Ce chapitre couvre les principes fondamentaux de la thermodynamique appliqués aux systèmes frigorifiques, les cycles de compression de vapeur, les calculs de charge thermique, ainsi que les normes canadiennes applicables. À la fin de ce chapitre, vous serez en mesure d'analyser un cycle frigorifique, de calculer les paramètres de performance et d'identifier les exigences réglementaires pertinentes pour l'examen Sceau rouge.
Principes fondamentaux de la thermodynamique
Les lois de la thermodynamique appliquées à la réfrigération
La première loi de la thermodynamique stipule que l'énergie ne se crée ni ne se détruit, elle se transforme. Dans un système frigorifique, cela se traduit par l'équation de bilan énergétique :
Q̇_évap + Ẇ_comp = Q̇_cond + Q̇_pertes
Où :
Q̇_évap = chaleur absorbée à l'évaporateur (en watts, W)
Ẇ_comp = travail du compresseur (en watts, W)
Q̇_cond = chaleur rejetée au condenseur (en watts, W)
Q̇_pertes = pertes thermiques parasites (en watts, W)
La deuxième loi de la thermodynamique établit que la chaleur ne peut pas spontanément passer d'un corps froid à un corps chaud. C'est pourquoi un compresseur doit fournir un travail mécanique pour permettre ce transfert « inverse » du naturel.
Température, chaleur et pression
La température mesure le degré d'agitation moléculaire. Elle s'exprime en degrés Celsius (°C) dans le Système international, mais vous rencontrerez parfois le Fahrenheit (°F) sur des équipements importés. La conversion est :
°F = (°C × 9/5) + 32
°C = (°F − 32) × 5/9
La chaleur est une forme d'énergie. On distingue :
La chaleur sensible : celle qui provoque une variation de température sans changement d'état. Q = m × c × ΔT, où m est la masse (kg), c la chaleur massique (kJ/kg·°C) et ΔT l'écart de température (°C).
La chaleur latente : celle qui provoque un changement d'état à température constante. Q = m × L, où L est la chaleur latente (kJ/kg).
La pression s'exprime en kilopascals (kPa) ou en bars (1 bar = 100 kPa). Les manomètres des systèmes frigorifiques indiquent généralement la pression manométrique (relative), tandis que les calculs thermodynamiques utilisent la pression absolue :
P_abs = P_mano + P_atm (101,325 kPa au niveau de la mer)
Le diagramme pression-enthalpie (P-h)
Le diagramme P-h est l'outil fondamental de l'analyse des cycles frigorifiques. Il représente l'enthalpie (h, en kJ/kg) en abscisse et la pression (P, en kPa) en ordonnée logarithmique. Les courbes de saturation délimitent trois zones :
Sous la courbe de saturation : mélange liquide-vapeur
À gauche de la courbe de liquide saturé : liquide sous-refroidi
À droite de la courbe de vapeur saturée : vapeur surchauffée
Pour l'examen, vous devez savoir lire ce diagramme pour déterminer :
L'enthalpie à chaque point du cycle
La température de saturation correspondant à une pression donnée
Le titre de vapeur (qualité) d'un mélange : x = (h − h_liquide) / (h_vapeur − h_liquide)
Le cycle frigorifique à compression de vapeur
Les quatre composants principaux et leurs fonctions
Vapeur HP → liquide sous-refroidi (chaleur retirée)
**Détendeur**
Réduit la pression du réfrigérant
Liquide HP → mélange basse pression (détente isenthalpique)
**Évaporateur**
Absorbe la chaleur du milieu à refroidir
Mélange BP → vapeur surchauffée (chaleur absorbée)
Les quatre processus du cycle idéal
38.Compression isentropique (1→2) : le compresseur aspire la vapeur surchauffée à basse pression et la comprime à haute pression. Dans le cycle idéal, l'entropie reste constante. La température augmente considérablement.
