C’est le dispositif le plus fréquemment utilisé dans les pompes à chaleur. Le détendeur thermostatique, qui fonctionne de façon automatique, est un corps de vanne qui règle le débit du fluide réfrigérant de façon à maintenir constante la surchauffe des gaz qui viennent de l’évaporateur.

Le corps de vanne est muni d’un orifice fixe et d’un pointeau mobile. La position du pointeau est contrôlée à partir d’un ensemble composé d’une membrane (4), d’un train thermostatique dont la pression interne est fonction de la température du bulbe (= la sonde) (3) et d’un ressort, dont la force d’appui sur la membrane est contrôlée par une vis de réglage (5). Si la charge thermique de l’évaporateur augmente, la sonde détectera une montée de température, agira sur la membrane et le pointeau s’ouvrira afin d’augmenter le débit de réfrigérant (1) jusqu’à obtention de la même surchauffe des vapeurs. D’un côté du soufflet règne la pression d’évaporation (amont ou aval de l’évaporateur suivant l’existence ou non d’une égalisation de pression) ; de l’autre côté du soufflet règne la pression de saturation correspondant à la température du bulbe.

Il existe deux classes de détendeurs thermostatiques : les détendeurs thermostatiques à égalisation interne de pression et les détendeurs thermostatiques à égalisation externe de pression.

1. Dans le premier cas, les forces agissant sur le pointeau de détente sont d’une part la pression du train thermostatique et, d’autre part, la pression exercée par le ressort de réglage et la pression d’évaporation à l’entrée de l’évaporateur (prise à l’intérieur du détendeur). Ce type de détendeur est bien adapté lorsque la perte de charge entre l’aval du détendeur et la sortie de l’évaporateur est faible, ce qui est le cas la plupart du temps, des pompes à chaleur de faible puissance dont l’évaporateur est équipé d’un ou de deux circuits sans distributeur de liquide.
2. Dans le second cas, les forces agissant sur le pointeau de détente sont d’une part la pression du train thermostatique et, d’autre part, la pression exercée par le ressort de réglage et la pression d’évaporation à la sortie de l’évaporateur. Cette pression aval est transmise dans un compartiment du détendeur par l’intermédiaire d’une tuyauterie d’égalisation de pression dont le raccordement est effectué à la sortie de l’évaporateur, et de préférence après le bulbe pour éviter d’influencer celui-ci par la turbulence locale occasionnée par le piquage. La perte de charge occasionnée par le distributeur de liquide et l’évaporateur n’intervient pas sur l’ouverture ou la fermeture du pointeau. Seule la surchauffe à la sortie de l’évaporateur agit sur le pointeau.

L’utilisation de ce type de détendeur présente l’inconvénient de ne pas avoir un temps de réponse instantané. Les avantages sont :

• Une grande fiabilité.
• Les détendeurs thermostatiques permettent d’adapter au mieux l’alimentation de l’évaporateur en fluide frigorigène, quelle que soit la charge thermique de celui-ci.
• Certains détendeurs thermostatiques à égalisation de pression peuvent fonctionner dans les deux sens, évitant un second détendeur et les clapets dans les pompes à chaleur réversibles.

Deux techniques existent :

• Le détendeur avec moteur à impulsion : le temps d’ouverture détermine la surchauffe.
• Le détendeur avec moteur pas à pas : le degré d’ouverture permet une alimentation correcte de l’évaporateur.

Le détendeur électronique fonctionne sur le même principe que le détendeur thermostatique mais il permet un réglage plus précis de l’injection à l’évaporateur. Une surchauffe plus faible sera nécessaire et le rendement de la pompe à chaleur reste ainsi optimal à tous les régimes. La température d’évaporation remontera de 2 à 3 K, ce qui diminuera la consommation du compresseur.

Il se compose d’une sonde de température (placée à la sortie de l’évaporateur contrôlant la surchauffe des gaz), d’une sonde de pression d’évaporation et d’une carte électronique dont le rôle est d’analyser ces valeurs et d’agir en conséquence sur une vanne de détente motorisée (moteur pas à pas à 2 500 positions) ou séquentielle.

Le système s’adapte à tous les fluides frigorigènes et, pour passer d’un fluide à l’autre, il suffit de modifier le paramétrage de la corrélation pression/température du fluide en ébullition. La vanne de détente peut se fermer en période d’arrêt et jouer ainsi le rôle d’une vanne magnétique de départ liquide.

