Présentation du diagramme enthalpique (simplifié):
Le diagramme de Mollier (Physicien allemand) ou enthalpique permet de comprendre le cycle frigorifique en suivant l'évolution du fluide au cours de chaque transformation, on part d'un état initial d'un fluide pour arriver à un état final en déterminant les différentes enthalpies, pression, températures, débits massiques, etc.
Principes fondamentaux du diagramme de Mollier
Le diagramme enthalpique offre une représentation graphique des propriétés thermodynamiques d'un fluide frigorigène.
Les composantes essentielles du diagramme enthalpique
Le diagramme de Mollier se compose de plusieurs éléments clés :
- Axe horizontal : représente l'enthalpie spécifique ou énergie totale d'un système (kJ/kg)
- Axe vertical : indique la pression absolue (bar)
- Courbes isothermes : lignes de température constante
- Courbes isentropiques : lignes ou l'entropie*reste constante.
- Courbe de saturation : sépare 3 zones, liquide, liquide + vapeur, vapeur.
- Courbe Isotitre: correspond au rapport de la masse de vapeur sur la masse totale du fluide.
- Courbe Isochore: ligne où le volume ne change pas même au cours d'une transformation.
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Le point critique marque la fin de la distinction entre les phases liquide et gazeuse du fluide. Au-delà de ce point, le fluide entre dans un état supercritique où ses propriétés changent de manière continue.
*Entropie : aptitude de l'énergie contenue dans un système à fournir ou ne pas fournir du travail
Application du diagramme dans les cycles frigorifiques
Le diagramme enthalpique trouve son utilité principale dans l'analyse et l'optimisation des systèmes de réfrigération. Il permet de visualiser chaque étape du cycle frigorifique et d'évaluer les performances du système.
Analyse des étapes du cycle de réfrigération
Un cycle frigorifique standard comprend quatre étapes principales, toutes représentables sur le diagramme de Mollier :
- Compression : augmentation de la pression et de la température du fluide
- Condensation : rejet de chaleur et passage à l'état liquide
- Détente : baisse de pression et début de vaporisation
- Évaporation : absorption de chaleur et vaporisation complète
Détermination des paramètres clés du système
- Le choix du fluide frigorigène impacte significativement les performances d'un système de réfrigération. Le diagramme enthalpique facilite la comparaison des propriétés thermodynamiques de différents fluides.
- Chaque fluide frigorigène possède son propre diagramme enthalpique, reflétant ses caractéristiques uniques. Les points critiques, les courbes de saturation et les zones de fonctionnement optimal varient d'un fluide à l'autre.
- L'utilisation du diagramme permet d'évaluer l'adéquation d'un fluide frigorigène à une application spécifique. Les ingénieurs peuvent ainsi sélectionner le fluide offrant le meilleur compromis entre efficacité énergétique, impact environnemental et conditions d'exploitation.
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Le diagramme permet de visualiser l'impact des changements de paramètres sur l'efficacité du cycle. On peut optimiser la surchauffe, le sous-refroidissement, et les pressions de travail. Il aide aussi à identifier les pertes d'énergie dans le cycle, permettant de cibler les améliorations pour réduire la consommation énergétique globale du système.
Grâce au diagramme, il devient possible de calculer :
- Le coefficient de performance (COP) du système (plus d'informations sur ce guide de Selectra)
- La puissance frigorifique
- Le travail de compression
- Les débits massiques du fluide frigorigène
Exemple de diagramme pour le fluide R134 A
Si on trace sur un diagramme de Mollier toutes les transformations d'un cycle frigorifique (en rouge), on obtient un cycle théorique.
Cycle frigorifique idéal :
1 à 2 : Le fluide s’évapore, sa température et sa pression ne changent pas, mais son enthalpie augmente (quantité de chaleur). C’est la phase ou le fluide capte les calories du milieu à refroidir.
- État du fluide entrée: mélange liquide vapeur
- État du fluide sortie: vapeur surchauffée basse pression
2 à 3 : Ici c'est la fin de l'évaporateur cette zone sert à surchauffer le gaz afin d'être certain que tout le fluide se soit évaporé.
4 à 5 : Le gaz est comprimé, l’augmentation de la pression s’accompagne d’une augmentation de température.
- État du fluide entrée: vapeur basse pression surchaufféed
- État du fluide sortie: vapeur haute pression surchauffée
5 à 6 : C'est la zone de la désurchauffe
6 à 7: Le fluide passe à l’état liquide dans le condenseur sa pression ne change pas, cette condensation qui s'effectue à une température plus élevée et il permet de céder de la chaleur, l'entalphie diminue .
- État du fluide entrée: vapeur haute pression surchauffée
- État du fluide sortie: liquide haute pression sous-refroidi
7 à 8 : Zone du sous refroidissement
8 à 1 : Le fluide ce détend par laminage (abaissement brusque de la pression) à travers un orifice (détendeur), une partie du fluide se vaporise.
- État du fluide entrée: liquide haute pression
- État du fluide sortie: mélange liquide vapeur
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