THERMODYNAMIQUE DU CYCLE FRIGORIFIQUE

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GENIE FRIGORIFIQUE THERMODYNAMIQUE DU CYCLE FRIGORIFIQUE
THERMODYNAMIQUE DU CYCLE FRIGORIFIQUE
compression isothermique
pq
Le c
y
cle idéa
l
Le cycle frigorifique dans le diagramme T,s
v
apeur
h
umi
de
temp
é
rature d’
é
bullitio
n
s
urchauff
é
sous forme
de vapeur
Le dia
g
ramme lo
g
p,h pour a
g
ents réfri
g
érant
s
teneur en v
ition
s
urchauff
é
s
ou
s
f
orme de
v
apeur
Di
ag
ramme lo
g
p,
h
po
ur a
ge
nt
s
r
é
fri
gé
rant
s
é
mi
ss
ion de chaleur
l
or
s
d
e la con
d
en
s
atio
n
a
b
sorption
d
e c
h
aleur
l
ors de l'
é
vaporatio
n
e
ssion
é
lev
ée
pr
e
pu
i
ssanc
e
m
o
tr
i
c
e
d
’un compres
-
s
eur
sous
f
orme de
ga
z
l
iqui
de
p
ression
f
aibl
e
p
CONNAISSANCES DE BASE
Le cycle d’une installation
frigorifique à compression simple
Assemblage et fonctionnement d’une
installation frigorifique
Dans le cas d’une installation frigorifique à compres-
sion, l’agent réfrigérant traverse un cycle fermé et
prévoit les quatre étapes suivantes:
évaporation A
compression B
condensation C
détente D
La production du froid a lieu dans l’évaporateur (A).
L’évaporation a lieu à des pressions et à des tempé-
ratures faibles. Ici l’agent réfrigérant absorbe de la
chaleur de l’environnement et le refroidit de cette
manière.
La vapeur de l’agent réfrigérant qui est encore froide
est aspirée par un compresseur (B) et en déployant
de l’énergie mécanique, elle est portée à une pression
supérieure. Par la compression, la vapeur de l’agent
réfrigérant se réchauffe.
La vapeur chaude de l’agent réfrigérant est refroidie
dans un condenseur (C) et est condensée en émettant
de la chaleur dans l’environnement.
L’agent réfrigérant liquide, qui se trouve sous pression
est ensuite de nouveau détendu dans un élément d’ex-
pansion (D) à la pression d’évaporation plus faible et
est acheminé vers l’évaporateur.
L’agent réfrigérant s’évapore de nouveau et ainsi le
circuit est bouclé.
Le cycle idéal (cycle de Carnot) d’un fluide
de forme gazeuse dans le diagramme T,s
Il est possible de faire une repr
é
sentation particuli
è
rement claire
d
u cycle
d
ans le
d
ia
g
ramme
T,
s
. Ici la temp
é
rature
T
du fluide de
T
travail est port
é
au-dessus de l’entropie
s
. La
s
urface entour
é
e
par les chan
g
ements d’
é
tat du fluide de travail correspond au
travail d
é
pl
oy
é
dans le
cy
cle.
Le c
y
cle dot
é
du plus haut rendement possible, c’est c
y
cle de
C
arnot; ici la surface entourée forme un rectan
g
le. Ce processus
est volontiers pris comme processus de comparaison a
f
in de
d
é
crire la qualit
é
d’un c
y
cl
e.
Le sens
d
e circulation
d
u
cy
cle
d
ans le
d
i
ag
ramme
T,s
dé
ci
de
s’il s’a
gi
t un
p
rocessus de
po
mp
e
à
chaleur
(c
yc
le fri
go
rifi
qu
e)
o
u d’un processus de machine motrice (processus de la force
motrice de la vapeur). Les cycles fri
g
orifiques se d
é
roulent dans
l
e sens contraire des ai
g
uilles d’une montre et le travail repr
é-
sent
é
par la surface verte est achemin
é
vers le processus
.
