Tracer le cycle frigorifique idéal sur un diagramme p-h

Si vous vous êtes déjà retrouvé dans une salle des machines à observer les deux manomètres d’une centrale de compresseurs en vous demandant comment ces deux valeurs se rapportent à l’ensemble du système, le diagramme pression-enthalpie vous apporte la réponse. Ce guide s’appuie sur un module pédagogique du professeur R. Paul Singh, qui montre comment construire un cycle idéal à compression de vapeur sur un diagramme p-h à partir de seulement deux pressions ou deux températures.

Savoir lire ce diagramme est utile pour l’évaluation du certificat A1 de l’UE relatif aux gaz à effet de serre fluorés. Cela vous aide à comprendre les états du fluide frigorigène et les transformations thermodynamiques du cycle frigorifique.

 

Pression et température : une relation fixe

Pour tout fluide frigorigène pur, la pression de saturation et la température de saturation sont liées par une relation fixe. Sur le diagramme p-h, la pression figure sur l’axe vertical de gauche, en bar, et l’enthalpie sur l’axe horizontal du bas, en kJ/kg. Tracez une ligne horizontale à une pression quelconque : vous trouverez la même température de saturation indiquée à ses intersections avec la courbe de liquide saturé à gauche et la courbe de vapeur saturée à droite.

« Pour toute substance chimique, et nous nous intéressons bien sûr ici aux fluides frigorigènes, il existe une relation très précise entre la température et la pression. »

Cette relation fixe explique le fonctionnement d’une réglette de correspondance pression-température. Elle explique aussi pourquoi vos manomètres peuvent comporter des échelles de température pour le R-410A ou le R-134a à côté de l’échelle de pression. Ces connaissances sont abordées dans le thème « Thermodynamique » de l’édition UE. L’annexe I du règlement d’exécution (UE) 2024/2215 définit les exigences en thermodynamique pour le certificat A1 de l’UE relatif aux gaz à effet de serre fluorés, dans le cadre du règlement (UE) 2024/573.

 

Deux pressions définissent tout le cycle

Entrez dans la salle des machines d’un entrepôt frigorifique : vous trouverez deux manomètres sur le groupe de compresseurs. L’un indique la basse pression, celle de l’évaporateur. L’autre indique la haute pression, celle du condenseur. Tous les systèmes à compression de vapeur, du refroidisseur de bouteilles à l’entrepôt frigorifique, fonctionnent entre ces deux niveaux.

« Dans tout système frigorifique, il y a toujours deux pressions. L’une est la basse pression et l’autre est la haute pression. »

Grâce à la relation pression-température, un énoncé d’examen ou un cahier des charges peut fournir les données sous l’une ou l’autre de ces formes :

• Deux pressions : la pression d’aspiration et la pression de refoulement, généralement en bar absolus.
• Deux températures : la température d’évaporation et la température de condensation, en °C.

L’une ou l’autre de ces paires suffit. Si l’on vous donne des températures, repérez-les sur les courbes de saturation et effectuez une lecture horizontale. Si l’on vous donne des pressions, tracez directement les lignes horizontales. L’objectif est le même dans presque tous les calculs : déterminer les trois valeurs d’enthalpie qui décrivent le cycle, généralement notées H1, H2 et H3.

 

Tracer le cycle pas à pas

Le professeur Singh prend comme exemple une température d’évaporation de 10 °C et une température de condensation de 40 °C. Munissez-vous d’un diagramme imprimé correspondant à votre fluide frigorigène et suivez ces étapes.

