Manuel de formation

Technique frigorifique/ Climatisation

12/2003

Manuel de formation Table des matires

Table des matires

1

Les bases de la thermodynamique 1.1 1.2 1.3

101

1.4 1.5 1.6

Introduction ............................................................................................................................................101 Temprature ..........................................................................................................................................101 Pression .................................................................................................................................................101 1.3.1 Pression atmosphrique ..............................................................................................................102 1.3.2 Surpression et pression absolue .................................................................................................102 Enthalpie ................................................................................................................................................103 Densit et volume spcifique .................................................................................................................103 Changement dtat dune substance .....................................................................................................103 1.6.1 Le diagramme de phase ..............................................................................................................104 1.6.2 Courbe de pression de la vapeur ................................................................................................105

2 Le circuit du fluide frigorigne - Bases 201 2.1 2.2 2.3 Utilisation des proprits thermodynamiques dune substance dans la production du froid ...............201 Le circuit simple du fluide frigorigne ....................................................................................................201 Surchauffe .............................................................................................................................................203 2.3.1 Comment obtenir une surchauffe? .............................................................................................203 2.3.2 Valeur de surchauffe usuelle .......................................................................................................204 2.3.3 Mesure de la surchauffe ..............................................................................................................204 Surrefroidissement .................................................................................................................................204 2.4.1 Comment obtenir un surrefroidissement? ...................................................................................205 2.4.2 Valeurs de surrefroidissement .....................................................................................................205 2.4.3 Mesure du surrefroidissement .....................................................................................................205 Le circuit du fluide frigorigne ................................................................................................................206 301

2.4

2.5 3

Fonction des lments principaux du circuit du fluide frigorigne 3.1

3.2

3.3

3.4 4

vaporateur ...........................................................................................................................................301 3.1.1 Processus lintrieur de lvaporateur ......................................................................................301 3.1.2 Puissance de lvaporateur .........................................................................................................301 3.1.3 Pression dvaporation ................................................................................................................302 Compresseur .........................................................................................................................................302 3.2.1 Capacit de transport du compresseur .......................................................................................302 3.2.2 Capacit frigorifique .....................................................................................................................304 3.2.3 Puissance motrice du compresseur ............................................................................................304 3.2.4 Limites dutilisation du compresseur ............................................................................................305 Le condenseur .......................................................................................................................................306 3.3.1 Processus dans le condenseur ...................................................................................................306 3.3.2 Puissance du condenseur ...........................................................................................................307 3.3.3 Pression de condensation ...........................................................................................................307 Organe dtranglement ..........................................................................................................................307 401

Les lments du circuit du fluide frigorigne 4.1

Le compresseur .....................................................................................................................................401 4.1.1 Gnralits ..................................................................................................................................401 4.1.2 Compresseur piston alternatif ...................................................................................................401 4.1.2.1 Compresseur piston plongeur ......................................................................................402 4.1.2.2 Compresseur piston axial ............................................................................................403 4.1.3 Compresseur palettes ..............................................................................................................404 4.1.4 Compresseur scroll ......................................................................................................................405 4.1.5 Compresseur vis .......................................................................................................................407 4.1.6 Entranement du compresseur ....................................................................................................408

I

Manuel de formation4.2

Table de matires

Condenseur .......................................................................................................................................... 409 4.2.1 Condenseur sans surrefroidisseur .............................................................................................. 409 4.2.2 Condenseur avec surrefroidisseur .............................................................................................. 410 4.2.3 Ventilateur .................................................................................................................................. 411 4.3 Collecteur .............................................................................................................................................. 411 4.4 Filtre dshydrateur ................................................................................................................................ 412 4.4.1 Fonctions du filtre dshydrateur ................................................................................................. 412 4.4.2 Montage du filtre dshydrateur ................................................................................................... 412 4.4.3 Construction du filtre dshydrateur ............................................................................................. 412 4.5 Verre de regard ..................................................................................................................................... 413 4.6 Organe dtranglement ......................................................................................................................... 414 4.6.1 Soupapes de dtente thermorglable ......................................................................................... 414 4.6.1.1 Soupape de dtente thermostatique compensation de pression interne .................... 414 4.6.1.2 Soupape de dtente thermostatique compensation de pression externe .................. 416 4.6.1.3 Soupape bloc ................................................................................................................. 418 4.6.1.4 Soupape MOP ............................................................................................................... 418 4.6.2 Tube de dtente (Orifice tube) .................................................................................................... 418 4.7 vaporateur .......................................................................................................................................... 419 4.7.1 vaporateur alimentation air ................................................................................................. 419 4.7.2 vaporateur alimentation liquide ............................................................................................. 420 4.7.3 Rpartition du fluide frigorigne.................................................................................................. 421 4.8 Collecteur de liquide ............................................................................................................................. 422 4.9 Flexibles ................................................................................................................................................ 423 4.10 Tuyauteries ........................................................................................................................................... 423 501

5

Fluides frigorignes, lubrifiants et fluides caloporteurs 5.1 5.2

5.3 5.4 5.5

5.6

5.7

Introduction ........................................................................................................................................... 501 Exigences imposes un fluide frigorigne idal ................................................................................. 501 5.2.1 Proprits physiques .................................................................................................................. 501 5.2.1.1 Pression dvaporation .................................................................................................. 501 5.2.1.2 Pression de condensation .............................................................................................. 501 5.2.1.3 Diffrence de pression ................................................................................................... 501 5.2.1.4 Taux de compression ..................................................................................................... 501 5.2.1.5 Temprature finale de compression .............................................................................. 501 5.2.1.6 Solubilit dans leau ....................................................................................................... 501 5.2.1.7 Enthalpie dvaporation et densit daspiration ............................................................. 501 5.2.1.8 Miscibilit/Solubilit des lubrifiants ................................................................................. 501 5.2.2 Proprits chimiques .................................................................................................................. 502 5.2.3 Proprits physiologiques ........................................................................................................... 502 5.2.4 Impact sur lenvironnement.......................................................................................................... 502 5.2.4.1 Potentiel de dgradation de lozone (ODP) ................................................................... 502 5.2.4.2 Potentiel deffet de serre (GWP) .................................................................................... 502 5.2.4.3 TEWI .............................................................................................................................. 503 Dcret dinterdiction de HCFC-Halon .................................................................................................... 503 Fluide frigorigne R 134a compar R 12 ........................................................................................... 504 Remplacement du fluide frigorigne ..................................................................................................... 504 5.5.1 Retrofit ........................................................................................................................................ 504 5.5.2 Drop In ........................................................................................................................................ 504 Huiles de machines frigorifiques ........................................................................................................... 505 5.6.1 Fonction des huiles de machines frigorifiques ............................................................................ 505 5.6.2 Problmes imputables lhuile ................................................................................................... 505 5.6.3 Types dhuiles usuelles pour machines frigorifiques .................................................................. 506 5.6.3.1 Huiles minrales ............................................................................................................ 506 5.6.3.2 Alcylbenznes ................................................................................................................ 506 5.6.3.3 Polyglycol (PAG) ............................................................................................................ 506 5.6.3.4 Huiles-esters .................................................................................................................. 506 Agents caloporteurs .............................................................................................................................. 506

II

Manuel de formation6 Technique dinstallation 6.1

Table des matires601

6.2

6.3 7

lments de scurit .............................................................................................................................601 6.1.1 Gnralits ..................................................................................................................................601 6.1.2 Types de dispositifs de scurit ..................................................................................................601 Rgulation de puissance .......................................................................................................................602 6.2.1 Compresseur variable .................................................................................................................602 6.2.1.1 Rgulation avec accouplement magntique ...................................................................602 6.2.1.2 Rgulation de la puissance par rchauffement ..............................................................603 6.2.1.3 Drivation gaz chaud ...................................................................................................603 6.2.1.4 tranglement de laspiration ...........................................................................................604 6.2.1.5 Rglage de rgime .........................................................................................................604 6.2.2 Compresseur rglage interne ...................................................................................................604 6.2.2.1 Mise hors circuit du cylindre ...........................................................................................604 6.2.2.2 Rglage du plateau oscillant (rglage interne) ...............................................................605 6.2.2.3 Rglage du plateau oscillant (rglage externe) .............................................................607 6.2.2.4 Compresseur palettes ..................................................................................................607 6.2.2.5 Compresseur scroll .........................................................................................................607 Dplacement du fluide frigorigne .........................................................................................................607 701

