La réfrigération Principes de base. ELECTROLUX SERVICE Janvier 2006 A. Diouris 2 Les appareils...

La réfrigération

Principes de base

Janvier 2006 A. Diouris2ELECTROLUX SERVICE

Les appareils domestiques

Si les appareils de réfrigération domestique sont très différents.

Leur principe de « production » de froid est identique


Méthodes de production

Fusion et la sublimation

L’évaporation d’un liquide

Détente d’un gaz comprimé

Mélanges réfrigérants

Procédés thermodynamiques


Mélanges réfrigérants

La dissolution de certains sels dans l’eau entraîne une

absorption de chaleur.

Pour atteindre les températures les plus basses

possible, il faut mélanger le sel à de la glace ; ce qui a

pour effet d’abaisser le point de fusion, par

conséquent de congélation.

Le passage de l’eau « glace » à l’état de solution met

en œuvre la chaleur latente de fusion ; ce qui a pour

effet un refroidissement complémentaire.


Installation frigorifique à absorption Le cycle frigorifique à absorption, connu depuis 1777,

est le procédé de production de froid le plus ancien.

En 1810, J. LESLIE construisait la première machine fonctionnant à eau (fluide frigorigène) et acide sulfurique (agent absorbant).

En 1859, F. CARRE fit une découverte fondamentale concrétisée par la mise au point d’une machine frigorifique à absorption travaillant en continue à partir d’un mélange binaire eau/ammoniac ; de telles machines fonctionnent aujourd’hui dans une plage de T° allant de 0°C à – 60°C.

Dans les machines frigorifiques à absorption de faible puissance (réfrigérateur ménager mis au point par PLATEN et MUNTERS en 1922) le mélange binaire eau/ammoniac utilise l’hydrogène comme gaz tampon pour équilibrer les pressions


Installation frigorifique à absorption

Les installations frigorifiques à absorption utilisent pour la production de froid des mélanges binaires formés à partir d’un fluide frigorigène et d’un absorbant.Les installations frigorifiques à absorption présentent un côté basse pression, celui de l’évaporateur et un côté haute pression, celui du condenseur.L’aspiration et la compression des vapeurs de fluide frigorigène ont lieu à partir d’un phénomène de « compression thermique », qui a lieu grâce au système absorbeur, pompe à solution et bouilleur .Il faut donc distinguer dans toute machine frigorifique à absorption deux circuits : celui de fluide frigorigène entre bouilleur, condenseur, évaporateur et absorbeur, et le circuit du mélange binaire solvant et fluide frigorigène entre l’absorbeur et le bouilleur.

Pour créer une différence de pression, entre haute et basse pression, l’absorbeur doit être refroidi et le bouilleur chauffé.


Installation frigorifique à absorption



En comprimant rapidement un gaz à température ambiante, les calories qui y sont contenues se trouvent confinées dans un volume plus réduit

La rapidité de la compression ne leur laisse pas le temps de s’évacuer ; alors la température du gaz s’élève.

Inversement, en détendant un gaz préalablement comprimé, à température ambiante, on constate que sa température s’abaisse


Installation frigorifique à compression

Les installations frigorifiques à compression se composent de quatre parties : l’évaporateur, le compresseur, le condenseur et le détendeur.Le circuit est rempli d’un liquide facilement vaporisable : le fluide frigorigène

La chaleur « Q » cédée au fluide frigorigène par le milieu extérieur qui se refroidit autour de l’évaporateur entraîne la formation de vapeur par changement d’état du fluide frigorigène.

Cette vapeur est aspirée, comprimée et refoulée par le compresseur auquel on fournit l’énergie W.

La quantité de chaleur extraite de l’évaporateur, augmentée de l’énergie de compression W est évacuée dans le condenseur par le milieu qui l’entoure et qui par conséquent s’échauffe.

Dans le condenseur, le fluide cède sa chaleur tout d’abord sous forme sensible puis sous forme latente, et se liquéfie.


Installation frigorifique à compression

La détente du fluide frigorifique liquéfié depuis la pression de

condensation jusqu’à la pression d’évaporation s’effectue

généralement par laminage dans un organe de détente.

Du mélange de vapeur détendue et de liquide froid se trouvant au

niveau de l’évaporateur, seul la vapeur retourne au compresseur;

le cycle va pouvoir recommencer.

Compresseur

W

Détendeur

Condenseur

ÉvaporateurQ

QC = Q + W



Juste des sensations

Froid ?

Les unités de mesure

1°) Le degré Celsius

0°Celsius Fusion de la glace

Solidification de l ’eau100° Celsius

Ébullition de l’eau

2°) Le degré Fahrenheit

0° Fahrenheit mélange glace +Sel

0°F = - 17,8°C100° Fahrenheit

Température du corps humain

100°F = 37,8°C

3°) Le degré Kelvin0° Kelvin 0° absolu0°K = -273°C

Chaud ?


