Manuel Fonctionnement et diagnostic de la climatisation - Preview by INFOPRO DIGITAL

UNITÉ DIDACTIQUE 2 INTRODUCTION AU REFROIDISSEMENT PRINCIPES PHYSIQUES DE LA TECHNIQUE DE REFROIDISSEMENT LOIS PHYSIQUES APPLICABLES À LA CLIMATISATION Il existe de nombreuses substances que l’on peut trouver dans trois états physiques différents. Par exemple, prenons le cas de l’eau, nous pouvons la trouver à l’état solide, liquide ou gazeux. Pour que ces changements d’état se produisent, un apport d’énergie est nécessaire sous forme de chaleur. La glace est utilisée depuis longtemps par l’homme pour réfrigérer les aliments. Les aliments sont placés dans un réfrigérateur avec de la glace. Autrefois, on utilisait des puits de glace. La glace, de l’eau sous forme solide, absorbe la chaleur des aliments et par conséquent, les refroidit. Mais ce refroidissement de la nourriture produit une augmentation de la température de la glace qui la fait fondre, passant alors de l’état solide à l’état liquide. La glace se transforme en eau. Si vous continuez à chauffer l’eau, elle commencera à bouillir et à s’évaporer. De cette façon, un autre changement d’état se produit, de l’état liquide à l’état gazeux. Ce phénomène physique est réversible, la vapeur d’eau peut redevenir liquide si elle se refroidit et si elle continue à se refroidir, elle peut revenir à l’état solide, sous forme de glace. Ce principe s’applique à presque toutes les substances. Pour ce faire, un transfert thermique est nécessaire : - Une substance absorbe de la chaleur lorsqu’elle passe de l’état liquide à l’état gazeux. - Une substance dégage de la chaleur lorsqu’elle passe de l’état gazeux à l’état liquide. - La chaleur est toujours transmise de la substance la plus chaude à la plus froide. Ces effets de transfert thermique, grâce auxquels une substance peut passer de l’état liquide à l’état gazeux dans certaines conditions, sont utilisés et mis en pratique dans la technique de climatisation des voitures. Si ces changements de température et d’état se produisent dans un circuit fermé, des changements de pression sont également provoqués. Les phénomènes de pression et de température sont toujours liés, de sorte que si la pression augmente, il y a une augmentation de la température et si la

Glace : eau sous forme solide

La glace se liquéfie lorsqu’on applique de la chaleur

L’eau s’évapore si on continue d’appliquer de la chaleur

température augmente, il y a aussi une augmentation de la pression. Pour que tout liquide s’évapore, il faut l’exposer à de la chaleur. Quelques exemples : - Si nous vaporisons de l’alcool sur notre peau, nous ressentons une sensation de froid, ce froid est produit parce que l’évaporation de l’alcool absorbe la chaleur de notre peau. - L’eau que nous versons dans une cruche est maintenue froide grâce à l’évaporation qui se produit à travers les pores de l’argile. On peut constater que la cruche transpire. Dans ce processus d’évaporation, la chaleur de l’eau qui se trouve à l’intérieur de la cruche est absorbée. - Toute évaporation d’un gaz refroidit la zone où il s’évapore. Au niveau expérimental, des équipements de climatisation ont été mis au point par dilatation de l’azote liquide. Le système n’est naturellement pas viable, car l’azote est perdu. - Pour les systèmes de climatisation, ce phénomène physique d’évaporation et de condensation est utilisé, mais en circuit fermé.