Mise en service 7.1

Humidit dans le circuit du fluide frigorigne .........................................................................................701 7.1.1 Gnralits ..................................................................................................................................701 7.1.2 Corrosion / Formation dacides ....................................................................................................701 7.1.3 Plaquage de cuivre ......................................................................................................................701 7.1.4 Formation de cristaux de glace ...................................................................................................701 7.1.5 Rduction de lhumidit ............................................................................................................... 702 7.2 Substances solides et solubles dans le circuit du fluide frigorigne ......................................................702 7.3 Gaz non condendable dans un circuit de fluide frigorigne ...................................................................703 7.4 vacuation dun circuit de fluide frigorigne ..........................................................................................703 7.4.1 Gnralits ..................................................................................................................................703 7.4.2 Pompe vide ...............................................................................................................................703 7.4.3 vacuation correcte .....................................................................................................................705 7.5 Contrle de fuite dans les circuits de fluide frigorigne .........................................................................706 7.5.1 Gnralits ..................................................................................................................................706 7.5.2 Contrle de fuite avec la mthode de fluage sous compression .................................................706 7.5.3 Recherche de panne laide du test bulles ..............................................................................706 7.5.4 Recherche de panne laide du test dtanchit aux bulles de savon ......................................706 7.5.5 Recherche de fuite laide de dtecteur lectronique de fuites ..................................................706 7.5.6 Recherche de fuite laide de gaz de contrle ...........................................................................707 7.6 Appareils de service ..............................................................................................................................707 7.7 Portique de manomtre .........................................................................................................................707 7.8 Station daspiration ................................................................................................................................708 7.9 Soupape de service ...............................................................................................................................708 7.10 Processus de mise en service ...............................................................................................................710 7.10.1 Contrle visuel ...........................................................................................................................710 7.10.2 Contrle de pression ..................................................................................................................710 7.10.3 Contrle dtanchit .................................................................................................................711 7.10.4 Schage, vacuation .................................................................................................................711 7.10.5 Remplissage, calcul de la quantit de remplissage ncessaire ................................................711 7.10.6 Contrle et rglage des organes de scurit .............................................................................712 Recherche de pannes 8.1 8.2 Spcifications......................................................................................................................................... Procdure suivre dans les recherches de pannes.............................................................................. 8.2.1 Fluide frigorigne ......................................................................................................................... 8.2.2 Schma dinstallation................................................................................................................... 8.2.3 Contrle visuel............................................................................................................................. 8.2.4 Mesures....................................................................................................................................... 801 801 801 801 801 802 III

8

Manuel de formation8.3

Table de matires804 806 807 808 809 810

Pannes typiques et causes possibles ................................................................................................... 8.3.1 Pression daspiration trop faible, haute pression trop basse normale ..................................... 8.3.2 Pression daspiration normale, haute pression trop leve ........................................................ 8.3.3 Pression daspiration trop leve, haute pression trop basse normale ................................... 8.3.4 Pression daspiration trop leve, haute pression trop leve ................................................... 8.3.5 Autres pannes ............................................................................................................................

9

Consignes de scurit 9.1 9.2 9.3 9.4 9.5 Manutention des fluides frigorignes .................................................................................................... Manutentions de rcipients sous pression........................................................................................... Rgles techniques en matire de gaz sous pression ........................................................................... Loi relative aux dchets, dispositions et dcrets sur les contrles ....................................................... Autres normes et directives .................................................................................................................. 901 901 902 903 903

10

Appendice 10.1 10.2 10.3 10.4 Symboles et indices utiliss ................................................................................................................ Reprsentation des points de mesures .............................................................................................. Symboles graphiques (EN 1861, Avril 1998) ...................................................................................... Tableau vapeur de R 134a ................................................................................................................. 1001 1004 1006 1010

IV

Manuel de formation Sommaire des illustrations1 Fig. Fig. Fig. Fig. Fig. Fig. Fig. Fig. 2 Fig. Fig. Fig. Fig. Fig. Fig. Fig. Fig. Fig. 3 Fig. Fig. Fig. Fig. Fig. Fig. Fig. Fig. Fig. 4 Fig. Fig. Fig. Fig. Fig. Fig. Fig. Fig. Fig. Fig. Fig. Fig. Fig. Fig. Fig. Fig. Fig. Fig. Fig. Fig. Bases de la thermodynamique 1-1. 1-2. 1-3. 1-4. 1-5. 1-6. 1-7. 1-8.

Table des matires

chelle de temprature Kelvin et Celsius ....................................................................................................101 Mesure de la pression atmosphrique laide dun baromtre ...................................................................102 Indication manomtrique, pression absolue et surpression.........................................................................102 Diagramme temprature-enthalpie pour leau p = 1,013 bar ....................................................................103 Diagramme de phase dun fluide frigorigne ...............................................................................................104 vaporation de leau pression constante (p = 1,013 bar) ........................................................................ 104 Courbe de pression de la vapeur pou R 134a .............................................................................................105 Manomtre avec chelle de tempratures de saturation.............................................................................105

Le cycle du fluide frigorigne - Bases 2-1 2-2 2-3 2-4 2-5 2-6 2-7 2-8 2-9 Dissipation de chaleur laide de lenthalpie de fusion de la glace: glacire ........................................... Reprsentation schmatique dun circuit de fluide frigorigne: rfrigrateur ........................................... Schma de principe dune machine frigorifique compression avec ses quatre principaux lments ...... Diagramme t, h ........................................................................................................................................... Diagramme t, h dun cycle de fluide frigorigne.......................................................................................... Surchauffe du fluide frigorigne dans lvaporateur ................................................................................... Surrefroidessement du fluide frigorigne .................................................................................................... Circuit schmatique du fluide frigorigne.................................................................................................... Circuit du fluide frigorigne dans le diagramme t, h ................................................................................... 201 201 202 202 202 203 204 206 206

Fonction des lments principaux du circuit du fluide frigorigne 3-1 3-2 3-3 3-4 3-5 3-6 3-7 3-8 3-9 Processus lintrieur de lvaporateur...................................................................................................... Espace nuisible du compresseur piston .................................................................................................. Effet de lespace nuisible ............................................................................................................................ Coefficient de rendement en fonction du taux de compression .................................................................. Puissance frigorifique au-dessus de la temprature dvaporation pour diffrentes tempratures de condensation ......................................................................................................................................... Besoins en nergie en fonction de la temprature dvaporation et de condensation ............................... Limites dutilisation dun compresseur piston alternatif ouvert................................................................. Zones du condenseur ................................................................................................................................. Processus de dtente du fluide frigorigne ................................................................................................ 301 303 303 303 304 305 305 306 308

lements du circuit du fluide frigorigne 4-1 4-2 4-3 4-4 4-5 4-6 4-7 4-8 4-9 4-10 4-11 4-12 4-13 4-14 4-15 4-16 4-17 4-18 4-19 4-20 Vue schmatique dun compresseur ouvert piston plongeur , entreprise Bock ....................................... Compresseur piston plongeur FK 40 de lentreprise Bock ...................................................................... Garniture tanche anneau glissant du passage de larbre dun compresseur ouvert (entreprise Bitzer) Compresseur piston axial ........................................................................................................................ Coupe travers un compresseur piston axial ......................................................................................... Compresseur palettes avec 5 palettes .................................................................................................... Compresseur scroll ..................................................................................................................................... Processus de compression dun compresseur scroll.................................................................................. Coupe schmatique dun compresseur vis .............................................................................................. Types de poulies courroie........................................................................................................................ Tension prliminaire de la courroie (entreprise Bock) ................................................................................ Accouplement magntique ......................................................................................................................... changeur de chaleur lamelles et tubes............................................................................................... Construction du condenseur lamelles et tubes ..................................................................................... Exemple dun condenseur dautobus.......................................................................................................... Condenseur flux parallle ........................................................................................................................ Construction dun condenseur flux parallle ............................................................................................ Ventilateur axial .......................................................................................................................................... Ventilateur radial deux soufflantes........................................................................................................... Collecteur dun climatiseur de vhicule automobile .................................................................................... 402 402 403 404 404 405 405 406 407 408 408 408 409 409 409 410 410 411 411 411 V

Manuel de formationFig. 4-21 Fig. 4-22 Fig. 4-23 Fig. 4-24 Fig. 4-25 Fig. 4-26 Fig. 4-27 Fig. 4-28 Fig. 4-29 Fig. 4-30 Fig. 4-31 Fig. 4-32 Fig. 4-33 Fig. 4-34 Fig. 4-35 Fig. 4-36 Fig. 4-37 Fig. 4-38 Fig. 4-39 Fig. 4-40 Fig. 4-41 Fig. 4-42 Fig. 4-43 Fig. 4-44 Fig. 4-45 Fig. 4-46 Fig. 4-47 Fig. 4-48 5

Table de matires412 413 413 414 414 415 415 416 416 417 417 418 418 419 420 420 421 421 421 421 422 422 422 423 423 424 424 425

