Les composants : Échangeur de chaleur, compresseur et détendeur
Introduction : Les éléments constitutifs de la pompe à chaleur
Une pompe à chaleur se compose de quatre composants principaux qui travaillent ensemble dans un cycle :
- Évaporateur (échangeur de chaleur pour l'absorption de chaleur)
- Compresseur (cœur du système)
- Condenseur (échangeur de chaleur pour la libération de chaleur)
- Détendeur (réduction de pression)
À cela s'ajoute le fluide frigorigène, qui circule à travers tous les composants. Dans cet article, nous examinons chaque composant de plus près.
L'échangeur de chaleur : Donner et prendre de la chaleur
Sans l'échangeur de chaleur, la technique moderne de chauffage et de réfrigération serait difficile à imaginer. Ce composant remplit la fonction centrale d'absorption et de libération de chaleur.
Principe de fonctionnement
Dans un échangeur de chaleur, la chaleur est échangée entre deux milieux, sans que les milieux ne se touchent directement.
Important : « Chaud » se déplace toujours vers « Froid » – c'est le deuxième principe de la thermodynamique en action.
Le transfert de chaleur s'effectue principalement par :
- Conduction : Conductivité thermique à travers les matériaux
- Convection : Transport de chaleur par des milieux en circulation
Exemples du quotidien
Les échangeurs de chaleur nous accompagnent quotidiennement dans de nombreux appareils :
| Appareil | Absorption de chaleur | Libération de chaleur |
|---|---|---|
| Radiateur de voiture | Eau de refroidissement chaude | Air passant |
| Réfrigérateur | Intérieur | Arrière (grille) |
| Pompe à chaleur | Environnement (air/sol) | Eau de chauffage |
Types d'échangeurs de chaleur
Échangeur tubulaire
Structure :
- Un tube avec un milieu en circulation
- Un espace défini autour du tube avec un autre milieu
- La chaleur est transférée à travers la paroi du tube
Avantages :
Les échangeurs tubulaires se distinguent surtout par leur simplicité :
| Avantage | Explication |
|---|---|
| Construction simple | Peu de composants |
| Robuste | Insensible aux variations de pression |
| Facile à entretenir | Facile à nettoyer |
| Économique | Fabrication peu coûteuse |
Inconvénients :
La simplicité comporte toutefois aussi des limitations :
| Inconvénient | Explication |
|---|---|
| Efficacité moindre | Surface de transfert plus petite |
| Encombrement plus important | Plus d'espace nécessaire |
Échangeur à plaques
Structure :
- Plusieurs plaques avec de petits espaces
- Milieu chaud et froid en alternance
- Direction de flux opposée pour une efficacité maximale
Avantages :
La construction compacte offre des avantages décisifs :
| Avantage | Explication |
|---|---|
| Haute efficacité | Grande surface |
| Compact | Peu d'espace nécessaire |
| Extensible de manière flexible | Plaques ajoutables |
Inconvénients :
La complexité plus élevée a cependant aussi des inconvénients :
| Inconvénient | Explication |
|---|---|
| Coûts plus élevés | Fabrication plus élaborée |
| Sensible à la pression | Joints fragiles |
| Plus difficile à nettoyer | Nombreux petits canaux |
Utilisation dans les pompes à chaleur
Dans les pompes à chaleur, différents types d'échangeurs de chaleur sont utilisés selon la position :
| Position | Désignation | Type d'échangeur |
|---|---|---|
| Entrée | Évaporateur | Lamelles tubulaires ou plaques |
| Sortie | Condenseur | Échangeur à plaques brasées |
Le compresseur : Le cœur du système
Ce composant est responsable de la compression du fluide frigorigène. Par la compression, la température s'élève à un niveau utilisable.
Principe de fonctionnement
- Le fluide frigorigène gazeux est aspiré depuis l'évaporateur
- Le compresseur comprime mécaniquement le gaz
- La pression augmente → La température augmente
- Le gaz chaud est acheminé vers le condenseur
Le compresseur est le véritable « pompage » dans la pompe à chaleur !
Structure
Un compresseur se compose de :
- Unité d'entraînement : Généralement un moteur électrique
- Zone de compression : Roues à aubes ou pistons
Types de compresseurs
Compresseur scroll (standard pour les pompes à chaleur)
Principe de fonctionnement :
- Deux éléments en forme de spirale
- L'un fixe, l'autre mobile
- Le mouvement excentrique comprime le gaz
Avantages :
Les compresseurs scroll se sont établis comme standard pour de bonnes raisons :
| Avantage | Explication |
|---|---|
| Très silencieux | Pas de mouvements brusques |
| Haut rendement | Compression efficace |
| Longue durée de vie | Peu d'usure |
| Débit constant | Fonctionnement régulier |
Compresseur inverter (moderne)
Combine le compresseur scroll avec un onduleur :
- La vitesse du moteur est variable
- Adapte la puissance aux besoins
- Pas de marche/arrêt constants → moins d'usure
Avantages :
La vitesse variable apporte des avantages décisifs :
| Avantage | Explication |
|---|---|
| Économe en énergie | Seulement autant de puissance que nécessaire |
| Silencieux | Pas de bruits de démarrage |
| Durable | Contrainte réduite |
| Régulation précise | Température constante |
Autres types de compresseurs
Outre les types mentionnés, il existe d'autres modèles de compresseurs pour des applications spéciales :
| Type | Application |
|---|---|
| Compresseur à piston | Grandes installations frigorifiques |
| Compresseur rotatif | Petits climatiseurs |
| Turbocompresseur | Installations industrielles |
Le détendeur : L'adversaire
Le détendeur est l'adversaire du compresseur. Il régule le retour du fluide frigorigène du condenseur vers l'évaporateur.
