Comment fonctionne une installation en cascade !

Le principe de fonctionnement d'une cascade repose sur le cycle frigorifique traditionnel de type a compression de vapeur et changement d’états.
Une cascade est constituée d’une succession d’installation thermodynamique (compresseur, condenseur, détendeur, évaporateur), en générale deux voire trois en fonction de l’utilisation et de la température visée. Ces installations comprennent des circuits frigorifiques qui utilisent des fluides frigorigènes travaillant à des niveaux de température différents et couplés thermiquement par un échangeur.

Cascade frigorifique à 2 étages

L’étage haute pression (1er étage) possède une source chaude (condenseur) classique refroidie par air ou par eau. Sa source froide (évaporateur) est en contact avec la source chaude de l’étage basse pression (2em étage) grâce à un échangeur à contre-courant. L’évaporateur à air ou à eau de l’étage basse pression soustrait la chaleur au milieu considéré.

Couple de fluide utilisé par un cycle en cascade :

NH3/CO2

R134a/C02

R290/CO2

R448/R23

HC/CO2

Les pressions de saturation des fluides utilisés dans l’étage basse température peuvent devenir très importantes avec l’augmentation de la température, en fonctionnement ou à l’arrêt.
Exemple, le R32 à 20°C sa pression est de 42 Bar.
Il est donc nécessaire d’avoir un dispositif de sécurité pour limiter la pression en augmentant le volume, généralement c’est une réserve tampon agissant comme vase d’expansion. Le dimensionnement de ce vase doit tenir compte de la température maximale de la zone ou est mis en place la cascade. Des soupapes de sécurité viennent compléter l’ensemble.

Le premier étage est tout d’abord mis en service, petit à petit par manque d’échange dans l’échangeur à plaque, la température et la pression vont baisser côté basse pression de l’étage 1.

Lorsque cette température atteindra sa valeur de consigne, par exemple -20 °C, alors on autorisera le fonctionnement du 2em étage. La régulation de puissance, donc le volume aspiré des compresseurs est pilotée par des variateurs de fréquence. La fréquence minimum de fonctionnement sera choisie en fonction du type de compresseur, piston, scroll et des données du constructeur. Le ventilateur condenseur est aussi commandé par un variateur pour réguler la pression HP.Le ventilateur de l’évaporateur peut être a vitesse fixe. Les détendeurs sont soit mécanique de type a égalisation externe, soit électronique, ce dernier étant plus fiable et plus précis. Une régulation PID gère l’ensemble du système.

Température critique et point triple

Les fluides utilisés dans les cascades ont des températures d’évaporation très basse mais possèdent des températures critiques assez faibles.
Les conditions de températures de condensation de l’étage basse pression doivent rester en dessous du point de température critique du fluide utilisé qui est généralement assez bas, 31°C pour le CO2, 25°C pour le R23.Rappelons qu’à la température critique le changement d’état vapeur/liquide n’est plus possible.

Pour atteindre de très basse température dans une enceinte il faut des températures d’évaporation encore plus basses, au-delà d’une certaine limite suivant les fluides il y a risque d’atteindre un état physique appelé le point triple. Le point triple correspond à une coexistence possible entre les états physiques solide, liquide et gazeux.