Le circuit frigorifique de climatisation : comment ça marche ?

Le circuit de climatisation, du moins le principal, c'est le circuit frigorifique.

Au cœur du climatiseur, il sert à transformer le chaud... en froid.

Quel est le secret derrière ce circuit ?
Quels en sont les principaux composants, et comment ça marche. 

Nous simplifions pour vous le fonctionnement du circuit de climatisation.

circuit climatisation

Rappel de fonctionnement d’un climatiseur : les différents circuits de climatisation

  • Le circuit électrique : composants électriques et électroniques…
  • Le circuit d’air ventilé : ventilateur, air pulsé, gaines…
  • Le circuit frigorifique : le cœur de la climatisation, avec le compresseur, le condenseur, le détendeur et l’évaporateur.

Qu’est-ce que le circuit frigorifique, ou cycle frigorifique ?

C’est ainsi que la climatisation « transforme » le chaud en froid, ou inversement, que la climatisation réversible produit du chaud avec du froid.

circuit frigorifique ou cycle frigorifique
  1. 1
    Phase 1 du circuit de climatisation : la compression avec le compresseur
    Le compresseur de climatisation « aspire » aspire le fluide frigorigène (basse pression)
    Par compression mécanique, il va faire élever sa pression et donc sa température.
    La différence de pression « injecte » le fluide dans le circuit frigorifique, à l’état gazeux.
    Le gaz haute pression est dirigé vers le condenseur.
  2. 2
    Phase 2 du circuit de climatisation : la condensation avec le condenseur
    Le condenseur (ou échangeur) condense le gaz/vapeur chaud qui se mélange avec l’air et l’eau extérieurs.
    La condensation crée une pression et température constante
    Le gaz/vapeur se transforme en liquide par sous refroidissement
  3. 3
    Phase 3 du circuit de climatisation : la détente avec le détendeur
    Le liquide sous refroidi subit une brusque chute de pression au passage dans le détendeur.
    Lors de ce passage, le détendeur gère le débit de fluide vers l’évaporateur.
  4. 4
    Phase 4 du circuit de climatisation : l’évaporation avec l’évaporateur
    Le liquide provenant du détendeur entre en ébullition dans l’évaporateur.
    L’évaporateur absorbe la chaleur provenant de ce fluide extérieur et le fait passer de l’état de liquide à l’état de vapeur à nouveau.
    Puis ce liquide retourne en circuit fermé vers le compresseur.

    Le cycle recommence…

Fonctionnement du circuit frigorifique (vidéo)

Le diagramme enthalpique (ou diagramme de Mollier)

Le diagramme enthalpique est un schéma frigorifique utilisé en thermodynamique (étude du mouvement de la chaleur ou du froid).

Il indique le moment auquel un fluide change d’état (liquide ou vapeur), de température et de pression.

Le diagramme est mesuré en kJ/kg.

On l’utilise pour déterminer la quantité de chaleur produite par une variation de température ou un changement d’état d’un fluide.

Dans le cas d’un système de climatisation avec fluide réfrigérant, le diagramme enthalpique est utilisé par les frigoristes pour tracer le circuit parcouru par le fluide frigorigène.

diagramme mollier

Étape dans le circuit de climatisation

État du fluide frigorigène

Entrée du compresseur

Vapeur basse pression

Sortie du compresseur

Vapeur haute pression

Entrée du condenseur

Vapeur haute pression > liquide haute pression

Sortie du condenseur 

Liquide haute pression

Entrée du détendeur

Liquide haute pression

Sortie du détendeur 

Liquide basse pression

Entrée de l'évaporateur

Liquide basse pression > vapeur basse pression

Sortie de l'évaporateur

Vapeur basse pression

Les principaux éléments du circuit de clim

principaux éléments du circuit de clim

Le condenseur frigorifique

On vous l’explique dans les pages de ce site, ce qui fait véritablement la puissance (et la consommation électrique !) de votre climatisation, c’est en réalité la puissance de son condenseur.

