Réfrigérateur à compression de vapeur

Le réfrigérateur à compression de vapeur est basé sur la condensation de vapeur d'un fluide réfrigérant suite à une compression, et son évaporation suite à une détente. C'est le procédé le plus répandu pour la production du froid. Ce principe est inverse à celui employé pour les pompes à chaleur.

Ce procédé est à distinguer du turbo réfrigérateur, dans lequel un gaz est comprimé, refroidi à température ambiante, puis détendu dans une turbine. Cet autre procédé ne fait pas intervenir de changement de phase. On peut noter sa ressemblance avec le Cycle de Brayton de la turbine à gaz.

Principe

Circuit frigorifique de base

Tout système frigorifique à compression comprend au moins 4 éléments :

• compresseur (1) ;
• condenseur (2) ;
• détendeur (3) ;
• évaporateur (4) ;
• réfrigérant ou fluide frigorigène ;
• et enfin, l'huile du compresseur.

Ces 6 éléments sont le strict minimum pour assurer le fonctionnement du système frigorifique. Aussi un circuit frigorifique doit être parfaitement anhydre. En effet le fluor contenu dans les principaux réfrigérants actuels risquerait de se dissoudre dans l'eau et ainsi de former de l'acide. L’eau est donc l'ennemi public n°1 du circuit frigorifique.

Comme dessiné sur ce schéma, le compresseur met en circulation le réfrigérant. Il sort de l’orifice HP (haute pression) du compresseur à l’état gazeux et très chaud. Il traverse alors le côté HP en commençant par le condenseur.

Lors de son passage dans le condenseur, le réfrigérant perd beaucoup de calories et se condense. On observe donc un changement d’état. La tuyauterie située entre le condenseur et le détendeur s’appelle à juste titre : ligne liquide.

Le détendeur est donc alimenté en réfrigérant à l’état liquide. Celui-ci crée une restriction c'est-à-dire une chute de pression du réfrigérant pour alimenter le côté BP (basse pression). À la sortie du détendeur, on observe une chute de pression importante ainsi qu’une chute de température du réfrigérant. Le réfrigérant est alors en mélange c'est-à-dire 15 % en gaz et 85 % en liquide. (Ces valeurs de pourcentage sont données à titre d’exemple et à prendre avec précaution. L’important est de retenir qu’ici nous sommes en mélange).

Le fluide en mélange traverse l’évaporateur. Dans ce dernier, on observe à nouveau un changement d’état. En effet la partie liquide du fluide rentre en ébullition et absorbe les calories qui sont au voisinage de l’évaporateur.

Le fluide à l’état gazeux est alors aspiré par l’orifice BP du compresseur et le cycle se renouvelle.

Du refoulement du compresseur au détendeur, la pression HP est identique (aux pertes de charges près). Seule la température varie.

Du détendeur à l'aspiration du compresseur, la pression BP est identique (aux pertes de charges près). Seule la température varie.

Modélisation d'un système frigorifique

Tout système frigorifique sert à véhiculer des calories d’une zone à une autre. En effet, les calories absorbées par l’évaporateur sont ensuite évacuées par le condenseur. On a donc un transfert de calories (ou d’énergie) qui s’effectue de l’évaporateur vers le condenseur. On peut ainsi modéliser un système frigorifique ainsi :

Tout système frigorifique peut donc se définir comme : Pompe à chaleur

Cette modélisation n’est qu’une modélisation partielle du fonctionnement frigorifique. En effet, dans un système frigorifique il y a deux sources de calories :

• les calories absorbées à l’évaporateur ;
• les calories générées par le compresseur.

En effet, tous les compresseurs ont un rendement < 1 et par conséquent une partie non négligeable de l’énergie mécanique qui leur est fournie est restituée sous forme de chaleur et doit donc être évacuée sous peine de provoquer un serrage du compresseur par exemple.

Par conséquent un système frigorifique est toujours plus puissant côté condenseur que côté évaporateur.

Exemple : plaque signalétique d’une climatisation réversible.

• Pfroid = 3000 W
• Pchaud = 3200 W

Chaleur sensible et chaleur latente

1. La chaleur sensible est la quantité de chaleur à absorber ou à fournir pour provoquer une chute ou une élévation de température.
2. La chaleur latente est la quantité de chaleur à absorber ou à fournir pour provoquer un changement d’état.

