Les composants et Les propriétés de l'air sec

L’air sec est un mélange de gaz la composition volumétrique habituelle est :
Oxygène ...........................20,99%
Azote ................................ 78,03%
Argon ................................. 0,94%
Gaz carbonique .................0,03%
Ces gaz peuvent être considérés comme parfaits on peut donc appliquer à l’air sec l’équation des gaz parfaits :   

 PV = RT

P- pression en mm de hauteur de colonne d’eau :
V- volume spécifique en mètre cubes par kg.
T- température absolue en °K (T°(K)= 273,15 t°C)
R- constante de l’air.
Soit M le poids moléculaire de l’air. Une molécule kilogramme d’un gaz parfait occupe un volume de 22,412 m3. Pour une température de 0°C et une pression de 760 mm de mercure, correspondant à 10.332 mm d’eau.
10.332 × 22,412 = M×R × 273,15 d’ou R = 848 / M
Or poids moléculaire de l’air est égal à : M = 22,412 × 1,293 = 29 (1,293- masse volumique)
donc R = 848 / 29 = 29.2
L’équation d’état de l’air sec s’écrit donc : 

PV = 29,2 T

1- La chaleur spécifique à pression constante CP de 1kg poids d’air est donnée par la formule : 

CP = 0,24 + 0,00006t

En conditionnement d’air où t varie en général de –10°C à + 40° l’on peut considérer CP comme constant et = à 0,24 kcal / kg °C
Rappelons que 1 kcal / kg °C = 4,185 Kj / kg °C.
2 - L’échauffement adiabatique de l’air sec que l’on porte de la pression statique P1 à la pression P2dans compresseur de rendement 100% est :

T2 –T1 = T1 [ ( P2 )0,29 -1 ]P1

3 - La masse volumique de l’air sec, mesurée à une température de 0°C et sous une pression de 760 mm de mercure est 1293 gr/m3.
Pour toute autre température la pression est donnée par la formule classique:   

 p = 0,465 P/T

P- masse volumique en gr/m3.
p- pression en mm de mercure.
T- température en °k.

La représentation de cycle frigorifique sur le diagramme

Comme on le voit, la majeure partie des échanges de chaleur se fait en chaleur latente, donc avec changement d'état physique du fluide, d'où le nom de changement de phase. Un système de réfrigération fonctionne donc entre deux niveaux de pression :

• la partie haute pression HP (maxi 26 bars) qui s'étend du compresseur jusqu'à l'entrée dans le détendeur
• la partie basse pression BP (1 bar ou moins en général) qui s'étend de la sortie du détendeur jusqu'au compresseur

Si nous représentons l'évolution du gaz dans une installation sur notre diagramme de Mollier, on obtient le cycle théorique pratique suivant :

On notera pour information que :

• la compression (AB) se fait sans échange de chaleur avec le milieu extérieur, dite adiabatique ou isentropique
• la condensation (BC) et l'évaporation (DA) s'effectuent avec un échange de chaleur à pression constante, dite isobare
• la détente (CD) est dite isenthalpique, car il n'y a aucun échange de chaleur

Afin d'améliorer l'échange de chaleur et le rendement frigorifique, on déplace les point C et D. En C, on sous refroidit le liquide frigorigène, et en D, on surchauffe les vapeurs (sécurité contre les retours liquides dans le compresseur).

Les installations de fortes puissances sont équipées de détendeurs thermostatiques qui ajustent en temps réel le débit de fluide frigorigène dans l'évaporateur, de façon à maintenir un certain degré de surchauffe à la sortie de l'évaporateur (environ 7 °C).


Le cycle réel de la machine:


Le cycle réel ne se présente pas exactement comme ça. Suite aux pertes de charge dans le circuit, liées à la taille de l'évaporateur et du condenseur, les échanges thermiques ne se font plus à pression constante (donc non isobare). Le cycle réel se présente donc comme suit :

La plupart du temps, on négligera ces pertes, car elles n'influent pas sur l'enthalpie (échange de chaleur). Il existe des détendeurs thermostatiques à égalisation externe de pression qui compensent ces pertes de charge (installation de forte puissance). Nous pouvons trouver le cycle pratique d'une installation avec simplement quelques mesures :

• basse pression
• haute pression
• température liquide (sortie condenseur)
• température d'aspiration (entrée compresseur)

