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

Principes des machines frigorifiques

On a coutume de dire que l'on produit du froid, mais cela est physiquement faux car on ne fait que déplacer la chaleur d'un point à un autre grâce à la particularité du gaz réfrigérant (dit fluide frigorigène). Ce fluide circule dans un circuit fermé (complètement étanche) et subit un cycle thermique comprenant quatre phases :

1. compression du fluide à l'état gazeux
2. condensation du gaz
3.   détente du liquide
4.   vaporisation du liquide (production de froid)

Donc nous retrouverons toujours les quatre organes suivants dans une installation :

1. compresseur
2. condenseur
3. détendeur
4. évaporateur

Ils se représenteront comme suit :

Le compresseur:

Il aspire les vapeurs provenant de l'évaporateur (vapeur se situant à un bas niveau de température et de pression) et les comprime jusqu'à un plus haut niveau de température et de pression.

Le condenseur:

Il évacue la chaleur contenue dans le fluide afin de le liquéfier. Donc pour liquéfier le fréon, on va échanger de la chaleur avec un médium qui peut être de l'air ou de l'eau.

1.   AB : désurchauffe (évacuation par chaleur sensible)
2. BC : condensation (évacuation par chaleur latente)
3. CD : sous refroidissement (évacuation par chaleur sensible)

Le détendeur:

Son rôle est de créer une grande perte de charge (baisser la pression) pour permettre la vaporisation (ébullition) à basse température dans l'évaporateur. Il régule aussi la quantité de liquide arrivant à l'évaporateur en fonction des besoins de "froid" (uniquement pour les détendeurs thermostatiques). Le débit de fréon pour les tubes capillaire est fonction :

1. du diamètre intérieur (de 0.6 à 1.5 mm)
2. de la longueur (de 1.80 m à 3.50 mm
3. de la différence de pression entre le condenseur et                 l'évaporateur

L'évaporateur:

Il collecte la chaleur du milieu à refroidir pour que le fluide froid et à basse pression, absorbe celle-ci et passe de l'état liquide à l'état de vapeur,  passant par deux phase :
  

1.  AB: évaporation (aspiration de chaleur latente)
2. BC: surchauffe (aspiration de chaleur sensible)

La réfrigération

La production de froid ne date pas d'hier puisque déjà en 1600 des scientifiques se sont aperçus qu'un mélange de neige et de sel abaissait suffisamment la température de l'eau pour former de la glace. La première machine de réfrigération à compression a vu le jour à Londres en 1834 et son inventeur est Jacobi Perkins. Il s'est servi de l'éther comme réfrigérant. C'est en 1931 que l'industrie du froid connaît un bond majeur avec l'arrivée des gaz réfrigérants R12, R22 (en 1935) et R502 (en 1961), puis la réglementation évoluant, de nouveaux gaz sont apparus au fil des années (exemple du R134 vers 1993).

Il y a deux procédés de production du froid :

§  le procédé purement physique : changement d'état avec compression puis détente

§  le procédé physico-chimique : échange de chaleur mis en jeu par l'absorption ou la désorption d'un gaz dans un liquide 


Nous développerons uniquement le procédé par compression qui est le plus performant et le plus utilisé de nos jours.

Principe du système à compression

Avant d'aller plus loin dans les explications techniques, il faut que je vous donne des notions de physique indispensables à la compréhension du système. Tous les fluides (eau, fréon, etc.) ont des particularités, et celles qui nous intéressent sont :

§  la relation qui existe entre pression et température du fluide

§  leur chaleur latente et sensible

§  leur capacité à se condenser et s'évaporer facilement

La chaleur sensible (ou capacité calorifique) c'est l'augmentation, ou la diminution, de la température d'un fluide sans changement de son état .

La chaleur latente c'est l'absorption, ou la diminution, de la quantité d'énergie calorifique, sans augmentation de température mais avec un changement d'état du fluide(La chaleur latente d'un fluide est supérieure à sa chaleur sensible).

Exemple pour l'eau à pression atmosphérique :

§  chaleur sensible : 115.3 W.h/kg

§  chaleur latente : 627.3 W.h/kg

Il existe plusieurs états physiques ou phases physiques : état solide, liquide et gazeux.

La relation pression-température

Il existe aussi une correspondance entre la température de fusion et la pression, ce qu'on peut visualiser sur le diagramme suivant. Le point de rencontre entre les courbes s'appelle le point triple, c'est uniquement en ce point précis que le fluide peut se trouver dans les 3 états simultanément :

La chaleur totale emmagasinée par un corps se concrétise par la chaleur sensible (liée à la température) et la chaleur latente (à état physique). L'addition des deux nous donne l'enthalpie, une grandeur qui sert à déterminer la chaleur donnée ou reprise à un corps. Si on applique tout ça (pression, température, état physique et enthalpie) dans un diagramme, on obtient un diagramme de Mollier, en ce qui nous concerne le diagramme du R290 :

Compresseur Hermétique

Le compresseur hermétique se présente :

1. 1-     comme une enveloppe en acier constitué de deux parties soudées électriquement l’une sur l’autre et de forme cylindrique.
2. 2-    De cette enveloppe sorte  2  tuyauterie d’aspiration, une pour les vapeurs aspirées, l’autre pour le remplissage de frigorigène) et une tuyauterie de refoulement sont soudées sur cette  enveloppe.
3. 3-    Des pattes de fixation sont soudées sur cette enveloppe, sur la quelle sont également placées les bornes de raccordement électriques du moteur du compresseur.