Exemple de montage du collecteur dun climatiseur dautobus ................................................................. Coupe travers un filtre dshydrateur charge solide ............................................................................. Formation de bulles dans le verre de regard dues labsence de fluide frigorigne................................. Verre de regard avec indicateur dhumidit ............................................................................................... Organe de dtente thermostatique compensation de pression interne .................................................. Soupape de dtente thermostatique (compensation de pression interne) avec vaporateur.................... Schma dune soupape de dtente thermostatique compensation de pression interne ........................ Courbe de puissance dune soupape de dtente thermostatique.............................................................. Organe de dtente thermostatique compensation de pression externe ................................................. Organe de dtente thermostatique compensation de pression externe (soupape dquerre ................. Organe de dtente thermostatique compensation de pression externe (soupape-bloc) ........................ Pression du capteur en fonction de la temprature du capteur ................................................................. Orifice Tube ............................................................................................................................................... vaporateur lamelles .............................................................................................................................. vaporateur plaques de vhicule automobile ......................................................................................... Refroidissement indirect ............................................................................................................................ Construction dun vaporateur plaques .................................................................................................. vaporateur plaques............................................................................................................................... Distributeur de fluide frigorigne ................................................................................................................ Distributeur de fluide frigorigne ................................................................................................................ Distribution de fluide frigorigne dans lvaporateur plaques ................................................................. Brumisateur................................................................................................................................................ Collecteur de liquide .................................................................................................................................. Construction dun flexible........................................................................................................................... Flexible avec support de pression tress (2 couches)............................................................................... Pose dune conduite daspiration sur le compresseur ............................................................................... Pose dune conduite sous pression pour un vaporateur en position leve............................................ Pose dune conduite sous pression, condenseur la mme hauteur ou plus bas ...................................

Fluide frigorigne, lubrifiants et fluide caloporteur

Fig. 5-1 Caractristique dolosolubilit R 134a...................................................................................................... 502 Fig. 5-2 Augmentation de la concentration en CO2 ................................................................................................ 503 Fig. 5-3 Fonctions du lubrifiant................................................................................................................................ 505 6 Technique dinstallation Fig. 6-1 Chane de scurit base sur quelques lments de scurit .................................................................. Fig. 6-2 volution de la temprature de sortie de lair et besoins en nergie des compresseurs variables et rglage en continu .............................................................................................................................. Fig. 6-3 Montage avec drivation de gaz chaud ..................................................................................................... Fig. 6-4 Rglage de rgime avec mcanisme de transmission variable ................................................................. Fig. 6-5 Dconnexion dun couple de cylindres ...................................................................................................... Fig. 6-6 Dconnexion dun cylindre, fonctionnement pleine charge..................................................................... Fig. 6-7 Dconnexion dun cylindre, fonctionnement de rgulation ........................................................................ Fig. 6-8 Rglage de puissance dun compresseur plateau oscillant rglage interne ........................................ Fig. 6-9 Soupape de rglage dun compresseur plateau oscillant rglage interne ........................................... Fig. 6-10 Circuit pump down ..................................................................................................................................... 7 Mise en service Teneur en eau maximale pour diffrents fluides frigorignes .................................................................... Absorption deau pour diffrents types dhuiles ......................................................................................... Reprsentation schmatique dune pompe tiroirs rotatifs deux tages ............................................... Reprsentation dun processus dvacuation avec et sans ballast gaz .................................................. Reprsentation schmatique dune vacuation bilatrale ......................................................................... Allure de la pression dans la pompe vide et dans linstallation............................................................... Recherche de fuite laide du test dtanchit aux bulles savon ......................................................... Dtecteur de fuites lectronique ................................................................................................................ Appareil de service .................................................................................................................................... Portique de manomtre ............................................................................................................................. 701 702 703 704 705 705 706 707 707 707 602 603 604 604 605 605 605 606 606 608

Fig. 7-1 Fig. 7-2 Fig. 7-3 Fig. 7-4 Fig. 7-5 Fig. 7-6 Fig. 7-7 Fig. 7-8 Fig. 7-9 Fig. 7-10

VI

Manuel de formationFig. Fig. Fig. Fig. Fig. Fig. Fig. Fig. Fig. 8 Fig. Fig. Fig. Fig. Fig. Fig. Fig. Fig. 9 10 7-11 7-12 7-13 7-14 7-15 7-16 7-17 7-18 7-19

Table des matires707 709 709 709 710 710 711 712 712

Construction dun portique de manomtre.................................................................................................. Soupape darrt de compresseur ............................................................................................................... Soupape darrt de compresseur, vue de dessus ...................................................................................... Soupape de service dans trois positions (reprsentation schmatique) .................................................... Soupape pointeau automatique (soupape Schrader) .............................................................................. Raccord rapide pour soupapes de service ................................................................................................. Quantit de remplissage optimale .............................................................................................................. Surchauffe en fonction de la quantit de remplissage ................................................................................ Pression de condensation en fonction de la quantit de remplissage ........................................................

Recherche de pannes 8-1 8-2 8-3 8-4 8-5 8-6 8-7 8-8 Points de mesure pour lapprciation des recherches de pannes .............................................................. Circuit schmatique du fluide frigorigne avec portique de manomtre comme garniture de remplissage Causes de pannes sur environ 40 000compresseurs tombs en panne.................................................... Matrice de recherche de pannes de lentreprise Bock................................................................................ Pression daspiration trop basse, haute pression trop basse normale .................................................... Pression daspiration normale, haute pression trop leve ........................................................................ Pression daspiration trop leve, haute pression trop basse normale ................................................... Pression daspiration trop leve, haute pression trop leve ................................................................... 802 803 804 805 806 807 808 809

Consignes de scurit Annexe

Fig. 10-1 Pression et points de mesures de la temprature .................................................................................... 1004

VII

Manuel de formation IntroductionContenu et objectif

Table de matires

Ce manuel de formation est destin venir en aide au personnes spcialises dans les travaux de montage et de maintenance effectus sur les climatiseurs de voitures automobiles, camions et autobus. Nous nous sommes fixs pour objectif dans un premier temps de dcrire, en nous basant sur les principes les plus importants de la thermodynamique, les tches et les fonctions des quatre lments les plus importants dune installation frigorifique, savoir le compresseur, le condenseur, la soupape de dtente et lvaporateur. Le chapitre traitant de ces constituants est destin expliquer la structure et le fonctionnement des lments principaux ainsi que celui de tous les autres lments dune installation frigorifique. Le chapitre portant sur les constructions industrielles aborde la chane de scurit et les diffrents possibilits de rglage de puissance. Le chapitre sur la mise en exploitation dcrit les moyens ncessaires la mise en service des appareils ainsi que les informations importantes concernant une mise en service optimale dune installation frigorifique. Le chapitre traitant de la recherche des pannes dcrit les procdures dtailles respecter dans les recherches de pannes et les diffrentes possibilits de pannes. Propositions damliorations et de modifications Toutes rclamations, amliorations ou propositions destines lamlioration du manuel de formation devront tre envoyes ladresse suivante: Webasto Thermosysteme GmbH Abt. Technische Dokumentation D-82131 Stockdorf Tlphone:0 89 / 8 57 94 - 5 42 Tlfax: 0 89 / 8 57 94 - 7 57

Ces documents ont t labors par la socit: Test- und Weiterbildungszentrum Wrmepumpen und Kltetechnik TWK GmbH Floridastrae 1 D-76149 Karlsruhe Tlphone:07 21 / 9 73 17 - 0 Tlfax: 07 21 / 9 73 17 - 11

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1 Les bases de la thermodynamique 1 Les bases de la thermodynamique1.1 IntroductionLa technique frigorifique est une partie constituante de la thermodynamique qui traite du comportement des corps solides, liquides et gazeux. Thermo Chaleur Dynamique Science des mouvements La thermodynamique tudie donc les mouvements thermiques ou browniens (alimentation et conduction de la chaleur). A vrai dire, la notion de froid en thermodynamique nexiste pas, car le froid nest gnr que lorsque la chaleur est transporte dun endroit vers un autre endroit prsentant une temprature plus leve. Lors de ce processus, lespace refroidi, la substance ou le corps possde toujours une capacit thermique, tant que la temprature est situe au-dessus de -273,15 C. sius (1701 - 1744) fixa en 1742 une chelle de tempratures dnomme chelle de temprature Celsius. Il utilisa cet effet du mercure comme liquide et divisa lchelle en 100 graduations identiques. Il fut ds lors possible de dterminer la valeur dun degr Celsius. Un prolongement uniforme de lchelle de temprature Celsius au-del du point dbullition et au-dessous du point de conglation permet dobtenir lchelle de temprature adquate pour toutes les plages de tempratures. Une telle chelle de tempratures, comme on le constate, est tout fait arbitraire. La temprature la plus basse que lon puisse atteindre slve -273,15 C. Cette valeur est dsigne sous le nom de zro absolu. Lchelle de temprature thermodynamique dbute pour le zro absolu par 0 K (Kelvin, ainsi dnomm daprs le physicien anglais W. Thomson, devenu plus tard Lord Kelvin, 1824 - 1904). Afin de tenir compte de cette particularit, une nouvelle valeur de rfrence a t introduite pour la temprature, savoir la temprature thermodynamique. Le point zro absolu ne peut jamais tre atteint par transfert thermique, car la chaleur que possde un corps ne peut tre cde qu un corps ayant une temprature encore plus basse.