Le coefficient de performance COP:


Une fois ce diagramme obtenu, on peut calculer les chaleurs échangées et le rendement de l'installation (COP). Le COP sera d'autant plus petit que la température d'évaporation sera faible. Plus basse sera la température, plus chers seront les kilowatts. Donc pour un même compresseur, on aura plusieurs puissances frigorifiques, chacune correspondant à des régimes donnés de température. Le rendement théorique d'une installation frigorifique (cycle parfait de Carnot), se détermine par l'équation :

Q(chaleur échangée condenseur) + Q(chaleur échangée évaporateur) + W(travail fourni par le compresseur) = 0

Ce résultat se traduira par COP = Q / W qui est aussi égal à COP = T2 / (T1 - T2) avec :

• T1 = température absolue de condensation
• T2 = température absolue d'évaporation

En réalité, les calculs sont beaucoup plus complexes que ça, car d'autres paramètres rentrent en compte, comme la nature du gaz, la pression d'évaporation, etc. Voici par exemple les COP réels pour une température de condensation de 45 °C.

T° évaporation (°C)	COP
	R22	R134a	R404a	R407c	R410a
10	4.92	4.85	4.43	4.6	4.55
0	3.27	3.16	2.93	3.01	3.06
-10	2.23	2.05	1.94	1.94	2.07
-20	1.47	1.31	1.27	1.29	1.39
-30	0.95	0.78	0.8	0.79	0.91
-40	0.57	0.44	0.48	N/A	0.56

Pour un compresseur de 200 W, une température de condensation de 45 °C et du R22, on aura une production de froid de :

• 200 x 4.92 = 984 W pour une température d'évaporation de 10 °C
• 200 x 0.57 = 114 W pour une température d'évaporation de -40 °C

On utilise donc les fluides selon leur plage de température :

• le R134a : entre -15 °C et > à 10 °C
• le R404A : entre -15 °C et -45 °C
• le R407C : entre 0 °C et 10 °C
• le R410A : tous les domaines de température
• le R22 : les meilleurs coefficients de performance sur toute la plage de température

Le R134a

Le R134a est un hydrocarbure halogéné de formule C2H2F4. Il appartient à la classe des hydrofluorocarbonates (HFC). Son nom est le 1,1,1,2-tétrafluoroéthane, synonyme de tétrafluoroéthane(On l’appelle aussi Solkane ou Norflurane). Il a été désigné pour remplacer certains CFC dont le R12(Il a à peu prés les mêmes utilisation).

Ce fluides n’a aucun effet sur la couche d’ozone (son ODP est égal à 0) mais il contribue à l’effet de serre (son GWP est estimé à 1430) même si il ne présente aucun danger pour l’homme.

Les caractéristiques principales de cet hydrocarbure sont les suivantes:

Masse molaire : 102.03 g/mol

Point de fusion (1,013 bar) : -101 °C

·         Masse volumique de la phase liquide (1,013 bar et 25 °C) : 1206 kg/m³

·         Point d’ébullition (1,013 bar) : -26.6 °C

·         Chaleur latente de vaporisation (1,013 bar au point d’ébullition) : 215.9 kJ/kg

·         Pression de vapeur (à 20 °C) : 5.7 bar

·         Pression de vapeur (à 5 °C) : 3.5 bar

·         Pression de vapeur (à 15 °C) : 4.9 bar

·         Pression de vapeur (à 50 °C) : 13.2 bar

·         Point critique: Température (100.9 °C),Pression( 40.6 bar),Masse volumique:512 kg/m³ Point triple: Température(-103.3 °C)

·         Masse volumique du gaz (1,013 bar au point d’ébullition) : 5.28 kg/m³

·         Masse volumique de la phase gazeuse (1,013 bar et 15 °C) : 4.25 kg/m³

·         Facteur de compressibilité (Z) (1,013 bar et 15 °C) : 1

·         Masse volumique (air = 1) (1,013 bar et 15 °C) : 3.25

·         Volume spécifique (1,013 bar et 15 °C) : 0.235 m³/kg

·         Chaleur spécifique à pression constante (1,013 bar et 25 °C) : 0.087 kJ/mol/K

·         Solubilité dans l’eau (1 bar et 25 °C) : 0.21 vol/vol

·         Pour plus de précisions consultez le diagramme enthalpique ci-dessous