Un écoulement diphasique est un processus dans lequel un fluide passe d’une phase à une autre, généralement de gaz à liquide ou de liquide à gaz. Ce processus est couramment utilisé comme mécanisme de transfert de chaleur. On le trouve couramment dans les unités de réfrigération, les systèmes de climatisation, les pompes à chaleur ou autres systèmes à climat contrôlé.
Une phase est un changement dans l’état physique d’un matériau. Par exemple, l’eau a trois états physiques : solide, liquide et gazeux. À titre d’illustration, lorsqu’un matériau passe d’un solide à un liquide ou d’un gaz à un liquide, ce changement s’appelle une phase. Lors d’un changement de phase, l’énergie est transférée. Cette énergie aide à initier le changement de phase ou est libérée pendant la phase de changement.
Pour un écoulement diphasique, seules deux de ces phases sont considérées, généralement un liquide et un gaz. Par exemple, un liquide réfrigérant typique se transformera généralement en un gaz à partir d’un liquide lorsqu’il est comprimé et d’un liquide à un gaz lorsqu’il est détendu. La principale méthode de transfert d’énergie au cours de cet écoulement diphasique est généralement l’énergie thermique.
Ce fluide à écoulement diphasique, ou fluide frigorigène, est spécifiquement choisi en fonction des conditions de fonctionnement d’un système donné. La clé pour choisir un fluide diphasique est de considérer la compressibilité du fluide en tant que gaz et la capacité d’absorption de chaleur en tant que fluide. De plus, ce fluide doit avoir la capacité de changer de phase à des pressions de fonctionnement spécifiques dans un système fermé.
Une unité de climatisation typique, par exemple, contient une pompe de compresseur, un détendeur et deux ensembles de serpentins de transfert de chaleur. Tous ces composants fonctionnent ensemble en déplaçant un fluide à changement de phase à travers le système. L’écoulement diphasique typique pour un système liquide/gaz consiste en un processus en quatre étapes.
Un gaz réfrigérant est d’abord comprimé par une pompe, au cours de laquelle le gaz est transformé en phase liquide. Le liquide s’écoule ensuite dans le premier serpentin de transfert de chaleur et libère son énergie thermique. Le fluide sous pression est ensuite expulsé à travers le détendeur et dans les serpentins de refroidissement à basse pression. Lorsque le fluide sort de la vanne, il change à nouveau de phase, passant d’un liquide à un gaz, par absorption d’énergie thermique.
Certains systèmes biphasés, lorsqu’ils sont équipés de vannes et d’interrupteurs spéciaux, peuvent fonctionner en sens inverse. Un système réversible connu est une pompe à chaleur. Pendant les mois les plus chauds, le système refroidit l’intérieur d’une habitation et pendant les mois les plus froids, le système est inversé et fournit de la chaleur.