Le condenseur de climatisation est la pièce maîtresse, l’échangeur qui donne le rythme au circuit de climatisation et au refroidissement de votre appareil.

Le calcul de puissance du condenseur frigorifique de clim se fait ainsi chez le fabricant :

Φk = Φe + P
Φk : puissance à évacuer (W)
Φe : puissance développée (W)
P : puissance du moteur électrique (W)

L’efficacité de votre climatiseur se mesure par le rapport (Coefficient de Performance ou COP) ventre la quantité de chaleur absorbée et de froid restitué.

Type d’équipement

COP min. recommandé (kWr/kWe)

Climatiseurs de fenêtre

2.8

Split systèmes :  jusqu’à 4 kW

2.8

Split systèmes :  Supérieur à 4 kW

3

Climatiseurs monobloc : Jusqu’à 10 kW

2.5

Climatiseurs monobloc :  Supérieur à 10 kW

2.9

Les problèmes de condenseur de clim 

C’est aussi le condenseur qui va malheureusement parfois occasionner de la surconsommation énergétique.


Pour cette raison, plus le condenseur est puissant et de meilleure qualité/COP il est, meilleur sera votre climatiseur.


Mais il est parfois difficile d’obtenir toutes les informations désirées sur le condenseur. Les vendeurs se contentent d’afficher les performances (relatives) de la climatisation.

La surconsommation du condenseur se remarque :

  • avec le manque de liquide frigorigène
  • avec l’encrassement des échangeurs
  • avec le mauvais état du compresseur
  • avec la diminution de la température d’évaporation

    Avec un entretien et un nettoyage régulier du condenseur, vous pouvez obtenir jusqu’à 30 % de rentabilité supplémentaire sur votre climatisation !

Le circuit d’huile réfrigérante

L’huile sert à la lubrification dans le carter du compresseur.
Avec les variations de pression, un peu d’huile finira par s’échapper dans le circuit.

Mais cette huile ne doit en aucun cas se retrouver dans le circuit frigorigène de votre climatisation, car elle en réduirait les performances et encrasserait le circuit.

On recourt donc à un séparateur d’huile placé au refoulement du compresseur. Il va séparer l’huile des vapeurs.

À quoi sert l’huile réfrigérante dans le circuit frigorifique ?

On utilise l’huile pour deux raisons dans un système de climatisation : pour lubrifier le compresseur et pour participer au transport des fluides vers le carter du compresseur.

L’huile est un additif indispensable pour lubrifier les pièces mécaniques de votre compresseur de climatisation. Comme c’est le cas pour n’importe quel moteur, elle permet aux pièces de rester étanches malgré la friction.

L’huile frigorifique, ou huile réfrigérante a des caractéristiques qui la distinguent des autres huiles utilisées par exemple en mécanique :

  1. elle est miscible : elle se mélange parfaitement avec le fluide réfrigérant liquide, y compris à température d’évaporation. Ce qui évitera qu’elle ne s’accumule dans l’évaporateur et ne finisse par obstruer le circuit. Dans certains cas si l’huile n’est pas assez miscible on utilise un séparateur d’huile, mais on retrouve de moins en moins cette installation dans les climatiseurs actuels.
  2. elle est soluble : elle peut se dissoudre dans le carter du compresseur, peu importe sa température et sa pression. La solubilité des huiles réfrigérantes est indiquée par l’indice VPT (Viscosité/Pression/Température).
  3. elle doit avoir un taux d’humidité le plus faible possible.


On va donc utiliser plusieurs types d’huile de climatisation selon le système.

Attention, consultez toujours votre frigoriste pour connaître l’huile à utiliser.
La mauvaise huile pourrait tout simplement causer une panne de votre équipement.
Les fabricants de climatiseurs vont systématiquement recommander une huile précise, parfaitement adaptée.

