LA VAPEUR INSTANTANÉE (FLASH GAS) DANS UN SYSTÈME FRIGORIFIQUE

Article publié en avril 2015 dans le magazine Climapresse

La formation de vapeur instantanée est le résultat de la détente entre le circuit HP et LP d’un système frigorifique. Le titre de vapeur à la sortie d’un dispositif de détente influe directement sur l’efficacité du système, il est donc très important de bien comprendre les effets négatifs provoqués par ce phénomène qui est malheureusement irréversible. L’écart de pression entre l’entrée et la sortie du dispositif de détente est le même que celui du compresseur cependant, à l’inverse de la détente, celui-ci nécessite une source d’énergie externe. On dit que ce travail est réversible, car il est récupéré en chaleur par le condenseur ce qui n’est malheureusement pas le cas
pour la détente.

Les principales étapes du cycle frigorifique sont : la compression, la désurchauffe, la condensation, le sous-refroidissement, la détente, l’évaporation et la surchauffe. Lors de la détente, il se produit de la vapeur instantanée. Cette vapeur se forme lorsque le réfrigérant liquide traverse le détendeur. Le détendeur est un orifice qui sépare le
côté haute pression du côté basse pression du système. Lorsque le réfrigérant liquide se détend, il se refroidit et il se transforme en un mélange vapeur-liquide. On peut considérer la vapeur instantanée comme une « taxe à payer », car cette dernière aura pour effet de réduire l’effet net de réfrigération à l’évaporateur.

L’effet net de réfrigération (ENR) étant la quantité de chaleur absorbée par le réfrigérant à l’évaporateur (btu/lb), il influe directement sur la quantité de réfrigérant à circuler dans le système. Si l’effet net de réfrigération est diminué à l’évaporateur, le débit massique doit augmenter et nécessite un plus grand balayage de vapeur par le compresseur. Par conséquent, le système doit être muni d’un compresseur plus puissant lequel consommera plus d’énergie. Comme le dimensionnement d’un compresseur est directement relié avec le débit massique à circuler, il est donc important de considérer les effets négatifs de la vapeur instantanée dans le choix d’un réfrigérant et dans la
conception d’un système frigorifique.

Le processus de détente est une transformation adiabatique, c’est-à-dire que cette transformation est irréversible et qu’elle n’échange pas de chaleur avec le milieu extérieur comme le fait le processus de compression par le travail appliqué à l’arbre du moteur. En résumé, le réfrigérant contient la même quantité de chaleur avant et après la détente. La vapeur balayée par le compresseur est la somme de l’effet net de réfrigération et de la vapeur instantanée produite par le processus de détente. Lorsque le réfrigérant atteint la température de conception dans l’évaporateur, il se détend et ses propriétés changent, il a maintenant la capacité de contenir une plus grande quantité de chaleur par masse (btu/lb). Cependant, une partie de cette chaleur contient de la vapeur instantanée. Dans cette condition, cette vapeur instantanée n’a plus aucun effet positif sur le rendement du système et doit être quand même pompé par le compresseur. En résumé, une partie du réfrigérant liquide s’est consommé par lui-même.

Il est donc essentiel de choisir un réfrigérant en fonction de ses qualités thermodynamiques. Par exemple, alors que la vapeur instantanée produite par la détente du réfrigérant R-717 (NH3) de 86 °F à 5 °F est de 14 %, celle du réfrigérant R-744 (CO2) aux mêmes conditions opératoires est de 52 %. Bien que certains réfrigérants aient certaines faiblesses, elles peuvent quand même être compensées par des techniques de conceptions spécifiques dans le but d’augmenter l’efficacité globale du système dans son ensemble.

Comme vous pouvez le constater, j’utilise le terme « balayage » pour démontrer le rôle du compresseur dans un système frigorifique. Par conséquent, le compresseur a pour fonction d’élever la température (et pression) des gaz, créant ainsi un différentiel entre les deux parties du système. En fait, c’est le condenseur et l’évaporateur qui, d’une certaine façon, agissent comme une pompe. En effet, lorsque le réfrigérant gazeux transite dans le condenseur, il subit une désurchauffe et par la suite, en se condensant, il subit une importante décroissance en raison de son changement rapide de volume. Cette modification de volume crée une implosion, qui tire les vapeurs du compresseur. Pour un évaporateur, c’est la situation inverse : lorsque le réfrigérant liquide transite vers l’évaporateur et qu’il s’évapore, il provoque une explosion, simplement due au fait que son volume change aussi. Par exemple, dans le cas de l’ammoniac liquide à 5 °F, il occupe un volume de 0,024 p3/lb; inversement, à l’état gazeux, il occupe un volume de 8,1 p3/lb, soit huit fois plus grand.

Il existe plusieurs pratiques pour diminuer la vapeur instantanée :
• abaisser la température du réfrigérant liquide avant la détente, soit par moyen mécanique ou naturel;
• choisir un réfrigérant possédant des caractéristiques appropriées;
• abaisser la pression HP du système lorsque les conditions le permettent.

On peut améliorer l’effet net de réfrigération en augmentant le sous-refroidissement du liquide HP provenant du condenseur avant sa détente. Par ailleurs, le sous-refroidissement supplémentaire avant la détente permet d’augmenter l’efficacité du système. Cette augmentation est autant plus forte lorsque la température d’évaporation
est basse.

La vapeur instantanée peut être traitée directement à l’évaporateur ou dans une bouteille de séparation. Dans les deux cas, c’est le même débit massique qui doit être balayé par le compresseur. Le cycle suivi par le réfrigérant
vapeur sortant de la bouteille de séparation intermédiaire est traité séparément de la pression d’aspiration du groupe de compression. Par exemple, pour bénéficier des avantages d’utiliser un compresseur à vis, la vapeur instantanée est traitée directement dans la partie économiseur du compresseur. Dans ce cas, la pression intermédiaire n’est pas choisie par le concepteur de l’installation, mais imposée par les caractéristiques du compresseur. Cette approche permet d’augmenter le coefficient de performance de l’installation par un sous-refroidissement du réfrigérant quasi gratuit.

Pour conclure, nous avons discuté de l’importance de réduire les effets négatifs de la vapeur instantanée dans un système frigorifique par le choix du réfrigérant et par le sous-refroidissement du réfrigérant liquide avant sa détente. Un liquide plus froid à l’entrée de l’évaporateur diminue la formation de vapeur instantanée et augmente l’effet net de réfrigération. L’énergie totale contenue dans la vapeur balayée par le compresseur est la somme de la vapeur instantanée créée par la détente et de la vapeur créée par l’évaporation du liquide dans l’évaporateur. Réduire le titre de vapeur à la sortie d’un détendeur peut induire des effets négatifs à l’ensemble du système. Par conséquent, il est important de valider la capacité du détendeur et celle de l’orifice de distribution en fonction de cette nouvelle condition opératoire.