Les systèmes avec vanne de détente séquentielle posent quelquefois des problèmes de tenue mécanique des évaporateurs à faible inertie (coup de bélier).

Ce type d’évaporateurs s’utilise lorsque la source froide est… l’air.

Le fluide frigorigène circule dans un tube qui traverse de nombreuses ailettes d’aluminium (en général rectangulaires, mais aussi parfois circulaires ou hélicoïdales). Les tubes sont disposés en série, formant une nappe, et les différentes nappes sont associées en parallèle. On peut avoir deux configurations des tubes en ce qui concerne l’alimentation en fluide frigorigène :

• Soit, les nappes sont assemblées en parallèle à l’entrée et à la sortie de l’évaporateur. Le collecteur d’entrée est alors alimenté par le détendeur.

• Soit, les nappes sont assemblées en parallèle seulement à la sortie. Le détendeur est alors un capillaire d’alimentation et il y a un distributeur de liquide à l’entrée de l’évaporateur. Ce dernier répartit le fluide en quantités égales dans chacun des circuits. La sortie de chaque circuit aboutit au collecteur d’aspiration.

Dans ces évaporateurs, il peut y avoir de la ventilation (c’est-à-dire de la convection forcée) ou de la convection naturelle. Les ailettes alimentées par ventilation seront très rapprochées les unes des autres, les ailettes alimentées par convection naturelle seront très espacées.

En pratique, l’on procède souvent à une filtration de l’air avant l’évaporateur. Le ventilateur peut être de type centrifuge ou hélicoïdal.

Condensation et givre

Lorsque la température des parois extérieures de l’évaporateur devient inférieure à la température de rosée de l’air, il se produit le phénomène de condensation ou de givrage sur l’évaporateur (condensation si la température de paroi est supérieure à 0 °C et givrage si non). Une chaleur latente, résultant de l’apparition d’eau ou de glace, s’ajoute à la chaleur sensible captée sur l’air. Ceci influence directement les échanges thermiques.

Au fur et à mesure qu’il se forme, le givre a pour effet de produire une isolation thermique de l’évaporateur conduisant à une chute du coefficient d’échange thermique. Il contribue également à la diminution du passage d’air, conduisant à une augmentation de la perte de charge côté air et par suite à une diminution du débit d’air. On cherchera donc à éliminer le givre.

La condensation a pour effet de mouiller l’évaporateur. Il convient d’éliminer l’eau condensée et d’éviter son entraînement dans les circuits d’air. On choisira donc des vitesses de passage d’air inférieures à 3 m/s.
Dans certains cas de refroidissement, il ne se produit ni givrage ni condensation, et ce, même lorsque la température de paroi est négative.

Les différents évaporateurs à eau qui existent sont listés dans cette section. Pour comprendre les notions d’évaporateurs à surchauffe ou noyés, cliquer ici !.

Évaporateurs coaxiaux en spirale (ou évaporateurs double tube) = Évaporateurs à surchauffe

Dans ces évaporateurs, deux tubes de cuivre coaxiaux sont enroulés en spirale. Le fluide frigorigène qui se vaporise circule dans le plus petit tube (le tube intérieur) et le fluide caloporteur (eau glycolée) circule à contre-courant dans l’espace annulaire entre les deux tubes.

Ces évaporateurs présentent des difficultés d’entretien et il faut utiliser de l’eau propre non entartrante.

Évaporateurs à plaques brasées = Évaporateurs à surchauffe

Ils se composent d’une série de plaques d’acier inoxydable assemblées par brasure (= avec un métal d’apport). L’eau glycolée et le fluide frigorigène en évaporation circulent à contre-courant de chaque côté de ces plaques.

La conception de ces échangeurs favorise des coefficients d’échange thermique très élevés avec une différence de température très faible entre les deux fluides. Ceci en fait des appareils très performants et compacts, en plus d’être robustes. Un autre avantage est les pertes de charge sur l’eau qui sont en général assez faibles. Ces évaporateurs sont aussi suffisamment étanches pour permettre l’utilisation de fluides frigorigènes.

La petite taille des canaux facilite cependant l’encrassement. Les circuits doivent donc être très propres ou alors on peut prévoir des filtres à l’entrée de l’eau glycolée dans l’évaporateur. Un autre inconvénient est la non-résistance au gel de ces échangeurs. De l’antigel doit donc être présent en quantité suffisante et de façon homogène dans les circuits de capteurs enterrés.