Exemple : temps nécessaire à une résistance donnée pour faire fondre de la glace :

• 4 kg de glace à – 10 °C ;
• 1 kW de résistances ;
• chaleur massique de la glace : 2.09 kJ·kg^{− 1}·K^{− 1} ;
• chaleur latente de la glace : 335 kJ·kg^{− 1}.

Dans un premier temps, la résistance va chauffer la glace de manière à porter la température de la glace à 0 °C. (Chaleur massique)

2.09 x 4 x 10 = 83.6 kJ (formule : Q = m x C x écart de température)

Dans un deuxième temps, la résistance va chauffer cette glace à 0 °C pour lui faire subir un changement d’état. (Chaleur latente)

335 x 4 = 1340 kJ (formule : Q' = m x L où L = 335 kJ·kg^{− 1}·K^{− 1})

1 kJ/s = 1 kW

Donc il faut 1340 kJ + 83.6 kJ soit 1423.6 s soit environ 24 min pour faire fondre cette glace.

Cette expérience met en évidence le fait que la quantité d'énergie (ici de la chaleur) la plus importante à fournir est consommée durant la phase latente. De ce fait, sur les circuits primaires, il est très intéressant de travailler sur les changements d’état plutôt que sur les différences de température. C’est sur ce principe que fonctionnent les systèmes frigorifiques.

Lors d’un cycle de fonctionnement d’un système frigorifique, on observe une expérience similaire au niveau des deux échangeurs que sont le condenseur et l’évaporateur :

• un changement d’état du réfrigérant au niveau du condenseur gaz → liquide (Restitution importante de calories) + une diminution relative de la température du réfrigérant (Restitution moindre de calories).
• un changement d’état du réfrigérant au niveau de l’évaporateur : liquide → gaz (Absorption importante de calories) + une élévation relative de la température du réfrigérant (Absorption moindre de calories).

Ces changements d’état sont donc impératifs au bon fonctionnement du système frigorifique.

Le compresseur frigorifique

Le compresseur a pour rôle de créer une Haute Pression d'un côté et une Basse Pression de l'autre et par conséquent, d'assurer la circulation du fluide dans le circuit frigorifique.

Le compresseur aspire et refoule toujours du réfrigérant en phase vapeur.

Il existe trois grandes familles de compresseurs frigorifiques :

1. les compresseurs hermétiques ;
2. les compresseurs semi hermétiques ;
3. les compresseurs ouverts.

Les compresseurs hermétiques

Compresseur hermétique à piston

Les compresseurs hermétiques sont des compresseurs dont la partie moteur et la partie compression sont confinées dans une cloche hermétique non démontable d'où leurs noms. Si l'une des deux parties vient à céder le compresseur est considéré comme hors service. La partie électrique est refroidie par les vapeurs de BP lors du fonctionnement du compresseur.

De l'extérieur, ils disposent généralement d'un bornier de raccordement électrique ainsi que de 3 orifices :

1. un orifice de charge / vidange pour le fluide frigorifique (côté BP) ;
2. un orifice d'aspiration (BP) ;
3. un orifice de refoulement (HP).

Les compresseurs semi hermétiques

Les compresseurs semi hermétiques sont appelés comme tels du fait que la partie moteur et la partie compresseur sont directement assemblées l'une contre l'autre. L'accouplement entre le moteur et le compresseur n'est donc pas accessible (à moins de dissocier les deux parties par démontage). Ces compresseurs sont donc réparables. Comme pour les compresseurs hermétiques, la partie moteur des semi hermétiques est refroidie par les vapeurs de BP.

Les compresseurs ouverts

Les compresseurs ouverts sont ainsi nommés du fait que le compresseur et le moteur sont séparés. Le compresseur peut donc fonctionner par deux types d'entraînement distincts, par courroie ou par accouplement direct.

Les différents types de compresseurs

Article détaillé : Compresseur mécanique.

On retrouve aussi différents types de compresseurs frigorifiques:

À piston

Ils équipent principalement les réfrigérateurs ménagers mais on peut aussi les rencontrer pour le froid commercial (faible et moyenne puissance) et pour les groupes de production d'eau glacée utilisée pour les centrales de traitements d'air. On peut les rencontrer pour des installations de froid industriel anciennes.

