PARTIE 4 : La climatisation et ses conséquences.
Dans un appartement ou une maison d’habitation, pour notre confort, il nous faut :
- une certaine température ;
- un certain degré d’humidité.
Dans un véhicule automobile, nous disposons
habituellement :
- du chauffage ;
- de l’aération.
Le but de l’air conditionné est de maintenir une température constante programmée, soit par un apport d’air froid ou d’air chaud, soit par un mixage de ces éléments. Simultanément le degré d’humidité sera abaissé.
La climatisation participe largement au confort, au comportement de conduite et à la sécurité des passagers par :
- une meilleure visibilité suite à l’assèchement de l’air réduisant les formations de buées ;
- une vigilance accrue du conducteur par une température contrôlée qui engendre une diminution de la fatigue ;
- une sensation de bien-être des occupants du véhicule occasionné par une ambiance d’air agréable.
La mesure climatique cumulative comprend : la température, l’humidité et le mouvement de l’air, ainsi que les radiations thermiques.
En conclusion, la zone de « bien-être » exige :
- une température comprise entre 21°C et 26°C ;
- une hygrométrie de l’air comprise entre 35 et 65% ;
- une vitesse de circulation de l’air comprise entre 0,07 et 0,25 m/s ;
- une pureté de l’air par un renouvellement de celui de l’habitacle avec de l’air extérieur filtré.
Historique
Pour le rafraîchissement des boissons, les civilisations grecques et égyptiennes utilisaient l’effet d’évaporation de l’eau à travers les vases et les jarres poreux. C’est au XIXème siècle que sont apparues les premières machines frigorifiques à compression de fluide.
1834 : Jacob PERKINS, de Londres, construit la première machine de réfrigération à compression mécanique avec de l’éther comme réfrigérant ;
1859 : le Français Ferdinand CARRE réalise la première installation industrielle (machine à absorption d’eau + NH3 ) ;
1930 : grâce à l’étude théorique du chimiste belge Frédéric SWARTS, le grand essor de l’industrie du froid s’installe, avec la mise au point par une société américaine d’un nouveau fluide frigorigène « Le DICHLORODIFLUOROMETHANE (R12) » ;
1950 : Général Motors met en place des glaces teintées sur ses véhicules pour réduire la température intérieure engendrée par rayonnement.
1955 : les premiers systèmes de conditionnement d’air font leur apparition sur des véhicules américains type Chevrolet . L’ensemble du système était pré-assemblé par Frigidaire à l’usine de Dayton (Ohio) et mis en place sur environ 3500 véhicules durant la même année ;
1960 : les concepteurs aboutissent à combiner le système de réfrigération à celui de chauffage ;
1970 : les constructeurs européens adoptent la climatisation dans leurs véhicules ;
1980 : apparition des premiers systèmes de climatisation automatisés sur les véhicules.
Au milieu des années 90, près de 90% des véhicules américains sont climatisés, contre seulement 20% en Europe.
1991 : la SAAB 9000 turbo est le premier véhicule à recevoir du fluide frigorigène R 134 sans chlore dans son installation de climatisation ;
1995 : certains pays, dont la France et l’Allemagne, interdisent les produits à base de chlore dans les systèmes de réfrigération
Fonctionnement
Du point de vue systeme...
Schéma d'une boucle de climatisation:
Integration au véhicule:
Explication:
Un boucle de climatisation est généralement composée des systèmes suivants:
LE COMPRESSEUR
Directement entraîné par le moteur du véhicule à l'aide d'une courroie et d'une poulie débrayable électro-magnétique, celui-ci comprime du fluide frigorigène, le refoulant sous haute pression et à haute température vers le condenseur. A noter qu'aujourd'hui les compresseur sont à volume variable afin de mieux repondre au besoins du conducteur et donc économiser de l'energie.
LE CONDENSEUR
Grâce à une ventilation forcée cet échangeur thermique provoque la condensation du gaz qui arrive à l'état gazeux en haute pression et haute température. Il le liquéfie grâce à l'abaissement de température de l'air qui le traverse.
L'EVAPORATEUR
C'est le dernier composant de l'installation de climatisation. C'est un échangeur thermique, comme le condenseur, qui à l'inverse condense à l'extérieur. L'humidité de l'air pulsé par le ventilateur vient se déposer sur les ailettes et arrive sec dans l'habitacle. L'eau ruisselante sur les ailettes de l'évaporateur est évacuée sous le véhicule.
LE DETENDEUR
Le détendeur est une soupape qui permet de réguler le débit d'entrée du gaz dans l'évaporateur à l'aide d'une sonde qui mesure la température de sortie du fluide frigorigène. Cette sonde fait varier l'ouverture du diaphragme en fonction des besoins de l'évaporateur.