Évaporateurs multitubulaires = Évaporateurs à surchauffe ou noyés

• Les évaporateurs multitubulaires noyés sont constitués d’un faisceau de tubes métallique soudé sur des plaques à l’intérieur d’un corps cylindrique en acier. L’eau de la source froide circule dans les tubes intérieurs et le fluide frigorigène s’évapore dans le corps principal à l’extérieur des tubes. Il y a un séparateur de gouttelettes dans l’évaporateur pour éviter les entraînements de liquide vers le compresseur. Malgré cela, il faut en plus prévoir une bouteille anti-coups de liquide pour protéger le compresseur. Ces évaporateurs présentent un autre problème : celui de piéger l’huile de lubrification (si elle est présente dans l’installation).

• Les évaporateurs multitubulaires à surchauffe sont aussi appelés évaporateurs à épingles (à cause de la forme du faisceau tubulaire) ou évaporateur Dry-Ex. Ici le fluide frigorigène circule dans les tubes, à l’inverse de l’évaporateur multitubulaire noyé. Les tubes sont en général munis d’ailettes intérieures afin d’augmenter la surface d’échange. L’évaporateur est alimenté par un détendeur thermostatique, qui permet d’adapter le débit de fluide frigorigène entrant dans l’évaporateur et donc de contrôler la surchauffe des vapeurs. Cet évaporateur ne montre pas de problème de piégeage d’huile, car elle se dirige vers le carter du compresseur si elle est entraînée par le fluide frigorigène.

Évaporateurs à serpentin = Évaporateurs noyés

Dans ce cas, les tubes (le plus souvent en cuivre) de l’évaporateur sont noyés dans un réservoir d’eau (de nappe phréatique, d’étang, etc.). Ils sont enroulés en spirale ou suivant la forme du bac. L’eau pénètre dans le réservoir et peut déborder. Cette technique permet d’éviter les problèmes de gel car la glace se forme autour des tubes sans dégrader l’évaporateur.

Ce type d’évaporateur, facilement nettoyable, autorise l’usage d’eau de mauvaise qualité sur le plan de la propreté (sable, débris de feuilles,…). Par contre, les coefficients d’échange thermique sont assez faibles, ce qui nécessite de grandes longueurs de tubes et conduit à un encombrement important.

Trois phases se succèdent le long d’un échangeur de chaleur à contre-courant (le fluide frigorigène et le fluide à chauffer vont dans des sens opposés) : la désurchauffe, la condensation proprement dite et le sous-refroidissement.

1. Pendant la désurchauffe, le fluide frigorigène à l’état de vapeur qui vient du compresseur se refroidit à pression constante en cédant de sa chaleur sensible au fluide extérieur.
2. La condensation commence quand la première goutte de liquide frigorigène apparaît, et se produit à pression et température constantes. Lors de cette phase, les vapeurs qui se condensent cèdent leur chaleur latente de condensation au fluide extérieur qui se réchauffe.
3. Lorsque toute la vapeur a été condensée, le liquide frigorigène va se sous-refroidir à pression constante en cédant de nouveau de la chaleur sensible au fluide extérieur.

Cependant, en pratique, les trois phases coexistent dans une même section de l’échangeur de chaleur. Le fluide frigorigène circule dans un tube en contact avec l’eau ou l’air. La partie du fluide frigorigène qui touche le tube est liquide et se sous-refroidit. Le fluide qui est en contact avec ce liquide condense à son tour. Le gaz frigorigène qui est au centre du tube désurchauffe simplement.

En résumé, la quantité de chaleur évacuée au condenseur comprend la chaleur sensible de la vapeur surchauffée, la chaleur latente de condensation du fluide frigorigène et la chaleur sensible de sous-refroidissement du liquide frigorigène.

Dans ce cas la source chaude est de l’eau. On distingue quatre types de condenseurs à eau :

• Les condenseurs à serpentins : Le serpentin en cuivre forme une spirale à l’intérieur d’une enveloppe d’acier soudé. L’eau de la source chaude circule dans le serpentin et le fluide frigorigène dans l’enveloppe d’acier. Le fluide frigorigène se condense dans l’enveloppe au contact de la surface du serpentin.

