Manuel pratique du climaticien

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1 Manuel pratique du climaticien

2 Sommaire Pages Avant propos Du froid à la climatisation Introduction au métier de climaticien Les unités en climatisation Statique des gaz Vaporisation Ebullition Condensation Chaleur Température Changement d état Le diagramme de Mollier H log.p Principe de la réfrigération

3 Avant propos Toutes les difficultés principales dûes aux circuits frigorifiques proprement dits, sont désormais résolues par les constructeurs qui ont étudié, pour simplifier la tâche des installateurs, les unités monobloc de refroidissement autonomes d air ou d eau, prêtes à fonctionner, réglées en usine, et qui n exigent, avant la mise en route, que de simples raccordements d eau, d air ou d électricité. Mais là, néanmoins, ce travail doit être fait consciencieusement, en suivant strictement les règles de montage et les indications de fonctionnement propres au matériel placé. En conditionnement d air, il n y a pas de médiocrité ; si l installation est réalisée correctement, elle fonctionne ; dans le cas contraire, elle est une source perpétuelle d ennuis. La qualité d une installation est bien sûr, fonction de la qualité du matériel et de la sélection judicieuse de ses composants, cependant, elle repose finalement sur l installateur. Selon le soin qu il apportera au montage, la qualité de la présentation, la précision des réglages, la possession des problèmes inhérent à la profession, les réalisations seront heureuses ou non. La qualité d un service après-vente fait également la qualité de l installation ; la rapidité des interventions a certainement un aspect positif dans les relations avec l utilisateur, mais l observation raisonnée du phénomène et son interprétation pour la remise en ordre réelle de l installation en dérangement, demande une compétence sans défaut. Il est donc nécessaire que l installateur ou le metteur au point possède la science nécessaire à ces interventions. Ce guide, plus qu un cours, a été réalisé en pensant à tous ceux qui veulent se spécialiser dans le conditionnement d air, et que les ouvrages de haute technicité effraient, car souvent sans utilité pratique immédiate : son véritable but c est d informer. Ce guide ne peut prétendre tout enseigner sur tous les problèmes. Il souhaite bien sûr apporter une petite expérience à ceux qui n en ont pas, ou qui isolés et sans documentation, ne peuvent bénéficier d une aide technique telle qu elle peut être dispensée dans les grandes entreprises. Son but, c est de faire aimer un métier extrêmement complet et créateur, que l homme, par le jeu de ses connaissances et de son imagination, peut encore personnaliser ; c est de faire aimer une profession, qui par sa pleine réussite, requiert : jugement, conscience, savoir, toute erreur non décelée à temps étant impitoyablement sanctionnée ; c est aussi de donner l envie d en savoir davantage, et de rechercher dans les brochures spécialisées, les compléments indispensables à sa formation et à son évolution ; c est pour ceux qu un premier échec aurait découragé, les inciter à poursuivre leur expérience, car ce métier ne s apprend pas exclusivement en salle sur un tableau noir, mais bien davantage sur le chantier, par l observation, l analyse des problèmes rencontrés, des solutions réalisées, des résultats obtenus. Le conditionnement de confort courant n est pourtant pas si difficile, et n est pas l apanage des Bureaux d Etudes de haute technicité ; il suffit de ne pas manquer aux règles essentielles qui régissent les lois de transmission de chaleur et de circulation des fluides, tant pour les études, que pour la réalisation pratique. Les enseignements et indications contenus dans ce fascicule, ne prétendent pas traiter et résoudre toutes les applications de conditionnement ; il y aura lieu, également, de les interpréter en fonction même du type d installation, de son utilisateur, de son exploitation. Là bien sûr il faut avoir fait sa propre expérience dans ce domaine, mais en tenant compte des données, et sans grande habitude, l installateur ou le technicien est certain de ne pas s exposer à des erreurs regrettables. Toute profession, pour être pratiquée, exige qu on la connaisse bien, c est pourquoi il est conseillé de lire attentivement tout ce qui suit... sinon... feuilletez quand même ce document... à votre gré... vous vous souviendrez toujours de quelque chose qui pourra vous servir un jour... 3

