Lire le diagramme pression-enthalpie : guide pratique pour les candidats à la certification sur les gaz fluorés

Demandez à un groupe de frigoristes à quoi sert le diagramme pression-enthalpie et vous obtiendrez deux réponses. La moitié dira que c’est un outil de conception pour ceux qui travaillent dans les bureaux. L’autre moitié avouera discrètement qu’une fois le déclic venu, elle a commencé à diagnostiquer les installations plus vite. Le second groupe a raison. Le diagramme p-h est la représentation la plus claire de ce que fait votre fluide frigorigène entre le refoulement du compresseur et la sortie de l’évaporateur. Chaque mesure de surchauffe que vous effectuez sur une installation correspond à un point de ce diagramme, que vous le traciez ou non.

Ce guide explique comment construire le diagramme, zone par zone, selon l’approche d’un module pédagogique bien connu de thermodynamique. Construisez-le vous-même une fois et vous n’aurez plus jamais besoin de l’apprendre par cœur.

Mettre en place les axes

Commencez par deux axes. L’axe vertical représente la pression, et c’est là que la plupart des débutants se trompent :

« Notez que l’échelle sera logarithmique. Nous avons donc 0,1, 1, 10 et 100, et la pression est exprimée en bars. »

Cet espacement logarithmique est volontaire. Une centrale frigorifique à basse température peut fonctionner avec une pression d’évaporation de 0,6 bar absolu, tandis que le refoulement dépasse 25 bar. Sur une échelle linéaire, tout le côté basse pression serait tassé près de l’origine. L’espacement logarithmique permet une lecture précise des deux côtés du système.

L’axe horizontal représente l’enthalpie massique, en kJ par kilogramme de fluide frigorigène. Il utilise une simple échelle linéaire — 0, 100, 200, 300 et au-delà. L’enthalpie est tout simplement le contenu en énergie thermique par kilogramme. La distance horizontale entre deux points du diagramme correspond à la chaleur transférée au cours de cette transformation, ce qui rend les calculs de puissance frigorifique si directs.

Un point à retenir pour l’examen : les pressions d’un diagramme p-h sont absolues, et non manométriques. Votre jeu de manomètres indique la pression manométrique. Ajoutez environ 1 bar pour obtenir la pression absolue avant de chercher un point sur le diagramme.

La courbe en cloche et les zones de part et d’autre

Vient ensuite la forme que tout le monde reconnaît : une courbe en cloche déformée vers la droite, au milieu du diagramme.

La branche de gauche est la courbe de liquide saturé. Tout point situé sur cette courbe représente un fluide frigorigène entièrement liquide, mais sur le point de bouillir. À gauche se trouve la zone de liquide sous-refroidi — du liquide maintenu en dessous de sa température de saturation à la pression considérée. C’est l’état recherché dans votre conduite liquide, car un liquide sous-refroidi ne se vaporise pas instantanément en chemin vers l’organe de détente.

La branche de droite est la courbe de vapeur saturée. Un point situé sur cette courbe représente 100 % de vapeur, sans aucune surchauffe. À sa droite se trouve la zone de vapeur surchauffée, où le gaz a été chauffé au-dessus de sa température de saturation. C’est dans cette zone que se situent les états du fluide dans vos conduites d’aspiration et de refoulement.

Les deux branches se rejoignent au sommet, au point critique. Au-delà de cette pression et de cette température, la distinction entre liquide et vapeur n’a plus de sens, et aucune augmentation de pression ne permet de condenser le fluide frigorigène. C’est pourquoi les systèmes transcritiques au CO₂ se comportent si différemment des installations classiques aux HFC : leur côté haute pression fonctionne au-dessus du point critique. Il n’y a donc pas de condensation, seulement un refroidissement du gaz.

À l’intérieur de la cloche se trouve la zone diphasique : liquide et vapeur y coexistent. Presque tout ce qui est utile en réfrigération se produit sous cette cloche.

Les isothermes : trois zones, trois comportements

La température se comporte différemment dans chacune des trois zones. Comprendre pourquoi vous rapportera plus de points que mémoriser le dessin.

Sous la cloche, les isothermes sont horizontales. Pendant un changement d’état, pression et température sont liées — c’est la relation pression-température que vous utilisez chaque jour pour convertir une lecture au manomètre en température de saturation. La vidéo indique les températures sur les deux courbes de saturation, aux mêmes hauteurs :

« Sur la courbe de liquide saturé, nous allons indiquer -50, -40, 20, 30 et 90… puis, en restant à la même hauteur du côté droit, nous inscrirons -50, -40, 20, 30 et 90. »

Même pression, même température, que le titre en vapeur soit de 5 % ou de 95 %. Toute la chaleur apportée sert à faire bouillir le liquide, sans augmenter sa température.

