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Compresseurs volumétriques

Piston, scroll, vis : cylindrée, débit balayé, rendement volumétrique

🏗️ Application chantier : Un compresseur volumétrique aspire un volume de fluide frigorigène défini par sa géométrie (module A5), puis le comprime en réduisant mécaniquement ce volume. Mais le débit réellement aspiré est toujours inférieur au débit théorique balayé par la géométrie du compresseur — un écart quantifié par le rendement volumétrique.

Un compresseur volumétrique comprime le fluide frigorigène en réduisant mécaniquement le volume dans lequel il est enfermé, contrairement à un compresseur centrifuge (module B5-2) qui accélère le fluide par force centrifuge. Trois technologies dominent le marché : le compresseur à piston (mouvement alternatif dans un cylindre, technologie la plus ancienne et la plus répandue sur les petites puissances), le compresseur scroll (deux spirales excentrées qui emprisonnent puis réduisent progressivement des poches de gaz, silencieux et fiable) et le compresseur à vis (deux rotors hélicoïdaux imbriqués, adapté aux fortes puissances industrielles).

Chacun a besoin d'une lubrification (huile entraînée avec le fluide frigorigène, à séparer en aval) pour réduire les frottements mécaniques entre pièces en mouvement.

Quelle que soit la technologie, le débit théorique balayé par le compresseur (déduit de sa géométrie et de sa vitesse de rotation) est toujours supérieur au débit réellement aspiré : une partie du volume balayé ne se traduit jamais en aspiration effective de gaz neuf, notamment à cause du volume mort (l'espace résiduel entre piston et culasse en fin de refoulement) où du gaz comprimé résiduel se ré-détend avant la course d'aspiration suivante.

📖 Vocabulaire clé

Cylindrée $V_s$ : Volume balayé par le compresseur en une rotation, déterminé par sa géométrie (course × section pour un piston, volume des poches pour un scroll), en cm³ ou L.

Débit théorique balayé $Q_{th}$ : Débit que le compresseur balaierait si tout le volume balayé se traduisait en gaz réellement aspiré :

Q_{th} = V_s \times N

, avec

N

la vitesse de rotation (tr/min).

Volume mort (espace nuisible) : Volume résiduel qui subsiste en fin de course de refoulement (entre piston et culasse pour un compresseur à piston) : le gaz comprimé qui y reste doit d'abord se ré-détendre avant que l'aspiration de gaz neuf ne puisse recommencer.

Rendement volumétrique $\eta_v$ : Rapport entre le débit réellement aspiré et le débit théorique balayé :

\eta_v = Q_{\text{réel}}/Q_{th}

, sans unité (souvent en %) — diminue lorsque le taux de compression augmente, typiquement

0{,}70

0{,}95

selon la technologie et le point de fonctionnement.

Débit réel aspiré $Q_{\text{réel}}$ : Débit volumique réellement aspiré par le compresseur :

Q_{\text{réel}} = \eta_v \times Q_{th} = \eta_v \times V_s \times N

📋 Calculer le débit réel aspiré par un compresseur volumétrique

1 Relever la cylindrée $V_s$ du compresseur (donnée constructeur, en cm³ ou L).
2 Relever la vitesse de rotation $N$ (tr/min).
3 Calculer le débit théorique balayé $Q_{th} = V_s \times N$ .
4 Relever ou estimer le rendement volumétrique $\eta_v$ (donnée constructeur, dépend du taux de compression du point de fonctionnement).
5 Calculer le débit réel aspiré $Q_{\text{réel}} = \eta_v \times Q_{th}$ , valeur qui conditionne directement la puissance frigorifique réellement délivrée par le compresseur (module A5).

✅ Exemple résolu

Énoncé : Un compresseur à piston a une cylindrée

V_s=50

cm³ et tourne à

N=1\,450

tr/min, avec un rendement volumétrique

\eta_v=0{,}82

à ce point de fonctionnement.

