À mesure que la température d’évaporation baisse, la pression d’aspiration diminue et le taux de compression que le compresseur doit franchir grandit. Quand le taux dépasse 8–10, le rendement volumétrique d’un compresseur mono-étagé chute rapidement et la température de refoulement atteint un niveau que l’huile ne supporte pas. Dans la compression bi-étagée, l’étage bas comprime le gaz jusqu’à la pression intermédiaire, le gaz y est refroidi et l’étage haut termine le travail. La différence avec la cascade est qu’il n’y a qu’un seul fluide et un seul circuit. Chaque étage travaille à un taux raisonnable et avec un meilleur rendement.
La pression intermédiaire vaut approximativement la racine carrée du produit des pressions absolues d’aspiration et de condensation ; les deux étages travaillent ainsi au même taux. Par exemple, avec le R717, pour une évaporation à −40 °C (0,72 bar) et une condensation à +35 °C (13,5 bar), le taux est de 19 en mono-étagé ; en bi-étagé, la pression intermédiaire est de l’ordre de 3,1 bar et chaque étage travaille à un taux d’environ 4,3. La température de refoulement baisse elle aussi nettement. Vous pouvez lire les valeurs pour votre propre fluide dans notre tableau pression–température des fluides frigorigènes.
Le refroidissement intermédiaire se fait de deux manières. Dans le refroidisseur intermédiaire ouvert (type flash), le gaz chaud de l’étage bas barbote dans le liquide à pression intermédiaire ; dans le même récipient, le liquide destiné à l’évaporateur se refroidit aussi. Dans le type fermé, le liquide est refroidi dans un serpentin et garde sa pression. En pratique, on utilise soit deux compresseurs séparés (étage bas et étage haut), soit un compresseur compound monocorps, dont une partie des cylindres travaille en étage bas et l’autre en étage haut.
Les systèmes bi-étagés conviennent aux tunnels de surgélation, aux surgélateurs spiraux et à plaques, à la production de crèmes glacées et aux entrepôts en dessous de −30 °C. À puissance égale, ils dépensent 15–30 % d’énergie de moins que le mono-étagé ; en contrepartie, l’investissement initial et la régulation sont plus complexes. Aux puissances plus petites, la forme simplifiée de la même idée est le compresseur à vis à économiseur ou le compresseur scroll à injection de vapeur. Le choix de la solution est déterminé par la puissance, le nombre d’heures de fonctionnement par an et le prix de l’énergie ; dans les grandes installations fonctionnant en continu, le bi-étagé s’amortit rapidement.