À piston rotatif

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À spirale

Aussi appelé compresseur scroll ; ceux-ci équipent souvent les climatisations du fait de leur discrétion sonore. On les reconnaît à leur forme allongée. Leur champs d'application est plutôt pour la climatisation (split-system, multi-split, ...). Ils peuvent aussi constituer une "centrale" pour assurer le fonctionnement de centrale de traitements d'air via un fluide caloporteur (plus généralement de l'eau pure ou glycolée).

À vis

Le compresseur à vis ou hélico-compresseur appartient à la classe des machines volumétriques de type rotatif. Inventé en 1878 par l'ingénieur Grigar, il a connu diverses améliorations grâce au développement de techniques permettant une augmentation du rendement. Depuis 1976, on assiste à un développement important mondial des compresseurs à vis dans tous les domaines du froid. Depuis quelques années, est apparue une nouvelle génération de compresseurs à vis de petite et moyenne puissance recouvrant le domaine des compresseurs à pistons de moyenne puissance. A suivre

Centrifuge

le compresseur centrifuge ou turbocompresseur est une turbo-machine de type radial. Il comprend un rotor animé d'une vitesse de rotation uniforme. Il est traversé par le fluide qui s'écoule de façon permanente. Vitesse de rotation uniforme et écoulement permanent sont les caractéristiques essentielles des turbo-machines. Le compresseur centrifuge utilise l'augmentation de l'énergie cinétique du fluide, obtenue en utilisant la force centrifuge provoquée par la grande vitesse périphérique avec laquelle le fluide quitte les aubes du rotor. À la sortie de la roue, le fluide pénètre dans un diffuseur où la vitesse du fluide est convertie en pression.

Description : Un compresseur centrifuge se compose d'un ensemble mobile constitué par un arbre et une roue à aubages, et d'un jeu d'aubages de prérotation placé à l'aspiration du compresseur.

La vitesse de rotation peut varier de 3000 à 25 000 tr/min, impliquant des vitesses périphériques de 150 à 200 m/s. L'entrainement du compresseur exige donc, le plus souvent, un multiplicateur de vitesse, généralement incorporé au compresseur.

Les aubages de prérotation permettent de modifier l'angle d'entrée du fluide dans la roue pour obtenir une puissance frigorifique différente. Les aubages sont actionnés par un servo-moteur asservi à un appareil de régulation.

Suivant le fluide frigorigène utilisé et l'application envisagée, le compresseur centrifuge peut être monoroue ou multi-roues. Dans le cas du multi-roues, le diffuseur d'une roue est prolongé par un canal de retour qui amène le fluide comprimé à l'entrée de la roue suivante.

Différentes symbolisation du compresseur

• 

  Compresseur à piston

• 

  Compresseur rotatif

• 

  Compresseur centrifuge

• 

  Compresseur à vis

Le condenseur

Il existe plusieurs types de condenseur. Tout d'abord rappelons l'utilité d'un condenseur dans un système frigorifique.

Le condenseur à pour but de condenser le réfrigérant. Le réfrigérant sortant du compresseur est en phase vapeur, sous haute pression et à haute température (environ 65 °C). Lorsqu'il traverse le condenseur, le réfrigérant évacue des calories, reste à la même pression et se condense (à environ 40 °C). Lorsque le réfrigérant quitte le condenseur, il est en phase liquide (à environ 35 °C).

Ces valeurs de températures peuvent varier et sont données à titre d'exemple.

Condenseur à air

Le réfrigérant circulant dans le serpentin du condenseur est refroidi par l'air. Le condenseur peut être de deux types :

1. statique : l'air circule, naturellement, par convection naturelle autour du condenseur. (Sur les réfrigérateurs ménagers, il s'agit du serpentin, souvent noir, qui se situe à l'arrière de l'appareil).
2. ventilé : l'air circule à travers le condenseur, de manière forcé, par l'action d'un ventilateur.(Dans ce cas on parle de ventilo-condenseur).

Condenseur à eau

Le réfrigérant est refroidi par l'eau par l'intermédiaire d'un échangeur. Les parties eau et réfrigérant sont strictement hermétique (le circuit réfrigérant devant être parfaitement déshydraté). On trouve généralement ces condenseur sur les groupes frigorifiques à eau glacée et sur les pompes à chaleur air/eau ou eau/eau).