39.Condensation isobare (2→3) : le réfrigérant traverse le condenseur à pression constante. Il passe d'abord de vapeur surchauffée à vapeur saturée (désurchauffe), puis de vapeur saturée à liquide saturé (condensation), puis de liquide saturé à liquide sous-refroidi (sous-refroidissement).
40.Détente isenthalpique (3→4) : le détendeur provoque une chute de pression brutale sans échange de chaleur ni travail. L'enthalpie reste constante (h₃ = h₄). Une partie du liquide flash se vaporise, abaissant la température du mélange.
41.Évaporation isobare (4→1) : le mélange basse pression absorbe la chaleur du milieu à refroidir. Le liquide s'évapore complètement, puis la vapeur se surchauffe légèrement avant d'être aspirée par le compresseur.
Le cycle réel et ses écarts
Le cycle réel diffère du cycle idéal par :
La perte de charge dans les conduites et les échangeurs (chute de pression dans les lignes d'aspiration et de liquide)
La compression non isentropique : le rendement isentropique du compresseur η_is = (h₂s − h₁) / (h₂réel − h₁) est typiquement de 0,70 à 0,85
La surchauffe utile à l'évaporateur (pour protéger le compresseur des coups de liquide)
Le sous-refroidissement au condenseur (pour améliorer le rendement et éviter le flash gazeux dans la ligne de liquide)
Calculs de performance du cycle
L'effet frigorifique net (EFN) : chaleur absorbée par kilogramme de réfrigérant à l'évaporateur.
Où v₁ est le volume massique de la vapeur aspirée (m³/kg).
Exemple de calcul complet
Données : Un système utilise du R-134a. À l'évaporateur, la pression est de 200 kPa (température de saturation ≈ −10,1 °C). La vapeur en sortie est surchauffée à 5 °C (h₁ = 397 kJ/kg). Le condenseur fonctionne à 800 kPa (température de saturation ≈ 31,3 °C). Le liquide en sortie est sous-refroidi à 25 °C (h₃ = 230 kJ/kg). La compression réelle donne h₂ = 430 kJ/kg.
Étape 1 : Déterminer h₄. La détente est isenthalpique, donc h₄ = h₃ = 230 kJ/kg.
Étape 2 : Calculer l'EFN.
EFN = 397 − 230 = 167 kJ/kg
Étape 3 : Calculer le travail de compression.
W_comp = 430 − 397 = 33 kJ/kg
Étape 4 : Calculer le COP.
COP = 167 / 33 = 5,06
Étape 5 : Si le débit massique est de 0,05 kg/s, calculer la puissance frigorifique.
Q̇_évap = 0,05 × 167 = 8,35 kW
Étape 6 : Calculer la chaleur rejetée au condenseur.
Le Règlement sur les substances appauvrissant la couche d'ozone
Au Canada, le Règlement sur les substances appauvrissant la couche d'ozone et les halocarbures de remplacement (DORS/2016-137) encadre l'utilisation des réfrigérants. Les exigences clés pour le technicien :
Certification obligatoire pour manipuler les réfrigérants : certification de l'Office de l'efficacité énergétique de Ressources naturelles Canada (RNCan)
Interdiction de rejeter intentionnellement des réfrigérants dans l'atmosphère
Récupération obligatoire des réfrigérants avant toute réparation ou démolition d'équipement
Tenue de registres : quantités de réfrigérant achetées, utilisées, récupérées et éliminées
Fuite maximale admissible : 10 % par an pour les systèmes de plus de 50 kg de charge
Les mélanges de réfrigérants
Les mélanges zéotropes (R-404A, R-410A, R-407C) présentent un glissement de température (temperature glide) : la température de saturation varie pendant le changement de phase à pression constante. Conséquences pratiques :
Le remplissage doit se faire en phase liquide pour éviter un fractionnement du mélange
La surchauffe et le sous-refroidissement se mesurent avec la température de rosée (vapeur) et la température de bulle (liquide)
Les fuites modifient la composition du mélange restant
Les mélanges azéotropes (R-500, R-502) se comportent comme un corps pur : pas de glissement de température.
