement les plus utilisés dans les pompes à chaleur air-eau avec un réservoir d'eau intégré. réservoir d'eau intégré sont les compresseurs rotatifs.


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