Auteur : Manouane Dubois, relecture Laurent Georges

Mise en page – Sylvie (08.2010)

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Principe de fonctionnement

La différence de pression entre le condenseur et l’évaporateur nécessite d’insérer un dispositif « abaisseur de pression » dans le circuit d’une pompe à chaleur. C’est le rôle du détendeur, qui va donc abaisser la pression du fluide frigorigène sortant du condenseur à l’aide d’un dispositif d’étranglement. Le fluide frigorigène se vaporise partiellement dans le détendeur pour abaisser sa température. Le détendeur alimente ensuite l’évaporateur en fluide frigorigène en modulant son débit.
La détente se produit sans échange de chaleur ou de travail avec le milieu extérieur.

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).

Le détendeur thermostatique

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.

Le capillaire de détente

Ce type d’organe de détente, qui est non-automatique, est utilisé dans les petits matériels de série. On se contente, comme dispositif de réglage, d’un étranglement dans la conduite du fluide frigorigène 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. La longueur et le diamètre du tube capillaire sont déterminés par le constructeur.
Le capillaire de détente n’interrompt jamais la communication entre le condenseur et l’évaporateur. Pendant l’arrêt du compresseur, rien ne s’oppose donc à ce que le fluide frigorigène s’écoule du condenseur (où il est sous haute pression) vers l’évaporateur.
Le capillaire ne permet aucun réglage de la détente, ce qui peut être un inconvénient. D’un autre côté, il ne permet aucun déréglage de la détente dans le temps, ce qui est un avantage. Le circuit doit être soigneusement déshydraté sinon le capillaire se bouche. De plus, il faut éviter l’utilisation d’une bouteille accumulatrice de liquide afin de ne pas remplir exagérément l’évaporateur durant l’arrêt du compresseur. La charge en frigorigène du circuit doit donc être relativement limitée, ce qui nécessite une recherche particulièrement soignée des fuites. En ce qui concerne les avantages de ce système, on remarque que l’équilibre de pression qui s’établit entre la haute pression et la basse pression pendant l’arrêt du compresseur permet un démarrage plus facile de celui-ci. De plus, le temps de réponse de la détente est instantané.

Le détendeur électronique

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).

L’orifice calibré

Cet organe de détente est composé d’un orifice calibré réalisé dans un corps mobile coulissant. Son fonctionnement comme détendeur s’apparente à un tube capillaire associé à un clapet de retenue autorisant le passage du liquide en sens inverse. Lorsque le fluide frigorigène circule dans un sens, il joue le rôle d’organe de détente grâce à l’orifice calibré. Dans l’autre sens, le corps mobile coulisse, dévoilant des rainures permettant de laisser passer le fluide liquide sans détente.

Les autres détendeurs

D’autres détendeurs de PAC existent ; ils sont brièvement expliqués sur cette page-ci.