Principes de fonctionnement et différences entre les détendeurs à compensation interne et à compensation externe

Le rôle des détendeurs dans les systèmes de réfrigération

Bien que le détendeur ne soit qu'un composant relativement petit au sein d'un système de réfrigération d'une chambre froide, son importance est capitale. Il influe directement sur la stabilité de l'alimentation en liquide de l'évaporateur et sur le bon fonctionnement du système de réfrigération.

La fonction principale d'un détendeur est de contrôler le débit de fluide frigorigène entrant dans l'évaporateur et de réguler automatiquement l'alimentation en fluide frigorigène afin que l'évaporateur fonctionne toujours de manière optimale. En d'autres termes, il fonctionne comme un robinet à régulation automatique du débit d'eau. Lorsque la charge thermique de la chambre froide augmente, il s'ouvre davantage. Lorsque la température de la chambre froide diminue, son ouverture se réduit automatiquement.

Si le détendeur s'ouvre excessivement, une grande quantité de fluide frigorigène liquide risque de ne pas s'évaporer complètement avant de retourner directement au compresseur, provoquant un reflux. Dans les cas les plus graves, cela peut même endommager le compresseur. À l'inverse, si le détendeur s'ouvre trop peu, l'alimentation en fluide de l'évaporateur devient insuffisante, empêchant la partie arrière de celui-ci de participer pleinement à l'échange thermique et entraînant une diminution de la vitesse de refroidissement. Par conséquent, le fonctionnement du détendeur influe directement sur la stabilité de l'ensemble du système frigorifique.

En pratique, on distingue deux types de détendeurs thermostatiques : les détendeurs à compensation interne et les détendeurs à compensation externe. Bien que leur apparence extérieure soit similaire, leur fonctionnement interne est totalement différent.

Principe de fonctionnement des soupapes d'expansion internes à égalisation

La principale caractéristique d'un détendeur à compensation interne est qu'il ne possède que deux raccords principaux. Sa conception, relativement simple, explique sa présence dans de nombreux petits groupes frigorifiques et systèmes de climatisation standard.

Pour comprendre les soupapes d'expansion à équilibrage interne, il est d'abord nécessaire de comprendre comment elles « détectent les variations de température ».

En haut du détendeur, un fin tube capillaire est relié au bulbe de détection. Ce dernier est généralement fixé au tuyau de sortie de l'évaporateur et contient une petite quantité de fluide frigorigène. Lorsque la température de sortie de l'évaporateur augmente, le fluide frigorigène contenu dans le bulbe de détection s'évapore et génère une pression. Cette pression est transmise par le tube capillaire à la partie supérieure du diaphragme situé à l'intérieur du détendeur.

Lorsque la pression au-dessus du diaphragme augmente, celui-ci est poussé vers le bas et actionne l'aiguille de la vanne. Une fois l'aiguille déplacée, l'orifice de la vanne, initialement fermé, s'ouvre progressivement, laissant entrer davantage de fluide frigorigène dans l'évaporateur. L'apport de fluide augmentant, la capacité d'absorption de chaleur de l'évaporateur s'accroît et la température de la chambre froide diminue progressivement.

Lorsque la température de l'enceinte frigorifique diminue, la température de sortie de l'évaporateur diminue également. Le fluide frigorigène contenu dans le bulbe de détection se condense alors à nouveau, ce qui réduit la pression. La force exercée sur le diaphragme diminue et le détendeur se ferme progressivement.

Cependant, la fermeture de la vanne ne dépend pas uniquement de la force du ressort. La pression de l'évaporateur elle-même contribue également à l'équilibre. À l'intérieur du détendeur à compensation interne se trouve un passage très étroit. La pression à proximité de l'entrée de l'évaporateur pénètre dans l'espace situé sous la membrane par ce passage, exerçant ainsi une force ascendante sur celle-ci. Simultanément, le ressort à l'intérieur du détendeur exerce également une force ascendante sur la membrane.

Par conséquent, la vanne entière fonctionne en réalité sous l'équilibre de trois forces :

• La sonde de pression du bulbe exerce une pression vers le bas

• La pression de l'évaporateur pousse vers le haut

• La force du ressort pousse également vers le haut

Lorsque ces trois forces atteignent l'équilibre, la vanne se stabilise dans une certaine position d'ouverture.

On parle d’« égalisation interne » car la pression de l’évaporateur est obtenue directement par un passage interne au sein du corps de la vanne, sans nécessiter de tuyauterie supplémentaire. L’acquisition de la pression se fait donc de l’intérieur.

Principe de fonctionnement d'un détendeur thermostatique (TXV)

Problèmes liés aux détendeurs à compensation interne

Les détendeurs à compensation interne présentent une structure simple, un coût relativement faible et une installation facile, ce qui explique leur large utilisation. Cependant, ils comportent un inconvénient majeur : la pression qu’ils mesurent ne correspond pas à la pression réelle à la sortie de l’évaporateur, mais à la pression à proximité de son entrée.

De nombreux débutants en systèmes frigorifiques négligent souvent les pertes de charge à l'intérieur des évaporateurs. En réalité, après son entrée dans l'évaporateur, le fluide frigorigène doit parcourir de longs serpentins. Durant ce processus, la pression diminue continuellement en raison des frottements et de l'évaporation.

Cela signifie que la pression d'entrée et la pression de sortie de l'évaporateur sont souvent différentes.

Si les serpentins de l'évaporateur sont relativement courts, cette différence de pression peut être négligeable, permettant ainsi aux détendeurs internes à compensation de pression de fonctionner normalement. En revanche, si les évaporateurs sont longs ou appartiennent à des systèmes basse température, les pertes de charge internes deviennent beaucoup plus importantes.