Dans la zone de vapeur surchauffée, les lignes de température constante quittent la courbe de vapeur saturée en s’incurvant vers le bas et la droite. Une fois la dernière goutte vaporisée, tout apport supplémentaire de chaleur augmente la température — c’est la chaleur sensible, et c’est précisément ce que quantifie votre mesure de surchauffe.

Dans la zone de liquide sous-refroidi, les lignes de température constante sont pratiquement verticales. Comme le souligne la vidéo, la plupart des diagrammes publiés ne les représentent pas :

« Du côté gauche, ces courbes ne figurent pas sur le diagramme p-h, mais nous allons tracer des lignes verticales à partir de ces différentes valeurs de température… il est entendu que les lignes verticales partant de ces températures représentent les lignes de température constante dans cette zone. »

En pratique, cela signifie que l’enthalpie du liquide sous-refroidi dépend presque entièrement de sa température, et très peu de sa pression.

Les lignes d’entropie constante

Les lignes d’entropie constante partent de la courbe de vapeur saturée et s’inclinent vers la droite. Elles sont particulièrement importantes pour une transformation : la compression.

La compression idéale est isentropique, ce qui signifie qu’elle suit l’une de ces lignes. Sur le diagramme, le trajet de compression monte donc vers la droite le long d’une ligne d’entropie constante, depuis l’état à l’aspiration jusqu’à la pression de refoulement. Les compresseurs réels ne sont pas isentropiques : les frottements, les transferts thermiques et les pertes aux clapets déplacent le point de refoulement réel davantage vers la droite. C’est pourquoi les températures de refoulement réelles dépassent la valeur théorique. L’écart entre les deux traduit le rendement isentropique de la machine et explique pourquoi un compresseur usé, dont les clapets fuient, refoule à une température plus élevée qu’un compresseur en bon état dans les mêmes conditions.

Les courbes de titre : lire la zone diphasique

Sous la cloche, une série de courbes se déploie en éventail depuis le point critique jusqu’à la base. Ce sont les courbes de titre en vapeur, parfois repérées à 10 %, 20 %, et ainsi de suite jusqu’à 90 %.

« Le titre en vapeur est aussi parfois appelé fraction sèche. Vous rencontrerez également ce nom dans certains exercices. »

Ces deux noms désignent la même chose : la fraction massique de vapeur.

• Titre de 0 % = la courbe de liquide saturé. Il n’y a aucune vapeur.
• Titre de 100 % = la courbe de vapeur saturée. Le fluide est entièrement à l’état de vapeur, sans liquide restant.
• Toute valeur intermédiaire = un mélange humide. À un titre de 25 %, un quart de la masse est à l’état de vapeur et les trois quarts sont encore liquides.

C’est là que le diagramme prend tout son intérêt pour le diagnostic. Lorsque le fluide frigorigène liquide quitte le condenseur et traverse le détendeur, la chute de pression en vaporise instantanément une partie. Cette vapeur de détente ne produit aucun refroidissement utile : elle a déjà absorbé sa chaleur latente. Le point correspondant à l’état du fluide après détente vous indique exactement la quantité de vapeur de détente présente. Si vous sous-refroidissez davantage le liquide, ce point se déplace vers la gauche, à un titre plus faible. Il reste donc plus de liquide à vaporiser dans l’évaporateur, ce qui augmente la puissance frigorifique pour un même débit massique. Toute la justification d’un bon sous-refroidissement tient dans ce simple tracé.

De même, la transformation dans l’évaporateur suit une ligne horizontale de gauche à droite sous la cloche. Elle part, par exemple, d’un titre de 20 % à l’entrée, atteint 100 % sur la courbe de vapeur saturée, puis se prolonge dans la zone de vapeur surchauffée du nombre de kelvins de surchauffe maintenu par le détendeur.

La place du diagramme dans l’évaluation du certificat A1 de l’UE sur les gaz à effet de serre fluorés

Le diagramme p-h fait partie du programme du certificat A1 de l’UE sur les gaz à effet de serre fluorés, défini par le règlement d’exécution (UE) 2024/2215. Dans l’édition UE de l’application, il concerne particulièrement les thèmes Thermodynamique, qui couvre le cycle frigorifique, Fluides alternatifs et Alternatives en pratique, qui traite du CO₂, de l’ammoniac et de l’efficacité énergétique. Le certificat A1 couvre les activités spécifiées impliquant des gaz à effet de serre fluorés et des hydrocarbures dans des équipements, quelle que soit leur charge.

