Comprendre la pompe a chaleur et les circuits frigorigènes

Pompe a chaleur ou climatisation, comment ça fonctionne? D’une façon générale, nous ne faisons pas de froid, nous prélevons toute la chaleur contenue dans l’air pour le rendre froid, dans le cas d’un frigo nous prélevons toute la chaleur a intérieur du frigo pour la transporter a l’extérieur et la diffuser dans l’air de la pièce.

Comme nous le savons tous, lorsque nous comprimons de l’air ou du gaz, il se chauffe, a contrário quand nous de décompactons cet même air ou gaz, se refroidi.

• Par exemple, lorsque nous gonflons un pneu l’air injecté se chauffe lors de la compression.
• Une bouteille de gaz se refroidi quand nous l’utilisons « on décompresse le gaz »

C’est cette technologie que nous exploitons dans les pompes a chaleur, dans les climatisations et les systèmes frigorifiques.

Les fluides frigorigènes

Les fluides frigorigènes sont des gaz qui fonctionnent sur une relation température/pression, ils ont la particularité de passer de l’état gazeux a l’état liquide et inversement a des températures différentes selon la pression.

Pour mieux comprendre prenons le cas de l’eau, et on va simplifier sans prendre en compte la pression ATM (pression au niveau de la mer), nous allons donc nous référer, a la pression relative qui est celle lue au manomètre. → Voir la pression absolu ici .

• L’eau a pression de – 0.5 bars bout a 85°C
• L’eau a pression 0 bar (pression atmosphérique) bout a 100°C
• L’eau a pression de + 1bar bout a 160°C

Pour revenir au sujet qui nous interesse, prenons comme exemple, le fluide utilisé majoritairement des les climatisations automobile, le fluide R134a.

• Si nous le comprimons a une pression de 10 bars de pression absolue il sera a 39.2°C.
• Si nous le décompactons a seulement 0.5 bars de pression absolue il sera a -40 °C
• Ce qui nous fait potentiellement 79°C a récupérer en passant ce fluide de 0.5bars a 10bars de pression absolue.
• Non pas 79°C car nous avons besoin de quelques degrés de différence de fonctionnement pour permettre l’échange, échauffement et refroidissement.

La pression absolue correspond a la pression lue sur les manomètres + la pression atmosphérique au niveau de la mer  : 1 atm = 101 325 Pa, soit 1,013 bar.

Chaque fluide a ses propres caractéristiques, températures et pressions et chaque machine est donné pour fonctionner avec un fluide déterminé, si on remplace le fluide d’une machine par un fluide diffèrent, le rendement de la machine sera altéré.

Le système frigorifique et le cycle du fluide

Pour que le systeme soit rentable il faut trouver le moyen de récupérer cette énergie en température thermique en augmentant ou diminuant la pression. Pour ce faire le moyen le plus accessible et moins gourmand en énergie est le compresseur.

Le compresseur a la particularité de créer une dépression a l’aspiration et une pression au refoulement, tout en consommant très peu d’électricité.

Le compresseur et le détendeur sont les éléments clés du systeme, le compresseur augmente la pression le fluide se chauffe et se dégage de sa chaleur en traversant le condensateur → le cycle continue et le fluide sorts du condensateur pour aller au détendeur qui va provoquer sa chute de pression.

La baisse de pression provoque une chute brutale de température, a ce moment le fluide va traverser l’évaporateur et passer de l’état liquide a l’état gazeux en absorbant la chaleur contenue dans l’évaporateur (dans de termes plus courants, le fluide va refroidir l’évaporateur).

Les échanges optimaux

• Il est indispensable que le fluide soit plus froid que le local a refroidir afin de pouvoir se réchauffer en passant « évaporateur ».
• Il est aussi indispensable que le fluide soit plus chaud que l’endroit ou il se décharge de sa chaleur en passant « condensateur ».

Il existe diverses façons d’extraire ou de diffuser la chaleur ou le froid, si nous prenons le systeme:

• AIR/AIR, l’extraction et la diffusion se fait en air « climatisation« 
• AIR/EAU, l’extraction se fait en air et la diffusion en eau, « pompe a chaleur avec radiateurs ou plancher chauffant« .
• EAU/EAU, on extrait la chaleur avec de l’eau pour la diffuser dans l’eau « échangeurs baségéothermies sur de l’eau, géothermie« 
• EAU/AIR L’extraction se fait sur l’eau et la diffusion dans l’airs « pompes de piscine grand public« 

Il existe plein d’autres systèmes qui peuvent fonctionner avec d’autres sources, mais le fonctionnement reste toujours identique, la seule limite est l’imagination de l’homme.

Les systèmes réversibles

IL existe des machines capables de produire du chaud comme du froid, imagines une pompe a chaleur branché sur un plancher chauffant/rafraichissant. Dans ce type de machines il existe une vanne 4 voies qui se charge d’inverser le rôle de l’évaporateur et du condenseur.

D’une manière générale et afin que tout le monde comprenne, nous pouvons conclure que le froid attire le chaud. Donc on prends les calories contenues d’ans l’air dans un espace A pour les restituer dans un espace B.

Rien ne se crée, tout se transforme.

D’une manière générale, nous ne pouvons pas créer du froid, nous pouvons créer la sensation de froid en prélèvent les calories (énergie thermique) d’un local ce qui nous donnera l’impression que l’air est gelé car il est dépourvu d’énergie thermique.

• Dans un frigo nous faisons circuler un fluide très froid pour qu’il prélève les calories contenues dans le frigo, « le froid attire la chaleur » afin que l’espace soit de plus en plus froid.
• Pour décharger ces calories dans l’air extérieur il faut que le fluide soit aussi plus chaud que la température externe afin de pouvoir se refroidir, l’air externe étant plus froid que le fluide « il attire la chaleur ».

Dans ce cycle nous avons donc la possibilite de transporter les calories d’un espace a l’autre.

• Dans le froid nous transportons l’énergie thermique du local a refroidir vers l’extérieur.
• Dans le chauffage, on transporte cette même énergie thermique de l’extérieur vers le local a chauffer.