4 Du froid à la climatisation... et l homme lutta d abord contre le froid. Néanmoins, pendant les saisons chaudes, il apprécie le bien-être que lui procure l eau fraîche d une source ou la profondeur d une grotte. (Jules César, paraît-il, distribuait l été à ses troupes, la glace recueillie l hiver sur les lacs gelés, et conservée dans d immenses caves naturelles). Procédé d ailleurs en usage en France au XVI ème siècle. Bientôt, un savant français, LAHIRE, fabrique le premier, du Froid artificiel en laboratoire : nous sommes en Plus tard, en 1862, CARRE, un français également, réalise la première machine industrielle. Dès lors, les premières applications du froid débutent timidement ; elles constituent exclusivement en la fabrication de glace. L importance des machines et la surveillance constante que nécessite leur fonctionnement n en permet l exploitation qu à l échelon industriel ; cependant, la glace est un moyen pratique pour transporter le froid, et l emprisonner dans des pièces ou des meubles à parois isolées que l on appelle glacières. L ambiance fraîche maintenue par la glace permet aux denrées entreposées de prolonger leur conservation. Mais voici Charles TELLIER ( ), surnommé le Père du Froid. Il est le premier à expérimenter, avec succès, des principes nouveaux d application du froid à la conservation des denrées périssables : de la viande qu il fait transporter par bateau équipé d une installation frigorifique, reste consommable après plusieurs mois de traversée. Il démontre, ainsi, les possibilités étonnantes d un procédé qui donne le départ à l essor extraordinaire de industrie frigorifique. Les progrès techniques, l amélioration des méthodes de travail et des procédés de fabrication favorisent l expansion de cette industrie dernière née. Dans les domaines les plus divers, le froid devient un précieux auxiliaire. Il sert les industries de l alimentation et de la chimie, l industrie vinicole, la médecine, la science, le spectacle, la mécanique et la métallurgie et le simple confort de l homme. Cette dernière application du Froid entre dans ce qu il est convenu d appeler : Le Conditionnement d Air. Conditionner l air c est pouvoir en modifier les caractéristiques d origine par : le chauffage, le refroidissement l humidification, la déshumidification (séchage). Il y a lieu d ajouter les traitements complémentaires suivants : le renouvellement le filtrage le lavage. et éventuellement : les traitements particuliers par lampes germicides, ou par ozone. Toutes les installations de conditionnement d air, ne sont pas complètes. En pratique, les termes conditionnement d air ou climatisation prennent un sens différent selon le traitement principal à effectuer. Il est admis depuis peu que : Le Conditionnement d Air C est le traitement de l air entrant dans un procédé s appliquant au fonctionnement de machines, ou au maintien des caractéristiques d un produit pour sa fabrication ou pour son entreposage, ou encore, la maintenance de paramètres dans des limites rigoureuses de précision et de stabilité et de sécurité (salle d opération par exemple). La Climatisation C est le traitement de l air appliqué au confort des humains. Bien que la notion de confort soit très personnelle, et varie avec chaque individu, ce dernier est placé dans des conditions confortables, dès lors que l ambiance dans laquelle il évolue, lui permet de concentrer ses facultés sur ses activités du moment. Ce bien être est l aboutissement de tout un processus finalement fort complexe et dont l étude des éléments est absolument nécessaire pour comprendre le métier de Climaticien. Un métier à part entière avec ses servitudes et ses satisfactions... une profession aux techniques passionnantes et dont la constante évolution liée à la recherche de l actualité favorise les conditions de son plein développement. 4

5 Introduction au métier de climaticien Produire du froid, c est avant tout soustraire des calories à un corps quel qu il soit, pour s opposer à son réchauffement naturel ou non. Le processus de cette soustraction de chaleur s effectue en cascade, par mélange ou échange, au contact d un fluide maintenu à température plus basse. En final, pour évacuer les calories soustraites, il est nécessaire de les porter à une température plus haute que celle du milieu ou elles doivent se dissiper. Dans un appareil producteur de froid, le fluide servant à véhiculer les calories emportées est appelé frigorigène. La circulation du fluide frigorigène et l élévation de son niveau de température d une surface d échange à l autre, sont assurées par un compresseur absorbant de l énergie mécanique. L équivalent thermique de cette énergie est apportée au fluide frigorigène et s ajoute à la chaleur soustraite du milieu à refroidir. La somme de ces deux quantités de chaleur représente la chaleur à rejeter.* Toutes ces opérations s effectuent grâce à des phénomènes physiques particulièrement utilisés en réfrigération, et dont il est indispensable de se remettre en mémoire les quelques notions élémentaires pour bien comprendre le fonctionnement d un circuit frigorifique. * La chaleur dégagée par le système peut être rejetée en pure perte ou récupérée ; dans ce cas, le système est désigné sous le vocable pompe à chaleur ou thermopompe. Ainsi, une installation de climatisation est un ensemble de circuits dans lesquels sont véhiculés différents fluides (eau air frigorigène), c est pourquoi il est également important de connaître les quelques lois indispensables qui régissent l écoulement de ces fluides. 5

6 Toutes ces transformations d énergie, ces échanges de chaleur, ces transports de fluides, doivent être commandés, régularisés, contrôlés, programmés ; là, interviennent les systèmes de régulation dont il est nécessaire de connaître les diverses fonctions, des bases d électrotechnique sont donc indispensables. En outre, il faut aussi savoir apprécier les grandeurs physiques données par les appareils de mesure et de contrôle, savoir se servir des diagrammes et schémas divers, où figurent les différentes unités qui mesurent ou repèrent ces diverses grandeurs, là encore, il est nécessaire de connaître les systèmes utilisés en Réfrigération Climatisation Chauffage Ventilation, et de se rappeler des relations numériques qui déterminent les équivalences de l énergie mécanique et de la chaleur. On voit donc, que sans être pour autant difficile, le métier de la climatisation est néanmoins complexe, et en même temps qu une solide formation pratique, exige, pour être exercé pleinement, des connaissances multiples en mécanique, électricité, régulation, chaudronnerie, froid ; cette dernière spécialité requièrant déjà un ensemble de connaissances sur les problèmes de thermodynamique, de mécanique des fluides, avec les notions de base en physique sur les phénomènes d ébullition, d évaporation, de liquéfaction, de chaleur, etc. sans la connaissance desquels l installateur ou le metteur au point ne pourra jamais interpréter et contrôler correctement les phénomènes, qu il est à même d observer. A représente les calories absorbées dans les locaux. Les calories K équivalentes à la puissance nécessaire pour faire circuler le fluide, s ajoutent à A avant d être évacuées ou réutilisées. En Conditionnement d Air, la régulation joue un rôle fort important en chauffage comme en réfrigération et en ventilation. Là aussi la médiocrité ne paie pas. 6