1. Tracez la ligne de l’évaporateur. Repérez 10 °C sur la courbe de liquide saturé, puis sur la courbe de vapeur saturée. Reliez ces deux points par une ligne horizontale. Elle représente le côté basse pression du cycle, sous la cloche de saturation.
2. Tracez la ligne du condenseur. Répétez l’opération à 40 °C. Cette ligne horizontale se situe plus haut sur le diagramme et représente le côté haute pression.
3. Suivez une ligne à entropie constante pour la compression. Partez de l’intersection de la ligne de l’évaporateur avec la courbe de vapeur saturée, à droite. Depuis ce point, suivez la courbe à entropie constante, qui monte vers la droite en s’éloignant de la cloche, jusqu’à atteindre la ligne de pression du condenseur. Vous êtes maintenant dans la zone de vapeur surchauffée.
4. Tracez une ligne verticale descendante pour la détente. Repérez le point où la ligne du condenseur rencontre la courbe de liquide saturé, à gauche. Tracez une ligne verticale vers le bas jusqu’à la ligne de pression de l’évaporateur. Elle représente le détendeur.

« Il peut parfois être difficile de suivre exactement une courbe à entropie constante. Faites au mieux, soit en interpolant visuellement entre les lignes à entropie constante voisines, soit, si le point de départ coïncide avec le départ d’une de ces lignes sur la courbe de vapeur saturée, en suivant simplement cette ligne. »

Les lignes à entropie constante sont imprimées sur le diagramme, mais elles sont espacées. Votre point de départ se trouvera donc rarement exactement sur l’une d’elles. Interpolez à l’œil entre les deux courbes les plus proches et gardez votre tracé parallèle à celles-ci en remontant. L’entraînement sur un véritable diagramme facilite cet exercice.

 

Lire le cycle : ce que représente chaque ligne

Une fois les quatre lignes reliées, vous obtenez la boucle fermée d’un cycle idéal. Repérez les points E, A, B, C et D : chaque segment correspond directement à un composant du circuit réel.

Segment	Composant	Transformation
E à A	Évaporateur	Le fluide frigorigène bout à basse pression constante et absorbe la chaleur de l’espace à refroidir
A à B	Compresseur	La vapeur est comprimée suivant une ligne à entropie constante jusque dans la zone de vapeur surchauffée
B à C	Condenseur (désurchauffe)	La surchauffe est éliminée à haute pression constante jusqu’à ce que la vapeur atteigne la saturation
C à D	Condenseur (condensation)	La vapeur se condense en liquide saturé à haute pression constante
D à E	Détendeur	La pression diminue à enthalpie constante jusqu’à retrouver la pression de l’évaporateur

Deux points méritent une attention particulière lors de l’interprétation du cycle.

Au point B, la vapeur est surchauffée. Le refoulement du compresseur se situe toujours à droite de la courbe de vapeur saturée. Avant que la condensation puisse commencer, cette surchauffe doit être évacuée. De nombreux manuels regroupent B à D pour représenter la chaleur totale rejetée au condenseur. Cette approche convient aux calculs, mais vous devez savoir que la première partie correspond à la désurchauffe et que seule la seconde constitue un véritable changement de phase.

La détente est une ligne verticale. La chute de D à E est tracée à enthalpie constante. Le passage du liquide dans le détendeur ne s’accompagne d’aucun échange de chaleur ni de travail : l’enthalpie en E est donc égale à celle en D. La vidéo décrit cette transformation comme adiabatique. En toute rigueur, la détente par étranglement dans un détendeur est isenthalpique, et c’est l’hypothèse d’enthalpie constante qui donne la ligne verticale sur le diagramme. Dans les deux cas, le résultat pratique est le même : H à l’entrée du détendeur est égal à H à sa sortie.

« L’enthalpie au point D et au point E est la même. La détente est donc toujours représentée par une ligne verticale. »

 

Pourquoi les trois valeurs d’enthalpie sont importantes

Le tracé du cycle permet de relever les valeurs d’enthalpie sur l’axe horizontal. Trois valeurs suffisent pour calculer les grandeurs suivantes.

