Il existe deux types de systèmes de climatisation couramment utilisés sur les avions. La climatisation à cycle d'air est utilisée sur la plupart des avions à turbine. Il utilise l'air de prélèvement du moteur ou l'air pneumatique de l'APU pendant le processus de conditionnement. Les systèmes de climatisation à cycle de vapeur sont souvent utilisés sur les avions à pistons. Ce type de système est similaire à celui que l'on trouve dans les maisons et les automobiles. Notez que certains avions à turbine utilisent également la climatisation à cycle de vapeur.

Climatisation à cycle d'air 

La climatisation à cycle d'air prépare l'air de prélèvement du moteur pour pressuriser la cabine de l'avion. La température et la quantité d'air doivent être contrôlées pour maintenir un environnement cabine confortable à toutes les altitudes et au sol. Le système de cycle d'air est souvent appelé l'ensemble ou le pack de climatisation. Il est généralement situé dans la moitié inférieure du fuselage ou dans la partie arrière des avions à turbine. 

Opération Système 

Même avec les températures glaciales rencontrées à haute altitude, l'air prélevé est trop chaud pour être utilisé dans la cabine sans être refroidi. Il est introduit dans le système de cycle d'air et acheminé à travers un échangeur de chaleur où l'air dynamique refroidit l'air de prélèvement. Cet air de prélèvement refroidi est dirigé vers une machine à cycle à air. Là, il est comprimé avant de traverser un échangeur de chaleur secondaire qui refroidit à nouveau l'air avec de l'air dynamique. L'air de prélèvement retourne ensuite dans la machine à cycle d'air où il entraîne une turbine de détente et se refroidit encore plus. L'eau est ensuite éliminée et l'air est mélangé avec de l'air de prélèvement dérivé pour le réglage final de la température. Il est envoyé dans la cabine via le système de distribution d'air. En examinant le fonctionnement de chaque composant dans le processus de cycle d'air, une meilleure compréhension peut être développée de la façon dont l'air de prélèvement est conditionné pour une utilisation en cabine.

Alimentation du système pneumatique 

Le système de climatisation à cycle d'air est alimenté en air par le système pneumatique de l'avion. A son tour, le système pneumatique est alimenté par des piquages ​​d'air de prélèvement sur chaque section de compresseur du moteur ou à partir de l'alimentation pneumatique de l'APU. Une source externe d'alimentation en air pneumatique peut également être connectée alors que l'aéronef est à l'arrêt au sol. Dans les opérations de vol normales, un collecteur pneumatique est alimenté par l'air de prélèvement du moteur grâce à l'utilisation de vannes, de régulateurs et de conduits. Les packs de climatisation sont alimentés par ce collecteur ainsi que d'autres systèmes critiques de la cellule, tels que l'antigivrage et le système de pressurisation hydraulique. 

Fonctionnement des composants 

Vanne d'emballage 

La vanne de pack est la vanne qui régule l'air de prélèvement du collecteur pneumatique dans le système de climatisation à cycle d'air. Il est contrôlé avec un interrupteur depuis le panneau de climatisation dans le cockpit. De nombreuses vannes de pack sont commandées électriquement et actionnées pneumatiquement. Également connue sous le nom de vanne d'arrêt d'alimentation, la vanne de bloc s'ouvre, se ferme et se module pour permettre au système de climatisation à cycle d'air d'être alimenté avec un volume d'air chaud sous pression conçu. Lorsqu'une surchauffe ou une autre condition anormale nécessite l'arrêt du groupe de conditionnement d'air, un signal est envoyé à la vanne du groupe pour qu'elle se ferme.

Dérivation d'air de purge 

Un moyen pour contourner une partie de l'air pneumatique fourni au système de conditionnement d'air à cycle d'air autour du système est présent sur tous les aéronefs. Cet air chaud dérivé doit être mélangé à l'air froid produit par le système de cycle d'air afin que l'air fourni à la cabine soit à une température confortable. Dans le système représenté sur la figure, cela est accompli par la vanne de mélange. Il contrôle simultanément le débit d'air dérivé et d'air à refroidir pour répondre aux exigences du régulateur de température automatique. Il peut également être contrôlé manuellement avec le sélecteur de température de la cabine en mode manuel. D'autres systèmes de cycle d'air peuvent faire référence à la vanne qui contrôle l'air contourné autour du système de refroidissement du cycle d'air en tant que vanne de régulation de température, vanne de régulation de pression d'air de compensation ou quelque chose de similaire.