Le programme exige des candidats qu’ils sachent utiliser et interpréter les diagrammes p-h. Les applications suivantes sont pertinentes pour préparer l’évaluation :

1. Chaleur latente et chaleur sensible — reconnaître qu’un déplacement horizontal sous la cloche correspond à de la chaleur latente, tandis qu’un déplacement dans les zones de vapeur surchauffée et de liquide sous-refroidi correspond à de la chaleur sensible.
2. Surchauffe et sous-refroidissement — savoir dans quelle zone chacun se mesure et pourquoi tous deux sont importants pour protéger le compresseur et assurer la puissance frigorifique du système.
3. L’effet d’une hausse de la pression de condensation — un condenseur obstrué augmente la haute pression, ce qui allonge le trajet de compression, élève la température de refoulement et réduit l’effet frigorifique utile.
4. Les propriétés des fluides frigorigènes — comprendre pourquoi les diagrammes du R-744, du R-290 et du R-134a présentent des formes et des échelles si différentes.

Il existe aussi une dimension réglementaire. Le règlement (UE) 2024/573 impose aux exploitants de prendre des précautions pour éviter les rejets involontaires de gaz à effet de serre fluorés et des mesures techniquement et économiquement réalisables pour réduire les fuites au minimum. Un système fonctionnant avec un sous-refroidissement insuffisant, une surchauffe élevée ou une surcharge est davantage sollicité, fonctionne à des températures plus élevées et soumet les raccords et les joints à des contraintes accrues — autant de facteurs qui augmentent le risque de fuite. L’art. 4 impose de réparer les fuites détectées dans les meilleurs délais. L’art. 5 fixe les exigences et les intervalles des contrôles d’étanchéité selon la charge en équivalent CO₂ pour les gaz de l’annexe I, ou selon la masse de la charge pour les gaz de l’annexe II, section 1. Comprendre le diagramme p-h vous aide à repérer un manque d’efficacité avant qu’il ne provoque une émission.

Le diagramme est également lié au choix du fluide frigorigène et à la réduction de la charge. L’annexe IV fixe des restrictions de mise sur le marché pour certains produits et équipements, tandis que l’annexe VII définit le calendrier de réduction progressive des quotas de HFC. Comprendre le cycle aide les techniciens à évaluer les performances des systèmes utilisant des fluides frigorigènes à plus faible PRP et des charges plus petites.

Faire du diagramme un réflexe

Vous n’avez pas besoin d’emporter un diagramme p-h dans votre boîte à outils. Vous devez surtout en avoir une représentation mentale, afin de pouvoir y situer vos relevés :

• Pression d’aspiration et température de la conduite d’aspiration → un point dans la zone de vapeur surchauffée, à droite de la courbe de vapeur saturée. L’écart horizontal par rapport à la courbe représente votre surchauffe.
• Pression et température de refoulement → un point en haut, très à droite, bien à l’intérieur de la zone de vapeur surchauffée.
• Pression et température de la conduite liquide → un point à gauche de la courbe de liquide saturé s’il y a du sous-refroidissement ; sur la courbe s’il n’y en a pas.

Trois relevés, trois points, et vous avez pratiquement esquissé le cycle de fonctionnement. Un technicien qui raisonne ainsi repère plus vite un détendeur présentant une restriction ou un évaporateur noyé qu’un technicien qui se contente de comparer des chiffres à un tableau.

Comment F-Gas Exam Prep vous accompagne

L’application F-Gas Pro – Préparation à l’examen A1 vous aide à préparer l’évaluation du certificat A1 de l’UE sur les gaz à effet de serre fluorés. Disponible sur iOS et Android, elle propose :

• Plus de 540 questions de type examen réparties sur 15 thèmes, dont Thermodynamique, qui couvre le cycle frigorifique.
• Des examens blancs chronométrés pour vous entraîner en temps limité.
• Des fiches de révision et un entraînement par thème pour revoir les notions essentielles.
• 12 calculateurs pour vous aider dans les calculs techniques.
• Des explications détaillées pour chaque réponse, afin de revoir le principe sous-jacent.

Travaillez les questions de thermodynamique en gardant le diagramme à l’esprit pour relier la théorie aux relevés de l’installation. L’application est un outil de révision indépendant et ne remplace ni une formation agréée ni un examen.