é
vaporatio
n
e
n
é
tat
de
surre
f
roidisse
-
men
t
sous
f
orme liquid
e
c
ompress
i
o
n
expans
i
o
n
c
on
d
ensatio
n
en
é
tat de
s
urrefroidi
s-
s
emen
t
s
ou
s
f
orme liquid
e
Le cycle
f
ri
g
ori
f
iqu
e
D
ans le cas de
f
luides de travail qui comme l’eau ou
des a
g
ents r
é
fri
gé
rants peuvent survenir dans des
phases diff
é
rentes, le dia
g
ramme
T,s
se pr
é
sente
d
iff
é
r
em
me
nt
.
S
ur la
g
auche, il est doté d’une zone
(g
ris
)
d
an
s
l
aquelle le fluide de travail est dans un
é
tat liquide et
dan
s
un
é
tat de
s
urrefroidi
ss
emant. Au centre
(
bleu
)
s
e
trouve un m
é
lan
g
e compos
é
de vapeur et de liquide, la
v
apeur
h
umi
d
e. A
d
roite
(
oran
g
e
)
le
f
luide de travail e
s
t
pu
rement
à
l’
é
tat de v
ap
eur et est surchauff
é.
C
e dia
gr
amme
T,s
permet
é
ga
lement de faire une
r
epr
é
sentation du cycle fri
g
orifique r
é
el et de ses
passa
g
es
d
e p
h
ases typiques. Le processus ressem
b
le
f
ortement au processus de
f
orce motrice de la vapeur
c
onnu. La plus
g
rande diff
é
rence consiste en ce que
l
e processus se d
é
roule dans le sens contraire des
ai
g
uilles d’une montre. Ainsi les op
é
rations d’
é
va
-
poration et
d
e con
d
ensation ainsi que
d
’expansion
(d
é
tente) et de compression (pompes) permutent leurs
pos
i
t
i
ons
.
La
s
urface enferm
é
e
(
verte
)
correspon
d
au travail
d
u
c
ompresseur, celui-ci
é
tant achemin
é
au processus
.
D
ans le
d
i
ag
ramme lo
g
p,
h
, la
pr
ession
p
est
p
ortée
p
au-
d
essus
d
e l’ent
h
a
lp
ie
h
.
D
ans la partie centrale
(
bleu
)
se trouve la zone
d
e vapeur
humide. Ici la temp
é
rature correspond
à
la temp
é
rature
d’
é
bullition correspondant
é
à
la pression. La zone de
v
apeur humide est entour
é
e de courbes limites, assorties
d
’une teneur en vapeur
d
e x=0,0 et
d
e x=1,0.
A
g
auc
h
e
(g
ris
)
, l’a
g
ent r
é
fri
gé
rant est liquide. La temp
é-
r
ature se situe en-dessous de la temp
é
rature d’
é
bullition
c
orrespondant
é
à
la pression, l’a
g
ent r
é
fri
gé
rant
é
tant en
é
t
at
d
e
su
rr
ef
ro
id
is
se
ma
nt
.
A
d
r
o
it
e
(
orange
(
(
)
e
, l’a
g
ent r
é
fri
gé
rant est dans un
é
tat
g
azeux et la temp
é
rature est sup
é
rieure
à
la temp
é
rature
d’
é
bullition. L’a
g
ent r
é
fri
gé
rant est surchauff
é
.
C
haque a
g
ent réfri
g
érant a son propre dia
g
ramme lo
g
p,h
.
Le dia
g
ramme lo
g
p,h se pr
ê
te mieux
à
la repr
é
senta
-
tion du cycle
f
ri
g
ori
f
ique que le dia
g
ramme T,s et c’est la
r
aison pour laquelle il est plus fr
é
quemment utilis
é.
C
omme les éner
g
ies échan
g
ées avec l’a
g
ent réfri
g
érant
modifient l’enthalpie h de l’a
g
ent r
é
fri
gé
rant, les flux
d’
é
ner
g
ie peuvent
ê
tre imm
é
diatement interpr
é
t
é
s dans le
d
i
ag
ramme comme
d
es tr
aj
ets
h
orizontaux
.