Échangeur de chaleur primaire 

Généralement, l'air chaud destiné à traverser le système de cycle d'air passe d'abord par un échangeur de chaleur primaire. Il agit de la même manière que le radiateur d'une automobile. Un flux contrôlé d'air dynamique est canalisé sur et à travers l'échangeur, ce qui réduit la température de l'air à l'intérieur du système. Un ventilateur aspire l'air à travers le conduit d'air dynamique lorsque l'avion est au sol afin que l'échange de chaleur soit possible lorsque l'avion est à l'arrêt. En vol, les portes d'air dynamique sont modulées pour augmenter ou diminuer le débit d'air dynamique vers l'échangeur en fonction de la position des volets d'aile. En vol lent, lorsque les volets sont sortis, les portes sont ouvertes. À des vitesses plus élevées, avec les volets rentrés, les portes se déplacent vers la position fermée réduisant la quantité d'air dynamique vers l'échangeur. Une opération similaire est accomplie avec une vanne sur des avions plus petits.

Unité de turbine de réfrigération ou machine à cycle d'air et échangeur de chaleur secondaire

Le cœur du système de climatisation à cycle d'air est l'unité de turbine de réfrigération, également connue sous le nom de machine à cycle d'air (ACM). Il est composé d'un compresseur entraîné par une turbine sur un arbre commun. L'air du système s'écoule de l'échangeur de chaleur primaire vers le côté compresseur de l'ACM. Lorsque l'air est comprimé, sa température augmente. Il est ensuite envoyé vers un échangeur de chaleur secondaire, similaire à l'échangeur de chaleur primaire situé dans le conduit d'air dynamique. La température élevée de l'air comprimé ACM facilite un échange facile d'énergie thermique vers l'air dynamique. L'air du système refroidi, toujours sous pression du flux d'air continu du système et du compresseur ACM, sort de l'échangeur de chaleur secondaire. Il est dirigé vers le côté turbine de l'ACM. L'angle d'inclinaison des pales de la turbine ACM extrait plus d'énergie de l'air lorsqu'il traverse et entraîne la turbine. Une fois à travers, l'air peut se dilater à la sortie ACM, refroidissant encore plus. La perte d'énergie combinée de l'air entraînant d'abord la turbine puis se dilatant à la sortie de la turbine abaisse la température de l'air du système à un point proche du point de congélation.

Séparateur d'eau 

L'air frais de la machine à cycle à air ne peut plus retenir la quantité d'eau qu'il pouvait conserver lorsqu'il était chaud. Un séparateur d'eau est utilisé pour éliminer l'eau de l'air saturé avant qu'il ne soit envoyé dans la cabine de l'avion. Le séparateur fonctionne sans pièces mobiles. L'air brumeux de l'ACM entre et est forcé à travers une chaussette en fibre de verre qui se condense et fusionne la brume en plus grosses gouttes d'eau. La structure intérieure alambiquée du séparateur fait tourbillonner l'air et l'eau. L'eau s'accumule sur les côtés du séparateur et s'écoule vers le bas et hors de l'unité, tandis que l'air sec passe à travers. Une soupape de dérivation est incorporée en cas de blocage.