Les composants du système et leur diagnostic
Le compresseur
Les types de compresseurs rencontrés :
Type
Applications typiques
Caractéristiques
**Hermétique**
Réfrigérateurs, congélateurs, petits systèmes
Moteur et compresseur dans une enveloppe soudée, non réparable
**Semi-hermétique**
Systèmes commerciaux moyens
Moteur et compresseur dans une enveloppe boulonnée, réparable
**Ouvert**
Gros systèmes industriels
Compresseur entraîné par moteur externe via accouplement
Le rendement volumétrique η_v = débit volumique réel / débit volumique théorique. Il dépend du jeu nuisible, des pertes de charge aux soupapes et du réchauffement de la vapeur. Une valeur typique est de 0,75 à 0,90.
Diagnostic rapide :
Compresseur qui tourne mais ne comprime pas : soupapes cassées, clapets usés, jeu nuisible excessif
Compresseur qui ne démarre pas : relais de démarrage défectueux, condensateur hors service, enroulement ouvert
Compresseur bruyant : coup de liquide (flooding), fixation desserrée, usure des roulements
Le condenseur
Trois types de condenseurs :
À air (convection naturelle ou forcée) : les plus courants en électroménager
À eau (tubulaire, à plaques) : pour les systèmes de moyenne et grande puissance
Évaporatif : combine air et eau pour les très grandes installations
Le sous-refroidissement est la différence entre la température de saturation au condenseur et la température réelle du liquide en sortie. Une valeur normale est de 5 à 10 °C. Un sous-refroidissement trop faible indique une charge de réfrigérant insuffisante ou un condenseur encrassé.
L'évaporateur
L'évaporateur peut être :
À détente directe : le réfrigérant se détend directement dans l'évaporateur
Noyé : un accumulateur de liquide maintient l'évaporateur plein de liquide, avec un séparateur de liquide en amont du compresseur
La surchauffe est la différence entre la température de la vapeur en sortie d'évaporateur et la température de saturation à la pression d'évaporation. Une valeur typique est de 5 à 8 °C. Une surchauffe trop élevée indique un manque de réfrigérant ou un détendeur sous-alimenté. Une surchauffe trop faible risque le coup de liquide au compresseur.
Le détendeur
Les principaux types :
Tuyau capillaire : tube de faible diamètre, longueur calibrée. Utilisé sur les petits systèmes hermétiques. La chute de pression est fixe et ne s'adapte pas aux variations de charge.
Détendeur thermostatique (TXV) : maintient une surchauffe constante grâce à un bulbe sensible à la température en sortie d'évaporateur. Il s'adapte aux variations de charge.
Détendeur électronique : piloté par un contrôleur électronique avec sonde de température et de pression. Précision supérieure.
Réglage du TXV : la surchauffe se règle en tournant la vis de réglage (généralement 1/4 de tour à la fois). Tourner dans le sens horaire augmente la surchauffe (ressort plus comprimé), antihoraire la diminue.
Calculs de charge thermique
Les composantes de la charge thermique
La charge thermique totale d'une enceinte réfrigérée comprend :
127.Transmission à travers les parois : Q_parois = U × A × ΔT, où U est le coefficient de transmission thermique (W/m²·°C), A la surface (m²), ΔT l'écart de température entre l'intérieur et l'extérieur.
128.Infiltration d'air : due à l'ouverture des portes. Q_inf = ṁ_air × c_air × ΔT + ṁ_air × L_condensation (pour l'humidité).
129.Produits entreposés : refroidissement des produits de leur température d'entrée à la température de conservation.
130.Charges internes : éclairage, moteurs des ventilateurs, dégivrage, personnes.
131.Charges diverses : résistances de dégivrage, circulation d'air.