UNITÉ DIDACTIQUE 2 INTRODUCTION AU REFROIDISSEMENT LES CONCEPTS PHYSIQUES UTILISÉS DANS LA CLIMATISATION La technique de refroidissement est basée sur différentes lois physiques de la nature, qui sont utilisées pour la climatisation des voitures. Les gaz chimiques ou naturels sont utilisés pour le transfert de chaleur et sont comprimés et dilatés dans un circuit fermé. Il existe un certain nombre de concepts que vous devez maitriser afin de comprendre le fonctionnement des systèmes de climatisation des voitures. La connaissance de ces concepts facilitera nos tâches de maintenance et de réparation des systèmes. CHALEUR C’est une forme d’énergie parfaitement mesurable par la température exprimée en degrés Celsius, en degrés Kelvin ou en degrés Fahrenheit (O ºC = 273,15 ºK), (O ºC = 32 ºF). Pour convertir des degrés Celsius en degrés Kelvin, il suffit d’ajouter 273,15 aux degrés Celsius. Formule : O ºC + 273,15 = 273,15 ºK. Exemple pour 10 ºC, 10 ºC + 273,15 = 283,15 ºK. Le zéro absolu en degrés Kelvin correspond à -273,15 ºC. La formule suivante doit être utilisée pour convertir les degrés Celsius en degrés Fahrenheit : (O ºC x 9/5) + 32 = 32 ºF. Exemple pour 10 ºC, (10 ºC x 9/5) + 32 = 50 ºF. Il est également possible de mesurer la quantité de chaleur en Joule (calories). Dans notre cas, sur un plan pratique, nous utiliserons le degré Celsius comme unité de température. Les autres unités sont utilisées pour certains calculs qui, dans ce cas, ne sont pas nécessaires. La variation de la température peut modifier les états d’agrégation de la matière, qui adoptent différentes phases en fonction de la température et de la pression. Chaque état d’agrégation a des propriétés et des caractéristiques différentes, les plus connues et observées au quotidien sont : solide, liquide, gazeux et plasmique.

Pour changer d’état, il est possible de chauffer (la matière absorbe la chaleur) ou de refroidir quelque chose (la matière dégage de la chaleur). La propagation de la chaleur se fait toujours de la zone la plus chaude à la plus froide. FROID En ce qui concerne le froid à proprement parler, nous pouvons affirmer qu’il n’existe pas, puisqu’il n’est pas mesurable. Il s’agit en fait de l’absence de chaleur ou d’une chaleur de faible intensité. En règle générale, nous définissons les températures froides comme celles qui se situent en dessous du point de congélation de l’eau. Au quotidien, on considère que quelque chose est froid lorsque la matière est à une température inférieure à 0 ºC. POINT CRITIQUE Le point critique est la condition à laquelle les densités de liquide et le gaz sont les mêmes. Au-dessus de ce point, il n’y a pas de surface de séparation entre le liquide et la vapeur. Les substances à une température supérieure au point critique sont toujours sous forme de vapeur. Si nous chauffons un gaz au-dessus de son point critique, il n’est plus possible de le liquéfier à nouveau en raison de la décomposition chimique et moléculaire. POINT D’ÉBULLITION C’est la température à laquelle une substance passe de l’état liquide à l’état gazeux. Le point d’ébullition varie en fonction de la pression. À mesure que la pression augmente, la température d’ébullition augmente directement. L’eau à la pression atmosphérique de 1 bar bout lorsqu’elle atteint une température de 100 ºC. L’eau à l’intérieur d’une cocotte-minute à 3 bar bout à environ 135 ºC. C’est pourquoi les aliments sont cuits en moins de temps. CONDENSATION C’est le phénomène inverse de l’ébullition, par lequel la matière passe de l’état gazeux à l’état liquide. Dans ce processus, la pression et la température diminuent.

UNITÉ DIDACTIQUE 2 INTRODUCTION AU REFROIDISSEMENT LES CONCEPTS PHYSIQUES UTILISÉS DANS LA CLIMATISATION POINT DE ROSÉE C’est la température à laquelle la vapeur d’eau contenue dans l’air commence à se condenser. À ce stade, de la rosée, du brouillard ou n’importe quel type de nuage apparaît. Si la température continue à baisser, du gel ou de petites gouttes qui se précipitent sous forme d’eau condensée apparaissent.