• Les condenseurs à tubes coaxiaux : Les tubes concentriques en cuivre sont enroulés ensemble en forme de spirale. L’eau circule dans le tube intérieur et le fluide frigorigène se condense à l’extérieur.

• Les condenseurs à plaques brasées : Cet échangeur se compose de plaques en acier inoxydable assemblées par brasage. Le fluide frigorigène en condensation circule dans une plaque sur deux, et l’eau à réchauffer dans les autres plaques.
  
  
• Les condenseurs multitubulaires.

Un grand nombre de tubes, dans lequel circule l’eau à chauffer, sont placés à l’intérieur d’un anneau. La condensation du fluide frigorigène s’effectue sur la surface extérieure des tubes, à l’intérieur de l’enveloppe. À chaque extrémité de l’anneau se trouvent des boîtes à eau qui distribuent l’eau en série et parallèle dans les divers tubes. Les tubes sont souvent équipés de petites ailettes afin d’augmenter le coefficient d’échange thermique.

• d’un excentrique, qui sert à transformer un mouvement circulaire en un mouvement rectiligne alternatif,
• d’un carter, qui contient le moteur d’entraînement électrique et qui forme la réserve d’huile de graissage (car le compresseur a besoin d’être constamment lubrifié),
• d’une pompe à huile, qui assure la distribution de l’huile aux paliers et bielles.

Quelques remarques sur les compresseurs à pistons :

• Les gaz aspirés pénètrent dans le compresseur généralement à la partie haute du moteur électrique, évitant ainsi l’introduction de liquide frigorigène dans les cylindres en cas de fonctionnement anormal de l’installation. Le refoulement est effectué au travers d’une tuyauterie souple brasée à l’enveloppe.

• Le compresseur à piston est très sensible à l’arrivée de fluide liquide : si quelques gouttes de liquide pénètrent au niveau des soupapes, elles en provoquent une usure lente. Si du fluide liquide pénètre en grande quantité, la destruction des clapets est immédiate. Il faut donc des protections anti-coups de liquide (ressort puissant sur le chapeau de cylindre, capable de se soulever en cas d’arrivée de liquide). Le carter joue aussi en quelque sorte un rôle analogue à celui d’une bouteille anti-coup de liquide, mais sa capacité est très limitée en volume et le rôle protecteur ne sera réel que pour de faibles admissions de liquide à l’aspiration.

• Le fluide frigorigène et bien sûr l’huile de lubrification doivent être compatibles avec les matériaux qui composent le moteur.

• La vitesse de rotation du moteur d’entraînement est de 3000 tours/min la plupart du temps, pour des raisons d’encombrement et de coût de fabrication. Certaines rares séries sont cependant encore réalisées avec des moteurs dont la vitesse de rotation est de 1500 tours/min.
• Le moteur électrique est alimenté par des fils reliés à des bornes étanches.

Les compresseurs volumétriques à pistons sont de trois types :

• hermétique  : le moteur et le compresseur sont situés à l’intérieur d’une cloche et ne sont pas accessibles. Ils sont généralement supportés par des ressorts pour éviter la transmission des vibrations. Le nombre de cylindres varie entre 1 et 4 suivant la puissance désirée (un seul cylindre entre 0 et 2 kW, 2 cylindres entre 2 et 5,5 kW et 4 cylindres entre 5,5 et 15 kW).

• semi-hermétique : le moteur est accolé au compresseur et certaines parties du compresseur peuvent être démontées pour une réparation ou un entretien. Une des extrémités de l’arbre du vilebrequin porte le rotor du moteur qui entraîne le compresseur. Le moteur est refroidi en grande partie par le fluide frigorigène aspiré par le compresseur, mais aussi parfois par un ventilateur ou un serpentin d’eau enroulé autour du moteur. Le nombre de cylindres varie entre 1 et 16 et ils sont disposés en ligne, en V, en W ou en étoile. La puissance est réglée par mise hors service de certains cylindres ou par changement de régime du moteur d’entraînement.

• ouvert : le compresseur est accouplé au moteur soit simplement en bout d’arbre par un manchon d’accouplement, ou bien à l’aide de poulies et courroies. Le nombre de cylindres varie entre 1 et 16 et ils peuvent être disposés en ligne, en V, en W ou en étoile. La vitesse de rotation est ajustable par exemple en changeant la poulie du moteur, en arrêtant certains cylindres ou en changeant le régime de fonctionnement du moteur.