Calculer le débit théorique balayé puis le débit réel aspiré (en m³/h).

Démarche :

Débit théorique balayé : $Q_{th} = V_s \times N = 50 \times 1\,450 = 72\,500$ cm³/min $= 72{,}5$ L/min.
Conversion en m³/h : $Q_{th} = 72{,}5 \times 60/1\,000 = 4{,}35$ m³/h.
Débit réel aspiré : $Q_{\text{réel}} = \eta_v \times Q_{th} = 0{,}82 \times 4{,}35 \approx 3{,}57$ m³/h.

Réponse :

Q_{\text{réel}} \approx 3{,}57

m³/h : environ

18\,\%

du volume balayé par la géométrie du compresseur ne se traduit jamais en aspiration effective de gaz neuf, à cause du volume mort et des fuites internes.

🌡️ Relations clés

Q_{th} = V_s \times N

(débit théorique balayé, avec

V_s

en volume par tour et

N

en tr/min)

\eta_v = Q_{\text{réel}}/Q_{th}

(rendement volumétrique, sans unité)

Q_{\text{réel}} = \eta_v \times V_s \times N

(débit réel aspiré)

🎨 Illustration

Rendement volumétrique selon le taux de compression

Le rendement volumétrique chute quand le taux de compression augmente

Plus le taux de compression (rapport entre haute et basse pression) augmente, plus le rendement volumétrique diminue : le gaz résiduel du volume mort se ré-détend sur une plus grande partie de la course, réduisant d'autant la part de la course disponible pour aspirer du gaz neuf.

1 À faible taux de compression, le rendement volumétrique reste proche de $1$ : le volume mort a peu d'effet.
2 Quand le taux de compression augmente (par exemple par temps très froid, où la basse pression chute), le rendement volumétrique diminue.
3 Cette chute explique pourquoi la puissance frigorifique réelle d'une PAC (module A5) s'effondre par grand froid : moins de gaz est réellement aspiré à chaque tour.

Ce qu'il faut lire : Repère la décroissance de la courbe de gauche à droite : plus le taux de compression est élevé (colonne de droite), plus le rendement volumétrique chute.

Le rendement volumétrique d'un compresseur diminue lorsque le taux de compression augmente, à cause du volume mort.

❌ Une erreur, une suggestion

❌ L'erreur fréquente

Le piège classique est de considérer le rendement volumétrique comme une constante du compresseur : il dépend en réalité du point de fonctionnement (taux de compression), et une valeur donnée sur une fiche technique n'est valable que pour les conditions d'essai précisées.

✅ La suggestion

Autre confusion fréquente : le rendement volumétrique n'est pas le rendement global du compresseur (qui inclurait aussi les pertes mécaniques et électriques du moteur) — il ne concerne que l'écart entre débit balayé et débit réellement aspiré.

💡 À retenir

Trois technologies de compresseurs volumétriques : piston, scroll, vis — toutes nécessitent une lubrification.
Le débit théorique balayé $Q_{th} = V_s \times N$ dépend uniquement de la géométrie et de la vitesse de rotation.
Le volume mort (espace nuisible) empêche une partie du volume balayé de se traduire en aspiration effective.
Le rendement volumétrique $\eta_v = Q_{\text{réel}}/Q_{th}$ diminue quand le taux de compression augmente.
Le débit réel aspiré $Q_{\text{réel}} = \eta_v \times V_s \times N$ conditionne directement la puissance frigorifique réelle du compresseur.

🏗️ Application chantier

Où retrouve-t-on ce principe sur une installation réelle ?
Un compresseur volumétrique aspire un volume de fluide frigorigène défini par sa géométrie (module A5), puis le comprime en réduisant mécaniquement ce volume. Mais le débit réellement aspiré est toujours inférieur au débit théorique balayé par la géométrie du compresseur — un écart quantifié par le rendement volumétrique.

Mots-clés associés : Compresseur à pistonScrollVisCylindréeRendement volumétrique

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