Diagrammes pression-enthalpie du cycle frigorifique

Un diagramme pression-enthalpie peut sembler intimidant au premier abord, mais c’est l’un des outils les plus utiles pour comprendre le comportement du fluide frigorigène dans un système à compression de vapeur. Une fois que vous savez reconnaître les principales zones et suivre les quatre processus, le diagramme transforme les pressions et les températures en une représentation claire du fonctionnement du système.

Ces connaissances sont directement liées aux notions de thermodynamique sur lesquelles reposent les évaluations du certificat A1 de l’UE relatif aux gaz à effet de serre fluorés. Elles contribuent également aux compétences pratiques concernant les compresseurs, les condenseurs, les évaporateurs, les dispositifs de détente, la mesure de pression et le diagnostic des systèmes.

« Le fluide frigorigène est le fluide de travail. »

Ce principe simple est fondamental. Le fluide frigorigène circule en continu. Sa pression, sa température, son enthalpie et son état physique changent lorsqu’il absorbe et rejette de la chaleur.

Les quatre principaux composants du cycle frigorifique

Un circuit frigorifique de base à compression de vapeur comporte quatre composants principaux :

1. Compresseur : aspire la vapeur à basse pression et la comprime pour obtenir une vapeur à haute pression et à haute température.
2. Condenseur : rejette de la chaleur et fait passer le fluide frigorigène de l’état vapeur à l’état liquide à haute pression.
3. Dispositif de détente : réduit la pression du fluide frigorigène et régule le débit entrant dans l’évaporateur.
4. Évaporateur : absorbe de la chaleur et transforme le mélange de fluide frigorigène à basse pression en vapeur.

Le côté haute pression s’étend normalement du refoulement du compresseur jusqu’à l’entrée du dispositif de détente, en passant par le condenseur et la conduite liquide. Le côté basse pression commence après le dispositif de détente et se poursuit dans l’évaporateur et la conduite d’aspiration jusqu’à l’entrée du compresseur.

Les manomètres frigorifiques utilisent conventionnellement le rouge pour le côté haute pression et le bleu pour le côté basse pression. Ces couleurs facilitent le repérage, mais le technicien doit toujours vérifier que les flexibles sont correctement raccordés et que le jeu de manomètres et les flexibles conviennent au fluide frigorigène et à la pression de fonctionnement.

Le compresseur et le dispositif de détente créent la différence de pression qui permet au cycle de fonctionner. Une pression élevée ne signifie toutefois pas que tous les points du côté haute pression sont à la même température. La température du fluide frigorigène varie considérablement au cours de la désurchauffe de la vapeur, de la condensation et du sous-refroidissement.

Lire le diagramme pression-enthalpie

Un diagramme pression-enthalpie, généralement abrégé en diagramme p-h, représente deux grandeurs principales :

• La pression sur l’axe vertical, généralement en pression absolue et sur une échelle logarithmique
• L’enthalpie massique sur l’axe horizontal, normalement exprimée en kJ/kg

L’enthalpie représente le contenu énergétique du fluide frigorigène par unité de masse. La différence d’enthalpie entre deux points est particulièrement utile, car elle permet aux techniciens de calculer la puissance frigorifique de l’évaporateur, la chaleur rejetée au condenseur et le travail du compresseur.

Chaque fluide frigorigène possède son propre diagramme p-h. Un diagramme du R-410A ne peut pas être utilisé pour le R-134a, le R-32, l’ammoniac ou un autre fluide frigorigène, car chacun possède des propriétés thermodynamiques différentes.

L’élément le plus reconnaissable est la cloche de saturation. Elle divise le diagramme en trois zones principales :

• Zone du liquide sous-refroidi ou comprimé : à gauche de la cloche
• Zone diphasique : sous la cloche, contenant du liquide et de la vapeur
• Zone de la vapeur surchauffée : à droite de la cloche

La limite gauche est la courbe de liquide saturé. La limite droite est la courbe de vapeur saturée.

Liquide saturé, titre en vapeur et vapeur saturée

Sur la courbe de liquide saturé, le fluide frigorigène est liquide et sur le point de commencer à bouillir. Cette limite est souvent appelée point de bulle, car un apport d’énergie fait apparaître la première bulle de vapeur.