LE RESERVOIR DESHYDRATEUR
C'est un élément qui doit être remplacé au moins tous les deux ans. Ses principales fonctions sont :
Le filtrage des impuretés qui peuvent se glisser dans le système pendant le montage.
•La déshydratation a pour rôle d'éliminer l'humidité subsistant dans l'installation afin d'éviter des effets corrosifs qui peuvent endommager le compresseur, l'évaporateur ou bien encore le condenseur. Des corps absorbant l'humidité sont donc placés sur le passage du gaz.
•La décantation permet lors du passage du gaz de retenir les impuretés dans le fond du filtre.
LE PRESSOSTAT : Binary ou Trinary.
Le binary coupe le compresseur en cas de surpression. Le trinary gère la mise en route du motoventilateur (20 b), ainsi que la coupure du compresseur (25b).
LE THERMOSTAT ou SONDE THERMOSTATIQUE
Permet l'arrêt du compresseur lorsque la température de l'air sortant de l'évaporateur devient trop basse ((c) + 4°C), pour éviter le givrage de celui-ci.
D'un point de vue thermodynamique...
Le froid obtenu en climatisation automobile provient à 80% de la vaporisation du fluide frigorigène (R 12, R 134) et 10% de la détente de ce dernier.
Nota : fluide R 12 n’est plus utilisé en première monte depuis 1995. En thermodynamique, on appelle cycle l'ensemble des évolutions que subit un fluide avant de revenir à son état initial. Le cycle frigorifique correspond à l'évolution d'un fluide frigorigène dans une installation de production de froid. Explication du phénomène dans le cycle frigorifique : pour pouvoir s'évaporer, un réfrigérant doit absorber une quantité de chaleur. Si nous prenons une bouteille de fluide frigorigène contenant du liquide surmonté de vapeur, à une température donnée, correspond une pression.
Par exemple, une bouteille de R 134a dans une ambiance de +20°C : les deux états liquide et vapeur sont sous une pression de 6,7 bars. Nous ouvrons la vanne liquide de cette bouteille, le réfrigérant s'écoule à travers le tube échangeur et se détend à la pression atmosphérique, soit à la température de -26,4°C. Le réfrigérant absorbe la chaleur de l'air ambiant, celui-ci passant alors de I'état liquide à l'état de vapeur : saturée ou surchauffée suivant la quantité de chaleur échangée. Autrement dit, le fluide frigorigène a pris des calories à l'air ambiant en abaissant sa température de +20°C à +10°C (on a « fait du froid »). L'échangeur de chaleur dans lequel ce changement d'état s'effectue où nous avons observé l'effet frigorifique s'appelle un évaporateur. Chaque fois qu'un kilogramme de R 134a passe de l'état liquide à l'état gazeux sous une pression absolue de 1 bar il absorbe environ 154 kJ et se transforme en 0,19 m3 de vapeur, soit 190 l environ.
Une fois la vaporisation terminée, les vapeurs du fluide frigorigène sont aspirées par un compresseur qui les envoie dans un autre échangeur de chaleur appelé condenseur. Dans celui-ci, on retire au fluide frigorigène gazeux la chaleur emmagasinée d’une part au cours de la vaporisation et d'autre part lors du travail mécanique nécessaire à la compression (qui s'est dégradé sous forme de chaleur).
Le diagramme enthalpique ou de Mollier, les diagrammes enthalpiques représentent les évolutions subies dans un système frigorifique en fonctionnement. Leur utilisation en diagnostic est appliquée par certains constructeurs. L'enthalpie (H) représente l'énergie calorifique et le travail mis en jeu en fonction de la température et de la pression d'un fluide.
Le diagramme donne 3 zones :
- zone 1 ➙ le fluide est 100% liquide ;
- zone 2 ➙ le fluide est liquide et vapeur ;
- zone 3 ➙ le fluide est 100% vapeur.
Dans la zone 2 : à une pression et température données, on peut « titrer le fluide », c'est à dire déterminer la proportion de gaz et de liquide.
Influence de la climatisation
La principale caractéristique est que les CFC contiennent du chlore. Par leur grande stabilité, les
CFC migrent en altitude. Quand ils arrivent au sommet de la couche d'ozone, les UV activent leur décomposition chimique et libèrent du chlore. La réaction chlore-ozone est une réaction de type propagation de chaîne :
2 Cl-Cl + 2O3 ➙ 2 ClO + O2 + Cl2O2 ➙ O2 + Cl-Cl
Pendant la réaction, une molécule d'ozone est détruite mais le chlore est régénéré et peut ainsi réagir avec une autre molécule d'ozone. Une molécule de chlore peut détruire 200 000 molécules d'ozone. Remarque : les CFC ont une durée de vie de 120 ans le trou actuel est dû essentiellement aux CFC des années 40.
