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07 - 1991
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Manuel pratiquedu climaticien
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Sommaire
Pages
– Avant propos 3. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
– Du froid à la climatisation 4. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
– Introduction au métier de climaticien 5. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
– Les unités en climatisation 7. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
– Statique des gaz 11. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
– Vaporisation – Ebullition – Condensation 15. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
– Chaleur – Température – Changement d’état 18. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
– Le diagramme de Mollier H log.P 21. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
– Principe de la réfrigération 24. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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Avant propos
Toutes les difficultés principales dûes aux circuits frigorifiques proprement dits, sont désormais résolues par les cons-tructeurs qui ont étudié, pour simplifier la tâche des installateurs, les unités monobloc de refroidissement autonomesd’air ou d’eau, prêtes à fonctionner, réglées en usine, et qui n’exigent, avant la mise en route, que de simples raccorde-ments d’eau, d’air ou d’électricité.
Mais là, néanmoins, ce travail doit être fait consciencieusement, en suivant strictement les règles de montage et lesindications 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 ; dansle 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 compo-sants, cependant, elle repose finalement sur l’installateur. Selon le soin qu’il apportera au montage, la qualité de la pré-sentation, la précision des réglages, la possession des problèmes inhérent à la profession, les réalisations seront heu-reuses ou non.
La qualité d’un service après-vente fait également la qualité de l’installation ; la rapidité des interventions a certainementun aspect positif dans les relations avec l’utilisateur, mais l’observation raisonnée du phénomène et son interprétationpour la remise en ordre réelle de l’installation en dérangement, demande une compétence sans défaut. Il est donc né-cessaire 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 conditionnementd’air, et que les ouvrages de haute technicité effraient, car souvent sans utilité pratique immédiate : son véritable butc’est d’informer.
Ce guide ne peut prétendre tout enseigner sur tous les problèmes. Il souhaite bien sûr apporter une petite expérienceà ceux qui n’en ont pas, ou qui isolés et sans documentation, ne peuvent bénéficier d’une aide technique telle qu’ellepeut être dispensée dans les grandes entreprises. Son but, c’est de faire aimer un métier extrêmement complet et créa-teur, que l’homme, par le jeu de ses connaissances et de son imagination, peut encore personnaliser ; c’est de faireaimer une profession, qui par sa pleine réussite, requiert : jugement, conscience, savoir, toute erreur non décelée àtemps étant impitoyablement sanctionnée ; c’est aussi de donner l’envie d’en savoir davantage, et de rechercher dansles brochures spécialisées, les compléments indispensables à sa formation et à son évolution ; c’est pour ceux qu’unpremier échec aurait découragé, les inciter à poursuivre leur expérience, car ce métier ne s’apprend pas exclusivementen 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 dehaute technicité ; il suffit de ne pas manquer aux règles essentielles qui régissent les lois de transmission de chaleuret 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 applica-tions de conditionnement ; il y aura lieu, également, de les interpréter en fonction même du type d’installation, de sonutilisateur, de son exploitation. Là bien sûr il faut avoir fait sa propre expérience dans ce domaine, mais en tenant comp-te des données, et sans grande habitude, l’installateur ou le technicien est certain de ne pas s’exposer à des erreursregrettables.
Toute profession, pour être pratiquée, exige qu’on la connaisse bien, c’est pourquoi il est conseillé de lire attentivementtout ce qui suit... sinon... feuilletez quand même ce document... à votre gré... vous vous souviendrez toujours de quel-que chose qui pourra vous servir un jour...
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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 pro-fondeur 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 XVIème siècle.
Bientôt, un savant français, LAHIRE, fabrique le premier, du Froid artificiel en laboratoire : nous sommes en 1685.
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 deglace. L’importance des machines et la surveillance constante que nécessite leur fonctionnement n’en permet l’exploi-tation qu’à l’échelon industriel ; cependant, la glace est un moyen pratique pour transporter le froid, et l’emprisonnerdans des pièces ou des meubles à parois isolées que l’on appelle “glacières”. L’ambiance fraîche maintenue par laglace permet aux denrées entreposées de prolonger leur conservation.