Il existe plusieurs types de condenseur à eau :

1. les condenseurs de type Coaxial : l'échangeur coaxial est un concept dépassé. En effet, ce type d'échangeur présente un mauvais rendement ce qui nécessite de gros échangeurs. Cependant il n'est pas rare de voir encore des pompes à chaleur (par exemple) fonctionnant avec ce type d'échangeur. Il s'agit principalement de groupes frigorifiques fonctionnant au R22.

Ce type d'échangeur est réservé aux petites et moyennes puissances.

1. les condenseurs de type tubulaire / ou multitubulaire

Les échangeurs tubulaires sont des échangeurs que l'on retrouve principalement dans l'industrie. Ils sont réservés aux grosses puissances.

(En bleu), l'eau circule au milieu du réfrigérant.

(En jaune), le réfrigérant circule autour des tubes bleus et échange ses calories avec l'eau.

1. les condenseurs de type échangeur à plaques brasées

Ce dernier type concerne les machines récentes qui fonctionnent avec les nouveaux fluides (R407C et R410A). On peut le considérer comme le remplaçant des échangeurs de type coaxial. Il convient pour les petites et moyennes puissances.

Réfrigérant (ou fluide frigorigène)

Article détaillé : fluide frigorigène.

CFC

• R11 : trichlorofluorométhane ;
• R12 : dichlorodifluorométhane.

HCFC

• R22 : chlorodifluorométhane.

HFC

• R134a : 1,1,1,2-tétrafluoroéthane ;
• R404A : mélange zéotropique ;
• R407C : mélange zéotropique ;
• R410A : mélange zéotropique.

Hydrocarbure

• R1150 : éthylène.

Autres fluides frigorifiques

• R717 : ammoniac ;
• R718 : eau ;
• R744 : dioxyde de carbone.

Nouveaux fluides frigorigènes

• R723 : mélange azéotropique

Les organes annexes d’un circuit frigorifique

Le voyant liquide

Celui-ci se situe sur la ligne liquide et informe par contrôle visuel de la phase (vapeur, liquide ou mélange) du réfrigérant dans la ligne liquide. Il peut aussi être équipé d’une pastille réactive à l’humidité qui nous indiquera s’il y a ou non présence d’humidité dans le circuit. Cette pastille est généralement verte et vire au jaune s’il y a présence d’humidité.

• 

  Voyant liquide

• 

  Voyant liquide avec indicateur d'humidité

La reconversion d'ancienne installation frigorifique (appelée rétrofit) avec de nouveaux fluides frigorigènes s'effectue sur des installations fonctionnant avec d'anciens fluides tels que le R12, le R22, ...

Cette opération comprend plusieurs points importants :

• vidange de l'huile existante et mise d'huile miscible avec le nouveau fluide ;
• remplacement du détendeur thermostatique ;
• remplacement du filtre-déshydrateur.

Il n'est pas nécessaire de remplacer d'autres éléments de l'installation pour qu'elle puisse fonctionner correctement.

Ce genre d'opération s'effectue sur des installations en assez bon état de fonctionnement avec des puissances frigorifiques de tailles moyennes.

Différentes notions sur les différences de température en certains points du circuit

• A – B : désurchauffe
• C  : température de condensation
• C – D : sous refroidissement

• E  : température d’évaporation

• E – F : surchauffe à l’évaporateur
• F – G : surchauffe à l’aspiration
• A – G : échauffement dû à la compression

Le froid industriel dans le monde routier

Dans le monde routier, le groupe frigorifique dispose d'une ou plusieurs sources d'énergie :

1. l'énergie thermique (la plus répandue) : un moteur thermique entraîne le compresseur ;
2. l'énergie électrique : un moteur électrique entraîne le compresseur.

Les réfrigérants employés dans la réfrigération routière sont de même type que ceux employés dans l'automobile, le froid commercial et l'électroménager. Principalement :

• R134a ;
• R404A.

Article détaillé : Thermo king.

Voir aussi

• Réfrigération
• Cryonie
• Froid

• Enthalpie
• Évaporateur
• Fluide frigorigène
• Pompe à chaleur