1.2 TempratureLa temprature dune substance peut se concevoir comme une mesure permettant de saisir lintensit des mouvements de particules de matire (atomes, molcules et groupes de molcules). Dans les corps solides, les composants rticulaires vibrent autour dun centre de vibration. Lorsque ce mouvement, la suite dun apport de chaleur, devient si intense quil parvient surmonter les forces rticulaires. le rseau rigide se rompt. Le corps commence fondre et devient liquide. Lors de ce processus, des forces complmentaires agissent toujours parmi les composants rticulaires. Un apport supplmentaire dnergie thermique permet de surmonter ces forces et les molcules peuvent ds lors se mouvoir librement sous forme de vapeur ou de gaz dans lespace. Une vacuation de la chaleur permet dannuler ces changements dtat. Toutes les proprits physiques des corps variables avec la temprature (dilatation volumtrique, rsistance lectrique etc) conviennent la thermomtrie. La plupart des thermomtres sont bass sur la dilatation thermique des liquides, tels que le mercure et lalcool. Il est ncessaire dans ce cas de dterminer une chelle de temprature. tant donn que certains processus physiques naturels ont toujours lieu la mme temprature lorsque les conditions sont identiques, on obtient ds lors des points de temprature fixes dont les plus connus sont le point de fusion de la glace et le point dbullition de leau. Il est possible, quand on divise de faon adquate la dilatation dun liquide entre deux points fixes, dobtenir une chelle de tempratures. Lastronome sudois A. Cel-

p = 1 bar

Point dbullition de leau 373,15 K Point de fusion de la glace 273,15 K

100 C 0 C

Point zro absolu 0 K

-273 C

Fig. 1-1. chelle de temprature Kelvin et Celsius

1.3 PressionOn entend par pression la force agissant sur une unit de surface. Le comit international de mtrologie a choisi le Pascal (Pa) comme unit de pression. Cette unit est galement qualifie de Newton par m (N/m).p= Force F Surface A

en Pa, N/m 2

(Pascal, ainsi dnomm daprs B. Pascal, philosophe et mathmaticien franais, 1623 - 1662)

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1 Les bases de la thermodynamique(Newton, ainsi dnomm daprs I. Newton, physicien anglais, 1643 - 1727) Lunit lgale drivant du Pascal, le Bar (bar), est galement admise comme unit de pression. Ill sensuit la conversion suivante: 1 bar = 100 000 Pa = 105 Pa 1 bar = 1 000 mbar la pression ambiante (pression atmosphrique). Afin dobtenir la pression absolue (relle) pabs , il faut ajouter lindication du manomtre (pe) la pression ambiante pamb. La pression absolue est ncessaire pour les calculs et la dtermination des donnes concernant la substance.

pabs = pamb + pepabs pamb pe

en bar

1.3.1 Pression atmosphriqueLa pression atmosphrique p amb est mesure laide dun baromtre.

Pression absolue Pression atmosphrique (pression ambiante) Surpression (indication manomtrique)

Si une installation frigorifique est vide, le manomtre surpression indique une valeur ngative. Il doit afficher 0 bar par rapport lair ambiant.

VideColonne dair Colonne dair Couche atmosphrique

Surpression pe en bar

Pression absolue pabs en bar

Mercure

pamb = 1 bar

Fig. 1-2. Mesure de la pression atmosphrique laide dun baromtre La terre est entoure dune couche dair de 200 km dpaisseur environ; la densit de lair (et partant la pression atmosphrique galement) diminuent au fur et mesure que la hauteur augmente. La pression engendre par le poids de lair sur la surface de la terre atteint en moyenne au niveau de la mer pamb = 1,013 bar, ce qui correspond une colonne de mercure de 760 mm. La pression atmosphrique varie en fonction des conditions climatiques dans latmosphre: Lorsque lon chauffe de lair, celui-ci se dilate, monte dans latmosphre et se dplace latralement en hauteur; la pression atmosphrique chute. Lair qui sest refroidi en altitude redescend sur terre aprs avoir effectuer une certaine distance. Lair se comprime lors de ce dplacement et la pression atmosphrique augmente.

Fig. 1-3. Indication manomtrique, pression absolue et surpression Exemple Une installation frigorifique nouvellement installe nayant t ni vide, ni remplie de fluide frigorigne, indique une pression atmosphrique approximative de pamb = 1 bar. Le remplissage de linstallation avec un fluide frigorigne engendre dans linstallation une surpression pe. Quelle serait la valeur de la pression absolue lintrieur de linstallation si elle tait remplie une surpression pe = 3 bar ? pabs = pamb + pe = 1 bar + 3 bar = 4 bar

1.3.2 Surpression et pression absolueLa plupart des manomtres utiliss en pratique sont (pour des raisons conomiques) des manomtres surpression. Ils mesurent la surpression pe par rapport 102

Une surpression (surpression ngative) est gnre lorsque linstallation est vide. Quelle est la valeur de la

1 Les bases de la thermodynamiquepression absolue dans linstallation si elle est vacue jusqu une pression situe au-dessous de la pression atmosphrique de p e = -0,6 bar? pabs = pamb + pe = 1 bar - 0,6 bar = 0,4 bar rature reste constante et la substance commence fondre. Lnergie calorifique ncessaire la fusion dune substance est appele la chaleur de fusion q. Lorsque toutes les particules de la substance ont quitt lassemblage solide du rseau cristallin et peuvent se dplacer librement dans la matire en fusion, tout autre apport de chaleur entrane une augmentation de la temprature. Elle augmente jusqu ce quun autre changement dtat soit atteint (le passage de ltat liquide ltat gazeux). Ce phnomne est appel vaporation et lnergie ncessaire chaleur dvaporation r.. La chaleur dvaporation est, compte tenu de limportance des forces de liaison importantes qui y sont gnres dans un liquide, bien plus leve que la chaleur de fusion.

1.4 EnthalpieL Enthalpie H tait dsigne autrefois sous le nom de capacit thermique. Lenthalpie indique combien de chaleur renferme une substance (par rapport une temprature dfinie). Pour des raisons pratiques, la valeur zro de lenthalpie est la plupart du temps adapte lchelle de tempratures Celsius. Elle se rapporte en gnral pour la vapeur deau la temprature de 0 C (273,15 K). Lenthalpie spcifique h se rapporte 1 kg dune substance dfinie. Leau 0 C a donc lenthalpie spcifique h = 0 J/kg. Audessus de 0 C, la valeur de lenthalpie est positive et ngative au-dessous de 0 C. Des tableaux et diagrammes permettent de fournir pour les fluides frigorignes les valeurs ncessaires lenthalpie spcifique pour diffrents tats ou tempratures.

1.5 Densit et volume spcifiqueLa densit est la masse dune matire par rapport un volume de 1 m3. Masse m Volume V en kg/m q r 1 2 3 4 5 Enthalpie spcifique h en kJ/kg Chaleur de fusion Chaleur dvaporation Glace Glace et eau Eau Eau et vapeur deau (vapeur humide) Vapeur deau surchauffe

Densit =

Le volume spcifique v est le rapport dune substance une masse de 1 kg.

Volume spc. v =

Volume V Masse m

en m3/kg

Fig. 1-4. Diagramme temprature-enthalpie pour leau p = 1,013 bar Les substances peuvent se prsenter sous trois tats (solide, liquide et gazeux). La vapeur fortement chauffe est appele gaz (p.ex. lair est dans un tat fortement surchauff dans les conditions ambiantes). Il nexiste jusqu prsent aucun paramtre technique permettant daffirmer partir de quel tat de surchauffe on est en prsence dun gaz ou dune vapeur.