Mais voici Charles TELLIER (1828 - 1913), 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 transpor-ter 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 ’industriefrigorifique. Les progrès techniques, l’amélioration des méthodes de travail et des procédés de fabrication favorisentl’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 dela chimie, l’industrie vinicole, la médecine, la science, le spectacle, la mécanique et la métallurgie et le simple confortde 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’airou climatisation prennent un sens différent selon le traitement principal à effectuer.
Il est admis depuis peu que :
Le Conditionnement d’AirC’est le traitement de l’air entrant dans un procédé s’appliquant au fonctionnement de machines, ou au maintien descaractéristiques d’un produit pour sa fabrication ou pour son entreposage, ou encore, la maintenance de paramètresdans des limites rigoureuses de précision et de stabilité et de sécurité (salle d’opération par exemple).
La ClimatisationC’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 condi-tions “confortables”, dès lors que l’ambiance dans laquelle il évolue, lui permet de concentrer ses facultés sur ses activi-tés du moment.
Ce bien être est l’aboutissement de tout un processus finalement fort complexe et dont l’étude des éléments est absolu-ment nécessaire pour comprendre le métier de “Climaticien”. Un métier à part entière avec ses servitudes et ses satis-factions... une profession aux techniques passionnantes et dont la constante évolution liée à la recherche de l’actualitéfavorise les conditions de son plein développement.
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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 réchauffementnaturel ou non.
Le processus de cette soustraction de chaleur s’effectue en cascade, par mélange ou échange, au contact d’un fluidemaintenu à température plus basse.
En final, pour évacuer les calories soustraites, il est nécessaire de les porter à une température plus haute que celledu 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, sontassurées 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 milieuà 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, etdont il est indispensable de se remettre en mémoire les quelques notions élémentaires pour bien comprendre le fonc-tionnement d’un circuit frigorifique.
* La chaleur dégagée par le système peut être rejetée en pure perte ou récupérée ; dans ce cas, le système est désignésous 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 régissentl’écoulement de ces fluides.
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 connaîtreles 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 cesdiverses 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’énergiemécanique et de la chaleur.
On voit donc, que sans être pour autant difficile, le métier de la climatisation est néanmoins complexe, et en même tempsqu’une solide formation pratique, exige, pour être exercé pleinement, des connaissances multiples en mécanique, électri-cité, régulation, chaudronnerie, froid ; cette dernière spécialité requièrant déjà un ensemble de connaissances sur lesproblèmes de thermodynamique, de mécanique des fluides, avec les notions de base en physique sur les phénomènesd’ébullition, d’évaporation, de liquéfaction, de chaleur, etc. sans la connaissance desquels l’installateur ou le metteur aupoint 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 évacuéesou 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.
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Les unités en climatisation
1 - GénéralitésLorsque deux corps, à des températures différentes, sont en présence, leur température à tendance à s’équilibrer, l’unaugmentant sa température, tandis que l’autre abaisse la sienne ; il s’en suit un échange de chaleur. Cet échange dechaleur 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 de1 °C.
Cette unité étant relativement petite, il est utilisé de préférence la kilocalorie (kcal) : c’est l’équivalent de 1000 caloriesc’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. Danstous 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 absorbantde l’énergie mécanique.
L’équivalent thermique de cette énergie mécanique est apportée au fluide frigorigène et s’ajoute à la chaleur soustraitedu milieu à refroidir.
L’équivalence de l’énergie mécanique et de la chaleur est donnée par les relations numériques figurant sur les tableauxci-après ; cependant, il peut être rappelé pour être pratique, que la calorie industrielle (kcal) ou millithermie égale letravail 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 1er Janvier 1962, est “le système métrique décimal à six unitésde base” (mètre - kilogramme - seconde - ampères - degré Kelvin - Candela), désigné sous le terme “Système Interna-tional” (S.I.).
