L’influence d’un fluide frigorigène à glissement sur l’installation frigorifique
L’influence d’un fluide frigorigène à glissement sur l’installation frigorifique
Bien que l’on écrive beaucoup sur les fluides frigorigènes à glissement, on trouve peu sur l’influence de ce glissement sur le montage, et surtout sur les mesures et le réglage des installations frigorifiques. Clarifions ici les préoccupations du technicien frigoriste.
Presque tous les futurs fluides frigorigènes synthétiques (qui ne sont dès lors pas assurés de leur pérennité) commencent par le chiffre 4 (R4XX_X) qui indique la présence d’un glissement. La série 4 (de R400 à R499) comporte les fluides frigorigènes dits zéotropes, c.-à-d. des mélanges « qui ne se mélangent pas ». En d’autres termes, on réunit plusieurs fluides frigorigènes, sans que le mélange ne s’homogénéise. On peut le comparer à un mélange d’huile et d’eau. Lorsqu’on met de l’eau et de l’huile dans une bouteille, on peut secouer autant que l’on veut, les deux fluides ne se mélangeront jamais. Le mélange reste de l’eau et de l’huile et ne devient pas de l’eau-huile. C’est d’ailleurs une des raisons pour lesquelles il apparaît tant de nouveaux fluides frigorigènes sur le marché. Il ne s’agit pas toujours de « nouveaux » fluides frigorigènes, il s’agit simplement de mélanges de fluides frigorigènes existants dont les fractions partielles diffèrent souvent très peu. Chaque différence donne lieu à un nouveau fluide frigorigène. Comme le nombre de chiffres entre R400 et R499 est limité, on a ajouté une lettre à la dénomination (R407C-F-….) ; cela permet d’étendre le nombre de possibilités…
Comme ces fluides frigorigènes composés ne se mélangent pas, il apparaît, dans l’installation frigorifique, différents points d’ébullition et de condensation en fonction du mélange. La différence en point d’ébullition peut atteindre 10K. Peu de monde se préoccupe de ce que signifie une différence de 10K du point d’ébullition ainsi que du point de condensation entre le premier et le dernier fluide frigorigène. Cela a pourtant une influence importante sur les composants, les mesures et le réglage.
Le diagramme Log(P)-H, point de bulle et point de rosée
Comme toujours, il faut partir du diagramme Log(P)-H. Dans le cas d’un fluide frigorigène comme le R134a, on observe que les isobares et les isothermes sont parallèles dans la région de saturation (figure 1). En mesurant la pression, on peut donc connaître la température qui règne dans le condenseur ou l’évaporateur ; ou inversement, on peut connaître la pression en mesurant la température. Ici on ne prend pas en considération la présence de gaz non condensables. C’est un principe que le frigoriste connaît bien, et qu’il applique tous les jours.
Figure 1 : Fluide frigorigène sans glissement.
Considérons maintenant le diagramme Log(P)-H d’un fluide frigorigène avec glissement (figure 2) : on voit immédiatement que la relation fixe entre la pression et la température n’est plus parallèle. Que mesure-t-on, et comment ? Il règne des pressions et des températures différentes aussi bien aux entrées qu’aux sorties, à la fois du condenseur et de l’évaporateur. Il faut savoir aussi que les isothermes dans la région de saturation ne se présentent pas réellement comme des lignes, mais comme des blocs, en fonction de la température d’évaporation de chaque fluide frigorigène distinct du mélange. Le mot isotherme devient même un concept relatif dans ce contexte.
Figure 2 : Fluide frigorigène à glissement.
Dans le cas de mélanges homogènes et de fluides frigorigènes purs, donc des fluides frigorigènes sans glissement, on parle de point d’ébullition et de point de condensation. Dans le cas des fluides frigorigènes à glissement, ce terme n’est pas correct puisqu’il y en a plusieurs. Pour représenter et mesurer cet effet, on parle de point de bulle et de point de rosée dans le cas des fluides frigorigènes à glissement.
Figure 3 : Point de bulle et point de rosée.
Le point de bulle (liquide contenant une bulle de gaz) est le point de saturation côté liquide, il indique le moment où commence à se former un gaz. Le point de rosée (gaz contenant une goutte) est le point de saturation côté gaz, il indique le moment où le liquide commence à se former. On rencontre ces termes fréquemment dans la littérature spécialisée et dans les logiciels de sélection.