À ce stade, les soupapes d'expansion internes régulent encore en fonction de la pression d'entrée, ce qui peut induire en erreur. On peut comparer cette situation à celle d'une personne qui tenterait de déterminer si la pression de l'eau à l'extrémité d'un tuyau est suffisante en ne mesurant que la pression à l'entrée du tuyau. En effet, la résistance étant présente tout au long du tuyau, une pression d'entrée élevée n'implique pas nécessairement une pression élevée à la sortie.

De même, comme les détendeurs internes à compensation de pression ne peuvent détecter la pression de sortie réelle, ils peuvent se fermer prématurément. Il en résulte un apport de liquide insuffisant, ce qui réduit l'efficacité de l'échange thermique dans la dernière partie de l'évaporateur et, par conséquent, les performances frigorifiques.

De nombreux systèmes de stockage frigorifique connaissent des situations où « la partie avant givre tandis que la partie arrière reste insuffisamment refroidie ». Dans de nombreux cas, cela est directement lié à une distribution inégale du fluide frigorigène.

Principe de fonctionnement des détendeurs à compensation externe

Pour résoudre les erreurs causées par la chute de pression de l'évaporateur, des détendeurs externes à compensation de pression ont été mis au point.

La principale caractéristique des détendeurs à compensation externe est la présence d'un raccord supplémentaire par rapport aux détendeurs à compensation interne. Ce raccord se connecte généralement à un petit tube d'équilibrage directement relié au tuyau de sortie de l'évaporateur. De ce fait, la pression mesurée sous la membrane correspond non plus à la pression d'entrée de l'évaporateur, mais à sa pression de sortie réelle.

Bien que cela n'ajoute qu'un petit tube, le principe de fonctionnement s'en trouve profondément modifié. Les détendeurs externes à équilibrage étant directement alimentés par la pression de sortie de l'évaporateur, ils ne subissent aucune perte de charge à l'intérieur de celui-ci. Les données recueillies gagnent ainsi en précision, ce qui permet une régulation plus fine des vannes.

Lorsque la charge de l'évaporateur change, les vannes d'égalisation externes peuvent déterminer avec plus de précision les conditions de fonctionnement réelles de l'évaporateur et ajuster l'alimentation en liquide en conséquence.

Le principal avantage de cette méthode de régulation réside dans un contrôle plus précis de la surchauffe. La surchauffe correspond à l'élévation de température supplémentaire du fluide frigorigène après sa sortie de l'évaporateur. Une surchauffe excessive indique un apport de liquide insuffisant, tandis qu'une surchauffe insuffisante peut indiquer un risque de retour de liquide.

Les détendeurs externes à égalisation offrent un contrôle plus précis, permettant ainsi aux évaporateurs de maintenir des conditions de fonctionnement plus idéales.

Avantages des détendeurs à égalisation externe dans les applications de stockage frigorifique

Les systèmes de stockage frigorifique à basse température comportent généralement de longs évaporateurs, une tuyauterie complexe et d'importantes pertes de charge internes [Le refroidissement d'un système de stockage frigorifique à basse température est intrinsèquement plus difficile, ce qui nécessite des surfaces d'échange thermique plus importantes. Or, des surfaces d'échange thermique plus importantes engendrent inévitablement une résistance à l'écoulement plus élevée]. Dans ces systèmes, le maintien en place de détendeurs internes à compensation de pression entraîne souvent une alimentation en liquide insuffisante.

Dans les grands systèmes de stockage frigorifique à air, notamment, la longueur des serpentins d'évaporation peut devenir considérable. Après le passage du fluide frigorigène dans ces serpentins, la pression chute significativement. Comme les détendeurs internes à compensation ne peuvent pas détecter la pression de sortie réelle, ils supposent souvent, à tort, que la pression d'évaporation reste élevée et réduisent prématurément l'alimentation en fluide frigorigène.

Il en résulte que la partie la plus externe de l'évaporateur ne peut être pleinement utilisée, ce qui entraîne un gaspillage de la surface d'échange thermique disponible. En revanche, les détendeurs externes à égalisation mesurent directement la pression de sortie de l'évaporateur, permettant ainsi un réglage plus précis de l'ouverture du pointeau et une participation optimale de l'ensemble du serpentin de l'évaporateur à l'échange thermique.

Cela améliore non seulement l'efficacité de la réfrigération, mais assure également une plus grande stabilité des températures de stockage frigorifique. Par conséquent, dans les systèmes de stockage frigorifique à basse température, les installations de stockage frigorifique de moyenne et grande taille, les longs serpentins d'évaporation et les systèmes exigeant une grande précision de régulation de la température, les détendeurs externes à compensation de température sont devenus la solution privilégiée.

L'importance de comprendre les principes des détendeurs

De nombreuses pannes de systèmes frigorifiques sont en réalité liées à un dysfonctionnement du détendeur. Des problèmes tels qu'une alimentation en liquide insuffisante, un givrage irrégulier de l'évaporateur, des températures d'aspiration excessivement élevées et un retour de liquide du compresseur peuvent tous être dus à un fonctionnement anormal du détendeur.

Les techniciens frigoristes véritablement professionnels ne se contentent pas de résoudre les problèmes en remplaçant des composants. Ils sont capables d'identifier rapidement les anomalies du système grâce à l'observation des variations de pression, de température et de la formation de givre.

Toute analyse de ce type repose sur la compréhension des principes de fonctionnement des détendeurs. Seule une compréhension approfondie des différences entre les détendeurs à compensation interne et externe permet aux techniciens de déterminer avec précision l'origine des problèmes survenant dans les systèmes frigorifiques et la manière d'effectuer les réglages et les réparations nécessaires.