En ce qui concerne le “Système Anglo-Saxon” très utilisé en réfrigération, il est nécessaire d’en connaître les principa-les 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
Travail
Puissance
Pression
Température
Quantité de chaleur
Dénomination
Kilogrammètre
Kilogrammètre par seconde
Cheval-vapeur Watt
Kilogramme forcepar centimètre carré
Atmosphère
Degré centésimal
Calorie
Thermie
Kilocalorie
Frigorie
Symbole
kgm
kgm / s
ch
WWatt
kgf / cm2
at
°C
cal
th
kcal
fg
Valeur en S.I.Autres
équivalents
9,8 J
9,8 W
75 kgm / s = 735 W
9,8 x 104 Pa
105 Pa = 1 bar
1° Celsius
4,1855 J
4,1855 x 106 J
4,1850 x 103 J
– 4,1850 x 103 J
632 kcal
0,860 kcal
427 kgm
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3 - Quelques unités du système légal S.I.
Grandeur
Force
Dénomination
F
Symbole
Newton
Valeur en S.I.
Multiple etsous-multiple
N
Travail - Energie
Puissance
Pression
Température
Quantité de chaleur
W
P
P
T
t
Q
Symbole
Joule J kJ = 103 J
Watt W kW = 103 W
Pascal Pa bar = 105 Pa
Kelvin °K
Celsius °C
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 =212 – 32
100= 1,8 °C 1 °F =
100212 – 32
=59
= 0,556 °C
Pression : Livre par pouce carré (lbs ou psi) = 0,070 kg / cm2.
1 psi = 0,453 kg6,45 cm2
= 0,070 kg / cm2
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 59
= 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 90724
= 3 024 fg / h
Elle est souvent employée pour désigner la puissance nominale des appareils de production de froid, ou celle des dis-positifs de régulation (détendeurs par exemple).
Volumes : Pied cube (cubic foot) = 28,31 dm3
Gallon (liquide) = Angleterre = 4,54 litres (Impérial Gallon)U.S.A. = 3,78 litres (U.S. Gallon)
Poids : Once (ounce) = 28 grammes Livre (pound) = 0,453 kgTonne (short ton) = 907 kg
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Equivalence en unités métriques
Longueur
Superficie
Volume
Capacité
Débit
Poids
Pression
Chaleur
gallon (surtout pour les liquides)
pouce
pied
(inch)
(foot)
(yard)
= 12 pouces
= 03 pieds
in
ft
yd
25,4 mm
0,304 m
0,912 m
pouce carré (square-inch)
pied carré (square-foot)
(square-yard)
sq-m
sq-ft
sq-yd
6,45 cm2
0,0929 m2
0,8361 m2
pouce cube (cubic-inch)
(cubic-foot)
(cubic-yard)
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
pied cube
cb-in 12,386 cm3
cb-ft 0,0283 m3
cb-yd 0,7645 m3
gallon 4,54 litres
3,78 litres
cfm 1,68 m3 / h
gqllon-m 0,2275 m3 / h
grain 0,0648 g
oz 28 g
lb 0,453 kg
ton 907 kg
ton 1016 kg
lb / sq / in 0,0687 bar ou
0,0790 kg / cm2
inch / Hg 25,4 mm Hg
inch / W 25,4 mm CE
BTU 0,252 kcal
TR 3024 kcal
5 - Ecriture des nombres, des unités, des grandeurs et de leurs symboles Multiples et sous-multiples décimaux
Que veut dire l’expression 4,43.10-4
En vérité, ce nombre aurait du s’écrire 0,000443 ; ainsi ” 10-4 ” signifie que la virgule doit être déplacée de 4 unités versla gauche.
De la même façon : 3,9.10-6 = 0,0000039 2492.10-2 = 24,92 532.10-4 = 0,0532
Au contraire : lorsque l’exposant n’est pas précédé du “signe moins” la virgule est déplacée d’autant d’unité, mais versla droite.