7 Les unités en climatisation 1 - Généralités Lorsque deux corps, à des températures différentes, sont en présence, leur température à tendance à s équilibrer, l un augmentant sa température, tandis que l autre abaisse la sienne ; il s en suit un échange de chaleur. Cet échange de chaleur peut être évalué au moyen d une unité appelée la Calorie. Pratiquement, la calorie cal est la quantité de chaleur à fournir à un gramme d eau pour élever sa température de 1 C. Cette unité étant relativement petite, il est utilisé de préférence la kilocalorie (kcal) : c est l équivalent de 1000 calories c est-à-dire la quantité de chaleur à fournir à 1 kilogramme d eau pour élever pratiquement sa température de 1 C. La frigorie fg est l inverse de la kcal. En France, le terme kcal est utilisé quand il faut fournir de la chaleur à un corps ; tandis que le terme fg est utilisé quand il y a lieu de lui enlever cette chaleur, c est-à-dire de produire du froid. Dans tous les autres pays, seul le terme kcal, ou son équivalent (BTU-TON - etc.) est retenu dans tous les cas. Dans une installation, la circulation du fluide frigorigène est assurée par un compresseur ou des pompes absorbant de l énergie mécanique. L équivalent thermique de cette énergie mécanique est apportée au fluide frigorigène et s ajoute à la chaleur soustraite du milieu à refroidir. L équivalence de l énergie mécanique et de la chaleur est donnée par les relations numériques figurant sur les tableaux ci-après ; cependant, il peut être rappelé pour être pratique, que la calorie industrielle (kcal) ou millithermie égale le travail d une force de 427 kg par heure ; qu une pompe de 1 kw échauffe de 1 C 860 litres d eau par heure. Ces dernières indications sont données en unités hors SI, mais ces unités sont encore d actualité (système MKpS). En effet, le système d unités légal en France depuis le 1 er Janvier 1962, est le système métrique décimal à six unités de base (mètre - kilogramme - seconde - ampères - degré Kelvin - Candela), désigné sous le terme Système International (S.I.). En ce qui concerne le Système Anglo-Saxon très utilisé en réfrigération, il est nécessaire d en connaître les principales unités et les formules de conversion qui permettent l appréciation des indications et valeurs données par ces unités. 2 - Quelques unités usuelles (hors S.I.) Grandeur Dénomination Symbole Valeur en S.I. Autres équivalents Travail Kilogrammètre kgm 9,8 J Puissance Kilogrammètre par seconde kgm / s 9,8 W Cheval-vapeur Watt ch 75 kgm / s 735 W 632 kcal Watt W 0,860 kcal Pression Kilogramme force par centimètre carré kgf / cm 2 9,8 x 10 4 Pa Atmosphère at 10 5 Pa 1 bar Température Degré centésimal C 1 Celsius Quantité de chaleur Calorie cal 4,1855 J Thermie th 4,1855 x 10 6 J Kilocalorie kcal 4,1850 x 10 3 J 427 kgm Frigorie fg 4,1850 x 10 3 J 7

8 3 - Quelques unités du système légal S.I. Grandeur Symbole Dénomination Valeur en S.I. Symbole Multiple et sous-multiple Force F Newton N Travail - Energie Puissance Pression Température W P P T t Joule J kj 10 3 J Watt W kw 10 3 W Pascal Pa bar 10 5 Pa Kelvin K Celsius C Quantité de chaleur Q Joule J 4 - Système Anglo-Américain Quelques définitions Température : degré Fahrenheit ( F) 0,556 C L eau se transforme en glace à 32 F et bout à 212 F. 1 C ,8 C 1 F ,556 C Pression : Livre par pouce carré (lbs ou psi) 0,070 kg / cm 2. 1 psi 0,453 kg 6,45 cm 2 0,070 kg / cm 2 On distingue : psig (pression au manomètre ou pression relative). psia (pression absolue). Unités thermiques : BTU (British Thermal Unit) 0,25 kcal C est la chaleur nécessaire pour élever de 1 F la température de 1 lb d eau (livre-pound) : 1 BTU 0,453 x 5 9 0,25 kcal Tonne frigorifique : (Ton of réfrigération : Ton R) 3024 fg / h C est la chaleur qui correspond à la fusion d un ton de glace USA (short Ton) (907 kg) en 24 heures, soit : 80 x fg / h Elle est souvent employée pour désigner la puissance nominale des appareils de production de froid, ou celle des dispositifs de régulation (détendeurs par exemple). Volumes : Pied cube (cubic foot) 28,31 dm 3 Gallon (liquide) Angleterre U.S.A. 4,54 litres (Impérial Gallon) 3,78 litres (U.S. Gallon) Poids : Once (ounce) 28 grammes Livre (pound) 0,453 kg Tonne (short ton) 907 kg 8

9 Equivalence en unités métriques Longueur Superficie Volume Capacité Débit Poids Pression Chaleur pouce pied (inch) (foot) (yard) 12 pouces 03 pieds pouce carré (square-inch) pied carré (square-foot) (square-yard) pouce cube (cubic-inch) (cubic-foot) pied cube (cubic-yard) gallon (surtout pour les liquides) impérial gallon (Angleterre) US gallon (U.S.A.) cubic-foot / minute gallon / minute (U.S.A.) once (grain) (ounce) livre (pound) tonne (short ton) (U.S.A.) (long ton) (Anglais) pound b / sq.in inch of Hg inch of water british thermal unité ton of refrigeration in ft yd sq-m sq-ft sq-yd 25,4 mm 0,304 m 0,912 m 6,45 cm 2 0,0929 m 2 0,8361 m 2 cb-in 12,386 cm 3 cb-ft 0,0283 m 3 cb-yd 0,7645 m 3 gallon cfm gqllon-m grain oz lb ton ton lb / sq / in inch / Hg inch / W BTU TR 4,54 litres 3,78 litres 1,68 m 3 / h 0,2275 m 3 / h 0,0648 g 28 g 0,453 kg 907 kg 1016 kg 0,0687 bar ou 0,0790 kg / cm 2 25,4 mm Hg 25,4 mm CE 0,252 kcal 3024 kcal 5 - Ecriture des nombres, des unités, des grandeurs et de leurs symboles Multiples et sous-multiples décimaux Que veut dire l expression 4, En vérité, ce nombre aurait du s écrire 0, ; ainsi 10-4 signifie que la virgule doit être déplacée de 4 unités vers la gauche. De la même façon : 3, , , ,0532 Au contraire : lorsque l exposant n est pas précédé du signe moins la virgule est déplacée d autant d unité, mais vers la droite. 4, , , ,16 Nota : Dans les deux cas, les unités manquantes sont remplacées par des zéros, ainsi : 10-6 veut dire 1 suivi de 6 zéros ( ) 10-6 veut dire virgule déplacée 6 fois devant le 1 (0, ) Facteur multiplicateur Préfixe Symbole (1) téra T giga G méga M kilo k 100 hecto h 10 déca da 1 unité 0,1 déci d 0,01 centi c 0,001 milli m 0, mic u 0, mano n 0, pico p (1) Symbole à mettre avant celui de l unité Exemple : kilowatt : kw - mégavolt : Mv - picofarad : pf 9