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GENIE FRIGORIFIQUE THERMODYNAMIQUE DU CYCLE FRIGORIFIQUE
THERMODYNAMIQUE DU CYCLE FRIGORIFIQUE
h
1
-
h
4
CO
P
=
h
2
-
h
1
Le cycle
f
ri
g
ori
f
ique dans le dia
g
ramme lo
g
p,
h
Le cycle fri
g
orifique r
é
el se compose des chan
g
ements d’
é
tat suivants:
D
ans le cadre du cycle fri
g
orifique r
é
el surviennent en outre
ég
alement des pertes de pression, de telle sorte que
l
’
é
vaporation et la condensation ne se d
é
roulent pas d’une mani
è
re exactement horizontale (mani
è
re isobarique)
.
1
– 2 compress
i
on po
ly
trop
i
que sur
l
a pres
-
sion de condensation (
po
ur com
pa
ra
i-
son 1 – 2’ compression isentropique
)
2 – 2’’ re
f
roidissement isobarique, le re
f
roi
-
dissement de la vapeur surchauff
ée
1
’ – 1 r
é
chauffement isobarique, surchauffe
d
e la vapeur
4 – 1’
é
vaporation isobariqu
e
2’’ – 3’ con
d
ensation iso
b
ariqu
e
Le cycle frigorifique dans le diagramme log p,h
Appellation
HF R134a
HF R404a
HF R407a
NH3 R717
Isobutane R600a
CO2 R744
Température
d’ébullition
Ts = -26°C
Ts = -47℃
Ts = -39...-45°C
Ts = -33°C
Ts = -12℃
Ts = -78°C
Substance extra pure
Mélange
Mélange
Substance extra pure
Substance extra pure
Substance extra pure
L’
é
volution de la pression de la vapeur du fluide de
travail est la condition pour un bon
f
onctionnement.
D
ans le cas de pressions faibles et de temp
é
ratures
de refroidissement souhait
é
es, elle doit prendre une
f
orme
g
azeuse et dans le cas de pressions et de
temp
é
ratures
é
lev
é
es, elle doit prendre une forme
l
iquide. Les pressions doivent par ailleurs
ê
tre techni
-
quement ma
î
trisables.
Le
d
ia
g
ramme montre la cour
b
e
d
e la pression
d
e la
v
apeur de l’HF R134a, celui-ci se pr
ê
tant bien
à
ce
t
y
pe d’op
é
ration. Il est possible d’obtenir des temp
é-
r
ature
s
de refroidi
ss
ement courante
s
de -26°C dan
s
l
’
é
vaporateur avec des pressions se situant autour de
1
b
ar alors que la con
d
ensation n’exi
g
e qu’une pres
-
s
ion de 17 bar
s
à 60°C
.
A
lors
qu
e
d
ans le cas
d
e su
b
stances extra
pu
res
co
mm
e
l
e
N
H
3
,
le propane et le C
O
2
,
la cour
b
e
d
e
l
a pression de la vapeur est fi
gé
e, celle-ci peut
ê
tre
adapt
é
e dans de
g
randes proportions aux besoins
dans le cas des hydrocarbures fluor
é
s en m
é
lan
ge
ant
diff
é
rente
s
vari
é
t
és
de ba
s
e.
Pre
ss
ion en
b
ar
s
a
Température en °
C
C
ourbe de la pression de la vapeur
d’
HF
R
13
4a
CONNAISSANCES DE BASE
C
onsidérations éne
rg
ét
iq
ues dans le di
ag
ramme lo
g
p,
h
Les
é
carts horizontaux des
p
rinc
ip
aux
po
ints du
pr
ocessus
dans le dia
g
ramme lo
g
p,h correspondent aux diff
é
rences d’en
-
thalpie. Dans le cas d’un cycle
f
ri
g
ori
f
ique simple sans jonc
-
tions des d
é
bits massiques, ceux-ci donnent multipli
é
s par le
d
é
bit massique de l’a
g
ent r
é
fri
gé
rant les flux d’
é
ner
g
ie ou les
puissances du syst
è
me id
é
al. Les
é
carts dans le dia
g
ramme
l
o
g
p,h repr
é
sentent donc une mesure directe pour les flux d’
é
ner
-
g
ie
é
chan
gé
s.
