La majorité des pompes à chaleur fonctionnement selon le même principe qu’un réfrigérateur. Cela veut dire qu’elles utilisent le cycle thermodynamique, aussi appelé cycle frigorifique, pour retirer des calories à un endroit afin de les restituer dans un autre. Ce cycle utilise les propriétés physiques d’un fluide particulier, appelé fluide frigorifique, en le faisant capter ou rejeter de la chaleur selon la pression à laquelle il est soumis.

Ce cycle est utilisé pour générer du chaud comme du froid. C’est pourquoi on l’utilise dans les pompes à chaleur comme dans les procédés de refroidissement.

 

Cette rubrique explique les différentes étapes de ce cycle ainsi que les éléments qui le composent.

 

 

Principe de fonctionnement

 

Afin de comprendre le cycle frigorifique, il est tout d’abord nécessaire d’en maîtriser ses bases physiques.

 

Comme chacun sait, il existe 3 états de la matière à savoir : solide, liquide et gazeux. Il est courant de dire que ces 3 états dépendent de la température.

 

Prenons l’exemple connu de l’eau. On a l’habitude de dire qu’elle est à l’état solide en dessous de 0°C. De 0 à 99°C, elle est à l’état liquide et à partir de 100°C elle passe à l’état gazeux.

Mais cela est seulement vrai dans les conditions de pression atmosphérique normales à savoir 1 atm soit environ 1 bar ou 100 000 Pa.

 

 

Si les conditions de pression changent, les températures de changement d’état vont également varier. Ainsi, à une pression plus basse, une matière à l’état liquide nécessitera une température moins importante pour passer à l’état gazeux. A l’inverse, si on augmente la pression dans une matière à l’état gazeux, son passage à l’état liquide se fera dans des conditions de température bien moindres.

 

 

 

C’est précisément ce principe qui est utilisé avec le fluide frigorifique d’une pompe à chaleur ou d’un frigo. Le fluide liquide est amené à une pression basse où son point d’évaporation est réduit. La chaleur nécessaire à son passage à l’état gazeux est captée dans le milieu. Le fluide est ensuite compressé et amené à haute pression où sa température de condensation (soit son passage de l’état gazeux à liquide) sera bien moindre. La chaleur dont doit se débarrasser pour changer d’état est relâchée et le fluide redevient liquide. Il est ensuite détendu à basse pression et le cycle peut recommencer.

 

En résumé :

 

 

Il est à noter que le fluide utilisé est choisi selon sa capacité à absorber/ relâcher la chaleur à des pressions données. Chaque fluide possède ses caractéristiques et certains fluides seront par exemple davantage utilisés pour créer du chaud alors que d’autres correspondront plus à la création de froid.

 

Notions de diagramme enthalpique

Le diagramme enthalpique, aussi appelé diagramme de Mollier, est une notion importante dans la compréhension du cycle frigorifique. Il s'agit d'un graphique spécifique à chaque fluide exprimant son niveau de saturation pression-température sous forme de cloche.

L'axe des abscisses exprime l'enthalpie du fluide soit la quantité d'énergie contenue pour 1 kg de ce dernier. L'axe des ordonnées est consacré à la pression. De manière très simplifiée, voici un diagramme d'enthalpie montrant la cloche de saturation d'un fluide:

 Au delà de cette cloche, le fluide est saturé et ne peut plus changer d'état.

 

Description du cycle

 

Afin de comprendre comment fonctionne le cycle frigorifique, il est important de considérer chacune de ses étapes et leur fonctionnement spécifique.

Ce cycle comporte 4 étapes principales à savoir

L’évaporation

La compression

La condensation

La détente

 

Selon l’étape, le fluide sera à pression, température et/ou état différent. Le changement de pression est la clé du système frigorifique car elle permet au fluide d’être dans les conditions idéales pour capter ou relâcher les calories.

 

Voici un schéma-type d’un cycle frigorifique en rapport avec le diagramme enthalpique :

 

 

Résumé :

 

 

HP : Haute pression

BP : Basse pression

1-2 : Compression

3-4 : Condensation

5-6 : Détente

6-7 : Evaporation

 

 

Voici un descriptif de chaque étape :

 

 

Compression (1-2) :

La compression est opérée par le compresseur. Celui-ci est un élément du système chargé d’amener le fluide de la basse pression à la haute pression. Il va compresser le fluide afin d’y augmenter la pression.

 

Le compresseur est généralement entraîné grâce à de l’énergie électrique et la compression s’y fait la plupart du temps de manière mécanique.

Il est important que le fluide soit entièrement à l’état gazeux pour cette étape car de nombreux compresseurs sont sensibles aux coups de liquide c'est-à-dire à la compression d’un liquide. Le fluide à l’état liquide ne réclamant pas les mêmes conditions de compression, il risque de gravement endommager le compresseur s’il y est amené. C’est pourquoi des dispositifs sont prévus pour empêcher ce type d’accident. Nous y reviendrons plus loin.