Le type de compresseur ne nécessite pas de clapets d’aspiration et de refoulement, mais un clapet existe cependant afin d’éviter l’équilibrage des pressions haute et basse au moment de l’arrêt et la rotation en sens inverse de la spirale mobile.
Le moteur d’entraînement est situé à l’intérieur du carter. L’huile de lubrification se trouve en fond de carter et est envoyée par pompage vers les pièces mobiles.
Les compresseurs Scroll encaissent facilement les coups de liquide à l’aspiration par désolidarisation radiale des deux spirales. Ceci est un avantage important pour les systèmes à inversion de cycle.
Pour les applications en pompe à chaleur à haute température, il est possible d’effectuer une injection de liquide intermédiaire au milieu des spirales dans le but d’abaisser la température de refoulement et d’augmenter la puissance et le COP.
Diverses méthodes de régulation de vitesse sont possibles :

• Régulation « tout ou rien ».
• Régulation par moteur à 2 vitesses.
• Régulation par variateur de vitesse

Compresseur à vis mono-rotor.

Le compresseur à vis bi-rotor est constitué de deux rotors à dentures hélicoïdales (un rotor mâle et un rotor femelle) tournants à grande vitesse. Le rotor mâle est entraîné par le moteur et entraîne à sa suite le rotor femelle.

Les deux rotors à dentures hélicoïdales d’un compresseur à vis.

Le volume du gaz frigorigène est réduit progressivement par la rotation qui provoque l’insertion des lobes du rotor mâle dans le rotor femelle. Quatre phases se succèdent lors de la compression du gaz frigorigène :

• L’aspiration.
• Le transfert : les dentures emprisonnent le gaz aspiré.
• La compression : le gaz diminue de volume à cause de la rotation des dentures et est ainsi comprimé.
• Le refoulement : le gaz s’échappe par l’orifice de refoulement lorsqu’il est découvert pendant la rotation.

Les variations de puissance s’obtiennent dans les grosses machines par l’action d’un « tiroir » qui décide de l’utilisation d’une plus ou moins grande longueur de vis dans la compression des gaz, et donc induit un plus ou moins grand taux de compression. Dans les petites machines (toujours très grandes comparées à des compresseurs à pistons), la modulation de puissance s’obtient par variation de la vitesse de rotation ou par utilisation de ports d’aspiration auxiliaires, soit par les deux.
Le compresseur à vis doit être abondamment lubrifié pour assurer l’étanchéité entre les pièces en mouvement et pour réduire le niveau sonore, mais aussi pour refroidir le fluide frigorigène. On peut alors atteindre des taux de compression élevés (jusqu’à 20) sans altérer le fluide frigorigène. Le circuit de graissage comprend un déshuileur, un réservoir d’huile, un refroidisseur d’huile et une pompe à huile.
Quelques caractéristiques des compresseurs à vis ouverts :

• La garniture d’étanchéité au passage de l’arbre est indispensable.
• Quelquefois (pour les plus gros compresseurs), les moteurs sont pourvus d’un refroidissement hydraulique permettant de récupérer également de la chaleur sur le circuit d’eau.

Dans la version semi-hermétique, le moteur électrique est accouplé directement sur l’arbre du rotor mâle, côté flasque de refoulement, et fait corps avec le compresseur. Le refroidissement du moteur est obtenu directement par les gaz de refoulement qui le traversent en totalité avant de pénétrer dans le séparateur d’huile.

> Pour connaître les avantages/inconvénients des compresseurs à vis, cliquer ici !

• le compresseur rotatif à piston roulant,
• le compresseur rotatif à palettes.

Compresseur rotatif à piston roulant et compresseur rotatif à palettes.

• réguler la machine pour que la production calorifique corresponde aux besoins réels ;
• donner aux gaz arrivant sur les aubes de la roue un angle d’attaque favorable ;
• assurer un étranglement à l’aspiration.

Les organes à graisser sont les paliers, la butée et éventuellement le multiplicateur et la garniture d’étanchéité. Le dispositif de graissage se compose d’une pompe à engrenages ou à palettes, d’un réchauffeur électrique et d’un échangeur refroidisseur huile/eau. Il comporte aussi un dispositif de compensation de la poussée axiale.