À l’intérieur de la cloche de saturation, le liquide et la vapeur coexistent. La proportion de vapeur est appelée titre en vapeur, ou fraction massique de vapeur, du fluide frigorigène :

• Un titre de 0 correspond à du liquide saturé
• Un titre de 0,5 signifie qu’environ 50 % de la masse est sous forme de vapeur
• Un titre de 1 correspond à de la vapeur saturée

Le titre en vapeur n’est défini que dans la zone diphasique. Il ne doit pas être appliqué au liquide sous-refroidi ni à la vapeur surchauffée.

Sur la courbe de vapeur saturée, la dernière fraction de liquide vient de s’évaporer. Lorsque l’on approche cette limite depuis la zone vapeur pendant la condensation, elle est appelée point de rosée, car un refroidissement supplémentaire fait apparaître la première goutte de liquide.

« L’état du fluide frigorigène dépend de la pression et de la température. »

Pour un fluide frigorigène pur à saturation, la pression détermine la température de saturation. De nombreux mélanges de fluides frigorigènes présentent un glissement de température : leurs températures au point de bulle et au point de rosée diffèrent donc. Le R-410A est un mélange quasi azéotropique dont le glissement est faible, mais les techniciens doivent toujours utiliser les données appropriées du fabricant pour effectuer des mesures précises.

Comprendre le sous-refroidissement

Le sous-refroidissement se produit lorsque le fluide frigorigène liquide est refroidi en dessous de sa température de saturation à la pression de condensation mesurée. Sur un diagramme p-h, le liquide sous-refroidi se situe à gauche de la courbe de liquide saturé.

Par exemple, si la température de saturation correspondant à la pression dans la conduite liquide est de 40 °C et que la température mesurée dans cette conduite est de 35 °C :

Sous-refroidissement = 40 °C − 35 °C = 5 K

Un sous-refroidissement suffisant contribue à garantir que le fluide arrive au dispositif de détente entièrement à l’état liquide. Un sous-refroidissement insuffisant peut indiquer un manque de fluide frigorigène, une perte de charge excessive, un mauvais fonctionnement du condenseur ou la présence de gaz issu d’une vaporisation instantanée dans la conduite liquide. Les mesures doivent toujours être interprétées en tenant compte du débit d’air, de la charge thermique, des conditions ambiantes et des spécifications du fabricant.

Comprendre la surchauffe

La surchauffe est l’écart entre la température de la vapeur et la température de saturation correspondant à sa pression. La vapeur surchauffée se situe à droite de la courbe de vapeur saturée.

Si la température de saturation à l’évaporation est de 5 °C et que la température de la conduite d’aspiration est de 11 °C :

Surchauffe = 11 °C − 5 °C = 6 K

La surchauffe à la sortie de l’évaporateur confirme que l’évaporation est terminée. Elle contribue également à protéger le compresseur contre l’arrivée de fluide frigorigène liquide. Une surchauffe excessive peut indiquer une sous-alimentation de l’évaporateur, un débit de fluide frigorigène restreint, une charge insuffisante ou un transfert thermique inadéquat. Une surchauffe très faible peut suggérer une suralimentation ou un risque de retour de liquide au compresseur.

Pression manométrique et pression absolue

Les jeux de manomètres utilisés lors des interventions affichent normalement la pression manométrique, repérée par PSIG ou bar(g). La pression manométrique est mesurée par rapport à l’atmosphère environnante.

Les diagrammes thermodynamiques utilisent généralement la pression absolue, repérée par PSIA ou bar(a). La pression absolue est mesurée par rapport au vide parfait.

La relation est la suivante :

Pression absolue = pression manométrique + pression atmosphérique locale

Au niveau de la mer, la pression atmosphérique standard est d’environ 14,7 psi ou 1,013 bar. Une lecture de 100 PSIG au manomètre correspond donc à environ 114,7 PSIA dans les conditions standard au niveau de la mer.

La pression atmosphérique varie avec l’altitude et les conditions météorologiques : 14,7 psi est donc une approximation, et non une correction universelle. Surtout, ne confondez jamais les échelles manométrique et absolue lorsque vous reportez un point de fonctionnement sur le diagramme.