10 Quelques règles d écriture Les principales dispositions concernant les principes d écriture des unités de mesure et des symboles de grandeurs sont normalisées. Les tableaux précédents ont été rédigés conformément à la Norme AFNOR NFX , dont ci-dessous quelques règles générales. Ecrire Ne pas écrire , ni ,0185 Année 1974 Année /28 ou e 4/28 ème ou (13-6) / (5 + 4) ou (13-6) : (5 + 4) 13-6 / ni 13-6 : a b 3 ab 3 x a x b kg km kw Kg K Kilog Km Km km Kw KW 23,8 mm 23,8 mm. ni 23,8 mms ni 23,8 m / m cm c m ni c-m seconde ou s sec. km / h ou km h ou km.h -1 km.h ni kmh ni km-h 30 kilomètres ou 30 km trente km 25,4 C 25 C,4 ni 25,4 C ,25,7 10 h 15 mn 10 h. 15 ni 10 h,15 ni 10 h 1 / 4 Les unités écrites en toutes lettres, le sont toujours en minuscules même lorsqu elles sont issues d un nom propre ; elles prennent la marque du pluriel. Les symboles sont également en minuscules sauf s il s agit d une unité issue d un nom propre. Les abréviations ne prennent jamais la marque du pluriel. Exemple : 10 kilowatts 10 kw W 15 ampères 15 A 220 volts 220 v 1,4 bar 20 ohm Nota : bar - erg - ohm sont invariables 10

11 Statique des gaz 1 - Généralités Les gaz sont des fluides expansibles qui occupent tout l espace mis à leur disposition. Contrairement aux liquides, ils sont facilement compressibles. Les molécules qui les constituent sont très distantes les unes des autres, et n ont pour ainsi dire aucun lien entre elles. Ces molécules sont constamment animées de mouvements incessants et désordonnés ; c est leurs chocs contre les parois d un récipient qui déterminent la pression (fig. 1). Pour une masse donnée d un corps à l état gazeux, les trois grandeurs : volume - température - pression - sont étroitement liées. Quand l une d elle est constante, les relations entre les deux autres obéissent à des lois définies ci-après: Température constante Relation entre le volume et la pression : loi de Mariotte. Pression contante Relation entre volume et température : loi de Gay Lussac. Volume constant Relation entre pression et température : loi de Charles. Fig Loi de Mariotte (voir expérience I page ) 1 er énoncé : A température constante, le produit des nombres qui mesurent la pression et le volume d une même masse gazeuse, est un nombre constant : P x V P1 V1 Produits P2 V2 P3 V3 P4 V4 PV P V Cte V 11

12 2 e énoncé : A température constante, la pression d une masse de gaz est inversement proportionnelle au volume qu elle occupe : P P3 PV P V V P1 0 V3 V3 V Nota : Cette loi s applique aux gaz parfaits, elle est moins rigoureuse en ce qui concerne les autres gaz. Cependant, elle est d autant plus exacte que les valeurs s éloignent de la courbe de saturation. Exemple : Pour R 22 à 70 C P (14,2) x V (0,02) 0,284 P (18,8) x V (0,0144) 0,271 soit un écart de 0,013 3 e énoncé : Pour R 22 à 140 C P (14,2) x V (0,027) 0,383 P (18,8) x V (0,019) 0,376 soit un écart de 0,007 A température constante, la masse volumique (1) d un gaz est proportionnelle à sa pression : M 3 M P M P 2 (1) masse volumique (anciennement poids spécifique). L unité SI de masse volumique est le kilogramme par mètre cube (kg/m 3 ), masse volumique d un corps dont la masse est de 1 kilogramme et le volume de 1 mètre cube P 3 - Loi de Gay Lussac (voir expérience II page 14) Enoncé : A pression constante, le volume occupé par une masse de gaz invariable est proportionnel à sa température absolue. V Volume de la masse gazeuse à sa température d origine. V Volume de la masse gazeuse à sa nouvelle température. T Température absolue de la masse gazeuse à son volume d origine. T Température absolue de la masse gazeuse à son nouveau volume. Applications : Les éléments thermostatiques de certains appareils de régulation. V T V T 4 - Loi de Charles (voir expérience II page 14) Enoncé : A volume constant, la pression d une masse de gaz invariable est proportionnelle à sa température absolue. P Pression absolue de la masse gazeuse à sa température d origine. P Pression absolue de la masse gazeuse à sa nouvelle température. T Température absolue de la masse gazeuse à la pression d origine. T Température absolue de la masse gazeuse à sa nouvelle pression. Applications : Les soupapes de sécurité des réservoirs. P T P T 12

