Mais comment ça fonctionne cette bébête là !
C’est une question très fréquente, mais quand on regarde sur la toile, on se rend vite compte que sans un BAC +25 il est souvent compliqué de comprendre ce qui se passe dans notre installation. Nous allons donc explorer ce fonctionnement tout en essayant de faire remonter les quelques notions de physique/chimie attrapées au vol dans des cours souvent ennuyeux à mourir et rangés dans la case « ne me servira jamais dans la vie ».
On ne dit pas « clim » mais « pompe à chaleur » !

Et oui, une climatisation est une machine transportant de la chaleur d’un point A à un point B. Pour se faire, elle se sert du rapport qu’il y a entre le changement d’état d’une matière et sa pression. C’est bien sur le même fonctionnement pour les frigos, les chambres froides et tout ce qui peut « produire » du froid. Si avec ça vous avez déjà tout compris, vous pouvez fermer votre navigateur, vous êtes au top. Si c’est pas le cas, coupez la télé, la musique et calez vous confortablement devant votre écran parce qu’il vous faudra peut être relire plusieurs fois cet article pour bien tout comprendre.

Alors, comment tu transportes la chaleur toi ?

Et bien comme vous le voyez sur le schéma ci-dessous, en 4 étapes. La plupart de ces étapes se passant principalement dans le groupe extérieur:

  1. compression du réfrigérant à l’état gazeux
  2. condensation du réfrigérant (passage de l’état gazeux à l’état liquide)
  3. détente du réfrigérant liquide
  4. évaporation du réfrigérant (passage de l’état liquide à l’état gazeux)

Pas de panique, nous allons développer ensemble chacune de ces étapes tout en essayant d’imager le plus possible les différents phénomènes physiques, histoire de ne pas vous perdre en route. Mais avant ça, il faut que je vous rappelle quelques notions telles que chaleur sensible, chaleur latente et les rapports entre le changement d’état d’une matière et sa pression car c’est là que tout se joue.

Qu’est ce que c’est que tous ça encore…

Pas de panique, ce sont des mots qui peuvent paraître violents au premier abord mais qui sont d’une simplicité absolue vous allez voir. Afin de vous le démontrer, nous allons revenir aux bonnes vielles expériences avec bec benzène et compagnie.

Définition de la chaleur sensible et de la chaleur latente

Lorsque vous mettez de l’eau sur un feu constant (à l’aide d’une casserole bien sûr) vous transmettez la chaleur de la flamme à l’eau, qui dans un premier temps va monter en température. Cette chaleur est appelé la chaleur sensible: elle modifie la température d’une matière. Puis notre thermomètre cesse de monter malgré un feu continuant à transmettre sa chaleur et arrivent les premières bulles au fond de la casserole (au alentour de 100°c pour ceux qui ont vraiment raté tous les cours de science…). Il s’agit là de la chaleur latente : elle modifie l’état physique d’une matière. Je vous parle de ce phénomène avec mon eau bouillante, mais il marche aussi bien dans un sens que dans l’autre. Lorsque vous mettez de l’eau dans votre congélateur en pensant au prochain apéro, sa température va dans un premier temps descendre jusqu’à 0°c (chaleur sensible), puis restera à 0°c jusqu’à ce que l’eau se soit complètement solidifiée (chaleur latente).

La température de changement d’état d’une matière dépend de sa pression

Si vous ne le saviez pas encore, l’eau boue à 100°c seulement au niveau de la mer. Si vous montiez à 6000m d’altitude, là où la pression atmosphérique redescend à 0.5 Bar, et bien elle commencerait à s’évaporer (bouillir) dès 80°c. Au contraire, de l’eau comprimée à 2 Bar (deux fois la pression atmosphérique) ne se mettra à s’évaporer qu’à partir de 120°c (principe utilisé par la cocotte-minute de nos chères grands-mères). Ce qui fonctionne avec l’eau fonctionne avec toutes les matières et lorsque ça fonctionne dans un sens (évaporation) ça fonctionne de la même manière (température/pression) dans l’autre (condensation).

Si vous commencez déjà a vous gratter la tête, relisez bien ces paragraphes car c’est la clé pour comprendre tout le cheminement.

