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

 

I. Lecture détaillée d’un cycle sur le diagramme P-h

Après avoir présenté la structure générale du diagramme pression-Enthalpie, il est utile d’aller plus loin et d’apprendre à y lire concrètement les principales grandeurs du cycle frigorifique et les effets sur les performances.

Cette étape est décisive, car elle transforme le diagramme P-h en véritable outil de compréhension. Il ne s’agit plus seulement de reconnaître une compression, une condensation, une détente et une évaporation, mais de relier la forme du cycle aux performances énergétiques, aux états du fluide et aux écarts observés sur une installation réelle.

Dans la pratique, cette lecture détaillée repose sur une idée simple : les écarts d’enthalpie entre certains points du cycle représentent directement les échanges énergétiques massiques. Autrement dit, le diagramme P-h permet de visualiser, presque immédiatement, ce que le Fluide frigorigène absorbe dans l’évaporateur, ce qu’il reçoit du Compresseur et ce qu’il rejette au Condenseur. Cette lecture devient particulièrement précieuse dès lors que l’on souhaite analyser l’effet de la surchauffe, du sous-refroidissement, d’une dérive de condensation ou d’un fonctionnement dégradé.

 

I.1. Lecture de l’effet frigorifique massique

L’un des premiers intérêts du diagramme P-h est de permettre la lecture de l’effet frigorifique massique, c’est-à-dire la quantité d’énergie absorbée par un kilogramme de fluide dans l’évaporateur. Dans le cycle simple, cette grandeur correspond à la différence d’enthalpie entre l’entrée et la sortie de l’évaporateur, soit :

 

I.2. Lecture du travail massique de compression

Le diagramme P-h permet également de lire le travail massique de compression, c’est-à-dire l’énergie fournie au fluide par kilogramme lors de son passage dans le Compresseur. Cette grandeur s’écrit :

 

I.3. Lecture de la chaleur rejetée au Condenseur

La chaleur rejetée au Condenseur se lit, du point de vue massique, à partir de l’écart :

 

I.4. Lecture de la détente Isenthalpique

Dans le cycle frigorifique simple, la détente est généralement représentée comme une transformation Isenthalpique, ce qui signifie, en première approximation :

 

I.5. Lecture de la surchauffe

La surchauffe (SH pour SuperHeating) correspond à la situation dans laquelle la vapeur frigorigène est portée à une température supérieure à sa température de saturation pour la pression considérée.

 

I.6. Lecture du sous-refroidissement

Le sous-refroidissement (SC pour SubCooling) correspond à la situation dans laquelle le liquide frigorigène est à une température inférieure à la température de saturation correspondant à sa pression. Cette partie du cycle traduit une baisse supplémentaire d’enthalpie du fluide après sa liquéfaction complète.

 

I.7. Limites de lecture

Malgré sa grande utilité, le diagramme P-h n’est pas un outil à interpréter de manière mécanique. Sa lecture comporte plusieurs limites qu’il est important d’expliciter, surtout dans un article pédagogique.

 

II. Du cycle idéal au cycle réel

 

II.1. Pourquoi a-t-on besoin d’un cycle idéal ?

 

II.2. Pourquoi une machine réelle s’en écarte-t-elle toujours ?

 

III. Principales causes d’écart entre cycle réel et cycle idéal

Après avoir distingué le cycle idéal du cycle réel, il est possible de résumer les principales causes d’écart entre ces deux représentations. Dans une installation frigorifique réelle, les performances ne sont jamais dégradées par un seul phénomène isolé, mais par la combinaison de plusieurs mécanismes qui modifient à la fois la forme du cycle sur le diagramme P-h, les niveaux de pression, les échanges thermiques et la puissance absorbée. Les quatre causes les plus structurantes sont la compression non idéale, la détente par laminage, les pertes de charge et les échanges thermiques parasites.

 

III.1. Compression non idéale

 

III.2. Pertes de charge

 

III.3. Échanges thermiques parasites

Le cycle idéal suppose que les transferts de chaleur utiles se produisent uniquement dans les organes prévus à cet effet, essentiellement l’évaporateur et le Condenseur. Sur une installation réelle, cette hypothèse n’est jamais parfaitement vérifiée. Le fluide peut gagner ou perdre de la chaleur dans certaines lignes, selon la qualité de l’isolation, l’environnement thermique local et la configuration du circuit.