Performances et variables de pilotage dans un cycle mono-étagé : illustration par l’usage de RefriHVAC

 

Dans un cycle mono-étagé, la performance dépend directement des conditions thermodynamiques imposées au cycle : niveau d’évaporation, niveau de condensation, taux de compression, pertes de charge, alimentation en fluide, choix du Fluide frigorigène et comportement du Compresseur.

Cette analyse prolonge la section introductive, dans lequel les niveaux d’évaporation et de condensation ont déjà été identifiés comme des grandeurs structurantes du cycle frigorifique. Dans le cas spécifique du mono-étagé, leur influence est particulièrement directe, car l’ensemble de l’écart entre la basse pression et la haute pression est traité par un seul étage de compression.

L’objectif de ce chapitre est donc de quantifier, à l’aide de RefriHVAC, l’effet des principales variables de pilotage sur la performance du cycle. Les simulations ne visent pas à reproduire exactement le comportement d’un Compresseur constructeur donné, mais à isoler les effets thermodynamiques des différents paramètres : température d’évaporation, température de condensation, pertes de charge, choix du fluide, rendement de compression et échangeur interne.

Les résultats seront principalement analysés à travers quelques indicateurs simples : pression d’évaporation, pression de condensation, taux de compression, puissance absorbée par le Compresseur, température de refoulement et EER.

 

I. Influence du niveau d’évaporation

Le niveau d’évaporation constitue l’une des variables les plus sensibles du cycle mono-étagé. La température d’évaporation fixe directement le niveau de basse pression à partir duquel le Compresseur aspire le fluide et commence la compression. Plus cette température est basse, plus la pression d’aspiration (BP) diminue.

 

I.1. Étude RefriHVAC

On illustre cette influence à l’aide du logiciel RefriHVAC, avec l’outil « Cycle mono-étagé » de la catégorie « Cycle Frigorifique ».

La situation de base est la suivante :

 

I.2. Résultats des simulations

 

I.3. Lecture du diagramme P-h

La comparaison des diagrammes \( P-h \) des simulations n°1 et n°5 met en évidence l’abaissement de la ligne basse pression lorsque la température d’évaporation diminue. La pression de condensation étant maintenue constante, la compression s’effectue alors sur un écart de pression plus important.

 

I.4. Analyse des résultats

Les résultats montrent que la pression d’évaporation diminue fortement lorsque le niveau d’évaporation est abaissé : elle passe de 2,435 bar abs à 1,065 bar abs, soit une baisse d’environ 56 %.

 

I.5. Courbes de synthèse

Deux graphiques permettent de résumer l’évolution.

 

II. Influence du niveau de condensation

Le niveau de condensation constitue l’autre grande variable de pilotage du cycle mono-étagé. Il fixe le niveau de haute pression auquel le fluide doit être porté avant de pouvoir rejeter sa chaleur vers la source chaude. Comme pour l’évaporation, cette grandeur agit directement sur le travail demandé au Compresseur et sur la performance globale du cycle.

 

III. Effets d’un évaporateur ou Condenseur sous-dimensionné ou dégradé : dérives BP/HP et sécurités

Dans une installation réelle, les niveaux d’évaporation et de condensation ne sont pas des grandeurs indépendantes des échangeurs. Ils dépendent directement de la capacité effective de l’évaporateur et du Condenseur à transférer les puissances thermiques demandées.

 

IV. Le taux de compression comme variable de synthèse du mono-étagé

 

V. Effet des pertes de charge dans les échangeurs et lignes frigorifiques

Dans les analyses précédentes, les pertes de charge ont été négligées afin d’isoler l’effet des niveaux d’évaporation et de condensation. Cette hypothèse est utile pour comprendre les tendances principales du cycle, mais elle reste idéalisée. Dans une installation réelle, le Fluide frigorigène circule dans des échangeurs, tuyauteries, coudes, vannes, filtres, collecteurs et organes de régulation qui introduisent tous des pertes de charge.

 

V.1. Étude RefriHVAC

L’objectif de cette étude est d’illustrer l’effet des pertes de charge sur un cycle mono-étagé en comparant un cycle idéal sans perte de charge avec un cas dégradé prenant en compte les diverses pertes de charge d’une installation réelle.

 

V.2. Résultats comparatifs

 

V.3. Analyse des résultats

La comparaison montre que les pertes de charge modifient directement les pressions réellement vues par le Compresseur. Dans le cas de référence, le Compresseur aspire à 2,435 bar et refoule à 10,17 bar. Avec pertes de charge, la pression d’aspiration tombe à 2,221 bar, tandis que la pression de refoulement augmente à 10,64 bar.

 

V.4. Lecture du diagramme P-h

Le diagramme \( P-h \) du cas avec pertes de charge est plus représentatif d’une installation réelle que celui du cas idéal. Les transformations ne s’effectuent plus strictement à pression constante dans les échangeurs et les lignes. Les segments associés à l’évaporateur, au Condenseur, à la ligne d’aspiration et à la ligne de refoulement deviennent inclinés, ce qui traduit les pertes de pression subies par le fluide.

 

V.5. Conclusion sur l’effet des pertes de charge dans les échangeurs et lignes frigorifiques

 

VI. Effet des choix de fluide et rappel du rôle du Compresseur

À conditions d’évaporation et de condensation identiques, tous les cycles mono-étagés ne se comportent pas de la même manière. Le choix du Fluide frigorigène modifie les niveaux de pression, les débits massiques requis, les volumes spécifiques à l’aspiration, les températures de refoulement et les performances énergétiques.

Le choix du Compresseur intervient également, notamment à travers son rendement réel, son rendement volumétrique, son enveloppe de fonctionnement, sa compatibilité avec le fluide et sa capacité à supporter le taux de compression et la température de refoulement imposés. Dans RefriHVAC, le Compresseur n’est pas sélectionné comme un modèle constructeur ; son effet est ici approché au travers du rendement Isentropique et des grandeurs de fonctionnement calculées.

Dans cette section, l’influence du fluide est illustrée en comparant trois fluides pour une même application frigorifique : R134a, R513A et R290.

 

VI.1. Etude RefriHVAC

Les simulations sont réalisées avec l’outil « Cycle frigorifique mono-étagé » de RefriHVAC. Les paramètres de calcul sont maintenus identiques afin d’isoler l’effet du choix du Fluide frigorigène.

La situation de base est la suivante :

 

VI.2. Résultats obtenus

 

VI.3. Analyse des niveaux de pression

À température d’évaporation et de condensation identiques, les pressions de saturation ne sont pas les mêmes selon le fluide.

 

VI.4. Analyse des performances énergétiques

Les puissances Compresseur restent relativement proches :

 

VI.5. Analyse des débits massiques et volumiques

Le débit massique requis varie fortement d’un fluide à l’autre.

 

VI.6. Analyse de la température de refoulement

 

VI.7. Lecture des diagrammes P-h

Les diagrammes P-h montrent que les trois cycles conservent la même architecture générale, mais qu’ils ne se positionnent pas de la même manière dans le diagramme. Le changement de fluide modifie :

 

VI.8. Rôle du Compresseur

Les simulations précédentes utilisent le même rendement Isentropique de 70 % pour les trois fluides. Cette hypothèse permet de comparer les fluides dans un cadre homogène, mais elle ne remplace pas une sélection réelle de Compresseur.

 

VI.9. Conclusion

Cette comparaison RefriHVAC montre qu’à conditions d’évaporation et de condensation identiques, le choix du fluide modifie sensiblement le comportement du cycle mono-étagé.