En conséquence de la réglementation sur les gaz fluorés, relative à la réduction du PRG des fluides frigorigènes, un certain nombre de nouveaux types de fluides frigorigènes synthétiques sont déjà présents ou vont être mis sur le marché. La plupart d’entre eux sont des mélanges zéotropes avec un glissement de température significatif.
Pour illustrer les différences avec les fluides frigorigènes azéotropes (sans glissement), les diagrammes log (p)/h et p/t ont été choisi.
Tous les différents types d’états, à différentes conditions, peuvent être trouvés dans un diagramme log (p)/h. L’axe des X indique l’enthalpie spécifique, alors que l’axe des Y indique la pression, généralement à une échelle logarithmique.
De gauche à droite, le diagramme évolue de l’état liquide pur, croise le point bulle où commence le processus d’évaporation, et pénètre dans la zone de saturation. Au long de la phase de saturation, les deux états liquide et vapeur sont présents. Plus vous ajoutez de l’énergie, plus l’enthalpie augmente, et plus le liquide s’évapore, jusqu’au point de rosée où tout le liquide est passé à l’état de vapeur. Au croisement du point de rosée, la vapeur devient surchauffée.
La valeur de surchauffe est mesurée comme la différence de température entre la température de point de rosée et la température de vapeur surchauffée à la même pression, par exemple à la sortie d’un évaporateur à détente sèche. À titre d’exemple la plage d’application des détendeurs thermostatiques « gamme N » de Danfoss a été ajoutée.
Dans la zone de saturation, la température dépend directement de la pression. Avec les fluides frigorigènes purs (comme le R 134a) et les mélanges azéotropes, la température reste la même tout au long du processus d’évaporation. Avec les mélanges à glissement de température, c’est-à-dire les mélanges zéotropes, la température évolue de façon significative au cours du processus d’évaporation ou de condensation ; cependant, la pression reste constante. En termes très simples, ce glissement de température provient du fait que le fluide frigorigène ayant la température d’évaporation la plus faible s’évapore en premier, alors que le fluide frigorigène avec la température d’évaporation la plus élevée s’évapore en dernier. Pour visualiser cet effet de glissement, un circuit à détente sèche standard est illustré dans un diagramme log (p)/h simplifié. La différence de température au niveau des échangeurs de chaleur est de 10 K, à la fois avec la température extérieure et avec la température de chambre froide.
Exemple de fluide frigorigène sans glissement, mélange azéotrope, R 507A :
La température de condensation et d’évaporation reste la même pour une pression donnée. pc = pression de condensation et pe = pression d’évaporation.
Même système, mais avec fluide frigorigène zéotrope R 407F :
Pour obtenir une différence de température de 10 K, la température d’évaporation passe de - 12,3 °C à l’entrée à - 8 °C au point de rosée.
L’évolution de la température d’évaporation et ses conséquences sur l’échangeur de chaleur et sur le détendeur sont décrites par la suite.
1 Influence sur l’application d’un fluide frigorigène à glissement élevé
Comme la température change, la différence de température entre l’air et l’échangeur de chaleur change également, ce dont il faut tenir compte lors du dimensionnement de l’échangeur de chaleur.
Condenseur
La différence de température moyenne entre l’air et le condenseur est inférieure et nécessite un condenseur plus grand.
Un retrofit peut entraîner une augmentation de la température de condensation, si le compresseur a la même puissance qu’auparavant.
Évaporateur
La température moyenne augmente et a une influence positive en termes de puissance. Mais il convient de tenir compte de deux aspects critiques : le détendeur et la modification du taux de déshumidification. Voici tout d’abord quelques éléments sur la relation entre la surchauffe et la puissance de l’échangeur de chaleur.
Régulation de la surchauffe
La puissance d’un évaporateur à tube et à ailettes est définie selon la température d’entrée de l’air, DT1, et la valeur de surchauffe.
DT1 a été spécifiée comme la différence de température entre la température d’entrée d’air et la température d’évaporation de point de rosée. Par exemple, si l’entrée d’air = 0 °C, la température d’évaporation de point de rosée = - 10 °C –> DT1 = 10 K.
Pour obtenir une puissance de l’évaporateur de 100 %, la surchauffe cible est définie comme DT1 x taux de surchauffe : 10 K x 0,65 = 6,5 K. Du point de vue des régulateurs, la valeur de 0,65 est presque la valeur optimale, et elle est spécifiée par la norme EN 328 comme la valeur cible pour les refroidisseurs d’air. Le diagramme 4 illustre qu’une augmentation de cette valeur (SH plus élevée), même faible, entraîne une perte énorme en utilisant une surface plus importante de l’évaporateur.