Vanne de dérivation de réfrigération 

Comme mentionné, l'air sortant de la turbine ACM se dilate et se refroidit. Il devient si froid qu'il pourrait geler l'eau dans le séparateur d'eau, inhibant ou bloquant ainsi le flux d'air. Un capteur de température dans le séparateur contrôle une vanne de dérivation de réfrigération conçue pour maintenir l'air circulant dans le séparateur d'eau au-dessus de la température de congélation. La vanne est également identifiée par d'autres noms tels que vanne de régulation de température, vanne 35°, vanne anti-givre, etc. Il contourne l'air chaud autour de l'ACM lorsqu'il est ouvert. L'air est introduit dans le conduit d'expansion, juste en amont du séparateur d'eau, où il réchauffe l'air juste assez pour l'empêcher de geler. Ainsi, la vanne de dérivation de réfrigération régule la température de l'air de refoulement de l'ACM afin qu'il ne gèle pas lors de son passage dans le séparateur d'eau.

Système de contrôle de la température de la cabine 

La plupart des systèmes de contrôle de la température de la cabine fonctionnent de la même manière. La température est surveillée dans la cabine, le cockpit, les conduits d'air conditionné et les conduits d'air de distribution. Ces valeurs sont entrées dans un contrôleur de température, ou régulateur de contrôle de température, normalement situé dans la baie électronique. Un sélecteur de température dans le cockpit peut être ajusté pour entrer la température souhaitée. Le contrôleur de température compare les signaux de température réels reçus des différents capteurs avec l'entrée de température souhaitée. La logique du circuit pour le mode sélectionné traite ces signaux d'entrée. Un signal de sortie est envoyé à une vanne dans le système de climatisation à cycle d'air. Cette vanne a des noms différents selon le constructeur de l'avion et la conception des systèmes de contrôle environnemental (c'est-à-dire vanne de mélange, vanne de régulation de température, vanne d'air de compensation). Il mélange l'air de prélèvement chaud qui a contourné le processus de refroidissement du cycle d'air avec l'air froid produit par celui-ci. En modulant la vanne en réponse au signal du contrôleur de température, l'air de la température sélectionnée est envoyé dans la cabine via le système de distribution d'air. 

Les unités de prise de température de la cabine et les capteurs de température des conduits utilisés dans le système de contrôle de la température sont des thermistances. Leur résistance change lorsque la température change. Le sélecteur de température est un rhéostat qui fait varier sa résistance lorsque le bouton est tourné. Dans le contrôleur de température, les résistances sont comparées dans un circuit en pont. La sortie du pont alimente une fonction de régulation de température. Une sortie de signal électrique est préparée et envoyée à la vanne qui mélange l'air chaud et froid. Sur les gros avions avec des zones de température séparées, des vannes de modulation d'air de compensation pour chaque zone sont utilisées. Les vannes se modulent pour fournir le mélange correct requis pour correspondre à la température sélectionnée. Les capteurs de température de la cabine, du poste de pilotage et des conduits sont stratégiquement situés pour fournir des informations utiles pour contrôler la température de la cabine.

Climatisation à cycle de vapeur 

L'absence d'une source d'air de prélèvement sur les aéronefs à moteur alternatif rend l'utilisation d'un système de cycle d'air impraticable pour le conditionnement de l'air de la cabine. La climatisation à cycle de vapeur est utilisée sur la plupart des avions sans turbine équipés de la climatisation. Cependant, ce n'est pas une source d'air de pressurisation car l'air conditionné du système de cycle d'air se trouve sur les avions à turbine. Le système de cycle de vapeur ne refroidit que la cabine. Si un aéronef équipé d'un système de conditionnement d'air à cycle de vapeur est pressurisé, il utilise l'une des sources décrites dans la section sur la pressurisation ci-dessus. La climatisation à cycle de vapeur est un système fermé utilisé uniquement pour le transfert de chaleur de l'intérieur de la cabine vers l'extérieur de la cabine. Il peut fonctionner au sol et en vol. 

Théorie de la réfrigération

L'énergie ne peut être ni créée ni détruite ; cependant, il peut être transformé et déplacé. C'est ce qui se passe lors de la climatisation à cycle vapeur. L'énergie thermique est déplacée de l'air de la cabine vers un réfrigérant liquide. En raison de l'énergie supplémentaire, le liquide se transforme en vapeur. La vapeur est comprimée et devient très chaude. Il est retiré de la cabine où le réfrigérant à vapeur très chaude transfère son énergie calorifique à l'air extérieur. Ce faisant, le réfrigérant se refroidit et se condense en un liquide. Le réfrigérant retourne dans la cabine pour répéter le cycle de transfert d'énergie. 