  • L’huile minérale : les premières huiles à base de pétrole utilisées sur les systèmes les plus anciens, en combinaison avec les fluides frigorigènes CFC et HCFC. Ces huiles étant des hydrocarbures, et les fluides polluants ayant été depuis interdits, on ne les utilise plus.
  • L’huile POE (Polyol-ester) : on la retrouve à la fois dans les systèmes frigorifiques et de froid domestique. Cette huile de synthèse est particulièrement intéressante, car elle a une forte capacité de rétention d’eau. Ce qui est parfait pour lubrifier les compresseurs fonctionnant avec les HCFC. Autre gros avantage, sa solvabilité est bien meilleure que celle de l’huile minérale, ce qui lui permet de déloger les éventuelles saletés. On l’utilise donc parfois comme huile de rinçage lorsqu’on transforme un système CFC en HCF. La principale faiblesse de ce type d’huile est cependant que si le bidon reste ouvert, il va accumuler de l’humidité qui sera mauvaise pour le circuit frigorifique. À acheter en petits contenants seulement.
  • L’huile PAO (Polyalpholéfine) : encore une huile de synthèse, qui ne retient pas l’humidité, mais cette fois avec une excellente stabilité thermique, notamment à température élevée. À utiliser avec le fluide frigorigène R 134a si le fabricant le recommande dans sa notice d’utilisation.
  • L’huile PAG (Polyalkylene-glycol) : une huile entièrement synthétique et très lubrifiante, mais dont la stabilité thermique laisse à désirer. On évitera donc de l’utiliser pour la climatisation domestique, sauf dans les systèmes de climatisation, avec le fluide frigorigène R134a ou R1234yf. On la retrouve beaucoup dans les climatiseurs de voitures.


Voir ci-dessous le Tableau d’équivalence huile frigorifique, à utiliser comme guide de sélection des huiles pour compresseurs frigorifiques (quelle huile frigorifique pour r22 ? Quelle huile compresseur clim r134a ?...)

tableau huiles frigorifiques

L’échangeur de chaleur liquide/vapeur

L’échangeur de chaleur sert à sous-refroidir le fluide frigorigène à l’état liquide avant qu’il n’entre dans le détendeur.

Ce qui va améliorer les performances de l’évaporateur.

L’échangeur est une sorte de petite chambre interne munie d’ailettes permet d’améliorer l’échange gaz/liquide, en créant des turbulences.


Le ou les évaporateurs de clim

Lorsque la source de froid est de l’air, on utilise un évaporateur à air.
Lorsque la source de froid est de l’eau ou du liquide frigorigène, on utilise un évaporateur à liquide.

L’évaporateur de clim peut fonctionner selon la technologie soit par ventilation, soit par convection.

Les différents types d’évaporateurs

L’évaporateur de climatisation est une pièce maîtresse de tout le système de refroidissement.
Il existe différentes tailles, formes et types d’évaporateurs, utilisant différentes techniques et circuits.

  • Les évaporateurs noués
  • Les évaporateurs à détente sèche (ou détendeur), que l’on retrouve surtout dans les refroidisseurs
  • Les évaporateurs à calandre et à tube, surtout dans les équipements de production de froid alimentaire et de surgélation
  • Les évaporateurs à plaques et les évaporateurs à spirales ou à tubes nus, les plus adaptés aux réfrigérateurs domestiques
  • Les évaporateurs à ailettes, avec ce serpentin en cuivre avec ailettes à l’intérieur et à l’extérieur.

Quelles différences entre un évaporateur simple effet et un évaporateur effets multiples ?

  • L’évaporateur simple effet comporte une surface (ou un réservoir) et une unité de chauffage. Il se contente de transformer le liquide en gaz.
  • L’évaporateur effets multiples, plus sophistiqué, utilise la vapeur produite par son premier composant pour chauffer les autres. Ainsi on retrouve des évaporateurs à effet double, triple ou quadruple. Mais ce type d’évaporateurs est réservé aux climatisations industrielles.

