Evaporateur frigorifique : rôle et fonctionnement !

L’évaporateur est un échangeur de chaleur essentiel dans tout système frigorifique (climatiseur, pompe à chaleur, chambre froide, etc.). Sa fonction principale est d’absorber la chaleur provenant du milieu à refroidir (air, eau ou saumure) grâce à l’évaporation du fluide frigorigène qu’il contient.
Concrètement, le fluide frigorigène arrive dans l’évaporateur à l’état liquide détendu et à basse pression. En s’évaporant, il capte la chaleur du milieu environnant, provoquant ainsi son refroidissement. Ce changement d’état (de liquide à vapeur) constitue le cœur du phénomène frigorifique.

Exemple : changement d'état évaporateur à air

Repère 1 : Arrivée du liquide sous-refroidi
Le fluide frigorigène sort du condenseur à l’état liquide sous-refroidi et atteint le détendeur.
Repère 2 : Détente et vaporisation partielle
Le liquide se détend et se vaporise par abaissement brusque de la pression. Le fluide se présente sous forme d’un mélange liquide-vapeur, le liquide étant alors majoritaire. Il entre dans l’évaporateur à très basse température.
Repère 2 et 3 : En circulant dans l’évaporateur, le fluide absorbe la chaleur du milieu à refroidir. Progressivement, la proportion de vapeur augmente jusqu’à atteindre 100 % de vapeur en sortie.
Repère 3 : nous sommes à ce point à 100 % de vapeur.
Repère 3 et 4 : Le fluide continue à gagner un peu de chaleur, ce qui provoque une surchauffe utile pour éviter que des gouttelettes de liquide n’atteignent le compresseur. C'est la zone de la surchauffe fonctionnelle qui rappelons-le se mesure en prenant la différence de température prise au thermomètre entre le repère 4 et la pression d'aspiration du compresseur traduite en degrés.

🔗 En savoir plus : Surchauffe évaporateur

Exemple de calcul de surchauffe :
• Température mesurée au point 4 : 6,5 °C
• Pression d’aspiration mesurée : 7,5 bar abs (correspond à environ 0 °C de température d’évaporation pour R32, valeur à lire sur une table ou une appli P/T)
• Surchauffe = 6,5 °C − 0 °C = 6,5 °C

Nous voyons sur le dessin ci-dessous les proportions liquide-vapeur régnant dans l'évaporateur, celui-ci est rempli d'un mélange de liquide et de vapeur, mélange d'autant plus riche en vapeur que l'on s'éloigne du détendeur.

Plus le mélange est riche en liquide en sortie de détendeur plus l'échange sera meilleur.

Conditions thermiques et transfert d’énergie

Le transfert de chaleur s’effectue toujours du corps chaud vers le corps froid. Ainsi, puisque la température du milieu à refroidir (air, eau ou saumure) est plus élevée que celle du fluide frigorigène dans l’évaporateur, la chaleur s’y déplace naturellement. Cette énergie absorbée provoque la vaporisation du fluide et le refroidissement du milieu. Dans le cas d’un fluide frigorigène pur, la température d’évaporation reste constante tout au long du processus. En revanche, avec un fluide zéotrope, la température varie légèrement au cours de l’évaporation : c’est le phénomène de glissement de température (ou température glide).

Types d’évaporateurs

Selon l’application et le fluide caloporteur, on distingue trois grandes catégories :

1. Évaporateurs à air : utilisés dans les systèmes de réfrigération et les climatiseurs. L’échange thermique se fait avec l’air ambiant grâce à un ventilateur.
2. Évaporateurs à eau : souvent employés dans les groupes d’eau glacée, où l’eau est refroidie pour alimenter un réseau de climatisation.
3. Évaporateurs à saumure : utilisés pour des applications nécessitant des températures très basses, comme certaines installations industrielles.

🔗 En savoir plus : Type évaporateur à air , Evaporateur à plaques eutectiques

Importance de la conception et du réglage

Un bon fonctionnement de l’évaporateur dépend de plusieurs paramètres :
• Le débit du fluide frigorigène, ajusté via le détendeur.
• La surface d’échange thermique adaptée à la puissance frigorifique recherchée.
• Le taux de remplissage optimal en liquide à l’entrée, conditionne l’efficacité de l’échange.
• Le contrôle de la surchauffe, garantissant la sécurité du compresseur.

Une surchauffe trop faible risque de provoquer un retour de liquide au compresseur (détérioration mécanique), tandis qu’une surchauffe trop élevée diminue les performances et réduit la puissance frigorifique disponible.