La chaleur est une expression de l'énergie, généralement mesurée par la température. Plus la température d'une substance est élevée, plus elle contient d'énergie. La chaleur circule toujours du chaud vers le froid. Ces termes expriment la quantité relative d'énergie présente dans deux substances. Ils ne mesurent pas la quantité absolue de chaleur présente. Sans différence de niveaux d'énergie, il n'y a pas de transfert d'énergie (chaleur).

Ajouter de la chaleur à une substance n'augmente pas toujours sa température. Lorsqu'une substance change d'état, comme lorsqu'un liquide se transforme en vapeur, l'énergie thermique est absorbée. C'est ce qu'on appelle la chaleur latente. Lorsqu'une vapeur se condense en un liquide, cette énergie thermique est dégagée. La température d'une substance reste constante pendant son changement d'état. Toute l'énergie absorbée ou dégagée, la chaleur latente, est utilisée pour le processus de changement. Une fois le changement d'état terminé, la chaleur ajoutée à une substance élève la température de la substance. Après qu'une substance a changé d'état en vapeur, l'augmentation de la température de la vapeur causée par l'ajout d'encore plus de chaleur est appelée surchauffe.

La température à laquelle une substance passe d'un liquide à une vapeur lorsque de la chaleur est ajoutée est connue sous le nom de point d'ébullition. Il s'agit de la même température à laquelle une vapeur se condense en un liquide lorsque la chaleur est évacuée. Le point d'ébullition de toute substance varie directement avec la pression. Lorsque la pression sur un liquide augmente, son point d'ébullition augmente, et lorsque la pression sur un liquide diminue, son point d'ébullition diminue également. Par exemple, l'eau bout à 212 ° F à température atmosphérique normale (14,7 psi). Lorsque la pression sur l'eau liquide est augmentée à 20 psi, elle ne bout pas à 212 °F. Plus d'énergie est nécessaire pour surmonter l'augmentation de pression. Il bout à environ 226,4 ° F. L'inverse est également vrai. L'eau peut également bouillir à une température beaucoup plus basse simplement en réduisant la pression sur elle. Avec seulement 10 psi de pression sur l'eau liquide,

La pression de vapeur est la pression de la vapeur qui existe au-dessus d'un liquide qui se trouve dans un récipient fermé à une température donnée. La pression de vapeur développée par diverses substances est unique à chaque substance. Une substance dite volatile développe une pression de vapeur élevée à une température diurne standard (59 °F). C'est parce que le point d'ébullition de la substance est beaucoup plus bas. Le point d'ébullition du tétrafluoroéthane (R134a), le réfrigérant utilisé dans la plupart des systèmes de climatisation à cycle de vapeur des avions, est d'environ –15 °F. Sa pression de vapeur à 59 °F est d'environ 71 psi. La pression de vapeur de toute substance varie directement avec la température.

Cycle de vapeur de base 

La climatisation à cycle de vapeur est un système fermé dans lequel un réfrigérant circule à travers des tubes et une variété de composants. Le but est d'évacuer la chaleur de la cabine de l'avion. Pendant la circulation, le fluide frigorigène change d'état. En manipulant la chaleur latente nécessaire pour ce faire, l'air chaud est remplacé par de l'air frais dans la cabine de l'avion. 

Pour commencer, le R134a est filtré et stocké sous pression dans un réservoir appelé récepteur sécheur. Le réfrigérant est sous forme liquide. Il s'écoule du sécheur récepteur à travers des tubes jusqu'à un détendeur. À l'intérieur de la vanne, une restriction sous la forme d'un petit orifice bloque la majeure partie du réfrigérant. Puisqu'il est sous pression, une partie du réfrigérant est forcée à travers l'orifice. Il émerge sous la forme d'une pulvérisation de minuscules gouttelettes dans le tube en aval de la vanne. Le tube est enroulé dans un ensemble de type radiateur appelé évaporateur. Un ventilateur est positionné pour souffler l'air de l'habitacle sur la surface de l'évaporateur. Ce faisant, la chaleur de l'air de la cabine est absorbée par le réfrigérant, qui l'utilise pour changer d'état de liquide à vapeur. Tellement de chaleur est absorbée que l'air de l'habitacle soufflé par le ventilateur à travers l'évaporateur se refroidit considérablement.