 

Par ailleurs, de nombreux compresseurs nécessitent une lubrification constante afin de fonctionner correctement. On mêle alors de l’huile spécialement adaptée au fluide frigorigène lorsqu’il passe par le compresseur.

 

 

Condensation (3-4) :

A ce niveau, le fluide est à haute pression et chargé des calories captées à l’évaporateur. Son niveau de pression le rend très enclin à céder la chaleur dont il est chargé. Il passe dans un échangeur appelé condenseur où toutes ses calories vont être relâchées alors qu’il repasse à l’état liquide en se condensant. On dit que le milieu dans lequel l’échangeur est installé est la source chaude du cycle.

 

Dans le cas de production de froid, la chaleur relâchée au condenseur peut être soit perdue dans l’environnement soit récupérée selon les cas. La récupération nécessitera alors un dispositif adéquat.

Dans le cas de production de chaleur, c’est l’énergie relâchée par le condenseur qui va être utilisée pour chauffer les locaux. Il faudra donc veiller à ce qu’elle soit maximale.

 

 

Sous-refroidissement (4-5):

Le fluide est sous-refroidi afin d’assurer son passage total à l’état liquide.

Le sous-refroidissement est généralement de 4 à 7°C.

 

Contrairement à la surchauffe, il n’est pas toujours contrôlé car ne présente pas un danger direct pour les composants de l’installation.

Il a néanmoins une influence sur l’efficacité du cycle et doit être pris en compte.

 

Détente (5-6) :

Au niveau de la détente, le fluide frigorigène déchargé de ses calories est ramené de haute pression à basse pression. Cette diminution de pression est nécessaire afin d’amener le fluide dans des conditions où il pourra à nouveau capter de la chaleur de manière optimale.

Le détendeur est également un dispositif de régulation de débit dans l’installation. Il est pour cela relié de manière physique ou électronique à la sortie de l’évaporateur où il mesure la température du fluide. Il modulera ensuite le débit en fonction de cette dernière.

 

 

Evaporation (6-7):

Elle est mise en oeuvre grâce à un échangeur de chaleur appelé évaporateur. On dit qu’il se situe au niveau de la source froide. Le fluide frigorigène y capte la chaleur de l’ambiance afin de passer de l’état liquide à l’état gazeux. Il est alors à basse pression et sa température d’évaporation est faible.

 

Dans le cas de production de froid, on place l’évaporateur dans l’espace à refroidir. Dans le cas d’une pompe à chaleur utilisée pour faire du chaud, l’évaporateur sera placé dans le milieu fournissant les calories. Voici quelques exemples de milieux pour les principaux types de pompe à chaleur :

 

 

 

Surchauffe (7-1)

On provoque la surchauffe en sortie d’évaporateur pour s’assurer que tout le fluide soit passé à l’état gazeux. On évite ainsi les coups de liquide et on assure le bon fonctionnement de l’installation.

Il faut également maintenir une surchauffe raisonnable afin de pouvoir convenablement déssurchauffer les gaz après la compression. Une surchauffe trop élevée a une incidence sur le taux de compression du fluide et donc sur l’efficacité du compresseur.

La surchauffe est généralement de 5 à 8°C.

 

La surchauffe est contrôlée par le détendeur. Si elle augmente, le détendeur laisse passer davantage de fluide ce qui augmente le débit. Si le débit augmente, la surchauffe diminuera.

 

 Si par contre la surchauffe diminue, le détendeur réduit le débit de l’installation. Un débit plus faible permet d’augmenter la surchauffe et donc de la rééquilibrer.

 

 

 

 

 

Voici un tableau reprenant les différentes caractéristiques du fluide selon son emplacement dans le cycle :

 

 

 

 

 

Cycle frigorifique et COP

Pour rappel, le COP est le coefficient d'efficacité d'une installation produisant ou transférant de la chaleur. Au niveau du cycle frigorifique, il varie en fonction de l'écart de température (appelé "delta t") entre la source froide et la source chaude.

Autrement dit, si on désire une température de local élevée alors que la température extérieure est basse, le COP va diminuer. L'inverse est également vrai.

Plus précisément, une diminution de 1 K de la source froide va diminuer le COP de 1,8 %. Une augmentation de 1 K de celle ci permettra en revanche d'augmenter le COP de 1,6%.

Voici 2 exemples de cycles frigorifiques dont on peut constater les différents delta t entre source chaude et source froide.

L'écart dans ce diagramme est important. Comme on peut observer, températures et pressions sont intimement liées et un delta t élevé entrainera un plus grand écart HP-BP. On constate que, pour faire passer le fluide de basse pression à haute pression, le compresseur devra fournir un travail mécanique important par rapport à la puissance thermique globale. Cela aura un impact sur le COP qui diminuera.





A l'inverse, ce diagramme est celui d'un cycle frigorifique où l'écart de température est faible. On peut constater que le travail mécanique à fournir par le compresseur sera faible par rapport à la puissance thermique dégagée. Cela aura pour conséquence un COP plus élevé.