13 5 - Constante physique des gaz Loi de Boyle-Mariotte La combinaison des lois de Mariotte et de Gay Lussac donne une constante désignée par la lettre R. Cette lettre représente un coefficient qui dépend : de la nature du gaz de sa masse volumique des unités servant à exprimer sa pression et son volume. ÉÉ ÉÉ É ÉÇ Ç Cette lettre R est appelée Constante des gaz parfaits. En effet, lorsqu une masse de gaz invariable occupe à une température donnée T un volume V bien déterminé, à une pression P elle-même bien déterminée, le produit PV pour ce gaz conserve toujours la même valeur quels que soient les états successifs pris par cette même masse de gaz. PV RT 6 - Loi de Dalton (Physicien Anglais) Dans un espace donné, la pression totale d un mélange de plusieurs gaz est égale à la somme des pressions que chacun d eux pourrait exercer s il était seul dans ce même espace. Application : Détection de la présence de gaz non condensables dans les circuits frigorifiques par comparaison à température stabilisée de la pression dite de saturation, correspondant à cette température pour le fluide frigorigène considéré, et de celle lue réellement au manomètre. P1 P2 P P1 + P2 P1 et P2 représentent les pressions partielles 13

14 Expérience 1 Loi de Mariotte (température constante) P 1 bar P 2 bar P 3 bar V 12 dm 3 V 6 dm 3 V 4 dm 3 La même masse gazeuse est comprimée par le piston La même masse gazeuse est comprimée par le piston P < P < P V > V > V 1 < 2 < 3 12 > 6 > 4 1 er énoncé P x V P x V P x V constante 1 x 12 2 x 6 3 x 4a 12 2 e énoncé P V P V P V P V P V P V Expérience 2 P 3 bar P 3,75 bar P 3 bar V 4 dm 3 V 4 dm 3 V 5 dm t 5 C T 268 K t 5 C T 268 K t 5 C T 268 K Loi de Charles 1 et 2 Le volume V étant maintenu, la pression P augmente proportionnellement à la température absolue T P P T T 3 3, P 3 x ,75 bar Loi de Guy-Lussac 3 A + 62 C (335 K) il faut relever le piston jusqu à ce que le volume de gaz soit de 5 dm 3 pour que la pression P retrouve sa valeur d origine soit 3 bar. V V T T V 4 x dm 3 14

15 Vaporisation Ebullition Condensation Vaporisation 1 - Généralités - Vaporisation dans le vide Est appelé vapeur le corps gazeux qui a pris naissance d un liquide. Rien ne le distingue de l air si ce n est quelquefois son odeur. Une vapeur peut être Humide ou Sèche. Humide (ou saturée) : c est-à-dire qu elle se trouve en présence de son liquide ; elle contient donc une partie de liquide et une partie de gaz dans des proportions différentes (ou encore à des titres différents) ; on dit aussi qu elle est saturante. Pour un liquide donné, à une température donnée, la pression d une vapeur saturante est constante ; cette pression différente pour chaque fluide varie donc également avec la température. La propriété des vapeurs saturées permet d établir pour chaque fluide un tableau de correspondance températures pressions ; ces correspondances sont d ailleurs souvent indiquées sur les manomètres. Sèche : c est-à-dire qu elle ne contient plus de liquide à vaporiser. La vapeur est dite saturée sèche à l instant exact ou la dernière particule de liquide disparaît le titre de vapeur est alors égale à 1. Cet état n est évidemment jamais réalisé pratiquement d une façon parfaite ; lorsque cette valeur est dépassée, la vapeur est dite surchauffée. Une vapeur sèche se conduit comme un gaz parfait, elle suit approximativement la loi de Mariotte. Nota : A une température donnée, la pression d une vapeur sèche est toujours inférieure à celle de la vapeur saturée à cette même température. 2 - Vaporisation en atmosphère limitée Dans une atmosphère à espace limité, un liquide peut se vaporiser tant que cette atmosphère gazeuse n est pas saturée de la vapeur de ce liquide. La pression de la vapeur saturée est indépendante de la pression du gaz où se fait la vaporisation ; cette pression est identique à celle qui aurait pu s effectuer dans un espace identique, mais vide (sans atmosphère). Le mélange gaz-vapeur se comporte comme un mélange de gaz et suit la loi de DALTON : P P1 + Pa P Pression totale P1 Pression du gaz vaporisé Pa Pression de l atmosphère Nota : Dans le vide, la vaporisation est instantanée, alors qu en atmosphère limitée, elle est progressive. 3 - Vaporisation en atmosphère illimitée La vaporisation d un liquide par sa surface libre en atmosphère illimitée (à l air libre par exemple) a pour nom l évaporation. La rapidité de l évaporation d un liquide à l air libre est fonction : de la surface de contact de ce liquide avec l air. de la vitesse de circulation de l air à la surface de ce liquide. de la nature du liquide. de la température des éléments. de la pression de cette atmosphère. L évaporation est nulle quand la pression de la vapeur contenue dans l air atmosphérique est égale à la pression maximale à la température considérée. 15

16 Vaporisation - condensation x 0 x 1 Limite de saturation liquide Limite de saturation vapeur 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 Liquide Vapeur saturée humide Vap. surchauffée + Quantité de chaleur Vaporisation Le liquide est chauffé jusqu à sa transformation en gaz (ou vapeur sèche). Condensation C est l effet inverse, la vapeur sèche est refroidie jusqu à sa transformation en liquide. Ebullition L ébullition c est une vaporisation rapide avec formation de bulles au sein du liquide. Lois de l ébullition 1) Pour un liquide déterminé, sous une même pression, l ébullition commence toujours à la même température. 2) Pendant toute la durée de l ébullition, la température reste constante si la pression est elle-même constante. 3) La température d ébullition est la température pour laquelle la pression maximale de vapeur saturante est égale à la pression qui s exerce à la surface du liquide. Nota : La pression maximale d une vapeur saturante augmentant avec la température, la température d ébullition s élève avec la pression et inversement. Il y a deux manières de provoquer l ébullition d un certain volume de liquide : par réchauffement par dépression En réfrigération, c est la combinaison simultanée des deux procédés qui est utilisée. 16