Inversement, une réduction de la surchauffe entraîne une légère augmentation de la puissance.
La comparaison des valeurs de surchauffe à l’évaporateur des diagrammes 2 et 3 montre des valeurs différentes. La différence de température moyenne de l’évaporateur des diagrammes 2 et 3 est la même. Mais dans le diagramme 3, en raison du glissement avec le R407F, la valeur de surchauffe requise est inférieure. La raison en est que la température d’évaporation de point de rosée, à -8,1 °C, est plus élevée de 2 K qu’avec le R507A dans le diagramme 2. DT1 = 0 °C – (- 8,1 °C) = 8,1 K. La surchauffe cible est donc 8,1 K x 0,65 = 5,3 K.
2 Fluides frigorigènes à glissement élevé et détendeurs
Les détendeurs utilisent la pression et la température pour contrôler le niveau de surchauffe à la sortie de l’évaporateur.
Pour la régulation de la surchauffe, la ligne du point de rosée (évaporé à 100 %) est la seule référence valide. L’élément thermostatique du détendeur est chargé avec un fluide qui assure pratiquement la même différence de température sur une plage étendue (p. ex. charge de la gamme N Danfoss : - 40 °C à + 10 °C).
La surchauffe peut donc être déterminée en référence au point de rosée. Par exemple, au diagramme 2, le R 507A nécessite une valeur de surchauffe de 6,5 K pour utiliser l’évaporateur à 100 %. Cela est basé sur une différence de température moyenne de 10 K.
3 Pourquoi peut-il être nécessaire d’ajuster à nouveau la surchauffe d’un détendeur thermostatique ?
3.1. En raison du glissement
Au diagramme 3, en raison de l’influence du glissement avec le R407F, la température de point de rosée est d’environ - 8,1 °C et le même évaporateur nécessite un réglage de la surchauffe sur 5,3 K pour utiliser la puissance à 100 %, toujours à une différence de température moyenne de 10 K.
3. 2. Le retrofit d’un détendeur thermostatique avec la charge correcte n’est pas toujours possible
Ci-contre (diagramme 5) une courbe de rosée comme au diagramme 1, mais convertie en une courbe classique de pression/température : Afin d’augmenter la température du bulbe (surchauffé) requise pour ouvrir la vanne, la force exercée par le ressort est augmentée pour s’opposer à la pression de la sonde (bulbe) : Pression du fluide + force du ressort = surchauffe.
Lors d’un retrofit avec le R 407F, la charge de R 407C + la force/pression du ressort cause une valeur de surchauffe trop élevée. La force du ressort doit donc être réduite : Cela s’effectue en tournant la vis de réglage de la surchauffe dans le sens inverse des aiguilles d’une montre.
4 Forces au niveau d’une vanne et réinitialisation de la surchauffe statique
La pression de la sonde PB doit dépasser la pression d’évaporation
PE + la pression du ressort PS.
En réduisant la pression du ressort au moyen du réglage de surchauffe, vous pouvez adapter la vanne à un fluide frigorigène pour lequel elle n’est pas conçue.
Attention !
Si la correction dépasse environ 3 K, la qualité de la régulation peut se dégrader. Il est recommandé de choisir un autre type de charge, plus proche de la valeur cible.
Surchauffe statique SS = 4 K (réglage d’usine)
Surchauffe d’ouverture OS = 4 K La surchauffe d’ouverture est de 4 K, c’est-à-dire à partir du point où la vanne commence à s’ouvrir jusqu’à la puissance nominale. La surchauffe d’ouverture est déterminée par conception et ne peut pas être modifiée.
Surchauffe totale
SH = SS + OS
SH = 4 + 4 = 8 K
La surchauffe totale SH peut être modifiée en changeant la SS (à l’aide de la tige de réglage).
Voir Schéma de la page 12
Remarque des auteurs :
Les fluides frigorigènes et les conditions présentées dans l’ensemble de ce document ne constituent pas des recommandations. Ce document a pour but de discuter objectivement des aspects physiques et de leur influence sur les composants et sur la conception des systèmes.
Pour aller plus loin
Cet article tout comme celui de la page 30 est issu du dossier technique « Retrofit et fluides frigorigènes à glissement de température élevé » rédigé par les équipes de Danfoss. Il traite aussi de la compatibilité chimique des composants et de la procédure de retrofit d’un système. L’intégralité est à retrouver dans la documentation générale du constructeur www.danfoss.com/fr-fr/service-and-support.
