Le cycle frigorifique : cours de Bac pro ICCER

Une chambre froide garde des denrées à basse température, un climatiseur rafraîchit un local, une pompe à chaleur chauffe une maison avec la chaleur de l'extérieur. Ces trois machines ont un point commun : elles déplacent de la chaleur d'un endroit vers un autre. Le moteur de ce déplacement est le cycle frigorifique. En tant qu'installateur en chauffage, climatisation et énergies renouvelables, tu le rencontres à chaque intervention sur une climatisation ou une pompe à chaleur.

Dans ce cours, tu vas apprendre à nommer les composants du circuit, à expliquer ce que devient le fluide à chaque étape, à distinguer la basse et la haute pression, puis à faire un bilan d'énergie simple. Ce sont des questions qui reviennent dans les sujets d'analyse d'une installation frigorifique, où l'on demande de nommer des éléments, de donner leur fonction et de contrôler le cycle ⁴.

Cette définition contient l'idée centrale : de la chaleur ne passe pas toute seule du froid vers le chaud. Il faut payer ce transfert avec de l'énergie, et c'est le compresseur qui la fournit. Les réfrigérateurs et les pompes à chaleur utilisent ce principe ⁵. La différence entre les deux tient à ce que tu veux obtenir : le froid côté source froide, ou la chaleur côté source chaude.

Pour transporter la chaleur, il faut un « transporteur ». C'est le fluide frigorigène, aussi appelé réfrigérant. Il circule en boucle fermée dans les tuyauteries et les appareils du circuit.

Dans les circuits que tu rencontres en ICCER, on provoque des changements d'état du fluide pour qu'il absorbe ou cède de la chaleur là où l'on en a besoin. On parle de chaleur latente : c'est la chaleur échangée pendant le changement d'état ⁵. Quand le fluide passe de liquide à vapeur, il absorbe beaucoup de chaleur. Quand il repasse de vapeur à liquide, il en libère autant.

Le choix du fluide n'est pas anodin. Il dépend des températures de fonctionnement des deux échangeurs du circuit, le condenseur et l'évaporateur : on n'emploie pas le même fluide pour obtenir de très basses températures et pour climatiser ⁶. Les pressions de service, qui découlent de ces températures, doivent aussi rester raisonnables pour que les tuyauteries, les échangeurs et le compresseur gardent une taille et un coût acceptables ⁶. Un énoncé de bac peut d'ailleurs imposer le fluide : dans une activité d'étude d'une chambre froide, le fluide utilisé est le R134a ³.

Un circuit frigorifique demande au moins cinq éléments : le fluide frigorigène et quatre appareils qui lui font subir les transformations ⁵. Voyons-les un par un, dans l'ordre où le fluide les traverse.

En atelier, le choix du compresseur fait partie des études de dimensionnement. Une activité de la formation demande ainsi d'étudier et de sélectionner un compresseur pour une chambre froide, en comparant les avantages et les inconvénients de chaque catégorie de compresseur ³. Les sujets d'examen demandent aussi de contrôler le dimensionnement du compresseur en même temps que le cycle ⁴.

Le fluide suit une boucle fermée. En partant de la sortie de l'évaporateur, voici ce qui lui arrive.

Pourquoi le fluide peut-il prendre de la chaleur à un milieu déjà froid ? Parce que la détente a abaissé son point d'ébullition ⁵. Le fluide arrive à l'évaporateur à une température encore plus basse que celle du milieu à refroidir : la chaleur va donc naturellement du milieu vers le fluide, comme elle passe toujours d'un corps chaud à un corps plus froid. Ensuite, pour que le fluide puisse céder cette chaleur à un milieu plus chaud, il faut relever sa température : c'est le rôle de la compression, qui l'amène à une température supérieure à celle du milieu de rejet.

Sur un schéma d'installation ou un cahier des charges, tu verras partout les sigles BP et HP. Le circuit frigorifique est en effet partagé en deux zones : la basse pression (BP) et la haute pression (HP) ².

Comment savoir quelle partie est en BP et laquelle est en HP ? Les pressions du fluide dépendent des températures de service des deux échangeurs ⁶. Le condenseur travaille à une température plus élevée que l'évaporateur, puisqu'il doit céder de la chaleur à un milieu plus chaud que celui qui est refroidi. La pression y est donc plus élevée. Le circuit se découpe ainsi :

• côté HP : de la sortie du compresseur jusqu'au détendeur, en passant par le condenseur ;
• côté BP : de la sortie du détendeur jusqu'à l'entrée du compresseur, en passant par l'évaporateur.

Les deux frontières de la zone sont donc le compresseur et le détendeur.

Il est aujourd'hui obligatoire de contrôler régulièrement les installations frigorifiques de réfrigération et de climatisation ⁶. Lors d'une intervention, la lecture des pressions BP et HP aide aussi à repérer un défaut : une pression anormale d'un côté signale un problème dans le circuit.

Le cycle est une boucle : à la fin d'un tour, le fluide retrouve son état de départ. Son énergie n'a donc pas changé. Tout ce qu'il a reçu pendant le tour, il l'a rendu. Il reçoit de la chaleur à l'évaporateur ² et de l'énergie mécanique au compresseur ⁵. Il cède le tout au condenseur.

À l'examen, le cycle frigorifique ne se traite pas seulement avec des mots. On te demande de lire un schéma de l'installation, de nommer les éléments numérotés et d'indiquer leur fonction ⁴. On te demande aussi de tracer le cycle sur un diagramme enthalpique, à partir des données du dossier technique ⁴. Les compétences évaluées incluent la représentation graphique d'installations frigorifiques et de conditionnement d'air ⁴.

Les fluides frigorigènes sont utilisés pour absorber de la chaleur dans des systèmes de climatisation ou de congélation, et dans les pompes à chaleur, qui prélèvent de l'énergie thermique à l'extérieur d'un local pour la restituer à l'intérieur ⁶. Autrement dit, tu retrouves le même cycle dans la chambre froide d'un commerce, le climatiseur d'un bureau et la pompe à chaleur d'une maison.

Le choix du fluide a une histoire. Les premières molécules de R12 ont été fabriquées en 1929 par l'ingénieur américain Thomas Midgley Jr. et son équipe ⁶. Ce fluide et ceux de sa famille étaient jugés relativement peu dangereux pour l'homme et intéressants du point de vue thermodynamique ⁶. Le sujet des fluides actuels et de leur réglementation est traité dans une page à part, qui suit ce cours.