Comprendre le Diagramme Enthalpique

1. A quoi ça sert un diagramme Enthalpique ?

Ça sert à tracer le cycle frigorifique de la machine et ça sert surtout à faire les calculs de base pour choisir et dimensionner les éléments de la machine frigorifique.

Après avoir calculé le bilan thermique journalier d’une chambre froide par exemple (apports thermiques par les parois, les denrées, par le renouvellement d’air, par le personnel, par la ventilation, par l’éclairage, par la chaleur du matériel).  Vous pouvez déterminer la puissance frigorifique de la future installation. Suivant les denrées qui se trouvent dans la chambre froide, une température de conservation sera conseillé, il faut savoir qu’a chaque catégorie de produit ( légume, viande etc…) il y a une température optimale de conservation.

De cette température découle :

- le choix du fluide frigorigène.

- la température d’évaporation et la température de condensation.

- la surchauffe.

- le sous-refroidissement.

2. Présentation du diagramme

Pour un fluide frigorigène dans un système frigorifique, le diagramme Enthalpique permet de suivre l'évolution de :

- la pression

- la température

- l'enthalpie

- l'entropie

- volume massique

- du mélange liquide-vapeur

Il existe un diagramme enthalpique pour chaque fluide frigorigène (R22, R134a...).

Sur le diagramme enthalpique, il est possible de suivre les différents changement d'état du fluide.

En abscisse, on trouve l'échelle des enthalpies. En ordonnée, on trouve l'échelle des pressions. Les courbes de saturation se rejoignent à un point, point critique, et divisent le diagramme en trois partie :

- zone de liquide sous-refroidi;

- zone de mélange liquide +vapeur;

- zone de vapeur surchauffée.

Ces trois zones correspondent aux différents états du fluide frigorigène dans un système frigorifique. Au dessus, du point critique un changement d'état n'est plus possible.

3. Paramètres composant le diagramme 

- La pression :

L'échelle des pressions évolue parallèlement à l'axe des enthalpies. Une transformation qui s'effectue à pression constante est une transformation ISOBARE (pas de changement de pression).

Ligne ISOBARE : Pression en A = Pression en B = Pression en C = 5 bar absolus

Unité de la pression : bar

- L'enthalpie:

L'enthalpie représente l'énergie totale emmagasinée (Q en J) par 1 kg de fluide frigorigène pour une pression et une température donnée. Une transformation qui s'effectue à enthalpie constante est une transformation ISENTHALPE (pas d'énergie emmagasinée par le fluide). L'échelle des enthalpies évolue parallèlement à l'axe des pressions.

Ligne ISENTHALPE : enthalpie en A = enthalpie en B = 200 kJ/kg

Unité de l'enthalpie : kJ / kg

- La température :

Dans la zone de mélange liquide + vapeur , la température et la pression sont liés (Relation pression/température). Dans les autres zones la température et la pression ne sont pas liées. Une transformation qui s'effectue à température constante est une transformation ISOTHERME (pas de changement de température).

Ligne ISOTHERME : température en A = température en B = température en C = + 20 °C.

Unité de température : °C

- Le volume massique : 

Le volume massique représente le volume occupé par 1 kilogramme de fluide frigorigène. Une transformation qui s'effectue à volume massique constant est une transformation ISOCHORE (pas de changement de volume).

Ligne ISOCHORE : volume massique en A = volume massique en B = 0,2037 m³/kg

Unité du volume massique : m³ / kg

- L'entropie : 

L'entropie représente l'énergie interne emmagasinée (Q en J) par 1 kg de fluide frigorigène et par Kelvin. Une transformation qui s'effectue à entropie constante est une transformation ISENTROPE (pas d'énergie emmagasinée).

Ligne ISENTROPE : entropie en A = 1,701 kJ / kg.K

Unité de l'entropie : kJ / kg.K

- Le titre : 

Le titre représente le pourcentage de vapeur par rapport au liquide. Si le titre reste constant, on parle de ISOTITRE (pourcentage de vapeur identique, pas d’augmentation de la quantité de vapeur).

Ligne ISOTITRE : titre en A = 0,1 ( 10 % de vapeur et 90 % de liquide )

Unité : %

4. Après avoir tracé le diagramme ?

On peut calculer :

- Le débit masse (qm).

- Le volume aspiré (Va)

- Le taux de compression.

- Le rendement volumétrique.

- Le volume balayé du compresseur.

- La puissance théorique pour la compression.

- La puissance réelle pour la compression.

- La puissance utile à l’arbre du compresseur.

- La puissance utile du moteur électrique.

- La puissance du condenseur.

- La puissance du détendeur.

Ensuite on peut sélectionner le matériel :

- Le compresseur avec l’aide de la documentation constructeur.

- On détermine la puissance du condenseur

- On détermine la puissance de l’évaporateur

Dernière étape :

On dimensionne la tuyauterie (le calcul des pertes de charges).

Le diagramme constitue donc une étape clé dans le dimensionnement d'une installation, il est indispensable.