4,43.104 = 44300 0,0072.106 = 7200 3,1416.102 = 314,16
Nota : Dans les deux cas, les unités manquantes sont remplacées par des zéros, ainsi :10-6 veut dire 1 suivi de 6 zéros (1 000 000)10-6 veut dire virgule déplacée 6 fois devant le 1 (0,000 001)
Facteur multiplicateur Préfixe Symbole (1)
1012
109
106
103
102
101
100
10-1
10-2
10-3
10-6
10-9
10-12
1 000 000 000 000 téra T1 000 000 000 giga G1 000 000 méga M1 000 kilo k100 hecto h10 déca da1 unité0,1 déci d0,01 centi c0,001 milli m0,000 001 mic u0,000 000 001 mano n0,000 000 000 001 pico p
(1) Symbole à mettre avant celui de l’unitéExemple : kilowatt : kW - mégavolt : Mv - picofarad : pF
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Quelques règles d’écriture
Les principales dispositions concernant les principes d’écriture des unités de mesure et des symboles de grandeurssont normalisées.
Les tableaux précédents ont été rédigés conformément à la Norme AFNOR NFX 02-005, dont ci-dessous quelquesrègles générales.
Ecrire Ne pas écrire
2 972 637,018 5 2.972.637.018.5 ni 2972637,0185
Année 1974 Année 1 974
4/28 ou
13-6 / 5 + 4 ni 13-6 : 5 + 4
3 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 ni kmh ni km-h
30 kilomètres ou 30 km trente km
25,4 °C 25 °C,4 ni 25°,4 C
12°25’7” 12°,25’,7”
10 h 15 mn 10 h. 15 ni 10 h,15 ni 10 h 1/4
428
4/28ème428e
ou (13-6) / (5 + 4) ou (13-6) : (5 + 4)13-65 + 4
kmh
ou km.h-1
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 = 10 000 W 15 ampères = 15 A
220 volts = 220 v 1,4 bar 20 ohm
Nota : bar - erg - ohm sont invariables
11
Statique des gaz
1 - GénéralitésLes 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 lesparois 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 étroite-ment 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. 1
2 - Loi de Mariotte (voir expérience I page ) 1er énoncé :A température constante, le produit des nombresqui mesurent la pression et le volume d’une mêmemasse gazeuse, est un nombre constant :
PV = P’V’ = Cte
0 1 2 3 4 V
ProduitsP x V
P1
V1
P2
V2
P3
V3
P4
V4
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2e énoncé :
A température constante, la pression d’une massede gaz est inversement proportionnelle au volumequ’elle occupe :
PV
0 V3 V3 V
P
P= V
V’P1
P3
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) = 0,284P (18,8) x V (0,0144) = 0,271 soit un écart de 0,013
Pour R 22 à 140 °C P (14,2) x V (0,027) = 0,383P (18,8) x V (0,019) = 0,376 soit un écart de 0,007
3e énoncé :
A température constante, la masse volumique (1)d’un gaz est proportionnelle à sa pression :
M
1 P
M
P= M’
P’
1
2 3
2
3
(1) masse volumique (anciennement poids spécifique).L’unité SI de masse volumique est le kilogramme parmètre cube (kg/m3), masse volumique d’un corps dontla masse est de 1 kilogramme et le volume de 1 mètrecube
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.
VT
= V’T’
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.
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.
PT
= P’T’
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.
13
5 - Constante physique des gaz – Loi de Boyle-MariotteLa combinaison des lois de Mariotte et de Gay Lussac donne une constante désignée par la lettre R.
ÉÉÉÉ
ÉÉÇÇ
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.
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, àune pression “P” elle-même bien déterminée, le produit PV pour ce gaz conserve toujours la même valeur quels quesoient 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 cha-cun 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 tem-pérature stabilisée de la pression dite de saturation, correspondant à cette température pour le fluide frigorigène consi-déré, et de celle lue réellement au manomètre.