REFROIDISSEMENT PAR DÉTENTE Lorsqu’un gaz sous pression se dilate (se détend) soudainement à travers une soupape, il se refroidit pendant la dilatation. Cela se produit lors de la libération d’un gaz sous pression, par exemple : un spray dégrippant, le fait de laisser sortir de l’air par la soupape d’un pneu, etc. L’air ou le gaz dilaté passant par la soupape sort froid. C’est le principe de base utilisé dans les systèmes de climatisation des voitures. La détente du gaz frigorigène refroidit l’air que nous introduisons à l’intérieur de l’habitacle.

AGENT RÉFRIGÉRANT C’est le gaz utilisé pour effectuer les processus de transfert de chaleur. L’agent réfrigérant utilisé dans les systèmes de climatisation des voitures est à l’état liquide ou gazeux selon les conditions de pression et de température. Lorsque la pression du gaz baisse et que le gaz se détend, la température baisse considérablement.

ÉTAT D’AGRÉGATION DE LA MATIÈRE

PLASMA on

ti isa

Déposition

Con Sublimation

io Dé

GAZ

SOLIDE

ti isa

den

Vap o

risa

sat

tion

ion ti

a fic

id ol

LIQUIDE

Enthalpie du système

Ion

i us

Dans les équipements de climatisation utilisés dans les voitures, le fluide frigorigène est dans un circuit fermé et est ainsi forcé de passer de l’état liquide à l’état gazeux, par un processus de vaporisation dans lequel il se refroidit, et de l’état gazeux à l’état liquide, par un processus de condensation dans lequel le fluide réfrigérant est chauffé. © ETAI 2020

UNITÉ DIDACTIQUE 2 RELATION ENTRE LA PRESSION ET LE POINT D’ÉBULLITION Pour tout liquide, la condition selon laquelle le point d’ébullition varie en fonction de la variation de la pression est remplie. En règle générale, il existe une relation directement proportionnelle entre la pression et la température d’ébullition. Lorsque la pression augmente, la température d’ébullition augmente et lorsque la pression diminue, la température d’ébullition diminue.

COURBE DE PRESSION DE LA VAPEUR D’EAU (H2O)

Eau à L’état gazeux

Bar

Eau à L’état liquide

Pression

MPa

Courbe de pression de la vapeur

Température

Pression

Liquide réfrigérant à l’état gazeux

Température

Bar

Liquide réfrigérant à l’état liquide

Pression

MPa

Courbes de pression de la vapeur

L’eau, lorsqu’elle est soumise à la pression atmosphérique de 1 bar, bout et se transforme en vapeur lorsque la température de 100 ºC est atteinte. Plus la pression augmente, plus la température d’ébullition augmente également. Si l’on observe le graphique, on peut voir qu’à 3 bar, l’eau commence à bouillir à environ 135 ºC. Cela est utile par exemple dans les circuits de refroidissement sous pression. Le moteur peut fonctionner à une température plus élevée sans risque de faire bouillir le réfrigérant. L’eau a un point d’ébullition relativement bas par rapport aux autres éléments. Par exemple, l’huile utilisée dans les compresseurs a un point d’ébullition entre 380 et 400 ºC.

COURBES DE PRESSION DE VAPEUR POUR LES FLUIDES RÉFRIGÉRANTS R134a ET R1234yf

De nos jours, ces réfrigérants sont les plus utilisés dans les équipements de climatisation des véhicules. Le processus d’évaporation est utilisé. Pour ce faire, on utilise des substances qui bouillent facilement appelées agents réfrigérants. Le point d’ébullition est : - Agent réfrigérant R134a = -26,5 ºC - Agent réfrigérant R1234yf = -29 ºC Le comportement des deux gaz est très similaire, mais le R134a n’est plus installé dans les nouveaux équipements depuis 2017 en raison de son PRP élevé. Pour l’instant, il peut encore être utilisé pour charger des véhicules qui en ont été équipé de série. De nos jours, le gaz le plus utilisé dans les voitures est le R1234yf qui a un PRP de 4. Néanmoins, il y a des marques comme Mercedes qui utilisent le R744 (CO2) qui a un PRP de 1.