Effet sur le condenseur et sur les mesures
Un article sur l’effet des fluides frigorigènes à glissement dans le condenseur (et l’évaporateur) – Conception des évaporateurs et condenseurs pour mélanges de frigorigènes avec glissement de température élevé – a été publié dans Cool & Comfort n° 68 et 69.
Suivant sur la figure 3 la ligne rouge de l’isotherme de droite à gauche (condensation), on constate qu’à l’entrée du condenseur on mesure une pression et une température plus faibles qu’à la sortie du condenseur. Il y a donc lieu de bien réfléchir sur l’endroit où l’on va mettre l’appareil de mesure. Mesurer la pression à hauteur du compresseur (avant le condenseur) et mesurer la température après le condenseur (canalisation de retour ou récipient du liquide) peut mener sur la mauvaise piste. Il faut donc tenir compte du fait que vous mesurez le point de rosée ou le point de bulle. Sur la petite réglette accompagnant le fluide frigorigène, il est généralement indiqué de quels chiffres il s’agit (le plus souvent, le point de rosée).
Dans le cas des fluides frigorigènes à glissement élevé il est difficile de détecter par les différences de température et de pression, la présence de gaz non condensables. De plus, la chute de pression dans le condenseur devient plus importante, ce qui peut vous induire encore plus en erreur.
L’adage « Mesurer c’est savoir » perd sa valeur. Par contre, mesurer avec connaissance, c’est savoir. Là est l’avenir.
Effet sur l’évaporateur et sur les mesures
Suivant sur la figure 3 la ligne rouge de l’isotherme de gauche à droite (évaporation), on constate qu’à l’entrée de l’évaporateur on mesure une pression et une température plus élevées qu’à la sortie. Le premier effet est l’influence sur la mesure de la surchauffe. Dans le cas de vannes d’expansion thermostatiques avec égalisation de la pression interne, on mesure la pression avant et la température (bulbe) après l’évaporateur. Ce n’est donc pas correct. Si l’on ajoute encore à cela la chute de pression dans l’évaporateur, il apparaît clairement que le réglage pourrait bien avoir peu d’importance. En deuxième lieu, on voit qu’à cause de la différence de pression avant et après l’évaporateur, le compresseur doit fonctionner « plus en profondeur », ou à plus basse pression, pour assurer la même température d’évaporation moyenne dans l’évaporateur.
La figure 4 montre la différence d’efficience et de rendement entre un fluide frigorigène à glissement et sans glissement. Un seul diagramme l’explicite, avec la conséquence que le rendu n’est pas totalement correct. Mais on voit rapidement que la température de condensation augmente, que la température d’évaporation diminue, que la température en fin de compression augmente et que le COP diminue.
Figure 4 : Cycle frigorifique avec et sans glissement.
Le mauvais réglage d’une installation dans laquelle on utilise un fluide frigorigène à glissement a donc de grandes conséquences. Cela a déjà causé beaucoup de problèmes pratiques et de fractures. Tout installateur s’est certainement déjà demandé quelle vanne d’expansion utiliser pour un fluide frigorigène donné. Le bulbe d’une vanne d’expansion thermostatique est toujours rempli du fluide frigorigène pour lequel il a été fabriqué. Pour une série de nouveaux fluides frigorigènes, avec glissement, on ne peut acheter une vanne d’expansion appropriée. Comment dès lors, mesurer et régler convenablement la surchauffe ?
Pour l’installateur il s’agit de mesurer de manière précise les pressions et les températures, de consulter le diagramme Log(P)-H qui convient, de s’assurer des bons points de bulle et de rosée et de régler l’installation avec savoir-faire.
Conclusion
Un seul article ne suffit évidemment pas pour expliquer tout en détail : il ne peut lever qu’un petit coin du voile. Mais il est suffisant pour montrer que les nouveaux fluides frigorigènes doivent être traités avec beaucoup d’attention.
Est-il déconseillé de travailler avec un fluide frigorigène à glissement ? Non, certainement pas. Ce sont les fluides frigorigènes synthétiques de demain, et donc, nous devons apprendre à les utiliser. Si on tient compte des arguments présentés dans cet article, et si l’installation est conçue, placée, mise en route et réglée avec soin, on a déjà fait une grande partie du chemin. Dans l’ère technologique que nous traversons actuellement, rester immobile est plus que reculer, c’est se déphaser. Il faut investir en temps, moyens, connaissances et technologie. Tout le monde y gagnera, aussi bien vous que votre client.
Par Jurgen Buckinx
