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Cycle des pompe à chaleur

Changements d’état du fluide frigorigène

Pour ceux qui veulent comprendre précisément le fonctionnement d’une pompe à chaleur, il va falloir s’assurer de quelques notions de physique. Rien ne sera démontré, ce ne sont que des rappels.

Selon la température et la pression, un corps (l’eau, le fer, le fluide frigorigène…) se trouvera sous forme de : solide, liquide, gaz ou plasma. Certaines conditions vont permettre le passage d’un état à un autre, et la température de ces points de changement de phase sera fonction de la pression (ou inversement, selon le paramètre que l’on peut modifier). Pour clarifier, prenons l’exemple classique : Sous une pression atmosphérique normale, l’eau bout, donc passe de l’état liquide à l’état gazeux, à 100°C. Si on diminue la pression, la température d’ébullition de l’eau va elle aussi diminuer. On peut trés bien placer un volume d’eau dans des conditions de pression telles qu’il va bouillir à 30°C. C’est donc la première chose à bien comprendre : En jouant sur la pression, on peut changer la température de vaporisation (passage de l’état liquide à l’état gazeux), ou de condensation (passage de l’état gazeux à l’état liquide) du fluide frigorigène.

 

Énergie et changement d’état

Lors d’un changement d’état, un corps va emmagasiner ou libérer une grande quantité d’énergie, liée à ses propriétés physiques, et au poids concerné. Reprenons l’exemple de l’eau qui bout : on chauffe l’eau liquide jusqu’à atteindre la température d’ébullition dans les conditions de pression choisie. En arrivant à cette température, la transformation en vapeur commence, et la température de l’ensemble eau liquide et vapeur ne changera plus, et restera à la température d’ébullition malgré l’apport continu de chaleur (énergie thermique), tant que toute l’eau ne sera pas transformée en gaz. Première loi de la thermodynamique, l’énergie apportée au sytème ne disparaît pas, même s’il reste à température constante, donc l’énergie thermique transmise est emmagasinée par le changement d’état. On appelle cela chaleur latente de vaporisation. C’est d’ailleurs le mécanisme qui rend la transpiration efficace pour refroidir le corps humain, la sueur capte de la chaleur pour s’évaporer. Dans l’autre sens, même principe, et on parle de chaleur latente de condensation. Lorsqu’on passe de l’état gazeux à l’état liquide, une grande quantité d’énergie thermique est émise par le fluide, à température constante.

Lire aussi :   COP d’une pompe à chaleur et rendement annuel

Voilà, nous commençons à avoir les armes pour comprendre vraiment le fonctionnement du cycle d’une pompe à chaleur.

 

Cycle thermodynamique d’une pompe à chaleur

Le cycle d’une pompe à chaleur va utiliser deux sources de température différentes, un circuit de fluide frigorigène, et sur ce circuit, un compresseur (pour augmenter la pression) et un détendeur (pour la diminuer).

Partons du détendeur : la pression du fluide en phase liquide est abaissée pour que sa température d’ébullition soit légérement inférieure à celle de la source froide. Le fluide passe ensuite dans un circuit (l’évaporateur) situé dans la source froide (l’extérieur de la maison). Il va donc se transformer de liquide en gaz, à température constante (ou presque), capter et emmagasiner de l’énergie thermique par ce changement d’état. Puis le fluide frigorigène sous forme gazeuse va arriver au compresseur, qui va augmenter sa pression pour que la température de condensation soit légérement supérieure à celle de la source chaude. Le fluide continue dans la partie du circuit située dans la source chaude (l’intérieur de la maison), le condenseur, et va donc passer à l’état liquide, ce nouveau changement d’état libérant dans la source chaude l’énergie thermique emmagasinée lors de la vaporisation. Puis on retourne sous forme liquide au détendeur et un nouveau cycle commence.

Si vous avez suivi jusque là, c’est déja pas mal, et le principe de fonctionnement des pompes à chaleur doit être à peu près clair (j’espère). En thermodynamique, on parle de deux transformations isothermes (à température constante) pour l’évaporation et la condensation, et deux transformations adiabatiques (sans échange de chaleur) pour la détente et la compression, toutes ces transformations étant réversibles.

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Et tout ceci ressemble fort à un cycle de Carnot inversé, mais pour expliquer comment on peut comparer le rendement obtenu par le cycle des pompes à chaleur à celui du cycle idéal sans sortir d’équations, il va falloir me payer cher. Dans un premier temps, il suffit de savoir que l’efficacité énergétique théorique du cycle est limité par des lois physiques, et que dans la pratique, les propriétés des fluides et les contraintes techniques (notamment sur les pressions atteintes) de fabrication des appareils font que l’on reste de toutes façons loin du rendement théorique maximal.

 

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