PRINCIPES PHYSIQUES

- En maintenant la pression constante et en réduisant la température, la vapeur passe à l’état liquide. Dans le circuit de climatisation, cela se passe dans le condenseur. - En réduisant la pression, l’agent réfrigérant passe de l’état liquide à l’état gazeux en abaissant la température. Dans le circuit de climatisation, cela se passe dans l’évaporateur. © ETAI 2020

UNITÉ DIDACTIQUE 2 ÉLÉMENTS DE BASE DU SYSTÈME DE CLIMATISATION Détendeur Évaporateur Pressostat

Avec l’aimable autorisation de Seat. © Seat

Compresseur

Silencieux réservoir récepteur Bouteille déshydratante Condenseur

Les éléments de base d’un système de climatisation de voiture sont les suivants : COMPRESSEUR : il est chargé d’augmenter la pression du fluide réfrigérant et de le forcer à circuler dans tous les éléments du système. Il existe plusieurs types de compresseurs, à cylindrée fixe et variable, à entraînement mécanique ou électrique, en fonction des véhicules auxquels ils sont destinés. CONDENSEUR : il s’agit d’un radiateur situé à l’avant du véhicule. Il reçoit le gaz comprimé en phase gazeuse, le refroidit et le liquéfie. BOUTEILLE DÉSHYDRATANTE : il reçoit le fluide réfrigérant qui quitte le condenseur en phase liquide, retient les éventuelles impuretés et l’eau. PRESSOSTAT : il mesure la pression du circuit haute pression. Il peut être de type manocontact de pression (trinaire) ou de type électronique (capteur MAP). Les

informations provenant de ce capteur sont utilisées pour contrôler le fonctionnement du compresseur. DÉTENDEUR : il détend ou gazéifie l’agent réfrigérant à l’entrée de l’évaporateur. Dans le processus de détente, le gaz se refroidit considérablement. ÉVAPORATEUR : il s’agit du radiateur situé dans l’unité climatique à l’intérieur de l’habitacle. Le gaz réfrigérant évaporé circule à l’intérieur de celui-ci. Dans ce processus, la chaleur est extraite de l’air entrant dans l’habitacle. L’air qui passe dans l’évaporateur est refroidi et déshydraté. SILENCIEUX-RÉSERVOIR RÉCEPTEUR : il s’agit d’un élément situé dans le circuit basse pression, juste avant le compresseur. Il empêche le compresseur d’aspirer du réfrigérant liquide, ce qui pourrait l’endommager. Il n’est pas installé dans tous les systèmes et n’existe parfois pas en tant que pièce de rechange. Le tuyau basse pression est vendu sans le réservoir récepteur.

UNITÉ DIDACTIQUE 2 FONCTIONNEMENT HYDRAULIQUE DU CIRCUIT DE CLIMATISATION 1,2 bar -7 ºC Détendeur

4°C

14 bar 55 ºC

Compresseur Prise basse pression

Prise haute pression

24°C

Pressostat

Turbine Évaporateur

14 bar 65 ºC 14 bar 55 ºC

Motoventilateur

Filtre 14 bar 55 ºC Condenseur

CONDITIONS TECHNIQUES

Pour refroidir quelque chose, il faut qu’elle libère de la chaleur. Pour obtenir cet effet, un système de refroidissement par compression est installé dans les voitures. L’agent réfrigérant est forcé de circuler dans un circuit fermé et passe continuellement de l’état liquide à l’état gazeux. - L’agent réfrigérant est comprimé à l’état gazeux. - Par la suite, il se condense, en libérant de la chaleur. - Il s’évapore ensuite par réduction de la pression, en absorbant la chaleur. - En fait, nous ne générons pas de froid, ce que nous faisons, c’est extraire la chaleur de l’air qui entre à l’intérieur de l’habitacle.