Exemple de calcul simplifié
Données : Une chambre froide de 4 m × 3 m × 2,5 m (hauteur) est maintenue à 2 °C. Les parois ont un U = 0,35 W/m²·°C. La température extérieure est de 25 °C. On entrepose 500 kg de produits à 15 °C avec une chaleur massique de 3,5 kJ/kg·°C, à refroidir en 24 heures. L'éclairage est de 200 W, utilisé 4 heures par jour. Les ventilateurs de l'évaporateur consomment 150 W en continu.
Q_éclairage = 200 × 4 / 24 = 33 W (moyenne sur 24 h)
Q_ventilateurs = 150 W
Étape 5 : Total.
Q_total = 475 + 263 + 33 + 150 = 921 W
Étape 6 : Ajouter une marge de sécurité de 10 %.
Q_total_majoré = 921 × 1,10 = 1013 W ≈ 1,0 kW
Le système devra fournir environ 1 kW de puissance frigorifique. En pratique, on sélectionnerait un système de 1,2 à 1,5 kW pour tenir compte des cycles de dégivrage et des pics de charge.
Normes et codes canadiens
Le Code canadien de l'électricité
Le Code canadien de l'électricité, Première partie (CCE) est publié par le Groupe CSA sous la norme CSA C22.1. Les règles pertinentes pour les systèmes frigorifiques :
Règle 8-200 : calcul des charges des circuits. Les moteurs de compresseurs sont considérés comme des charges continues ; le circuit doit être dimensionné à 125 % du courant nominal.
Règle 26-250 : exigences pour les moteurs et les commandes des compresseurs. Protection contre les surcharges et les surintensités.
Règle 28-600 : câblage des unités de réfrigération. Les conducteurs doivent être dimensionnés selon le courant à pleine charge du moteur.
Le Code canadien de l'électricité, Chapitre V
Le Code canadien de l'électricité, Chapitre V — Câblage des installations de réfrigération (CSA C22.2 No. 120) traite spécifiquement des systèmes frigorifiques. Il couvre :
Le câblage des compresseurs hermétiques et semi-hermétiques
Les dispositifs de protection thermique
Les circuits de commande et de sécurité
Les exigences de mise à la terre
Les normes CSA pour les appareils
CSA C22.2 No. 92 : réfrigérateurs et congélateurs domestiques
CSA C22.2 No. 63 : appareils de réfrigération commerciaux
CSA C22.2 No. 120 : câblage des installations de réfrigération
La norme CSA B149.1
La CSA B149.1 — Code sur le gaz naturel et le propane s'applique lorsque les systèmes frigorifiques utilisent des réfrigérants inflammables (R-290, R-600a) ou sont installés dans des locaux où du gaz est utilisé. Les exigences clés :
Section 6 : ventilation des locaux contenant des appareils à gaz
Section 7 : évacuation des produits de combustion
Les réfrigérants inflammables sont classés comme des gaz ; les locaux doivent respecter les exigences de ventilation et de détection de fuite
Le Règlement sur les appareils de réfrigération
Le Règlement sur les appareils de réfrigération (DORS/80-120) exige que les appareils vendus au Canada portent une étiquette ÉnerGuide indiquant la consommation annuelle d'énergie. Les valeurs maximales de consommation sont établies par ce règlement.
Pièges à éviter
175.Confondre pression manométrique et pression absolue : les tables thermodynamiques utilisent la pression absolue. Si vous utilisez la pression lue au manomètre sans ajouter la pression atmosphérique, tous vos calculs d'enthalpie seront faux.
176.Oublier que la détente est isenthalpique : h₄ = h₃. Beaucoup de candidats calculent h₄ comme s'il y avait un échange de chaleur.
177.Utiliser la température de saturation au lieu de la température réelle pour calculer la surchauffe ou le sous-refroidissement. La surchauffe = T_réelle_vapeur − T_saturation ; le sous-refroidissement = T_saturation − T_réelle_liquide.
178.Inverser le sens de rotation du réglage du TXV : horaire = plus de surchauffe, antihoraire = moins de surchauffe.
179.Négliger le glissement de température des mélanges zéotropes : pour le R-410A, la température de saturation n'est pas une valeur unique à pression donnée.