P1 P2 P = P1 + P2
P1 et P2 représentent les ”pressions partielles”
14
Expérience 1 Loi de Mariotte (température constante)
V = 12 dm3
P = 1 bar
V” = 4 dm3
P” = 3 bar
V’ = 6 dm3
P’ = 2 bar
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
1er énoncé
P x V = P’ x V’ = P” x V” = constante1 x 12 = 2 x 6 = 3 x 4a = 12
2e énoncé
P’ VP V’
=
2 121 6
=
P” V’P’ V”
=
3 62 4
=
P” VP V”
=
3 121 4
=
Expérience 2
V = 4 dm3
P = 3 bar
V” = 5 dm3V = 4 dm3
P’ = 3,75 bar P” = 3 bar
t° = – 5 °C T = 268 °K t° = – 5 °C T = 268 °K t° = – 5 °C T = 268 °K
1 2 3
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 3,75268 335
= 3 x 335268
= 3,75 barP’ =
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 dm3 pour que la pression P” retrouvesa valeur d’origine soit 3 bar.
V V’T T’
= 4 5268 335
= 4 x 335268
= 5 dm3V’ =
15
Vaporisation – Ebullition – Condensation
Vaporisation
1 - Généralités - Vaporisation dans le videEst appelé vapeur le corps gazeux qui a pris naissance d’un liquide. Rien ne le distingue de l’air si ce n’est quelquefoisson 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 liquideet une partie de gaz dans des proportions différentes (ou encore à des titres différents) ; on dit aussi qu’elle est “saturan-te”.
Pour un liquide donné, à une température donnée, la pression d’une vapeur saturante est constante ; cette pressiondifférente 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 exactou la dernière particule de liquide disparaît le titre de vapeur est alors égale à 1. Cet état n’est évidemment jamais réalisépratiquement 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 saturéeà cette même température.
2 - Vaporisation en atmosphère limitéeDans une atmosphère à espace limité, un liquide peut se vaporiser tant que cette atmosphère gazeuse n’est pas satu-rée 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 estidentique 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 illimitéeLa vaporisation d’un liquide par sa surface libre en atmosphère illimitée (à l’air libre par exemple) a pour nom l’évapora-tion.
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 maxi-male à la température considérée.
16
Vaporisation - condensation
– +Quantité de chaleur
0,90,80,70,60,50,40,30,20,1
x = 0 x = 1
Liquide Vap. surchaufféeVapeur saturée humide
Limite de saturationliquide
Limite de saturationvapeur
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.
EbullitionL’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 àla 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’élè-ve 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.
17
CondensationC’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 :
par refroidissement par compression
Vapeur
Liquide
Piston
En réfrigération, c’est la combinaison des deux procédés qui est utilisée.
Principe de la paroi de WattLa 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 conte-nir partiellement se retrouve toujours dans le récipient le plus froid, et la pression ou “tension de vapeur” dans les réci-pients correspond à la partie la plus froide.
ApplicationMigration du frigorigène dans une installation frigorifique.
Remplissage de réservoirs.
R 22
P = 8 bar
Vanne fermée
+ 20 °C – 5 °C
P = 3 bar
Vanne ouverte
18
Chaleur - Température - Changement d’état
La chaleurLorsque deux corps à température différente se trouvent en présence, ils échangent de le chaleur, le corps le plus chaudcédant 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 sensibleC’est la quantité de chaleur qui provoque une variation de température d’un corps sans modifier son état physique.
Chaleur latenteC’est la quantité de chaleur à fournir à 1 kg-masse d’un corps pour modifier son état physique sans modifier sa tempéra-ture.
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 modifi-cation de son état physique.
TempératureC’est la différence de température entre deux éléments en présence qui permet d’affirmer qu’un des éléments est pluschaud ou plus froid que l’autre.
Produire du froid sera donc de maintenir une différence de température entre deux éléments par enlèvement de la cha-leur.