Si vous être toujours avec moi, nous allons continuer ensemble en imaginant une pompe à chaleur ou l’on va remplacer le fluide frigorigène par de l’eau et qui aura pour but de transporter de la chaleur d’une pièce dite « intérieure » à une autre, dite « extérieure ». Nous placerons bien sur l’unité intérieure dans la pièce « intérieure », et l’unité extérieure à…. c’est bien vous suivez. Nous partirons aussi du principe qu’au démarrage de notre super installation, la température ambiante régnant dans ces deux pièces et de 100°c, c’est chaud je sais, mais sinon ça ne fonctionnera pas…

Etape 1: Passage dans le compresseur

C’est parti mon kiki !!! oui je sais, ça fait pas très jeunes… Commençons par le compresseur. Ce dernier à deux raisons d’exister dans notre pompe à chaleur, Il va comprimer la vapeur d’eau arrivant de l’unité intérieure, mais il va aussi servir de « pompe » pour que notre fluide circule dans l’installation (et oui, si ça bouge pas, ça marche pas). Et ce n’est pas pour rien que nous comprimons notre vapeur, c’est pour faire monter sa température.

Parce que lorsque l’on comprime un gaz sa température monte ?

Si on veut être plus précis, Oui et non… Et là il va falloir suivre car deux phénomènes entrent en jeu.

  • La pression d’un gaz est liée au espaces vides se trouvant entre ces molécules : plus il est comprimé, moins il y a d’espace, moins il est comprimé, plus il y a d’espace.
  • La température d’un gaz lui est lié à l’excitation de ces molécules (attention, rien de sexuelle) : En gros, plus elles se déplacent vite, plus le gaz sera chaud, plus elles se déplacent lentement, moins il sera chaud.

Sachant cela, nous pouvons revenir à notre histoire. Les molécules n’étant pas du genre à se laisser piquer de l’espace facilement, Plus notre compresseur voudra comprimer le gaz, plus il devra fournir d’énergie. Paz convaincu ? OK, alors imageons la chose. Prenons une seringue et fermons là à son extrémité de façon étanche. Si vous appuyez sur le pistons, nous sommes d’accord que vous comprimez l’air y étant enfermé. Mais que peut-on remarquer de plus? Plus vous voulez faire avancer le piston (comprimer l’air) plus vous devez appuyer fort (fournir d’énergie). Pour revenir à notre affaire, la nature étant bien faite, l’énergie déployée par notre compresseur ne se perd pas et est transmise aux molécules du gaz de la même façon qu’au tennis, la raquette transmet de l’énergie à la balle.

Démonstration JAMY !

Imaginons une balle de tennis qui représenterait une molécule de notre gaz et une raquette qui elle représenterait notre compresseur. Si vous laissez tomber la balle sur la raquette statique, elle va rebondir mais n’accélérera pas. C’est ce qui se passe compresseur éteint. Maintenant laissez tomber votre balle de la même façon mais au lieu de laisser la raquette statique, frappez la balle avec. Cette dernière repartira plus vite qu’elle n’est arrivé car elle aura absorbé l’énergie transmise par la raquette. C’est ce qui se passe compresseur en route. Il est donc facile d’en déduire que plus vous voudrez comprimer rapidement votre gaz, plus le compresseur devra fournir d’énergie (de force dans la raquette) et plus le gaz chauffera (plus la balle de tennis accélérera).

Etape 2: Passage dans Le condenseur

Nous avons donc notre vapeur alors à 121°c et 2 Bar de pression (petite ressemblance à la cocotte minute non?) sortant de notre compresseur et fondant droit vers notre condenseur. Ce dernier est facile à reconnaître sur votre groupe extérieur, il s’agit de la partie ressemblant au radiateur situé à l’avant des voitures (si certains sortent voir à quoi cela ressemble, svp partagez). Comme son nom l’indique, il va permettre la condensation de notre vapeur. Comment ? C’est simple. Notre vapeur, qui est à 2 doigts, de passer de l’état gazeux à l’état liquide, va traverser ce « radiateur » qui va permettre un échange de chaleur entre notre vapeur et l’air ambiant propulsé à travers le condenseur par le gros ventilateur à l’avant (ou au dessus) du groupe. Comme vous l’aurez deviné, nous n’avons pas évacué n’importe quelle chaleur, mais la chaleur latente comprise dans le gaz. En effet ce dernier n’aura au final fait que changer d’état et n’a quasiment pas bougé en température.

vous êtes toujours là ? alors on avance dans le circuit !