Suivre les quatre processus sur le diagramme

Le cycle frigorifique se présente sous la forme de quatre processus reliés entre eux :

1. Compression : la vapeur surchauffée à basse pression devient une vapeur à haute pression et à haute température. La pression, la température et l’enthalpie augmentent.
2. Condensation : de la chaleur est rejetée à haute pression. Le fluide frigorigène est désurchauffé, condensé et éventuellement sous-refroidi.
3. Détente : le fluide frigorigène traverse le dispositif de détente. La pression chute fortement, tandis que l’enthalpie reste approximativement constante.
4. Évaporation : le mélange liquide-vapeur à basse pression absorbe de la chaleur, entre en ébullition et sort normalement sous forme de vapeur surchauffée.

Un système réel ne suit pas des lignes parfaitement idéales. Les pertes de charge, le rendement imparfait du compresseur, les transferts thermiques dans les tuyauteries et les variations de charge thermique influencent tous le cycle mesuré.

Lien avec les gaz à effet de serre fluorés et le certificat A1 de l’UE

Dans le règlement (UE) 2024/573, l’art. 4 impose de prévenir les émissions et de réparer les fuites détectées sans retard injustifié. L’art. 5 fixe les exigences de contrôle d’étanchéité en utilisant les tonnes équivalent CO₂ pour les gaz figurant à l’annexe I et la masse pour ceux figurant à l’annexe II, section 1, selon les équipements concernés et les exemptions applicables. L’art. 10 porte sur la formation et la certification du personnel effectuant les activités réglementées. Voir le règlement (UE) 2024/573.

Comprendre les états du fluide frigorigène aide à respecter ces obligations. Cela permet au technicien d’éviter les rejets de liquide, de récupérer correctement le fluide frigorigène, de repérer les conditions de fonctionnement anormales et de distinguer d’éventuels problèmes de charge des défauts de circulation d’air ou de composants.

L’annexe I énumère les gaz à effet de serre fluorés et leurs potentiels de réchauffement planétaire. Pour les mélanges tels que le R-410A, le PRP du mélange est calculé selon la méthode de l’annexe VI, à partir des valeurs des composants. Le PRP couramment indiqué pour le R-410A est de 2088, ce qui rend particulièrement importantes la prévention des émissions et une récupération correcte. Voir le règlement (UE) 2024/573, annexes I et VI.

Pour les candidats au certificat A1 de l’UE relatif aux gaz à effet de serre fluorés, la connaissance des diagrammes p-h est utile pour le thème Thermodynamique et le cycle frigorifique, ainsi que pour les domaines de l’évaluation pratique portant sur :

• Les relations entre pression et température
• Les changements de phase du fluide frigorigène
• L’utilisation sûre des jeux de manomètres
• Le fonctionnement du compresseur, du condenseur et de l’évaporateur
• Les performances du dispositif de détente
• La surchauffe et le sous-refroidissement
• La prévention des fuites, la récupération et la manipulation des fluides frigorigènes

Les candidats doivent également comprendre les différences entre les certificats prévus par le règlement d’exécution (UE) 2024/2215. Le certificat A1 couvre les activités réglementées impliquant des gaz à effet de serre fluorés et des hydrocarbures, quelle que soit la charge. Le certificat A2 couvre ces activités pour les équipements contenant moins de 3 kg, ou moins de 6 kg pour les systèmes hermétiquement scellés et étiquetés comme tels. Le certificat D couvre la récupération des gaz à effet de serre fluorés dans ces limites de charge. Le certificat E couvre les contrôles d’étanchéité des équipements contenant des gaz à effet de serre fluorés sans ouverture du circuit frigorifique. Voir le règlement d’exécution (UE) 2024/2215, art. 3.

Comment F-Gas Pro – Préparation à l’examen A1 facilite les révisions

F-Gas Pro – Préparation à l’examen A1 vous aide à réviser des notions telles que la saturation, l’enthalpie, la surchauffe et le sous-refroidissement. L’application comprend plus de 540 questions de type examen réparties sur 15 thèmes. Vous pouvez ainsi réviser la thermodynamique en parallèle de la réglementation, des contrôles d’étanchéité, de la récupération et des thèmes propres aux différents composants.

Vous pouvez vous entraîner par thème, passer des examens blancs chronométrés, réviser avec des fiches de révision et consulter des explications détaillées pour chaque réponse. L’application comprend également 12 calculateurs et un suivi de la progression. Elle est disponible sur iOS et Android. C’est un outil de révision indépendant, sans affiliation avec un organisme de certification, qui ne remplace ni une formation agréée ni un examen.