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Le Zytrachill - Page 6/7

Rédigé par David D. & Stephen M. - 03/11/2003
Catégorie : Phase-Change



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Pour aller plus loin...

Avant même que le Zytrachill soit construit, on peut déjà avoir un ordre d'idée sur ses performances au niveau des températures obtenues à l'évaporateur ainsi que le cycle dans son ensemble grâce à la connaissance du gaz. Connaître un gaz entièrement signifie connaître ces états (solide, liquide et gazeux) en fonction de la température et de la pression. Ces états sont définis par 2 courbes jointives, la courbe de saturation liquide (100 % liquide) à gauche et la courbe de saturation vapeur (100 % vapeur) à droite. Elles sont en noir et gras sur le graphe ci-dessous et se rejoignent au point critique. On définit ensuite sur le graphe des réseaux de courbes isenthalpiques, isentropiques, isochores, isothermes et isobares pour connaître en chaque point imaginable chaque variable thermodynamique qui nous intéresse. Voici donc le graphe (h, log(P)) du R134a :

On sait, d'après le constructeur, que le compresseur fournit une pression de 12 bars en sortie et doit avoir une ligne de succion (entrée compresseur) définie à 1 bar environ. Cette pression à l'entrée se fixe en déterminant la longueur du capillaire qui induira une perte de charge élevée dans le circuit pour faire passer la pression de 12 bars à 1 bar. On peut donc déjà déterminer la zone de travail dans laquelle évoluera le compresseur, entre 1 et 12 bars. On voit que le condenseur devra se trouver sous 50 °C pour que la vapeur se liquéfie et que l'on ne fera pas mieux que -26,5 °C au niveau de l'évaporateur, ce sera notre température minimale atteignable pour le liquide de refroidissement dans le réservoir.

Connaissant les différentes températures et pressions en chaque point du circuit, on peut déterminer l'allure globale du cycle de fonctionnement, ici en bleu avec 4 points spécifiques :

Dans le cycle réel, l'allure sera légèrement différente à cause des pertes de pression dans les différents éléments, les paliers de condensation (2-3) et d'évaporation (4-1) ne seront plus tout à fait horizontaux. On va détailler ce cycle de Mollier pour le rendre plus explicite.

  • Point 1 : c'est le point qui correspond à l'entrée du compresseur. La pression est de 1 bar puisqu'on l'a fixée ainsi et la température avoisine les -10 °C à 0 °C (résultat de l'évaporation complète du gaz dans l'évaporateur). On est donc dans la zone de 100 % de vapeur (vapeur surchauffée) car il faut éviter de ramener du liquide dans le compresseur sous peine de l'endommager. La traversée du compresseur nous amène vers le point 2.
  • Point 2 : c'est le point qui correspond à la sortie du compresseur. Pour arriver là, il aura fallu fournir environ 200 W au compresseur. La pression en ce point est donc de 12 bars et la température avoisine les 80 °C (120 °C étant le maximum admissible par le compresseur). La compression de la vapeur engendre une forte montée de température tout comme la pompe à vélo bouchée qui va devenir brûlante si l'on pompe l'air dedans. De ce point 2, on se dirige vers le condenseur directement relié à la sortie. Le point 2 est donc également l'entrée du condenseur.
  • Point 3 : c'est le point qui correspond à la sortie du condenseur. La pression y est toujours d'environ 12 bars (pertes de pression négligées à la traversée du condenseur) et la température a chutée à environ 30 °C qui est proche de la température de l'air ambiant (25 °C) qui ventile ce condenseur. Le condenseur a donc cédé à l'air ambiant une certaine puissance (chaleur latente de liquéfaction). La vapeur s'est donc refroidie et de ce fait s'est condensée en 100 % en liquide haute pression (liquide sous-refroidi). Il va pouvoir se rendre vers le capillaire en passant de 3 à 4.
  • Point 4 : c'est donc le point qui correspond à la sortie du capillaire. Le liquide se retrouve à cette sortie avec sa pression qui a chutée de 12 bars à 1 bar et sa température de 30 °C à -26,5 °C. Dans cette étape, une partie du liquide s'est progressivement transformée en vapeur. A la sortie du capillaire, on a à peu près 35 % de vapeur et 65 % de liquide (x = 0.35 sur le graphe). Ce mélange se retrouve dans l'évaporateur à basse pression (1 bar) et va donc s'évaporer naturellement à son tour dans ce volume. C'est cette réaction d'évaporation qui absorbera l'énergie environnante pour se faire. Au fur et à mesure de son évaporation, on se rapproche du point 1 et le cycle recommence...

L'intérêt du R134a est d'être facilement condensable à la température ambiante d'où son emploi très répandu pour les congélateurs. Le condenseur voit arriver du gaz HP, à la fin de sa traversée le gaz doit être redevenu liquide à 100 % pour être efficace et rentrer dans le capillaire. Tous les gaz ne permettent pas cela, ce qui limite le choix pour descendre à très basse température. Certains gaz s'évaporant à -120 °C à 1 bar nécessitent des compresseurs nettement plus puissants et demandent une température de -80 °C pour condenser, ce qui est physiquement impossible à obtenir avec une condenseur ventilé à l'air libre. C'est là qu'on arrive aux montages dit "en cascade" avec un compresseur qui refroidit le condenseur d'un deuxième à basse température et ainsi de suite (plusieurs étages)...

Connaissant l'allure du cycle et les températures obtenues le long de celui-ci, on peut avoir un ordre d'idée des performances brutes du Zytrachill. Pour cela on utilise les enthalpies (axe des abscisses) qui représentent l'énergie que peut absorber 1 unité de volume de R134a :

Pour calculer les puissances, il faut connaître le débit massique (en kg/h) que le compresseur fait circuler avec sa cylindrée de 9,08 cm3 et à 12 bars. Le compresseur est donné pour débiter environ 10 kg/h de R134a, on peut le calculer sur le cycle en faisant 0,2 / (h2 - h1) = 0.2 / (466 - 400) = 0,003 kg/s soit environ 10,9 kg/h. On pourra donc absorber une énergie dans l'évaporateur d'environ (h1 - h4) kilojoules par kilo de R134a, ce qui nous fait pour 1 h une énergie absorbable de 10,9 * (400 - 240) = 1744 kJ, c'est à dire autant d'énergie qu'il faut pour faire grimper 10 L d'eau de 0 °C à 42 °C par exemple.

On obtient donc un coefficient global de performances noté COP = (h2 - h4) / (h2 - h1) = (466 - 240) / (466 - 400) = 3,4. Ce coefficient signifie qu'on est capable d'absorber environ 3,4 fois ce que l'on consomme en électricité. En contrepartie, le condenseur va devoir évacuer la totalité de l'énergie absorbée qui est la somme de ce que consomme le compresseur (moins ce qu'il dissipe dans l'air par sa carcasse) et de ce que l'on a absorbé dans l'évaporateur, elle vaut (h2 - h3) = (h2 - h4). Les valeurs obtenues sont évidemment sujettes à variation car il faudrait connaître bien plus précisément les températures et les pressions à chaque point de notre cycle.

Dans le Zytrachill, tout a finalement été bien réalisé puisque les tests montreront que la température au niveau de l'évaporateur atteint -25 °C en 2 min donc très proche de -26,5 °C (pression réglée à ~1 bar à l'évapo). Le capillaire conditionne une grande partie de la performance du groupe. S'il est trop petit ou trop long, il provoquera un gain ou une perte de pression (et de débit) qui empêchera d'atteindre le meilleur compromis.

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