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