FONCTIONNEMENT HYDRAULIQUE (HAUTE PRESSION)

Le circuit commence par le compresseur, qui aspire l’agent réfrigérant froid, à l’état gazeux et à basse pression. Il est très important que le réfrigérant entre dans le compresseur à l’état gazeux, car les liquides ne peuvent pas être comprimés mécaniquement et endommageraient le compresseur. 22

L’agent réfrigérant est comprimé dans le compresseur et sa pression et sa température augmentent. Il sort du compresseur à l’état gazeux à environ 14 bar et 65 ºC. C’est là que commence le circuit haute pression du système de climatisation. L’agent réfrigérant est envoyé dans le condenseur, et la circulation de l’air est provoquée soit par le vent de marche, soit par un motoventilateur. Cet air refroidit le fluide réfrigérant et lorsque l’agent réfrigérant gazeux atteint le point de rosée en fonction de la pression, il se condense et passe à l’état liquide. En bref, dans le condenseur, le fluide réfrigérant se liquéfie et perd de la chaleur. La pression reste à 14 bar et la température baisse d’environ 10 degrés, pour atteindre 55 ºC. L’étape suivante est la bouteille déshydratante, où les éventuelles impuretés et l’humidité sont retenues. La pression et la température doivent rester inchangées, c’est-à-dire à 14 bar et 55 ºC. Dans ces conditions, le fluide réfrigérant atteint le détendeur.

UNITÉ DIDACTIQUE 2 FONCTIONNEMENT HYDRAULIQUE DU CIRCUIT DE CLIMATISATION FONCTIONNEMENT HYDRAULIQUE (BASSE PRESSION)

Le fluide réfrigérant est pulvérisé dans l’évaporateur à partir du détendeur et une chute de pression se produit. L’agent réfrigérant liquide pulvérisé dans l’évaporateur se détend et s’évapore. Pour faciliter l’évaporation, la chaleur provenant de l’air extérieur pulsé par la turbine à air frais est appliquée au réfrigérant. La température de l’air qui pénètre à l’intérieur de l’habitacle peut être réduite d’environ 20 ºC, c’est-à-dire que nous le captons à 24 ºC et qu’il pénètre dans l’habitacle à 4 ºC. La pression du fluide réfrigérant chute à environ 1,2 bar et sa température baisse pour atteindre -7 ºC. C’est là que commence le circuit basse pression du système de climatisation. Lorsque le fluide sort de l’évaporateur, il est renvoyé au compresseur à l’état gazeux et froid. Il est aspiré par le compresseur et démarre un nouveau cycle en circuit fermé. Tous les éléments sont reliés hydrauliquement par des tuyaux rigides en aluminium et des tuyaux flexibles en néoprène avec une barrière en nylon. L’étanchéité est garantie grâce à l’utilisation de joints toriques hydrogénés verts (HNBR) qui résistent à des températures allant jusqu’à 130 ºC.

CHAUFFAGE-VENTILATION

CLIMATISATION AUTOMATIQUE

CLIMATISATION MANUELLE

OPTIONS DE CLIMATISATION

Trois options de climatisation sont disponibles dans les véhicules : CHAUFFAGE-VENTILATION La température, la vitesse d’entrée de l’air et les zones d’entrée sont contrôlées manuellement par le conducteur. Il n’est pas possible d’abaisser la température d’entrée de l’air, il est seulement possible de l’augmenter. CLIMATISATION MANUELLE Ce système peut être entièrement manuel ou semi-automatique avec contrôle de la température. Le conducteur décide de la vitesse d’entrée de l’air et des buses par lesquelles il entre. Dans ce système, la température peut être abaissée ou augmentée. CLIMATISATION AUTOMATIQUE Le conducteur sélectionne la température et le système décide de la meilleure manière d’atteindre la température sélectionnée en fonction de la vitesse d’entrée et des buses par lesquelles l’air entre. Le système peut être monozone, bizone ou quadrizone, dans lequel chaque passager peut choisir la température souhaitée. Ces systèmes disposent d’un autodiagnostic des éventuelles défaillances. © ETAI 2020