Le réfrigérant gazeux sortant de l'évaporateur est aspiré dans un compresseur. Là, la pression et la température du réfrigérant sont augmentées. Le réfrigérant gazeux à haute pression et haute température s'écoule à travers des tubes vers un condenseur. Le condenseur est comme un radiateur composé d'une grande longueur de tube avec des ailettes fixées pour favoriser le transfert de chaleur. L'air extérieur est dirigé vers le condenseur. La température du réfrigérant à l'intérieur est supérieure à la température de l'air ambiant, de sorte que la chaleur est transférée du réfrigérant vers l'air extérieur. La quantité de chaleur dégagée est suffisante pour refroidir le réfrigérant et le recondenser en un liquide à haute pression. Il s'écoule à travers les tubes et retourne dans le sécheur récepteur, complétant le cycle de vapeur. 

Il y a deux côtés au système de climatisation à cycle de vapeur. L'un accepte la chaleur et est connu sous le nom de côté bas. L'autre donne de la chaleur et est connu comme le côté haut. Le bas et le haut font référence à la température et à la pression du réfrigérant. Ainsi, le compresseur et le détendeur sont les deux composants qui séparent le côté bas du côté haut du cycle. Le réfrigérant du côté bas est caractérisé comme ayant une pression et une température basses. Le réfrigérant du côté haut a une pression et une température élevées.   

Composants du système de climatisation à cycle de vapeur 

En examinant chaque composant du système de climatisation à cycle de vapeur, une meilleure compréhension de sa fonction peut être obtenue.

Réfrigérant 

Pendant de nombreuses années, le dichlorodifluorométhane (R12) a été le réfrigérant standard utilisé dans les systèmes de climatisation à cycle vapeur des avions. Certains de ces systèmes sont encore utilisés aujourd'hui. R12 s'est avéré avoir un effet négatif sur l'environnement; en particulier, il a dégradé la couche d'ozone protectrice de la Terre. Dans la plupart des cas, il a été remplacé par du tétrafluoroéthane (R134a), plus sûr pour l'environnement. R12 et R134a ne doivent pas être mélangés, et l'un ne doit pas être utilisé dans un système conçu pour l'autre. Des dommages éventuels aux composants souples, tels que les flexibles et les joints, pourraient entraîner des fuites et/ou des dysfonctionnements. Utilisez uniquement le réfrigérant spécifié lors de l'entretien des systèmes de climatisation à cycle de vapeur.

Récepteur Sécheur 

Le sécheur récepteur agit comme réservoir du système de cycle de vapeur. Il est situé en aval du condenseur et en amont du détendeur. Lorsqu'il fait très chaud, plus de réfrigérant est utilisé par le système que lorsque les températures sont modérées. Le réfrigérant supplémentaire est stocké dans le sécheur récepteur à cette fin.  

Soupape de détente 

Le fluide frigorigène sort du sécheur récepteur et s'écoule vers le détendeur. Le détendeur thermostatique a un orifice réglable à travers lequel la quantité correcte de réfrigérant est dosée pour obtenir un refroidissement optimal. Ceci est accompli en surveillant la température du réfrigérant gazeux à la sortie du composant suivant du cycle, l'évaporateur. Idéalement, le détendeur ne devrait laisser entrer dans l'évaporateur que la quantité de réfrigérant pulvérisé qui peut être complètement convertie en vapeur.

