Cycles frigorifiques : Principes généraux, COP, EER, diagramme P-h, irréversibilités

 

I. Introduction

En froid industriel, commercial ou de conditionnement d’air, le cycle frigorifique constitue le socle thermodynamique de la quasi-totalité des installations à compression mécanique de vapeur. Derrière la diversité apparente des machines, des fluides et des architectures, le principe général reste le même : il s’agit de prélever de la chaleur à partir d’un milieu maintenu à basse température, puis de la rejeter vers un milieu plus chaud grâce à un apport d’énergie mécanique, le plus souvent fourni par un Compresseur électrique.

 

II. Définition générale d’un cycle frigorifique

 

II.1. Qu’appelle-t-on un cycle frigorifique ?

Un cycle frigorifique est un enchaînement organisé de transformations thermodynamiques subies par un fluide de travail, appelé Fluide frigorigène, de manière à assurer un transfert de chaleur d’un milieu froid (où l’on extrait la chaleur) vers un milieu plus chaud (où l’on rejette la chaleur).

 

II.2. Les éléments constitutifs d’un système frigorifique

Pour qu’un cycle frigorifique existe concrètement, quatre éléments conceptuels doivent être distingués.

 

II.3. Les quatre organes principaux

Dans sa forme la plus classique, un cycle frigorifique à compression de vapeur comporte quatre organes principaux : l’évaporateur, le Compresseur, le Condenseur et l’organe de détente.

 

II.4. Logique d’enchaînement des transformations

L’intérêt du cycle frigorifique réside moins dans chacun des organes pris de façon isolée que dans leur articulation.

L’évaporateur permet au Fluide frigorigène d’absorber de la chaleur à basse température. Le Compresseur élève ensuite le niveau de pression et de température de la vapeur, ce qui rend possible le rejet de chaleur au Condenseur. Une fois liquéfié, le Fluide frigorigène subit une détente qui le ramène à basse pression, préparant ainsi une nouvelle phase d’évaporation. Le cycle se referme alors et recommence.

Cette logique séquentielle montre que les grandeurs caractéristiques du cycle sont étroitement couplées, notamment :