180.Oublier les unités : les enthalpies sont en kJ/kg, les puissances en kW. Un débit massique en kg/s multiplié par une enthalpie en kJ/kg donne des kW, pas des kJ.
181.Confondre le COP et l'efficacité énergétique (EER) : le COP est sans unité (W/W), l'EER est en BTU/h par watt. EER = COP × 3,412.
182.Ne pas tenir compte du rendement isentropique dans les calculs de cycle réel. Le travail réel est toujours supérieur au travail isentropique.
183.Ignorer les exigences de récupération des réfrigérants : la réglementation canadienne exige la récupération avant toute ouverture du circuit, quel que soit le type de réfrigérant.
184.Oublier la règle du 125 % pour le dimensionnement des circuits électriques des compresseurs (CCE règle 8-200).
Résumé
La première loi régit le bilan énergétique du cycle : Q_évap + W_comp = Q_cond.
Le cycle à compression de vapeur comprend quatre processus : compression isentropique, condensation isobare, détente isenthalpique, évaporation isobare.
L'EFN = h₁ − h₄ ; le COP = EFN / W_comp.
Le diagramme P-h est l'outil de référence pour tous les calculs de cycle.
Les réfrigérants sont classés selon leur impact environnemental : CFC (interdits), HCFC (en retrait), HFC (PRG élevé), HFO (faible PRG), naturels.
La surchauffe (5 à 8 °C typique) protège le compresseur ; le sous-refroidissement (5 à 10 °C typique) améliore le rendement.
Les mélanges zéotropes présentent un glissement de température ; le remplissage se fait en phase liquide.
La charge thermique comprend la transmission, l'infiltration, les produits, les charges internes et les charges diverses.
Les normes applicables : CCE Première partie (CSA C22.1), CCE Chapitre V (CSA C22.2 No. 120), CSA B149.1 pour les réfrigérants inflammables.
La récupération des réfrigérants est obligatoire ; la certification RNCan est requise pour la manipulation.
Questions de révision
197.Un système au R-134a fonctionne avec une pression d'évaporation de 150 kPa et une pression de condensation de 1000 kPa. La vapeur en sortie d'évaporateur a une enthalpie de 390 kJ/kg, le liquide en sortie de condenseur a une enthalpie de 240 kJ/kg, et la vapeur en sortie de compresseur a une enthalpie de 425 kJ/kg. Calculez l'EFN, le travail de compression et le COP.
198.Expliquez pourquoi la surchauffe à l'évaporateur est nécessaire malgré la légère perte de rendement qu'elle occasionne.
199.Un compresseur hermétique a un rendement volumétrique de 0,80. Le volume balayé est de 0,002 m³ par tour et la vitesse de rotation est de 2900 tr/min. Le volume massique de la vapeur aspirée est de 0,10 m³/kg. Calculez le débit massique de réfrigérant.
200.Quelles sont les différences pratiques entre un tuyau capillaire et un détendeur thermostatique en termes d'adaptation à la charge ?
201.Un système au R-410A présente une fuite. Expliquez pourquoi il est impératif de récupérer tout le réfrigérant restant, de réparer la fuite, puis de recharger avec du réfrigérant neuf, plutôt que de simplement compléter la charge.
202.Calculez la charge thermique d'une vitrine réfrigérée de 2 m × 1 m × 1,5 m (hauteur), avec un U de 0,8 W/m²·°C, une température intérieure de 4 °C, une température ambiante de 22 °C, un éclairage de 150 W fonctionnant 10 h/jour, et des ventilateurs de 80 W en continu. Négligez l'infiltration et les produits.
Ce chapitre couvre les connaissances essentielles pour la section « Systèmes frigorifiques et thermodynamique » de l'examen Sceau rouge. Assurez-vous de maîtriser les calculs de cycle, la lecture du diagramme P-h et les exigences réglementaires canadiennes avant de passer aux chapitres suivants.