17 Condensation C est le passage d un fluide de l état gazeux à l état liquide, le processus est inversé à celui de l évaporation. La chaleur latente de condensation est de même valeur que la chaleur latente de vaporisation. Il y a deux manières de provoquer la condensation d un certain volume de liquide : Vapeur Piston Liquide par refroidissement par compression En réfrigération, c est la combinaison des deux procédés qui est utilisée. Principe de la paroi de Watt La condensation d une vapeur peut se faire par refroidissement. Lorsque deux récipients en communication sont soumis à des températures différentes le liquide qu ils peuvent contenir partiellement se retrouve toujours dans le récipient le plus froid, et la pression ou tension de vapeur dans les récipients correspond à la partie la plus froide. Application Migration du frigorigène dans une installation frigorifique. Remplissage de réservoirs. P 8 bar Vanne fermée R 22 P 3 bar + 20 C 5 C Vanne ouverte 17

18 Chaleur - Température - Changement d état La chaleur Lorsque deux corps à température différente se trouvent en présence, ils échangent de le chaleur, le corps le plus chaud cédant toujours sa chaleur au corps le plus froid. La température caractérise la valeur qualitative de la chaleur. La quantité de chaleur se mesure en calories. Cette chaleur peut se transmettre de trois façons différentes : par conduction par rayonnement par convection On distingue cependant les catégories de chaleur suivantes : Chaleur sensible C est la quantité de chaleur qui provoque une variation de température d un corps sans modifier son état physique. Chaleur latente C est la quantité de chaleur à fournir à 1 kg-masse d un corps pour modifier son état physique sans modifier sa température. On distingue les chaleurs latentes : de fusion d évaporation de condensation. Chaleur spécifique ou chaleur massique C est la quantité de chaleur nécessaire à 1 kg-masse d un corps pour élever sa température de 1 degré C, sans modification de son état physique. Température C est la différence de température entre deux éléments en présence qui permet d affirmer qu un des éléments est plus chaud ou plus froid que l autre. Produire du froid sera donc de maintenir une différence de température entre deux éléments par enlèvement de la chaleur. La quantité de chaleur à enlever ou à fournir se mesure en calories ; l intensité de la chaleur c est-à-dire la température, se mesure en degré, à l aide de thermomètre. Les échelles de lecture sont adoptées par des conventions internationales en prenant 2 points de repère bien déterminés l un correspondant à la température de la glace fondante, l autre à celle de l eau bouillante (au niveau de la mer). Il existe plusieurs échelles, des tables de conversion permettent de passer facilement de l une à l autre. Les deux échelles les plus couramment utilisées en Réfrigération - Climatisation, sont : Glace fondante L échelle centésimale ou CELSIUS L échelle FAHRENHEIT C F 0 C + 32 F t C (t F 32) 0,56 t F (1,8 t C) + 32 Eau bouillante C F L échelle Kelvin (du nom d un physicien Anglais) est une échelle dans laquelle toutes les températures sont positives (température absolue). En effet, il est démontré en thermodynamique que la température de 271 C est la température la plus basse qui puisse exister. Cette température a été appelée Zéro-Absolu. Les températures thermodynamiques sont repérées par la lettre T et sont exprimées en degré Kelvin ( K). Le zéro de l échelle Celsius, correspond exactement à 273,15 K. T t C 273,15 Nota : la thermodynanique c est l étude des relations qui existent entre les phénomènes calorifiques et mécaniques. Température critique C est la température à partir de laquelle un fluide ne peut plus exister à l état liquide quelle que soit la pression à laquelle on puisse le soumettre. 18

19 Changement d état physique Par modification de leur température, les corps peuvent subir différents changements d état physique. On distingue ainsi : La fusion : Passage d un corps de l état solide à l état liquide. La vaporisation : Passage d un corps de l état liquide à l état gazeux. La condensation : Passage d un corps de l état gazeux à l état liquide. La sublimation : Passage d un corps de l état solide à l état gazeux, sans passer par l état liquide. S ajoutent les définitions suivantes : L évaporation : C est la formation de vapeur à la surface libre d un liquide. L ébullition : C est une vaporisation rapide d un liquide avec formation de bulles de vapeur au sein de ce liquide. Nota : la dissolution d un corps peut se faire : avec dégagement de chaleur : mélange exothermique Exemple : du gaz ammoniac en se dissolvant dans l eau. avec absorption de chaleur : mélange endothermique. Exemple : nitrate d ammoniac dans l eau. GAZ VAPEUR SOLIDE Condensation Liquéfaction Fusion Liquéfaction Solidification Congélation Evaporation Condensation Sublimation LIQUIDE 19

20 1 kg d eau à + 15 C 85 kcal 1 kg d eau à C Chaleur sensible (C - D) Il faut fournir 85 kcal à 1 kg d eau pour augmenter sa température de 15 C à 100 C. Paroi froide 1 kg glace 0 C 80 kcal 1 kg de vapeur à 100 C 0 C eau 539 kcal 1 kg d eau à 100 C Chaleur latente de fusion Chaleur latente de vaporisation Chaleur latente de condensation (A - B) (D - E) (D - E ) Diagramme Enthalpie température de l eau D Changement d état chaleur latente de vaporisation E C D Eau chaleur sensible D E chaleur latente de condensation A B Changement d état chaleur latente de fusion 20