Rôle :

son rôle est d’aspirer les vapeurs produites par l’évaporation du fluide frigorigène dans

l’évaporateur a une pression faible, et de refouler à une haute pression ces vapeurs

comprimées dans le condenseur.

Principe de fonctionnement :

Le fonctionnement du compresseur se déroule en deux étapes essentielles : l’aspiration et refoulement.

L'aspiration :

Lorsque le moteur est en fonction, le rotor tourne et entraîne un vilebrequin qui permet au piston de descendre dans le cylindre par l'intermédiaire de la bielle. Pendant cette phase, le clapet 2, s’ouvre permettant l'entrée du fluide frigorifique venant du circuit réfrigérant de l'appareil (à l'état gazeux) dans la chambre.

Le refoulement :

Après l'entrée du gaz réfrigérant, le piston continu sa course et vient comprimer la chambre.  le clapet 2 se ferme hermétiquement. Sous la pression le clapet 1 peut alors s'ouvrir et laisser s'échapper le fluide qui part directement dans le circuit réfrigérant de l'appareil. Le cycle peut alors reprendre son cours à l'étape 1.

Vue éclatée d'un compresseur :

Légende:

1- Cylindre (Bloc métallique)

2- Guide d'aspiration (Oriente le gaz vers la chambre du cylindre) 

3- Culasse (Assure l'étanchéité entre cylindre et clapets)

4- Clapets (Permettent l'aspiration et le refoulement)

5- Silencieux (Atténuent le sifflement du gaz pendant les phases de refoulement)

6- Couvercle de silencieux (Assurent l'étanchéité entre silencieux et tuyau de refoulement)

7- Tuyau de refoulement (Assure l'étanchéité du refoulement vers le circuit réfrigérant)

8- Contrepoids (équilibre la force rotative du vilebrequin)

9- Piston (Assure la compression du gaz)

10- Bielle (Assure l'intermédiaire entre piston et vilebrequin) 

11- Vilebrequin (Permet la transmission désaxée entre rotor et piston) 

12- Rotor (Crée l'énergie rotative)

13- Stator (Crée le champ magnétique)

14- Ressort de suspension (équilibre et stabilise le moteur dans la cloche)

15- Connectique moteur (Assure l'apport du courant dans le moteur)

16- Système de démarrage (ici CTP)

17- Pompe à huile (Lubrifie la mécanique du montage)

Le démarrage du compresseur :

On peut en distinguer deux variantes d'aide au démarrage:

Le démarrage par relais :
Ici on trouve en série avec l'enroulement principal (ou "de marche") un relais prêt à commander un contact permettant l'alimentation de l'enroulement auxiliaire ( ou dit "de démarrage"). Lors de la mise sous tension, le courant électrique demandé par l'enroulement principal est très important. De par ce fait, le relais (excité) pourra commander le contact, alimentant ainsi l'enroulement auxiliaire (démarrage). Le moteur pourra alors se lancer, le courant diminuera dans l'enroulement principal et donc dans le relais (désexcité).Le contact s'ouvrira, (arrêt de l'alimentation de l'enroulement auxiliaire) et le moteur continuera à tourner sur sa lancée, grâce à l'enroulement principal. Ce système n'est plus utilisé dans les appareils domestiques modernes.

Le démarrage par CTP :

Ce type de démarrage est désormais courant sur tous les compresseurs équipant les appareils nouvelle génération. La CTP est un organe dont la résistance électrique (capacité à freiner le courant) augmente lorsque sa température augmente. A la mise sous tension les enroulements principal (marche) et auxiliaire (démarrage) sont alimentés. Le moteur peut donc s'élancer. Comme pour le démarrage par relais, une fois lancé, l'enroulement auxiliaire doit être coupé. C'est la CTP qui va s'en charger. Grâce au courant la traversant, il se produit un échauffement et, par conséquent, une augmentation de sa résistance, jusqu'au blocage complet du passage du courant. Le moteur reste lancé et alimenté sur l'enroulement de marche.

Remarque:

Ces deux systèmes de démarrage ne sont pas interchangeables, car ils imposent une fabrication propre des moteurs du compresseur. Sur les moteurs à démarrage par relais, l'enroulement auxiliaire est égal à environ deux fois la valeur de l'enroulement principal. Sur les moteurs à démarrage par CTP, les valeurs des deux enroulements sont sensiblement identiques.

La sécurité thermique :

Sur les représentations schématiques précédentes, on peut remarquer, en série avec les enroulements du moteur, une sécurité thermique. Celle-ci à pour but de protéger le moteur contre une éventuelle surchauffe en cas de dysfonctionnement. Elle est constituée d'un bilame (alliage de 2 métaux collés sous la forme d'un disque) qui a la particularité de se déformer sous l'action de la chaleur. Ainsi lorsque le moteur surchauffe, ce système coupe l'alimentation électrique. De même, si le moteur force au démarrage, le courant électrique augmentera, le bilame s'échauffera, se déformera, et coupera de fait l'alimentation.

Quels symptômes et diagnostics en cas de panne ?

Pas de froid dans le réfrigérateur:

-Enroulement coupé: Mesure à l'ohmmètre

-Clapet HS: tester la compression et l'aspiration du moteur (matériel adéquat nécessaire)

-Problème mécanique.

Le compresseur "clique": La sécurité thermique s'enclenche (surchauffe, problème de démarrage, blocage mécanique, problème dans le circuit frigorifique).