Le trajet 4 – 1 correspond
à
la puissance fri
g
orifique et constitue
l
a puissance utile de l’installation
f
ri
g
ori
f
ique. Le trajet 1 – 2 est
l
a puissance motrice exerc
é
e par le compresseur. Le trajet 2 – 3
c
orrespond
à
la puissance thermique
é
mise par le condenseur.
C
’est la chaleur perdue de l’installation fri
g
orifique
.
A
partir
d
u rapport
d
e la puissance utile et
d
e la puissance motrice,
il est possible de déterminer le coefficient de performance COP
(
Coefficient of Performance
)
.
Le coe
ff
icient de per
f
ormance est comparable au rendement d’une
mac
h
in
e
m
o
tric
e.
3
’ – 3 re
f
roidissement isobarique,
surre
f
roidissement du liquid
e
3
– 4 ex
pa
nsion isent
h
alpi
qu
e sur la
pression de l’
é
vaporatio
n
Les flux d’énergie dans le cycle frigorifique
puissance frigorifique absorbée
puissance motrice du compresseur
puissance thermique émise
L’a
g
ent réfri
g
éran
t
C
haque c
y
cle requiert un fluide de travail; dans le cas du
c
ycle fri
g
orifique, celui-ci consiste dans l’a
g
ent r
é
fri
gé
rant.
D
ans le cadre du cycle fri
g
orifique, le r
ô
le de l’a
g
ent r
é
fri
-
gé
rant consiste
à
transporter la chaleur. Ici on profite de
l
a forte absorption d’
é
ner
g
ie lors de l’
é
vaporation respec
-
tivement de l’
é
mission d’
é
ner
g
ie lors de la condensation
d’un liquide. Pour pouvoir r
é
aliser ces op
é
rations avec les
temp
é
ratures habituelles r
ég
nant dans une installation
f
r
ig
orif
iq
ue, les
pr
essions
é
tant ma
î
trisables, on utilise
c
omme fluides de travail des liquides
à
é
bullition l
égè
re,
c
omme diff
é
rents h
y
drocarbures fluor
é
s (HF), de l’am
-
moniaque (N
H
3
), du diox
y
de de carbone (C
O
2
)
ou des
hyd
rocar
b
ures, comme le
b
utane ou le propane.
Les diff
é
rents a
g
ents r
é
fri
gé
rants sont marqu
é
s avec u
n
R
et un chi
ff
re qui le suit
.
L’eau qui est souvent utilis
é
e dans le cadre de c
y
cles
techniques ne se pr
ê
te pas bien
à
des cycles fri
g
orifiques.
Pour les temp
é
ratures basses qui sont habituelles dans
u
ne installation fri
go
rifi
qu
e, la
pr
ession d’
é
va
po
ration est
tr
è
s faible, et il existe le risque que l’eau
gè
le
.
L’utilisation de C
O
2
r
ep
r
é
sente un d
é
fi techni
qu
e. Ici on
o
btient en raison de sa temp
é
rature d’
é
bullition basse
u
ne pression très élevée. Cela a pour conséquence que
l
es composants courants provenant du
gé
nie fri
g
orifique,
c
omme les soupapes, les compresseurs ou les
é
chan
-
g
eurs de chaleur ne peuvent pas
ê
tre utilis
é
s
.
E
g
alement pour N
H
3
il existe des composants sp
é
ciaux,
puisque des mat
é
riaux contenant du cuivre ne r
é
sistent
pa
s
à
l’ammoni
aq
ue
.