1.6 Changement dtat dune substanceUne substance connat plusieurs changements dtat lors dune augmentation ou une diminution de la temprature. Ltat dans lequel se trouve une substance dpend de sa temprature et de la pression exerce sur elle. Lors du changement dtat, la temprature reste constante aussi longtemps que toute la substance na pas t entirement convertie dans un autre tat. Exprience virtuelle Une substance solide re oit un apport de chaleur. La temprature de la substance, dans un premier temps, augmente. Lorsque le point de fusion est atteint, la temp-

Temprature t en C

103

1 Les bases de la thermodynamique1.6.1 Le diagramme de phaseLeau svapore au niveau de la mer une temprature de 100 C. Il rgne ce niveau une pression ambiante pamb = 1,013 bar. Point critique K

liquide

Pression

Si Leau reoit au sommet dune montagne un apport dnergie calorifique, elle se mettra bouillir une temprature plus basse. Au sommet dune montagne de 2000 m par exemple rgne une pression ambiante pamb de 0,8 bar environ. La temprature dvaporation de leau cette altitude est denviron 93,5 C. Plus la pression exerce sur une substance est faible, plus les molcules sarrachent avec facilit de lassemblage quelles constituent et plus basse est par consquent la temprature dvaporation. La dpendance des diffrents tats dune substance la temprature et la pression est reprsente dans des diagrammes de phase. Les trois branches du diagramme dlimitent des aires dans lesquelles ne peuvent exister que la phase solide ou seulement la phase liquide ou seulement la phase gazeuse. Au point de rencontre de ces trois aires, appel galement le point triple, les trois phases se juxtaposent. Il existe en certains points situs sur les courbes deux phases juxtaposes. La portion de la courbe situe entre le point triple et le point critique est appele courbe de pression de la vapeur du liquide ou encore la courbe dbullition.

solide Point triple T

gazeux

TempratureFig. 1-5. Diagramme de phase dun fluide frigorigne tant donn que les changements de phase dune substance sont trs importants dans le domaine de la technique frigorifique, nous traiterons ici en dtail les diffrents tats que leau peut revtir. Le long de la courbe de pression de la vapeur, leau et la vapeur se ctoient. Il est ncessaire, lorsque leau se transforme en vapeur deau, dapporter une grande quantit de chaleur, afin que toutes les particules liquides puissent chapper leur force de cohsion. Il arrive lors de ce processus quune partie se transforme dj en vapeur, tandis que lautre partie reste encore ltat liquide.

au-dessous du point dbullition t < 100 C

tat dbullition t = 100 C

Vapeur humide t = 100 C

tat de saturation t = 100 C

tat de surchauffe t > 100 C

Liquide

Liquide en bullition

Vapeur sature

Vapeur surchauffe

Fig. 1-6. vaporation de leau pression constante (p = 1,013 bar) 104

1 Les bases de la thermodynamiqueLa vapeur prsente au dbut de la formation de vapeur vu quil existe encore du liquide - est appele vapeur humide. La vapeur qui ne renferme plus aucune partie liquide et dont la temprature correspond la temprature de fusion, est appele vapeur sature. Lorsque la temprature de la vapeur augmente la suite dun apport calorifique, la vapeur est qualifie de vapeur surchauffe. Cette conversion de phase dcrite ci-dessus suit une volution inverse lors du refroidissement de la vapeur surchauffe. La quantit dnergie ncessaire lvaporation, savoir lenthalpie dvaporation , est aussi importante que la quantit dnergie libre lors de la condensation. Tableau 1-1. Tableau de vapeur humide de R 134a Temprature de saturation t en C -20 -10 0 10 20 0,33 1,01 1,93 3,15 4,72 1,33 2,01 2,93 4,15 5,72 Surpression (Indication manomtrique) pe en bar Pression absolue (pamb = 1 bar) p en bar

1.6.2 Courbe de pression de la vapeurLaction combine de la pression et de la temprature dbullition est reprsente, pour les substances les plus importantes rencontres dans les techniques frigorifiques, dans des tableaux de vapeur ou dans des courbes de pression de vapeur. La figure 1-7 montre une courbe de pression de vapeur pour le fluide frigorifique R134 a. Ces tableaux sont utiliss pour dterminer les tempratures dvaporation et de condensation par mesure de la pression. Il est absolument ncessaire dans ce cas de tenir compte du fait que les indications manomtriques se rapportent toujours des pressions absolues ! Vous trouverez en annexe un tableau dtaill des vapeurs pour R 134 a.

Pression p en bar

liquide

Fig. 1-8. Manomtre avec chelle de tempratures de saturationgazeux

Temprature t en C

De nombreux manomtres possdent une graduation pour les pressions ainsi quune graduation pour les tempratures de saturation. Il est ainsi possible sans calculs supplmentaires de lire la temprature de saturation. Lchelle de temprature nest valable que pour une pression ambiante dun bar et seulement pour le fluide frigorigne indique ! Le fluide utilis, mesur sur le manomtre indiqu sur la figure, est le R 134a. Les manomtres basse pression ont une bordure bleue et les manomtres haute pression une bordure rouge.

Fig. 1-7. Courbe de pression de la vapeur pou R 134a Le tableau 1-1 reprsente une partie dun tableau de vapeur humide de R 134 a :

105

1 Les bases de la thermodynamiqueExemple Si le manomtre (surpression) indique la sortie de lvaporateur une valeur de p e = 1,93 bar, il est ncessaire pour dterminer la temprature dvaporation dy ajouter encore la pression ambiante (au niveau de la mer pamb = 1 bar). On obtient alors une pression absolue de p = 2,93 bar, ce qui correspond, selon le tableau, une temprature dvaporation de 0 C. Exemple Une bouteille remplie de fluide frigorigne R 134a (celleci renferme de la vapeur humide) est branche un manomtre. Quelle est dans la bouteille la valeur de la surpression et celle de la pression absolue pour une temprature ambiante de 20 C et une pression ambiante de 1 bar ? Pression absolue p: 20 C correspond 5,72 bar Surpression pe (Indication manomtrique): 5,72 bar - 1 bar = 4,72 bar La mme bouteille est maintenant place au sommet dune montagne de 2 000 m daltitude (pression ambiante 0,8 bar). Quel est dans la bouteille la valeur de la surpression et celle de la pression absolue pour une temprature ambiante de 20 C ? Pression absolue p: 20 C correspond 5,72 bar Surpression pe (Indication manomtrique): 5,72 bar - 0,8 bar = 4,92 bar

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2 Le circuit du fluide frigorigne - Bases 2 Le circuit du fluide frigorigne Bases2.1 Utilisation des proprits thermodynamiques dune substance dans la production du froidComme nous lavons dj mentionn, la production de froid nest pas possible. Si lendroit doit tre refroidi, la chaleur doit tre transporte cet effet de lendroit refroidir vers un autre endroit. Comment ce processus se droule-t-il dans une installation frigorifique? Linstallation utilise le fait que la capacit thermique augmente fortement et que la temprature reste constante lors de la fusion et de lvaporation. La mthode la plus simple pour vacuer la chaleur dune pice serait dutiliser un bloc de glace. Voir la figure 2-1. La glace en fondant absorbe la chaleur provenant du milieu ambiant et des aliments et la cde avec leau de la glace provenant de la glacire au milieu ambiant.. Organe dtranglement

2.2 Le circuit simple du fluide frigorigneLe rfrigrateur nous servira dans un premier temps dexemple pour expliquer la fonction dune installation frigorifique compression avec ses quatre lments (compresseur, condenseur, vaporateur et organe dtranglement). vaporateur

Aliments Bloc de glace Apport de chaleur provenant du milieu ambiant Compresseur vaporateur Fig. 2-2. Reprsentation schmatique dun circuit de fluide frigorigne :le rfrigrateur Le rfrigrateur renferme un changeur de chaleur (vaporateur) dans lequel est inject de la vapeur humide. La temprature dbullition ou la temprature dvaporation du fluide frigorigne dans lvaporateur est denviron -15 C pour une temprature lintrieur du rfrigrateur de +5 C, ce qui correspond pour le fluide frigorigne R 134a une pression absolue de 1,7 bar. La chaleur provenant de lintrieur du rfrigrateur est absorbe pat lvaporateur nettement plus froid, ce qui entrane lvaporation de la partie liquide du fluide frigorigne. La partie intrieure du rfrigrateur est refroidie. Le compresseur aspire la vapeur du fluide frigorigne hors de lvaporateur et le conduit dans un deuxime changeur de vapeur qui est situ sur la partie externe du rfrigrateur. Le condenseur gnre un changement de phase du liquide frigorigne qui passe de ltat de vapeur ltat liquide. La temprature entourant le condenseur (temprature ambiante) atteint dans la plupart des cas de. 20 25 C. Afin dassurer ce niveau galement un bon coulement thermique du condenseur vers le milieu ambiant, la temprature de condensation (selon des valeurs empiriques applicables aux rfrigrateur) doit tre situe de 20 201

Eau provenant de la glace fondue Fig. 2-1. Dissipation de la chaleur laide de lenthalpie de fusion de la glace : glacire Il est possible, tant donn que lenthalpie dvaporation est bien plus leve que lenthalpie de fusion, quune quantit de chaleur plus importante soit absorbe temprature constante. Il est donc recommand de ne pas entraver le transport calorifique dune substance lorsque le point dbullition est atteint. Les machines frigorifiques compression mettent profit cet avantage.