Principe de fonctionnement
Après la libération de chaleur dans le condenseur, le fluide frigorigène a encore :
- Une pression élevée
- Une température élevée
Le détendeur :
- Réduit la pression par libération contrôlée
- Ainsi la température diminue
- Le fluide frigorigène est prêt pour le prochain cycle
Types de vannes
Détendeurs non régulés
- Construction simple
- Ouverture fixe
- Pour systèmes simples (p.ex. réfrigérateurs)
Détendeurs régulés
- Adapte automatiquement le débit
- Réagit à la température et à la pression
- Standard pour les pompes à chaleur
Par la régulation, la puissance de chauffage peut être réglée avec précision.
Le fluide frigorigène : Le liquide magique
Sans les propriétés particulières du fluide frigorigène, les pompes à chaleur ne pourraient pas fonctionner.
Qu'est-ce qui rend un fluide frigorigène spécial ?
Les fluides frigorigènes ont des propriétés physiques particulières qui les rendent idéaux pour cette application :
| Propriété | Signification |
|---|---|
| Point d'ébullition bas | S'évapore déjà à basses températures |
| Haute capacité thermique | Absorbe beaucoup de chaleur |
| Changement de phase | Passe efficacement de liquide à gazeux |
Fluide frigorigène vs. Liquide de refroidissement
Attention : Ces termes sont souvent confondus ! Un regard sur les différences montre cependant des distinctions claires :
| Fluide frigorigène | Liquide de refroidissement | |
|---|---|---|
| État de la matière | Change (liquide ↔ gazeux) | Reste identique |
| Transfert de chaleur | Par changement de phase | Uniquement par circulation |
| Application | Pompes à chaleur, climatiseurs | Refroidissement moteur |
Fluides frigorigènes utilisés
Fluides frigorigènes naturels
Les fluides frigorigènes naturels sont plus respectueux de l'environnement, mais ont chacun des avantages et inconvénients spécifiques :
| Désignation | Propriétés |
|---|---|
| Propane (R290) | Écologique, légèrement inflammable |
| CO2 (R744) | Non inflammable, haute pression |
| Ammoniac (R717) | Très efficace, toxique |
Fluides frigorigènes synthétiques
Les fluides frigorigènes synthétiques sont progressivement remplacés par des alternatives plus respectueuses de l'environnement :
| Désignation | Statut |
|---|---|
| R410A | Encore autorisé, mais en voie de disparition |
| R32 | Standard moderne |
| R1234yf | Technologie d'avenir |
Fluides frigorigènes interdits
En raison des réglementations environnementales et de sécurité, sont interdits :
- CFC (p.ex. R11) – Destructeurs de la couche d'ozone
- HCFC (p.ex. R22) – Gaz à effet de serre
- À partir de 2025 : Autres HFC à GWP élevé
GWP (Global Warming Potential) : Mesure du potentiel d'effet de serre d'une substance.
L'interaction de tous les composants
Évaporateur (extérieur)
│
│ Gaz (froid)
▼
Compresseur ←── Électricité
│
│ Gaz (chaud, haute pression)
▼
Condenseur (intérieur)
│
│ Liquide (chaud)
▼
Détendeur
│
│ Liquide (froid, basse pression)
▼
retour à l'évaporateurLe flux d'énergie
- Chaleur ambiante (gratuite) → Évaporateur
- Courant électrique → Compresseur
- Chaleur utile → Chauffage
La particularité : Pour 1 kWh d'électricité, on obtient 3–5 kWh de chaleur !
Conclusion
L'essentiel : Chaque composant a sa tache specifique dans le systeme global. L'evaporateur absorbe la chaleur de l'environnement, le compresseur eleve la temperature, le condenseur transmet la chaleur au chauffage, et le detendeur reduit la pression et la temperature. Le fluide frigorigene transporte la chaleur entre les composants. Ce n'est que dans une parfaite interaction que la pompe a chaleur fonctionne efficacement.
Suite : Dans l'article suivant Indicateurs clés et dimensionnement des pompes à chaleur, découvrez comment choisir la bonne pompe à chaleur pour votre maison.
La série complète « Pompes à chaleur »
- L'anti-réfrigérateur : Comment fonctionne une pompe à chaleur ? – Fondamentaux
- Les composants : Échangeur de chaleur, compresseur et détendeur – Vous êtes ici
- Indicateurs clés et dimensionnement des pompes à chaleur – COP, SPF et plus
- Modes de fonctionnement : Monovalent, bivalent et hybride – Modes d'exploitation
- Types de pompes à chaleur et le duo de rêve avec les installations solaires – Air-eau, géothermique & solaire