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 détermi-nés 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 :
L’échelle centésimale ou CELSIUS
L’échelle FAHRENHEIT
°C
°F
Glace fondante Eau bouillante
0 °C
+ 32 °F
+ 100 °C
+ 212 °F
t °C = (t °F – 32) 0,56 t °F = (1,8 t °C) + 32
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 températurela 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 critiqueC’est la température à partir de laquelle un fluide ne peut plus exister à l’état liquide quelle que soit la pression à laquelleon puisse le soumettre.
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 exothermiqueExemple : 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
LIQUIDE
Fus
ion
Liqu
éfac
tion
Sol
idifi
catio
n
Con
géla
tion
Sub
limat
ion
Con
dens
atio
n
Liqu
éfac
tion
Eva
pora
tion
Con
dens
atio
n
20
1 kg d’eauà + 15 °C
1 kg d’eauà + 100 °C85 kcal
Chaleur sensible (C - D)
Il faut fournir 85 kcal à 1 kg d’eau pour augmenter sa température de 15 °C à 100 °C.
0 °C1 kgglace
0 °Ceau
1 kg de vapeurà 100 °C
1 kg d’eauà 100 °C
Paroi froide
80 kcal
Chaleur latentede fusion
Chaleur latentede vaporisation
Chaleur latentede condensation
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539 kcal
(A - B) (D - E) (D’ - E’)
Diagramme Enthalpie température de l’eau
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Changement d’état chaleur latente de vaporisation
Eau chaleur sensible
chaleur latente de condensation
Changement d’état chaleur latente de fusion
A B
C D
D’ E’
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21
Le diagramme de Mollier H log.P
GénéralitésLes 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 diver-ses 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 dé-signés par les grandeurs portées sur leurs coordonnées, par exemple : diagramme p.v. (pression volume) – diagrammep.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 diagram-mes, en ordonnée se lit la valeur des pressions.
Diagramme de Mollier h.log.pLes particularités du diagramme de Molliers ont que les pressions sont exprimées en atmosphères absolues sur uneéchelle 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 fluideen 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 criti-que ; à ce point correspond une température critique et une pression critique.
La température critiqueC’est une température particulière à chaque fluide, au-dessus de laquelle celui-ci ne peut se liquéfier, quelle que soitla pression à laquelle on le soumet.
Le volume critiqueC’est le volume spécifique correspondant à la température critique.
La pression critiqueC’est une pression au-dessus de laquelle un fluide ne peut être liquéfié, quel que soit l’abaissement de la températureauquel il est soumis.
Outre les divers paramètres cités précédemment et rarement représentés, les diagrammes d’utilisation courante don-nent, par leurs différents réseaux de courbes, les diverses grandeurs qui caractérisent l’état d’un fluide.
22
Diagramme de Mollier H.log.p
x = 0 Ligne de liquide saturé.– délimite la zone de liquide pur, et celle du mélange (liquide + vapeur).
x = 1 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 augmen-tation de température et de volume (gaz parfaits).
x = 0,1 à 0,9 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 proportionde vapeur et de liquide. Exemple : x = 0,6 veut dire qu’il y a 60 % de vapeur, donc 40 % de liquide.
t = °C 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.
p = bar.abs :Lignes des pressions constantes dîtes Isobares.Ces lignes horizontales se confondent en zone de mélange avec les isothermes.
v = m3 / kg :Lignes des volumes constants dîtes Isochores.Représentent les lignes d’égal volume spécifique ; elles se réfractent légèrement en traversant les deux courbes-limites x = 0 et x = 1.Le volume spécifique d’un fluide c’est l’espace occupé par un kilo de ce fluide.
s = kJ : kg / °K Lignes d’entropie constante dîtes Adiabatiques. Egalement appelées isentropiques, sont les lignes d’égales entropie (transformation du fluide sans donner ni
recevoir de chaleur).
h = kJ / kg Lignes d’enthalpie dites Isenthalpes.Ces lignes sont des perpendiculaires à l’axe des abscisses, et se confondent avec les isothermes en zone liquide.
23
24
Principe de la réfrigération
GénéralitésTous 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’appellela 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 chapi-tres précédents.