21 Le diagramme de Mollier H log.p Généralités Les diagrammes permettent de suivre avec facilité les évolutions des fluides dans les circuits. Ces diagrammes sont la concrétisation graphique d équations mathématiques représentant la combinaison des diverses lois régissant les caractéristiques générales de chaque fluide. Les diagrammes sont différents selon qu ils portent sur leurs axes (axe vertical : ordonnée, axe horizontal : abscisse), les diverses valeurs de température, de pression, de volume, de quantité de chaleur etc. Ils sont le plus souvent désignés par les grandeurs portées sur leurs coordonnées, par exemple : diagramme p.v. (pression volume) diagramme p.t. (pression-température) diagramme i.p. (enthalpie-pression). Le diagramme i.p. est dit diagramme enthalpique. L enthalpie d un fluide, c est la quantité de chaleur contenue dans un kilo de ce fluide, sous forme de : chaleur sensible (changement de température). chaleur latente (changement d état). chaleur mécanique (changement de pression et de volume). Elle s exprime en kilojoules par kilogramme du fluide considéré (kj / kg), cette valeur se lit en abscisse sur les diagrammes, en ordonnée se lit la valeur des pressions. Diagramme de Mollier h.log.p Les particularités du diagramme de Molliers ont que les pressions sont exprimées en atmosphères absolues sur une échelle logarithmique ; ceci pour des commodités d utilisation et de précision de lecture. l usage de ce diagramme est très simple, et permet de suivre l évolution des propriétés physiques de un kilo de fluide en ses trois états successifs : liquide vapeur humide vapeur sèche. Ces trois zones sont parfaitement délimitées par deux courbes en trait fort ayant un sommet commun appelé point critique ; à ce point correspond une température critique et une pression critique. La température critique C est une température particulière à chaque fluide, au-dessus de laquelle celui-ci ne peut se liquéfier, quelle que soit la pression à laquelle on le soumet. Le volume critique C est le volume spécifique correspondant à la température critique. La pression critique C est une pression au-dessus de laquelle un fluide ne peut être liquéfié, quel que soit l abaissement de la température auquel il est soumis. Outre les divers paramètres cités précédemment et rarement représentés, les diagrammes d utilisation courante donnent, par leurs différents réseaux de courbes, les diverses grandeurs qui caractérisent l état d un fluide. 21

22 Diagramme de Mollier H.log.p x 0 x 1 x 0,1 à 0,9 t C p bar.abs v m 3 / kg s kj : kg / K h kj / kg Ligne de liquide saturé. délimite la zone de liquide pur, et celle du mélange (liquide + vapeur). Ligne de vapeur saturée délimite la zone de mélange liquide + vapeur, et celle de vapeur sèche. En zone vapeur sèche, il faut considérer : - Les vapeurs dites saturées sèches, c est-à-dire n ayant plus de liquide à vaporiser, leur titre x étant égal à 1. - Les vapeurs surchauffées, c est-à-dire que toute chaleur fournie provoque, à pression constante, une augmentation de température et de volume (gaz parfaits). Lignes de valeur constante du mélange dîtes Isotitres. Elles permettent de déterminer à l intérieur de la zone de mélange la qualité du fluide, c est-à-dire la proportion de vapeur et de liquide. Exemple : x 0,6 veut dire qu il y a 60 % de vapeur, donc 40 % de liquide. Lignes des températures constantes dîtes Isothermes. Elles sont pratiquement perpendiculaires à l axe des pressions en zone liquide, puis parallèles aux lignes des pressions en zone de mélange. :Lignes des pressions constantes dîtes Isobares. Ces lignes horizontales se confondent en zone de mélange avec les isothermes. :Lignes des volumes constants dîtes Isochores. Représentent les lignes d égal volume spécifique ; elles se réfractent légèrement en traversant les deux courbeslimites x 0 et x 1. Le volume spécifique d un fluide c est l espace occupé par un kilo de ce fluide. Lignes d entropie constante dîtes Adiabatiques. Egalement appelées isentropiques, sont les lignes d égales entropie (transformation du fluide sans donner ni recevoir de chaleur). Lignes d enthalpie dites Isenthalpes. Ces lignes sont des perpendiculaires à l axe des abscisses, et se confondent avec les isothermes en zone liquide. 22

23 23

24 Principe de la réfrigération Généralités Tous les phénomènes décrits précédemment régissent le fonctionnement d un circuit frigorifique. L étude des phénomènes physiques et chimiques et des propriétés de la matière où intervient la chaleur s appelle la Thermodynamique. On distingue à l heure actuelle : La Thermodynamique physique : Elle permet d étudier les phénomènes physiques concernant les fluides et les solides. C était d ailleurs l objet des chapitres précédents. La Thermodynamique chimique : Il s agit, en fait, de la thermochimie, branche de la chimie consacrée aux relations existantes entre les réactions de composés chimiques et les quantités de chaleur dégagées ou absorbées par ces composés. La thermodynamique technique : C est l étude des machines thermiques ou frigorifiques et de leurs cycles de fonctionnement, il s agit donc dans ce cas de l étude des relations existantes entre les phénomènes mécaniques et calorifiques. Au point de vue thermodynamique, la production du froid comporte 4 phases principales : A Abaissement de la température du réfrigérant (par détente). B Absorption de chaleur au réfrigérant (par évaporation). C Transport de cette chaleur de l évaporateur au condenseur (par compression). D Soustraction au condenseur de la chaleur absorbée à l évaporateur et de celle produite par le travail de compression (par condensation). D A C B 24