2 Le circuit du fluide frigorigne - Bases 30 K au-dessus de la temprature ambiante. La pression absolue dans le condenseur est de 13,2 bar lorsquon utilise le fluide frigorigne R 134a et une temprature de condensation suppose de 50 C. Le compresseur a galement pour tche daspirer hors du condenseur le fluide frigorigne vapor. Il doit galement le comprimer une pression leve. Un organe dtranglement (un capillaire sur les rfrigrateurs) est install entre le condenseur et lvaporateur. Il permet de dtendre le fluide frigorigne et de lamener de la pression de condensation la pression dvaporation. Ce dernier organe boucle ainsi le cycle du circuit frigorigne. La figure 2-3 reprsente un schma dune installation frigorifique simple (p.ex. un rfrigrateur). Les quatre lments et les tronons de conduite apparentes y sont reprsentes. Condenseur Le fluide frigorigne est condens une temprature situe au-dessus de la temprature ambiante (pression plus leve). Lors de ce processus, toute la chaleur absorbe dans lvaporateur et le compresseur est cde lenvironnement. Organe dtranglement Le fluide frigorigne soumis la pression de condensation est dtendu dans lorgane dtranglement et port la pression dvaporation. Les tapes parcourues dans le cycle du fluide frigorigne sont clairement reprsentes sur le diagramme denthalpie de temprature (diagramme t, h). Les tats du fluide frigorigne et les courbes limites formes par la ligne dbullition et la ligne de rose sont indiqus la figure 2-4.

Temprature t en C

d

bu

lllit

Liquide

ion

Vapeur surchauffe

Lign

Li g

Conduite de liquide

Conduite de gaz chaud

ne

e de

Vapeur humide Mlange de phase liquide + forme gazeuse

e ros

Condenseur aliment en air Compresseur Organe dtranglement

Enthalpie spcifique h en kJ/kg Fig. 2-4. Diagramme t, h

vaporateur aliment en air

Les processus effectus temprature constante (vaporation, condensation) se droulent horizontalement dans le diagramme t, h, tandis que les processus enthalpie spcifique constante (aucun apport de chaleur ou dissipation de chaleur, expansion) se droulent verticalement. La figure 2-5 reprsente le cycle dune installation frigorifique compression (sans surchauffe et surrefroidissement) dans le diagramme t, h.te m p.

Conduite dinjection

Conduite de vapeur daspiration

Fig. 2-3. Schma de principe dune installation frigorifique compression avec ses quatre principaux lments Rapide aperu sur les principaux lments dune machine frigorifique compression vapeur froide : vaporateur Le fluide frigorigne svapore une pression basse et une temprature situe au-dessous de la temprature ambiante de lvaporateur, absorbant ainsi la chaleur lenvironnement. Compresseur La vapeur du fluide frigorigne absorbe basse pression hors du compresseur est comprime une haute pression et porte ainsi une temprature plus leve. Lors de ce processus, le fluide frigorigne reoit un apport de chaleur supplmentaire.

Temprature t en C

i ss Ba

e

Condensation Expansion

vaporation

Enthalpie spcifique h en kJ/kg Fig. 2-5. Diagramme t, h dun cycle du fluide frigorigne

202

Co m p ressio

n

2 Le circuit du fluide frigorigne - Bases4 1: Le fluide frigorigne est vapor dans lvaporateur une pression dvaporation constante po ou une temprature dvaporation to constante. (Zone de vapeur humide !). 1 2: La vapeur du fluide frigorigne sche et sature est comprime dans le compresseur au niveau de pression de condensation pc. Nous trouvons au point 2 de la vapeur du fluide frigorigne surchauff la temprature de compression tV2h. 2 3: Le fluide frigorigne dans le condenseur est refroidi dans un premier temps la temprature de condensation (processus 2 2 baisse de temprature). La vapeur est ensuite condense. Les deux processus se droulent la pression de condensation pc. 3 4: Le fluide frigorigne liquide se dtend dans lorgane dtranglement pour atteindre le niveau de pression dvaporation le plus bas p o et la temprature dvaporation to. Le processus se droule un niveau denthalpie constant (capacit thermique).

Temprature t en C

to2h = -3 C vaporation to = -10 C Enthalpie spcifique h in kJ/kg Fig. 2-6. Surchauffe du fluide frigorigne dans lvaporateur Surchauffe

Surchauffe:

to2h = to2h - to to2h = -3 C - (-10 C) = 7 K

2.3 SurchauffeUn compresseur de fluide frigorigne peut transporter, en raison de sa construction, que des gaz ou de la vapeur. Les liquides ne peuvent pas tre comprims et ne sauraient par consquent figurer dans la chambre compression du compresseur. Si le niveau daspiration du compresseur est situ directement sur la ligne de rose (voir point 1, figure 2-5), une diminution de charge de lvaporation peut entraner une aspiration humide. Il peut en rsulter deux consquences nfastes pour le compresseur. Le fluide frigorifre liquide lave le film lubrifiant entre le piston et les parois du cylindre; une lubrification insuffisante provoque une usure plus importante. Si du liquide frigorigne liquide parvenait dans le cylindre, celui-ci entranerait, lors de la compression, un transport direct de lnergie du piston la culasse du cylindre. La plaque de soupape peut tre endommage par les -coups de liquide. Afin dviter toute aspiration de liquide, ltat daspiration du compresseur est dcal de la ligne de rose vers la droite. On surchauffe la vapeur du fluide frigorigne. Sa temprature to2h est situe au-dessus de la temprature to. La surchauffe est calcule de la manire suivante to2h = to2h - to

Outre la protection du compresseur contre les liquides, la surchauffe prsente dautres avantages. tant donn que le pourcentage de liquide dans la vapeur daspiration entrane une rduction du dbit de transport du compresseur, ce pourcentage pourra tre augment par des phases de chauffage prcises. La surchauffe amliore notamment le recyclage de lhuile.

2.3.1 Comment obtenir une surchauffe?Surchauffe dans lvaporateur La plupart des installations frigorifiques vaporation sche sont quipes dorganes de dtente rgls de faon thermostatique. Elles ont pour fonction, tous les stades de fonctionnement de linstallation frigorifique de raliser un rglage de la surchauffe aprs la phase dvaporation dans lvaporateur. Une partie de la surface de lvaporateur (env. 20 %) permet de raliser la surchauffe. Surchauffe dans la conduite daspiration Si de longues conduites daspiration parcourent des espaces prsentant des tempratures leves (tamb > to2h) (par exemple des salles de machines), labsorption thermique issue de lenvironnement entrane une surchauffe supplmentaire. La temprature du fluide frigorigne ne peut pas tre plus leve que la temprature de lespace environnant. Une surchauffe dans la conduite daspiration ne constitue pas une protection sre du compresseur face aux liquides. Surchauffe dans le compresseur La vapeur daspiration est utilise pour le refroidissement du moteur du compresseur lors du refroidissement de la vapeur daspiration. Le fluide frigorigne est pralable203

en K

to2h Surchauffe la sortie de lvaporateur en K to2h Temprature FF la sortie de lvaporateuren C to Temprature dvaporation en C La lettre h est utilise pour la surchauffe.

2 Le circuit du fluide frigorigne - Basesment surchauff avant dtre envoy dans la chambre de compression. Le transfert thermique interne entre la partie des gaz chauds et la partie aspiration gnre galement une surchauffe.

2.4 SurrefroidissementLorgane de dtente a pour fonction de rduire, aprs la condensation, le fluide frigorigne un niveau de pression le plus bas (pression dvaporation). La soupape fonctionne de faon optimale lorsque le liquide prsente lentre un niveau de puret galement optimal. Le fluide frigorigne doit littralement se frayer en force un passage travers un tranglement (fente dtranglement). Si lon compare une certaine masse de fluide frigorigne ltat liquide et ltat de vapeur ( pression constante), le fluide frigorifique sous forme gazeuse requiert un volume bien plus important. Il sensuit que le fluide frigorigne sous forme de vapeur ncessite plus de temps pour se frayer un passage travers ltranglement. Le fluide frigorigne sous forme gazeuse rduit, avant de parvenir la soupape de dtente, le dbit et entrane une sous-alimentation de lvaporateur en fluide frigorigne. La pression dvaporation et la puissance dvaporation diminuent. Si linstallation frigorifique est exploite de telle sorte que ltat Entre dtendeur se trouve directement sur la courbe de sparation gauche (ligne dbullition), les moindres variations des conditions dexploitation peuvent provoquer la formation de bulles lavant du dtendeur. Pour cette raison, ltat entre dtendeur est dplac de la ligne dbullition vers la zone liquide et on parle alors de surrefroidissement. qui garantit une alimentation en liquide lavant de la soupape de dtente. Le surrefroidissement est ainsi calcul : tc2u = tc - tc2u

2.3.2 Valeur de surchauffe usuelleLa valeur de surchauffe usuelle atteint environ 5 - 8 K Le rendement maximal de linstallation est atteint lors de cette surchauffe. La soupape de dtente thermostatique ne peut toutefois pas rgler exactement cette valeur. La surchauffe oscille selon le type dappareil et les conditions dexploitation entre 4 et 12 K. Laugmentation de temprature de la conduite daspiration dans lair ambiant entrane une surchauffe supplmentaire. Remarque : Des expriences ont dmontres que pour une surchauffe de 7 K et plus, de petites quantits de goutelettes de liquide sont encore arraches lvaporateur. Celles-ci ne constituent toutefois aucun danger.