• L’effet frigorifique correspond au gain d’enthalpie dans l’évaporateur, de E à A. Il représente le refroidissement utile par kilogramme de fluide frigorigène en circulation.
• Le travail du compresseur correspond à l’augmentation d’enthalpie de A à B. Il représente l’énergie fournie par kilogramme de fluide frigorigène en circulation.
• La chaleur rejetée au condenseur correspond à la diminution d’enthalpie de B à D, qui doit être égale à la somme des deux autres grandeurs.
• Le coefficient de performance est l’effet frigorifique divisé par le travail du compresseur.

Observez comment le diagramme rend visibles les compromis de conception. Si vous augmentez la température de condensation, la ligne supérieure monte, la ligne de compression s’allonge et la ligne verticale de détente se déplace vers la droite, ce qui réduit l’effet frigorifique. Si vous abaissez la température d’évaporation, la ligne inférieure descend, ce qui allonge à nouveau la ligne de compression. C’est pourquoi un condenseur encrassé ou un évaporateur givré augmente la consommation d’énergie.

 

Ce qui est attendu à l’examen sur les gaz à effet de serre fluorés

L’évaluation du certificat A1 de l’UE relatif aux gaz à effet de serre fluorés porte sur les compétences minimales énumérées à l’annexe I du règlement d’exécution (UE) 2024/2215. Le thème « Thermodynamique » de l’édition UE couvre les exigences suivantes :

• Connaître les unités ISO de base pour la température, la pression, la masse, la masse volumique et l’énergie.
• Comprendre la relation pression-température des fluides frigorigènes et son utilisation pour vérifier la surchauffe et le sous-refroidissement.
• Utiliser des tableaux et des diagrammes, notamment le diagramme p-h, pour interpréter les états du fluide frigorigène lors des contrôles d’étanchéité indirects et des vérifications du fonctionnement du système.
• Décrire la fonction des quatre principaux composants : compresseur, condenseur, dispositif de détente et évaporateur.

Pour réviser, entraînez-vous à identifier la transformation représentée par une ligne repérée sur un diagramme p-h. Vérifiez où se situent la vapeur surchauffée, le liquide saturé et le mélange diphasique par rapport à la cloche. Vous devez aussi comprendre ce qui arrive au cycle lorsque la pression de condensation augmente et savoir quelle ligne est tracée à entropie constante.

Conseil pour l’examen : Retenez les formes. Les lignes horizontales sont à pression constante (évaporateur et condenseur). La ligne inclinée vers le haut à droite est à entropie constante (compresseur). La ligne verticale est à enthalpie constante (détendeur). Reconnaître ces quatre lignes vous aide à interpréter le cycle sans calcul numérique.

Point clé : Le point B, au refoulement du compresseur, est toujours dans la zone de vapeur surchauffée. Le point D, à la sortie du condenseur, se situe sur la courbe de liquide saturé ou juste à sa gauche. Le point E, après la détente, se trouve à l’intérieur de la cloche, sous forme de mélange liquide-vapeur.

 

Comment F-Gas Exam Prep vous accompagne

La préparation à l’évaluation du certificat A1 de l’UE relatif aux gaz à effet de serre fluorés demande de s’entraîner à interpréter les diagrammes p-h, tout en révisant le règlement (UE) 2024/573 et les procédures de récupération des fluides frigorigènes.

F-Gas Pro – Préparation à l’examen A1 propose plus de 540 questions de type examen réparties en 15 thèmes, chacune accompagnée d’une explication détaillée. Le thème « Thermodynamique » vous aide à réviser la relation pression-température, les transformations du cycle et les états du fluide frigorigène.

L’application propose un entraînement par thème, des examens blancs chronométrés, des cartes de révision, un suivi de la progression et 12 calculateurs. Elle est disponible sur iOS et Android en anglais, allemand, français, italien, espagnol et polonais.

Entraînez-vous à tracer le cycle idéal à partir de deux températures et à identifier l’état du fluide à chaque sommet. L’application est un outil de révision indépendant. Elle n’est affiliée à aucun organisme de certification et ne remplace ni une formation agréée ni un examen.