Attention : comme la plupart des pièces techniques d’un climatiseur, le changement d’un évaporateur requiert l’intervention d’un expert. Peu de fabricants vous proposeront de remplacer l’évaporateur seul, mais vous dirigeront vers un remplacement intégral du système. 

Le givre sur le climatiseur

L’évaporateur est bien souvent à l’origine du phénomène de givre que vous pouvez remarquer sur votre climatiseur,

Lorsque la température des parois extérieures de l’évaporateur est plus basse que le point de rosée de l’air, de la condensation se forme, et parfois du givre.

 

En se formant, ce givre crée une enveloppe thermique isolante autour de l’évaporateur et diminue le passage de l’air : la performance du climatiseur en est amoindrie.

Il faut donc veiller si vous remarquez du givre à éliminer le phénomène en optant pour une ventilation moins puissante par exemple.

pressostat de clim

Le pressostat de clim

Le pressostat d’huile pour climatisation, également appelé contrôleur à pression différentielle, sert pour la sécurité de votre climatiseur.

Le pressostat protège le compresseur contre un dysfonctionnement de la pompe à huile : si la pression d’huile descend en dessous de la valeur de réglage, le compresseur est automatiquement arrêté.

Le pressostat est réglable et ce réglage est fait par le technicien au moment de l’installation de la climatisation.

Les filtres déshydrateurs

L’humidité excessive dans le circuit de climatisation peut engendrer toute sorte de dysfonctionnements et pannes, provoquer de la corrosion ou faire disjoncter la partie électronique.

Contre ce phénomène normal d’humidité, les filtres déshydrateurs sont placés tout le long du circuit pour protéger essentiellement le détendeur.

Le déshydrateur peut être fait d’alumine activée, de gel de silice ou de tamis, qui sont tous de matériaux absorbants.

Un autre rôle des déshydrateurs et de neutraliser les acides de l’huile et de filtrer partiellement les particules fines et corps étrangers présents dans le circuit.

Le fluide frigorigène

Aliment indissociable du circuit frigorifique de climatisation, le fluide frigorigène a des particularités physiques permettant de l’exploiter dans un cycle de compression/détente pour transférer des calories.

Il peut s’agir :

  • de HFC (Hydro Fluoro Carbones) R407C, plus performant à basse pression, mais de plus en plus réservé à l’industrie.
  • de HFC (Hydro Fluoro Carbones) R410A, soit 50 % de R32 (difluorométhane) et 50 % de R125 (pentafluoroéthane).

(Le Chloro-Fluoro-Carbone qui contenait du fréon est désormais interdit).

Les 3 sont responsables de puissants gaz à effet de serre.

Peut-on changer les éléments du circuit frigorifique ?

éléments du circuit frigorifique

La réponse est oui, il est possible de changer des pièces du circuit frigorifique… mais pas vous-même !

Vous devrez impérativement faire appel à un technicien frigoriste spécialisé en cas de problème.

 Dans tous les cas vous devrez purger le circuit frigorifique et cette opération demande d’être titulaire d’une attestation de capacité de manipulation des fluides frigorifiques.

Ensuite, ces pièces sont très difficiles à trouver pour qui n’est pas spécialiste…

Il faudra s’assurer que la pièce de remplacement est bien compatible avec l’ensemble des éléments du circuit !

Par ailleurs, si votre climatiseur est sous garantie, cela devrait être pris en charge par la garantie fabricant ou le contrat d’entretien.

Sachez cependant que si c’est le compresseur que vous devez changer… vous aurez peut être plutôt intérêt à renouveler intégralement votre appareil pour une version plus récente ! Compte tenu du prix, et de l’usure.

À moins qu’il ne s’agisse d’un défaut de votre appareil, en quel cas vous devriez faire jouer la garantie sans hésiter !


Prix d’un compresseur de climatisation : à partir de 600-1500 €
Prix d’un condenseur de climatisation : 100-200 €
Prix d’un évaporateur de climatisation : 50-150 €
Prix d’un détendeur de climatisation : 90-120 €

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