2.3.3 Mesure de la surchauffeVous tes appel mesurer la surchauffe sur une installation frigorifique utilisant du R 134a. a) De quels appareils de mesure avez-vous besoin ? b) O mesurez-vous les valeurs requises ? c) Vous lisez sur un manomtre mont directement sur lvaporateur la valeur peo = 1,7 bar . Quelle est la valeur de la pression dvaporation po? d) Quelle est la valeur de la temp. dvaporation to? e) Vous lisez laide de la sonde thermique la sortie de lvaporateur la temprature to2h = +3 C. Quel est la valeur de la surchauffe de lvaporateur to2h? f) Tirez les conclusions sur la valeur de surchauffe calcule. Solution a) manomtre, thermomtre, (tableau rcapitulatif des vapeurs) b) la pression dvaporation po et la temprature to2h mesures la sortie de lvaporateur c) po = peo + pamb = 1,7 bar + 1 bar = 2,7 bar d) Pour po = 2,7 bar, le tableau des pressions de vapeur de R 134a (voir annexe) affiche une temprature dvaporation to de -2,2 C. e) to2h = to2h - to = 3 C - (-2,2 C) = 5,2 K

en K

tc2u tc2u tc

Surrefroidissement la sortie du condenseur Temprature du FF la sortie du condenseur Temprature de condensation enC

en K en C

La lettre u est utilise pour surrefroidissement. Temprature t en C

Surrefroidissement

tc = 45 CCondensation

tc2u = 40 C

Enthalpie spcifique h en kJ/kg

f)

La valeur de surchauffe dtermine est situe dans la plage usuelle comprise entre 4 - 12 K.

Fig. 2-7. Surrefroidissement du fluide frigorigne

204

2 Le circuit du fluide frigorigne - BasesSurrefroidissement:

tc2u = tc - tc2u

2.4.3 Mesure du surrefroidissementVous tes appel mesurer le surrefroidissement sur une installation frigorifique utilisant du R 134a. a) De quel appareil de mesure avez-vous besoin? b) O mesurez-vous les valeurs requises? c) Vous lisez sur un manomtre mont directement sur le condenseur la valeur pec = 15 bar Quelle est la valeur de la pression de condensation pc? d) Quelle est la valeur de la temprature de condensation tc? e) Vous mesurez la temprature la sortie du condenseur tc2u = 55 C. Quelle st la valeur du surrefroidissement tc2u? f) Tirez les conclusions sur le surrefroidissement calcul. Conclusion a) Manomtre, thermomtre, (tableau rcapitulatif des vapeurs) b) La pression de condensation po et la temprature mesure la sortie du condenseur tc2u sont mesures si possible au mme endroit en aval du condenseur. c) pc = pec + pamb = 15 bar + 1 bar = 16 bar d) Pour pc = 16 bar, le tableau rcapitulatif des pressions de vapeur de R 134a (voir annexe) affiche une temprature de condensation tc de 57,9 C. e) tc2u = tc - tc2u = 57,9 C - 55 C = 2,9 K f) La valeur du surrefroidissement calcule est situe dans la plage usuelle comprise entre 2 - 3 K. Si linstallation toutefois est pourvue dun collecteur, le surrefroidissement atteint 0 K.

tc2u = 45 C - 40 C = 5 K Outre la garantie dune alimentation liquide lavant du dtendeur, le surrefroidissement permet galement daugmenter dans une certaine mesure la puissance frigorifique.

2.4.1 Comment obtenir un surrefroidissement?Surrefroidissement dans le condenseur Il faudra, si lon souhaite obtenir un surrefroidissement dans le condenseur, remplir une partie du condenseur avec du fluide frigorigne liquide. Le milieu frigorifique (air) circulant ce niveau refroidit le fluide frigorigne. tant donn que le transfert thermique ne peut se drouler dans cette zone que dans des conditions difficiles, la pression de condensation augmente provoquant ainsi un mauvais rendement de linstallation. Il nest donc pas absolument ncessaire de raliser un surrefroidissement dans le condenseur. En prsence de tempratures de condensation trs leves, le surrefroidissement gnre, malgr ces effets, une augmentation du rendement. Condenseur avec dispositif de surrefroidissement Le montage dun condenseur avec un dispositif de surrefroidissement ou le montage dune boucle de surrefroidissement permettent galement dobtenir un surrefroidissement. Ce montage permet de faire passer la conduite de liquide en aval du collecteur de liquide travers le dispositif lamelles du condenseur. Le milieu rfrigrant qui parcourt cette zone surrefroidit le fluide frigorigne liquide. Surrefroidissement dans la conduite liquide Si la conduite liquide traverse des espaces o rgnent des tempratures plus basses (tamb < tc2u), la dperdition de chaleur dans le milieu ambiant entrane un surrefroidissement supplmentaire. Echangeur de chaleur liquide-vapeur daspiration Lchangeur de chaleur liquide-vapeur daspiration (galement appel changeur thermique interne) favorise lchange de chaleur entre le fluide frigorigne dans la conduite de liquide. Il assure un surrefroidissement du liquide ainsi quune surchauffe de la vapeur daspiration. Cet lment nest pas utilis dans les installations frigorifiques mobiles.

2.4.2 Valeurs de surrefroidissementLe surrefroidissement la sortie du collecteur atteint 0 K sur les installations collecteur (si la quantit de remplissage de fluide frigorigne est correcte). Le collecteur assure ici lalimentation ncessaire en liquide. Sans collecteur, le surrefroidissement optimal serait la plupart du temps situ entre 2-3 K. 205

2 Le circuit du fluide frigorigne - Bases2.5 Le circuit du fluide frigorigneLes figures suivantes reprsentent un circuit schmatique du fluide frigorigne et les processus saisis dans le diagramme t, hCondenseur

Retrait de chaleur (vapeur surchauffe) Conduite de liquide (liquide surrefroidi)

Soupape de dtente Surrefroidissement (liquide) Surchauffe (vapeur surchauffe) Conduite de gaz chaud (vapeur surchauffe) Condensation (vapeur humide)

Conduite dinjection (vapeur humide)

Conduite de vapeur daspiration (vapeur surchauffe) vaporation (vapeur humide) vaporateur

Compresseur

Fig. 2-8. Circuit schmatique du fluide frigorigne

Temprature t en C

Expansion

vaporation

fe uf ha rc Su

Enthalpie spcifique h in kJ/kgFig. 2-9. Circuit du fluide frigorigne dans le diagramme t, h 206

Comp

ref Sur

m isse roid

Condensation

ressio n

ent

R

et ra it d

e

ch al eu r

3 Fonction des lments principaux du circuit du fluide frigorigne 3 Fonction des lments principaux du circuit du fluide frigorigne3.1 vaporateurLvaporateur a pour fonction de prlever la chaleur son environnement et de la cder au fluide frigorigne. La temprature dvaporation doit tre situe lors de ce processus au-dessous de la temprature ambiante. La temprature dvaporation souhaite peut tre obtenue avec prcision grce un effet daspiration du compresseur de fluide frigorigne combin un tranglement de lorgane de dtente. Le flux de chaleur gnr entre lvaporateur et le milieu ambiant, grce la diffrence de temprature, entrane dans lvaporateur une vaporation (zone dvaporation) du liquide du fluide frigorigne par le dtenteur et le cas chant une surchauffe (zone de surchauffe). La zone de surchauffe possde de mauvaises proprits de transfert thermique. De plus, la diffrence de temprature avec le milieu ambiant est plus faible la suite de laugmentation de la temprature du fluide frigorigne. Il sensuit que la quantit de chaleur transmise la zone de surchauffe est moins importante. .

3.1.2 Puissance de lvaporateurLa puissance de lvaporateur dpend en premier lieu des conditions suivantes : Surface A Plus la surface thermoconductrice est importante, plus la puissance transmise est grande. Il faut tenir compte ici de lensemble de la surface externe participant au transfert thermique. Gradient thermique efficace t1 Le gradient thermique efficace est dtermin par la diffrence de temprature dentre = Temprature dentre de lair - temprature de lvaporation. t1 = toL1 - to en K

3.1.1 Processus lintrieur de lvaporateurLe fluide frigorigne pntrant dans le dtendeur (ventuellement surrefroidi) est dtendu la pression dvaporation po. Lors de cette opration, une partie du fluide frigorigne liquide svapore avant datteindre lvaporateur. Cette quantit de vapeur x est dautant plus importante que la diffrence de temprature entre la temprature de condensation et la temprature dvaporation est grande. Sur la figure 3-1, cette quantit atteint 20 %.Vapeur humide Vapeur surchauffe

Nous pouvons affirmer, si lon ne considre que le seul changeur de vapeur : plus ce gradient thermique est important et plus la puissance de lchangeur de chaleur est leve. Valeur k La valeur k (coefficient de transmission de chaleur) quantifie la qualit du transfert thermique. Elle indique la capacit de la chaleur passer du milieu refroidir (air) vers le fluide frigorigne. Cette valeur regroupe les facteurs suivants Matriau de lvaporateur (cuivre, aluminium) cart et diamtre des conduites Disposition des conduites Profondeur de lvaporateur cart entre les lamelles Forme des lamelles Qualit des surfaces Encrassement et givrage coulement darrive et de passage Vitesse dcoulement de lair et du fluide frigorigne Forme dcoulement de lair et du fluide frigorigne Proprits variables avec la temprature de lagent rfrigrant (air) et du fluide frigorigne Rpartition des deux agents tat du fluide frigorigne (sous forme de vapeur, vapeur humide, liquide) Pourcentage dhuile dans le fluide frigorigne

Entre de lvaporateur

Vapeur sche

Liquide en bullition

Temprature

Fig. 3-1. Processus lintrieur de lvaporateur A lextrmit de lvaporateur, le fluide frigorigne a te entirement vapor et est pass ltat de surchauffe. La temprature du fluide frigorifique naugmente que lorsque le liquide est entirement vapor. Ce mode de fonctionnement de lvaporateur est appel vaporation sche (dtente sche).