Etape 3: Passage dans le détendeur

Notre eau, maintenant liquide et à 119°c est toujours sous pression et arrive maintenant sur notre détendeur. Comme le compresseur, ce dernier à plusieurs rôles. Il permet de créer deux zones à pression distinctes: la première que nous venons d’explorer, dite « haute pression » (2bar pour nous) et celle que nous allons maintenant visiter, dite « basse pression » (pour nous ce sera 0.5Bar, comme à 6000m d’altitude, souvenez vous). Il va aussi provoquer une chute brutale de la température de notre eau… Et là votre œil droit se met à clignoter indiquant un blocage cérébral.

Reprenons alors l’un des phénomènes décrits pour le compresseur. On sait que la température d’une matière dépend de l’énergie qu’il contient, soit la vitesse de circulation de ses molécules. Alors que se passe t’il lorsque l’on décomprime rapidement cette dernière? Et bien la même chose qu’au ballon envoyé pleine puissance de l’autre côté du terrain par notre gardien champion du monde, j’ai nommé Hugo LORIS, lorsqu’il est immobilisé au sol avec un magnifique contrôle de l’attaquant préféré des français, j’ai nommé Kylian MBAPPE. Le pied du joueur va amortir le ballon en absorbant toute l’énergie accumulée par ce dernier lors du tir. Et pour nos molécules, qui dit perte d’énergie, dit perte de vitesse, et donc chute de la température.

Nous aurons donc à la sortie de notre condenseur, notre liquide détendu à 0.5 bar et une température retombée aux alentours de 81°c. Si vous avez suivi, nous somme au dessus de la limite d’ébullition (évaporation) de notre eau qui aura donc eu tendance à partiellement se vaporiser.

Etape 4: Passage dans l’évaporateur

Et voila, notre mélange liquide/vapeur quitte notre groupe extérieur et fonce droit vers l’évaporateur situé dans l’unité intérieure. Ce dernier étant comme le condenseur (un échangeur) il va permettre à notre mélange à 81°c de continuer à s’évaporer en absorbant la chaleur de notre pièce qui, pour mémoire est à 100°c. Et comme vous l’aurez compris, notre eau redevenue vapeur retourne au compresseur pour accomplir ce cycle à l’infini.

Résumons :
  1. La vapeur d’eau sortant de l’évaporateur arrive au compresseur à environs 82°C et 0.5Bar de pression. Elle est comprimée à 2bar et, de part l’énergie fournie par le compresseur monte à 121°C.
  2. Cette vapeur arrive au condenseur, se condense en échangeant sa chaleur latente avec l’air extérieur plus fraîche
  3. L’eau ainsi obtenue, mais toujours à 119°C arrive au détendeur qui provoque une chute de pression rapide donc un refroidissement de notre eau qui se vaporise partiellement.
  4. Ce mélange de liquide/vapeur à 81°c arrive dans l’évaporateur pour absorber la chaleur de la pièce à 100°c afin de finir de s’évaporer.

Dans le monde des bizounours et avec des pièces de taille identique, la limite de fonctionnement de notre pompe à chaleur sera attente lorsque la pièce dite « intérieure » sera descendu à 80°c et la pièce dite « extérieure » sera montée à 120°C. Alors ? qu’avons nous fait ? nous avons transporté de la chaleur d’une point à un autre grâce à de l’eau.

😉

 Oui mais chez moi il ne fait pas 100°c monsieur !

Rhoooo, patience les amis, je sais bien ça. La climatisation n’utilise pas de l’eau mais des « fluide frigorigènes » mais comme je ne voulais pas faire un article de 100 pages, vous en saurez plus sur ces derniers en cliquant sur le lien ci-dessus.

Pas con les gars quand même…

Et oui, est ça ne date pas d’hier, c’est en 1902 que le Dr Willis H. Carrier invente et fabrique le tout premier climatiseur moderne au monde.

Et voilà, j’espère vous avoir un peu plus éclairé sur le fonctionnement de cette belle invention qu’est la pompe à chaleur. Pour les amateurs de torture mentale, je vous rassure, nous n’avons qu’effleuré le sujet qui vous réserve encore beaucoup de surprises et à moi de nombreux sujets à développer.

😉