25 Cette suite d opérations, conduite de telle façon que l état final du fluide considéré soit identique à l état initial, représente le cycle frigorifique. Les vapeurs de frigorigène se liquéfient Côté HP (haute pression) Echange CONDENSEUR Production de chaleur DETENDEUR COMPRESSEUR Production de froid EVAPORATEUR Echange Côté BP (basse pression) Le liquide frigorigène se vaporise Ainsi, si l on considère le schéma de principe ci-dessus : Le compresseur est chargé de véhiculer le fluide frigorigène à travers le circuit ; il fait passer le frigorigène vaporisé de la basse pression à la haute pression ; cette opération se fait avec une production de chaleur. Le détendeur est chargé d alimenter l évaporateur en frigorigène liquide et permet le passage de ce frigorigène de la haute pression à la basse pression. Cette opération s effectue avec abaissement de la température du liquide frigorigène. L évaporateur est chargé de vaporiser le liquide frigorigène ; pour ce faire, la chaleur de vaporisation est empruntée à celle contenue dans le médium à refroidir (en conditionnement d air le médium est le plus souvent soit de l air, soit de l eau, qui circule sur la surface d échange). Le condenseur est chargé de liquéfier les vapeurs refoulées par le compresseur ; pour ce faire, la chaleur contenue dans le frigorigène est évacuée par un médium eau ou air circulant sur la surface d échange. Nota : la chaleur évacuée comprend : la chaleur absorbée par l évaporateur + la chaleur produite pour la compression du fluide. Le cycle s établit donc ainsi : évaporation compression condensation détente (ou expansion) et peut-être représenté sur le diagramme de Mollier donné ci-après. 25

26 Cycle théorique Au point 1 où le liquide est entièrement vaporisé, le compresseur aspire les vapeurs la pression (Pe) et les amène à une pression supérieure (Pc). cette compression se fait théoriquement sans échange de chaleur avec l extérieur, elle est dite adiabatique, et suit la courbe correspondante, du point 1 jusqu au point 2. La courbe 1 à 2 représente donc ce qui se passe dans le compresseur, l enthalpie augmente parce que la valeur de pv augmente avec la température. L isotherme (tr) passant par 2 nous indique cette température en fin de compression. A partir de 2, le fluide est refoulé au condenseur à la pression constante (Pc) ; il se refroidit de 2 à 3, puis de liquéfie de 3 à 4. La différence d enthalpie entre 2 et 4 représente la quantité de chaleur laissée au condenseur. Le fluide étant liquéfié va être détendu en passant de la pression (Pc) à la pression (Pe) de l évaporateur. Cette détente s effectue par laminage, et est dite isenthalpique, l enthalpie ne varie pas parce que le froid produit sert pratiquement à refroidir le fluide. Cette partie du cycle frigorifique est représentée par le segment 4 à 5. Enfin, l évaporation se continue à pression et température constantes 5 à 1, et le cycle recommence. 1 Etat du fluide à l aspiration : Pression Pe à x Compression adiabatique. 2 Fin de compression à température tr et pression Pc. 2 à 3 Refroidissement (désurchauffe). 3 à 4 Condensation à pression Pc et température tc constantes. 4 Arrivée au détendeur. 4-5 Détente (refroidissement du liquide). 5-1 Evaporation à pression Pe et température te constantes. Nous retrouvons là, les quatre phases principales de production de froid : 4-5 Abaissement de la température du réfrigérant. 5-1 Absorption de chaleur au réfrigérant. 1 à 2 Transport de cette chaleur au condenseur. 2 à 4 Soustraction de la chaleur absolue à l évaporateur et de celle produite par le travail de compression. 26

27 Le cycle pratique Sans s apparenter au cycle de Carnot, le cycle qui vient d être étudié correspondrait à un fonctionnement idéal d appareils pratiquement parfaits : pas de pertes de charge, pas d échanges thermiques inopportuns, un régime de fonctionnement sans fluctuation, pas de chaleur dûe au frottement des pièces mécaniques en mouvement, pas d appareils auxiliaires générateurs de calories sur les circuits, etc. En pratique, avant de quitter l évaporateur, les vapeurs se sèchent encore, en cédant quelques frigories avant d être aspirées au compresseur ; leurs tuyauteries de raccordement, hors de l ambiance à refroidir, sont également une cause d élévation de leur température. Ces deux causes d élévation de température sous pression constante se traduisent sur le diagramme de Mollier, par une surchauffe à l aspiration représentée par (1 1 ). Cette surchauffe engendre une augmentation de la température de refoulement (2 2 ). Côté condensation, le refroidissement du liquide au-delà de la limite x 0, permet de gagner quelques frigories (4 4 ): c est le sous-refroidissement. Cette opération permet d améliorer, d une part le rendement du détendeur en accroissant la qualité du liquide (pas de vapeur), d autre part la partie (5 5 ) représente le gain d effet frigorifique gagné à l évaporateur par ce procédé. Nota : Pour être réel, le diagramme devrait tenir compte également des pertes de charge des échangeurs, du refroidissement du compresseur par ses parois, etc. Aussi, pour plus de simplicité, le cycle réel d une installation est-il confondu avec le cycle pratique et correspond au diagramme de notre figure. 27

28 CULOZ AVENUE JEAN FALCONNIER B.P CULOZ - FRANCE TEL TELECOPIE TELEX PARIS 83, RUE DE VILLIERS NEUILLY-S/SEINE TEL TELEX SERVICE EXPORTATION CULOZ - FRANCE TEL TELEX F Compagnie Industrielle d Applications Thermiques 28 S.A. AU CAPITAL DE DE F. R.C.S. BELLEY B

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