La Thermodynamique chimique : Il s’agit, en fait, de la “thermochimie”, branche de la chimie consacrée aux relations existantes entre les réactions decomposés 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 casde 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 compres-sion (par condensation).
D
B
A C
25
Cette suite d’opérations, conduite de telle façon que l’état final du fluide considéré soit identique à l’état initial, représen-te le cycle frigorifique.
CONDENSEUR
EVAPORATEUR
Echange
Echange
Les vapeurs de frigorigène se liquéfient
Le liquide frigorigène se vaporise
Productionde chaleur
Productionde froid
Côté HP(haute pression)
Côté BP(basse pression)
COMPRESSEURDETENDEUR
Ainsi, si l’on considère le schéma de principe ci-dessus :
Le compresseurest chargé de véhiculer le fluide frigorigène à travers le circuit ; il fait passer le frigorigène vaporisé de la basse pressionà la haute pression ; cette opération se fait avec une production de chaleur.
Le détendeurest chargé d’alimenter l’évaporateur en frigorigène liquide et permet le passage de ce frigorigène de la haute pressionà la basse pression. Cette opération s’effectue avec abaissement de la température du liquide frigorigène.
L’évaporateurest chargé de vaporiser le liquide frigorigène ; pour ce faire, la chaleur de vaporisation est empruntée à celle contenuedans le médium à refroidir (en conditionnement d’air le médium est le plus souvent soit de l’air, soit de l’eau, qui circulesur la surface d’échange).
Le condenseurest chargé de liquéfier les vapeurs refoulées par le compresseur ; pour ce faire, la chaleur contenue dans le frigorigèneest 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 compressiondu fluide.
Le cycle s’établit donc ainsi :
évaporation – compression – condensation – détente (ou expansion) et peut-être représenté sur le diagramme deMollier donné ci-après.
26
Cycle théoriqueAu point “1” où le liquide est entièrement vaporisé, le compresseur aspire les vapeurs la pression (Pe) et les amèneà 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 valeurde 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 liquéfiede “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 sertpratiquement 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 = 1.
1 - 2 = 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.
27
Le cycle pratique
Sans s’apparenter au cycle de Carnot, le cycle qui vient d’être étudié correspondrait à un fonctionnement idéal d’appa-reils pratiquement parfaits : pas de pertes de charge, pas d’échanges thermiques inopportuns, un régime de fonction-nement sans fluctuation, pas de chaleur dûe au frottement des pièces mécaniques en mouvement, pas d’appareilsauxiliaires 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’êtreaspirées au compresseur ; leurs tuyauteries de raccordement, hors de l’ambiance à refroidir, sont également une caused’élévation de leur température.
Ces deux causes d’élévation de température sous pression constante se traduisent sur le diagramme de Mollier, parune surchauffe à l’aspiration représentée par (1 1’). Cette surchauffe engendre une augmentation de la températurede 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 accroissantla qualité du liquide (pas de vapeur), d’autre part la partie (5 5’) représente le gain “d’effet frigorifique” gagné à l’évapo-rateur par ce procédé.
Nota : Pour être réel, le diagramme devrait tenir compte également des pertes de charge des échangeurs, du refroidis-sement du compresseur par ses parois, etc. Aussi, pour plus de simplicité, le cycle réel d’une installation est-il confonduavec le cycle pratique et correspond au diagramme 1’2’4’5’ de notre figure.
28
CULOZAVENUE JEAN FALCONNIER B.P. 14 01350 CULOZ - FRANCETEL. 79 42 42 42 - TELECOPIE 79 42 42 11 - TELEX 309 778
SERVICE EXPORTATION 01350 CULOZ - FRANCETEL. 79 42 42 20 - TELEX 980 458 F
PARIS83, RUE DE VILLIERS 92523 NEUILLY-S/SEINE
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S.A. AU CAPITAL DE 130.000.000 DE F.R.C.S. BELLEY B 545.620.114Compagnie Industrielle d’Applications Thermiques
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