Évaporateur 

La plupart des évaporateurs sont constitués de tubes en cuivre ou en aluminium enroulés dans une unité compacte. Des ailettes sont fixées pour augmenter la surface, facilitant un transfert de chaleur rapide entre l'air de la cabine soufflé à l'extérieur de l'évaporateur avec un ventilateur et le réfrigérant à l'intérieur. Le détendeur situé à l'entrée de l'évaporateur libère du réfrigérant liquide haute pression et haute température dans l'évaporateur. Lorsque le réfrigérant absorbe la chaleur de l'air de la cabine, il se transforme en une vapeur à basse pression. Celui-ci est évacué de la sortie de l'évaporateur vers le composant suivant du système de cycle de vapeur, le compresseur. Les capteurs de température et de pression qui régulent le détendeur sont situés en sortie d'évaporateur.

Compresseur 

Le compresseur est le cœur du système de climatisation à cycle de vapeur. Il fait circuler le réfrigérant dans le système de cycle de vapeur. Il reçoit la vapeur de réfrigérant basse pression et basse température de la sortie de l'évaporateur et la comprime. Lorsque la pression augmente, la température augmente également. La température du réfrigérant est élevée au-dessus de la température de l'air extérieur. Le réfrigérant s'écoule ensuite du compresseur vers le condenseur où il dégage la chaleur vers l'air extérieur.

Condenseur 

Le condenseur est le dernier composant du cycle vapeur. Il s'agit d'un échangeur de chaleur semblable à un radiateur situé de manière à ce que l'air extérieur circule dessus et absorbe la chaleur du réfrigérant haute pression et haute température reçu du compresseur. Un ventilateur est généralement inclus pour aspirer l'air à travers le compresseur pendant le fonctionnement au sol. Sur certains aéronefs, l'air extérieur est canalisé vers le compresseur. Sur d'autres, le condenseur est abaissé dans le flux d'air depuis le fuselage via un panneau articulé. Souvent, le panneau est contrôlé par un interrupteur sur les manettes des gaz. Il est réglé pour rétracter le compresseur et rationaliser le fuselage lorsque la pleine puissance est requise.

Vannes de service 

Tous les systèmes de climatisation à cycle vapeur sont des systèmes fermés ; cependant, l'accès est requis pour l'entretien. Ceci est accompli grâce à l'utilisation de deux vannes de service. Une vanne est située du côté haut du système et l'autre du côté bas. Un type de vanne couramment utilisé sur les systèmes à cycle de vapeur qui fonctionnent avec le réfrigérant R12 est la vanne Schrader. Il est similaire à la valve utilisée pour gonfler les pneus. Un obus de valve central s'installe et se désinstalle en appuyant sur une tige qui lui est attachée. Une goupille dans le raccord du tuyau d'entretien est conçue pour cela lorsqu'elle est vissée sur les filetages extérieurs de la vanne. Toutes les vannes de service de l'avion doivent être fermées lorsqu'elles ne sont pas utilisées.  

Équipement d'entretien de climatisation à cycle de vapeur 

Un équipement d'entretien spécial est utilisé pour entretenir les systèmes de climatisation à cycle de vapeur. L'Agence américaine de protection de l'environnement (EPA) a déclaré qu'il était illégal de libérer du réfrigérant R12 dans l'atmosphère. L'équipement a été conçu pour capturer le réfrigérant pendant le processus d'entretien. Bien que le R134a n'ait pas cette restriction, il est illégal dans certains endroits de le rejeter dans l'atmosphère, et il pourrait le devenir universellement dans un proche avenir. Il est recommandé de capturer tous les fluides frigorigènes pour une utilisation future, plutôt que de les gaspiller ou de nuire à l'environnement en les libérant dans l'atmosphère. La capture du réfrigérant est un processus simple conçu dans l'équipement d'entretien approprié. Le technicien doit toujours veiller à utiliser le réfrigérant approuvé pour le système en cours d'entretien et doit suivre toutes les instructions du fabricant.

Certificat de technicien 

L'EPA exige la certification des techniciens qui travaillent avec le réfrigérant et l'équipement de climatisation à cycle de vapeur pour assurer la conformité en toute sécurité avec les réglementations en vigueur. Les techniciens d'aéronefs peuvent obtenir une certification ou référer les travaux de climatisation à cycle de vapeur à des ateliers spécialisés dans ce travail.