Plus de 70 états se sont engagés en signant le protocole de Montréal à prendre des dispositions pour protéger la santé des personnes et l’environnement, en instituant un programme de réduction de la production et l’utilisation des produits à base de chlore CFC (Chloro Fluoro Carbone), voir même de leur suppression totale. En définitive, le protocole conduit à deux actions :
- éviter le rejet d’un produit à base de chlore dans l’atmosphère lors des interventions sur les circuits d’un système de réfrigération, ce qui impose aux services de maintenance de récupérer et de recycler ce type de gaz ;
- utiliser un fluide de réfrigération non chloré.
La climatisation CO2
En raison de ses qualités écologiques et de son application possible dans l’automobile (non toxique et non inflammable), le CO2 est le remplaçant probable du R134a dans la climatisation automobile.
Aujourd’hui, l’un des critères pour le choix d’un réfrigérant est le GWP (Global Warming Potential ). Ce critère permet d’établir une comparaison entre différents gaz et leurs influences sur l’effet de serre. Les gaz à effet de serre empêchent le rayonnement infrarouge de s’échapper, emprisonnant ainsi la chaleur à la surface du globe .Le GWP se définit comme la puissance radiative que le gaz renvoie vers le sol, cumulée sur une durée généralement fixée à 100 ans. Cette valeur ne se mesure pas dans l’absolu mais relativement au CO2. On peut donc établir une ‘‘équivalence CO2’’ sur chaque gaz à effet de serre, le GWP du CO2 étant égale à 1. Le R134a possède un GWP égale à 1300. En d’autres termes, l’influence de 1 kg de R134a sur l’effet de serre est équivalente à 1300 kg de CO2.
Les difficultés de la mise en application.
Les limites d’usages du CO2 proviennent de sa température critique égale à 31°C(soit proche de l'ambiante) à 73 bars, ce qui implique une conception de systèmes fonctionnant en cycle supercritique pour des utilisations à température ambiante.
Ce cycle induit des fonctionnements à haute pression à 100-120 bars et de basse pression à 30-35 bars.
Le cycle étant supercritique, le refroidissement du fluide caloporteur s’effectue sans changement de phase (le changement de phase n’intervient qu’au cours de la détente). Il est indispensable d’utiliser un échangeur interne (Intercooler) permettant de refroidir le gaz à la sortie de l’échangeur externe (Gaz cooler) et d’optimiser ainsi l’efficacité de refroidissement et le fonctionnement de l’évaporateur (le refroidissement supplémentaire du gaz par l’intercooler permet d’abaisser le titre massique de vapeur à l’entrée de l’évaporateur).Cependant, si la surchauffe à la sortie de l’évaporateur est trop importante, la densité du fluide décrois ce qui a pour conséquence une dégradation des performances du compresseur. Les dimensions externes des échangeurs sont peu différentes de celles des échangeurs classiques, cependant, le débit massique étant plus faible que dans un système traditionnel, les tubes des échangeurs ont un diamètre plus petit (<1mm) nécessaire à un bon transfert thermique. Les échangeurs internes sont de type concentrique ou tubes et plaques.
Une application complementaire du système: le fonctionnement en pompe à chaleur
On chauffe habituellement l’habitacle du véhicule avec la chaleur issue de la déperdition thermique du moteur. Au démarrage, lorsque la chaleur du moteur est extraite pour chauffer l’habitacle, le moteur monte moins vite en température, ce qui affecte la combustion et augmente les émissions polluantes. De plus, avec la génération de moteur diesel à injection directe, dont le rendement est optimisé, il n’y a pas assez de déperdition thermique pour chauffer l’habitacle. Il serait donc intéressant d’utiliser le système de climatisation en pompe à chaleur afin de bénéficier d’un apport de chaleur additionnel.
L’avantage du système fonctionnant au CO2 par rapport aux systèmes classiques est une basse pression plus élevée (35 bars à 0 °C, 10 bars a – 40°C). Les risques d’infiltration d’air et d’humidité lors du fonctionnement en pompe à chaleur dans le système sont donc réduits.
Plusieurs configurations sont possibles : l’utilisation de l’évaporateur de base ou l’ajout d’un troisième échangeur.
L’utilisation de l’échangeur de base est délicate : lorsque les conditions de chauffages et de déshumidification sont remplies conjointement par un même échangeur, il est difficile de favoriser rapidement une application (chauffage ou déshumidification). En hiver, si la déshumidification n’est pas optimale et que l’air chauffé est diffusé dans l’habitacle, de la condensation peut apparaître sur les vitres où la température est généralement la plus basse ( lorsque la température des vitres atteint le point de rosée). De plus, si la température ambiante est inférieure à 0°C, de la glace peut apparaître sur le Gas cooler suivant l’humidité de l’air ambiante. Cela nécessite d’inverser le système et de ne chauffer que le Gas cooler.
