Détendeurs [Froid alimentaire]

Sommaire

Fonctionnement

Dans l’ensemble du fonctionnement d’une machine frigorifique, le détendeur module le débit de fluide réfrigérant à l’entrée de l’évaporateur.

La différence de pression entre le condenseur et l’évaporateur nécessite d’insérer un dispositif “abaisseur de pression” dans le circuit. C’est le rôle du détendeur. Le fluide frigorigène se vaporise partiellement dans le détendeur pour abaisser sa température.

Un mauvais contrôle de la quantité de fluide frigorigène admise dans l’évaporateur, entraîne les conséquences suivantes :

Trop peu de fluide frigorigène : il est immédiatement évaporé et il continue à se réchauffer. C’est l’effet de surchauffe. L’efficacité de l’évaporateur diminue.

Trop de fluide injecté : l’excès de fluide n’est pas évaporé par manque de chaleur disponible. Une partie du fluide reste liquide et est aspirée par le compresseur. Celui-ci peut alors être sérieusement endommagé (coup de liquide).

La régulation de la surchauffe à la sortie de l’évaporateur conditionne l’ouverture ou la fermeture du détendeur. Cette régulation “auto-adaptative” se base sur le principe que l’évaporateur a une valeur minimale de surchauffe stable qui évolue en fonction des variations de sa charge Q₀. Entre d’autres termes, la valeur minimale de surchauffe stable est celle qui permet, quelle que soit la charge, de vaporiser la dernière goutte liquide du fluide frigorigène juste à la sortie de l’évaporateur.

Surchauffe minimale (source : Danfoss).

Si la dernière goutte de fluide est vaporisée juste avant la sortie de l’évaporateur, la surchauffe mesurée en température est élevée et ne permet pas à l’évaporateur d’évacuer la chaleur Q₀ complètement et, par conséquent, le travail de l’évaporateur n’est pas optimum.

Si la dernière goutte de fluide est vaporisée après la sortie de l’évaporateur ou ne se vaporise simplement pas, la surchauffe mesurée en température est faible. La présence de liquide à l’aspiration du compresseur risque de l’endommager.

Différentes technologies de détendeurs

Le détendeur thermostatique

C’ est le dispositif le plus fréquemment utilisé. Le détendeur thermostatique est une vanne qui règle le débit du réfrigérant, en maintenant une différence constante entre la température d’évaporation du réfrigérant et la température des gaz à la sortie de l’évaporateur. La différence entre ces deux températures s’appelle la “surchauffe à l’évaporateur”, typiquement 6 à 8 K. De cette façon, on est certain que tout le liquide injecté s’est évaporé.

Si la charge thermique augmente, la sonde (3) détectera une montée de température, agira sur la membrane (4) et le détendeur s’ouvrira (le pointeau est renversé : plus on l’enfonce, plus il s’ouvre) afin d’augmenter le débit de réfrigérant (1).

Le détendeur électronique

Il fonctionne sur le même principe, mais ce type de détendeur permet un réglage plus précis de l’évaporateur. Une surchauffe plus faible sera nécessaire. La température d’évaporation remontera de 2 à 3 K, ce qui diminuera la consommation du compresseur.
Son avantage est de pouvoir bénéficier de l’intelligence de la régulation numérique : adapter son point de fonctionnement en fonction de divers paramètres.

De là, plusieurs propriétés :

régulation modulante de la température du milieu à refroidir,
injection optimale du réfrigérant,
dégivrage optimalisé.

Technologiquement, il dispose d’une vanne à pointeau, commandée par un moteur pas à pas à 2 500 positions.

Le détendeur capillaire

Dans de petites installations, tels les appareils frigorifiques ou les petits climatiseurs, on se contente, comme dispositif de réglage, d’un étranglement dans la conduite du réfrigérant avant l’évaporateur. L’étranglement est assuré par un tube capillaire (de très faible diamètre) dans lequel la détente du fluide est obtenue par la perte de charge dans le tube.

Le détendeur pressostatique

Il maintient une pression d’évaporation constante, indépendante de la charge. La totalité de la surface d’échange de l’évaporateur n’est utilisée qu’une fois en régime. C’est pourquoi il n’est utilisé que dans le cas d’installations dans lesquelles la charge ne varie pas beaucoup (machines à glace par exemple).

Comparaison entre les détendeurs thermostatiques et électroniques

La régulation des détendeurs est surtout liée à leur technologie : jusqu’il y a peu, la technologie vraiment éprouvée était le détendeur thermostatique.

À l’heure actuelle, la plupart des installations de petite à moyenne puissance utilisent encore cette technologie. La régulation du débit d’alimentation de l’évaporateur et, par conséquent, de la surchauffe obéit à une loi proportionnelle en fonction de la charge frigorifique demandée à l’évaporateur.

Le détendeur thermostatique

Lorsqu’un détendeur thermostatique est utilisé pour réguler l’injection de fluide frigorigène, il réagit de manière linéaire en fonction de la demande de froid Q₀.

Le réglage de l’injection de fluide réfrigérant au départ doit garantir une surchauffe quelle que soit la charge afin d’éviter que du fluide se retrouve en phase liquide à la sortie de l’évaporateur. Ce réglage s’effectue au niveau d’une vis agissant sur le ressort d’équilibrage de pression.

La courbe de réglage du détendeur thermostatique étant une droite proportionnelle à la différence entre les températures mesurées par le bulbe à la sortie de l’évaporateur et la température d’évaporation (traduite par la pression régnant en sortie du détendeur), pour garantir la surchauffe, elle doit se situer à droite (en bleu) de la courbe de surchauffe minimale stable (en rouge). Dans ces conditions, la surchauffe est garantie, mais exagérée se traduisant par :

une efficacité de l’évaporateur réduite pour certaines charges;

une durée de marche accrue du compresseur pour conserver la température souhaitée à l’évaporateur; d’où une augmentation de la consommation énergétique.

À l’inverse, un réglage trop à gauche de la courbe de surchauffe minimale (en noir) provoque un fonctionnement de l’évaporateur en surchauffe insuffisante et risquerait d’être dommageable pour le compresseur à certaines charges (liquide présent à la sortie de l’évaporateur).

Le détendeur électronique

Les nouvelles technologies permettent de suivre au plus près la courbe des valeurs minimales de surchauffe stable en associant des détendeurs électroniques à des régulateurs analogiques ou digitaux. Le schéma suivant montre une régulation électronique optimisée qui assure en permanence un bon remplissage de l’évaporateur. On remarquera que la régulation assure toujours que le fluide reste bien vaporisé dans l’évaporateur en évitant d’envoyer du liquide au niveau du compresseur (on reste à droite de la courbe).

À l’heure actuelle, les fabricants de régulateurs y arrivent facilement par le développement d’algorithmes sophistiqués prenant en compte les différents types de fluide frigorigène indépendamment des caractéristiques initiales de l’évaporateur et de leur évolution en fonction de la charge. Comme le montre la figure ci-dessus, le régulateur calcule l’ouverture du détendeur en fonction :

de la température en sortie de l’évaporateur (capteur de température par contact sur la tuyauterie);

de la pression d’évaporation (capteur de pression sur la conduite d’aspiration du compresseur) traduite en température d’évaporation par le régulateur.

La différence entre ces deux valeurs représente la valeur réelle de la surchauffe et est comparée à la courbe de surchauffe minimale.