Sortie de lvaporateur

Le gradient de temprature actif sur le ct de lva301

3 Fonction des lments principaux du circuit du fluide frigorigneporateur ne doit pas, pour un fonctionnement idal, dpasser 10 K environ. Des diffrences de tempratures plus importantes (p.ex. une temprature dvaporation plus basse), comme dans le cas dune utilisation frigorifique mobile (15 - 20 K dans des conditions de fonctionnement normales), courantes pour des raisons de place, de poids et de cots, diminuent le rendement de linstallation. Si lon souhaite dshumidifier linstallation frigorifique, il est ncessaire ds lors davoir de plus grandes diffrences de temprature. Lvaporateur commence se couvrir de givre partir dune temprature dvaporation de -5 C, Un spcialiste responsable du dgivrage devra empcher le givrage de lvaporateur en arrtant le compresseur ou en activant un rgulateur de rendement. Nous appliquerons pour la puissance dvaporation (puissance frigorifique) Qo la formule suivante:o = A k t1

ceux de leffet daspiration du compresseur. La superficie, son encrassement ou le givrage ainsi que le dbit volumtrique et la temprature dentre du fluide rfrigrant (air, eau ou saumure) exerce une influence sur la pression momentane dvaporation. Il faudra prendre en compte les considrations suivantes: Fig. 3-1. Effet des diffrents paramtres sur la pression dvaporation

InfluencesAugmentation de la temprature de lair ou de la saumure Diminution de la temprature de lair ou de la saumure Augmentation de la superficie Rduction de la superficie Encrassement, givrage (diminution de la valeur k) Augmentation du dbit volumtrique de lair, de leau, de la saumure (augmentation de la valeur k)

Effetpo augmente po diminue po augmente p o diminue po diminue po augmente

in kW (kJ/s)

Cette quation est utilise dans la fabrication dchangeurs de chaleur. Le fluide frigorigne et le milieu rfrigrant sont pris en compte pour la valeur k. La puissance frigorifique peut tre calcule partir de lair ou du fluide frigorigne. La puissance frigorifique calcule partir de lair peut tre calcule partir de lquation suivante : Remarque : Ce calcul nest correct que pour lair sec. En prsence de condensation de vapeur deau, la puissance peut tre de 40-50 % plus leve !o

mL Flux massique de lair cL Capacit thermique spc. de lair K) tL Refroidissement de lair tL = toL1 - toL2

Lquation suivante permet de calculer la puissance frigorifique dtermine partir du fluide frigorigne :o

mR Flux massique du fluide frigorigne en kg/s ho Diffrence denthalpie dans lvaporateur en kJ/kg Ce procd est rarement utilis en pratique pour dterminer la puissance frigorifique. Le courant massique du fluide frigorigne doit tre mesur. Ce processus est utilis dans les oprations de contrle.

3.1.3 Pression dvaporationLa pression dvaporation p o est calcule partir des paramtres dfinissant ltranglement du dtendeur et 302

m

=

m

Q Q Q

Une pression dvaporation plus basse (temprature dvaporation) rduit la capacit frigorifique. Une diminution de la temprature dvaporation dun Kelvin rduit la capacit calorifique de 4 % environ.

3.2 CompresseurLe compresseur a pour fonction de comprimer le fluide frigorigne dun niveau de pression dvaporation faible un niveau de pression de condensation leve. Il doit en effet garantir le dbit de transport ncessaire (dbit massique du FF) pour la puissance frigorifique requise.

=

L

cL tL

in kW (kJ/s)en kg/s en kJ/(kg en K

3.2.1 Capacit de transport du compresseurLa capacit de transport du compresseur dpend des paramtres ci-aprs. Volume gomtrique de compression Le volume gomtrique de compression dun compresseur est dtermin par les dimensions de la cylindre (longueur de la course, nombre de cylindres, diamtre du piston). Plus le volume de compression gomtrique est important, plus le flux massique atteint du fluide frigorigne est lev. Dbit volumtrique gomtrique de compression Il faudra, si lon doit dterminer le dbit volumtrique (capacit de transport en fonction du temps), tenir compte

R

ho

in kW (kJ/s)

3 Fonction des lments principaux du circuit du fluide frigorignedu rgime du compresseur. Les indications sont gnralement fournies en m3/h. Plus le rgime du compresseur est lev, plus le dbit est important. Si le rgime augmente, les pertes augmentent galement. Dbit volumtrique daspiration Afin de rpondre certains critres de tolrances de fabrication et de robustesse du compresseur (p.ex. reste de liquide dans la vapeur daspiration), un volume rsiduel (espace nuisible) est prvu au-dessus du point mort haut (PMH). Aprs la compression, du gaz rsiduel sous haute pression est enferm dans cet espace nuisible. Piston au PMHChambre daspiration Chambre de compresion

appel le coefficient de rendement du compresseur. =

V1 g

Outre diffrents autres facteurs dinfluence, tels que p.ex. la temprature du fluide frigorigne, le pourcentage dhuile etc., la pression lavant et larrire du compresseur exerce une trs grande influence sur lvolution du coefficient de rendement. Il est donc judicieux de reprsenter le coefficient de rendement en fonction du taux de compression. Il faudra veiller, dans le calcul du taux de compression, utiliser des pressions absolues. pV2 pV1 pV2 pV1Coefficient de rend. en m3/m3

Gaz comprim dans lespace rsiduel

=

Fig 3-2. Espace rsiduel dun compresseur piston

Lors du mouvement descendant du piston prcdent le temps daspiration, le gaz doit se dtendre pour atteindre la pression daspiration avant que la soupape daspiration souvre. Il sensuit une rduction de volume spcifique daspiration; la cylindre nest pas entirement utilise. Le dbit volumtrique rel requis est moins important que le dbit gomtrique volumtrique de compression. Piston au PMB

Fig. 3-4. Coefficient de rendement en fonction du taux de compressionGaz en phase de dtente Gaz nouvellement aspir

Laugmentation du taux de compression entrane une diminution constante du coefficient de rendement. Le coefficient de rendement dpend surtout du volume nuisible et du gaz qui se dtend nouveau. Cest la raison pour laquelle les trs petits compresseurs disposant dun volume rsiduel relativement important et de plusieurs pistons ont un mauvais coefficient de rendement. Densit daspiration

Fig. 3-3. Effet de lespace nuisible Coefficient de rendement Le rapport existant entre le dbit volumtrique daspiration et le dbit volumtrique de la course du piston est

Le dbit dun compresseur dpend galement de la densit du fluide frigorigne lorifice daspiration. Si le compresseur aspire un gaz de densit plus faible, la cylindre ne reoit quune petite masse de fluide frigorigne. Il sensuit par course une alimentation en fluide frigorigne rduite. 303

V V

V1 g

en m/m

Coefficient de rendement Dbit volumtrique daspiration rel Dbit volumtrique gomtrique

en m3/m3 en m3/s en m3/s

V V

Taux de compression Pression de compression finale in bar Pression daspiration in bar

Taux de compression

3 Fonction des lments principaux du circuit du fluide frigorigneLa surchauffe croissante de la vapeur daspiration entrane une diminution de la densit du fluide frigorigne et par consquent une baisse du dbit de transport Une diminution de la pression daspiration entrane galement une baisse de la densit du fluide frigorigne et par consquent galement une baisse du dbit de transport. possible les pertes de pression dans la conduite daspiration. La puissance frigorifique peut tre fortement augmente dans les zones de bas rgimes lorsquon augmente le nombre de tours. Il en va diffremment dans les zones rgimes levs en raison des pertes croissantes qui en rsultent.

3.2.3 Puissance motrice du compresseur 3.2.2 Capacit frigorifiquetant donn que le condenseur nest autre chose dans le cas prsent quune installation de