Table de correspondance

°F °C100 37,895 35,090 32,285 29,480 26,775 23,970 21,165 18,360 15,655 12,850 10,045 7,240 4,435 1,730 -1,125 -3,920 -6,715 -9,410 -12,25 -15,00 -17,8-5 -20,6-10 -23,3

°C °F40 104,035 95,030 86,028 82,426 78,824 75,222 71,620 68,018 64,416 60,814 57,212 53,610 50,08 46,46 42,84 39,22 35,60 32,0-2 28,4-5 23,0-10 14,0-20 -4,0-30 -22,0

C = 5/9x( F°-32) F = 9/5 x C°+ 32


Quantité de chaleur

L’étude du froid, c’est l’étude de la chaleur

Chaleur latente : C’est la quantité de chaleur nécessaire au passage de l’état solide à l’état liquide et inversement

Chaleur spécifique (ou chaleur massique) C’est la quantité de chaleur nécessaire à l’élévation(ou à l’abaissement) de 1°C de la température d’un corps

La quantité de chaleur a une unité :le JouleIJ = 0,239 10-3 kcal1Kcal = 4190J


Quantité de chaleur

Trois règles de base à retenir :

1°) Comme l’eau, la chaleur contenue dans la matière ne peut être détruite ; on ne peut que la déplacer.

2°) La chaleur recherchetoujours un équilibre.

3°) Suivant les états, les caractéristiques des corps changent.


Transfert de la chaleur

Le rayonnement



La conduction



La convection


Propriétés de la matière

VaporisationVaporisationFusionFusion

CondensationCondensationSolidificationSolidification

SolideSolide LiquideLiquide GazGaz

Changement d’états physiquesChangement d’états physiques


Propriétés de la matière (exemple de l’eau)

1ère étape : le bloc de glace est portéde -20°C à 0°C

2ème étape : fusion à T°constantec’est à dire passage de l’état solide(glace) à l’état liquide eau

3ème étape : la T° de l’eau est portéeDe 0°C à 100°C

Bloc de glace à – 20°CBloc de glace à – 20°CPlaque chauffantePlaque chauffante

Bloc de glace à 0°CBloc de glace à 0°CEau à 0°CEau à 0°C

Eau à 0°CEau à 0°CQQ2 2 ==

334kJ334kJQQ3 3 ==

420kJ420kJQQ1 1 ==

41kJ41kJ

00

- 20- 20

+ 60+ 60

+ 20+ 20

+ 80+ 80

+ 40+ 40

+ 100+ 100

QQ1 1 ==

41kJ41kJ

00

- 20- 20

+ 60+ 60

+ 20+ 20

+ 80+ 80

+ 40+ 40

+ 100+ 100


Propriétés de la matière (exemple de l’eau)

4ème étape : vaporisation par ébullitionde l’eau à T° constante.La vapeur se trouvant au dessus de l’eau est dite humide

la T° reste constante et égale à 100°C jusqu’à vaporisation de la dernière goutte.La vapeur est dite sèche

5ème étape : la T° de la vapeur saturée sèche est portée à 120°C. On parle alors de vapeur surchauffée.

Eau à 100°CEau à 100°C Vapeur à 100°CVapeur à 100°C

Vapeur à 100°CVapeur à 100°C

Vapeur à 120°CVapeur à 120°C

+ 80+ 80

+ 100+ 100

+ 120+ 120

QQ4 4 ==

2258kJ2258kJ

+ 80+ 80

+ 100+ 100

+ 120+ 120

QQ4 4 ==

2258kJ2258kJQQ5 5 ==

38kJ38kJ


Quantité de chaleur(exemple de l’eau)

QQ4 4 ==

2258kJ2258kJQQ5 5 ==

38kJ38kJQQ3 3 ==

420kJ420kJQQ2 2 ==

334kJ334kJQQ1 1 ==

41kJ41kJ

00

- 20- 20

+ 60+ 60

+ 20+ 20

+ 80+ 80

+ 40+ 40

+ 100+ 100

+ 120+ 120

°C°C


Influence de la pression

Unité de mesure :

Le Pascal (Pa)Toutefois plusieurs autres unités sont couramment utilisées :Le Newton par mètre carré 1 N/m2 = 1PALe bar 1 bar = 100 000 Nm2

L'Atmosphère 1 atm = 1,013 barL'atmosphère technique 1 at = 1kgf/cm2 =0,98 barLe torr (mm Hg) 1 atm = 760 mmHg

Pression absolueOn appelle ainsi la pression par rapport au vide

Pression relativeCe terme qualifie la pression qui règne à partir de la pression atmosphérique



Vide

Pression Absolue

Pression Relative

Vide

Pression Atm.

0

1000

2000

3000

5000

4000

mbar

-1

0

2

3

5

4

bar



• Il existe trois catégories d’appareils pour mesurer une

pression:

Les baromètres, utilisés pour mesurer la pression atmosphérique, donc une pression comptée à partir du vide absolue

Les manomètres: la plupart d’entre-eux sont gradués de

manière à ce que l’aiguille soit en face du zéro lorsque le

manomètre n’est pas raccordé, c’est à dire qu’il est soumis a la

pression atmosphérique. Lorsque l’on utilise le manomètre, il

indiquera la pression qui règne en plus de la pression

atmosphérique, on l’appelle pression relative.

Les vacuomètres ou déprimomètres, que l’on utilise pour mesurer une pression atmosphérique et comptée à partir du zéro absolu.



1013mbar -76 cm Hg1520mbar

A retenir :

PLUS LA PRESSION AUGMENTE, PLUS LA TEMPERATURE D'ÉBULLITION AUGMENTE.PLUS LA PRESSION DIMINUE, PLUS LA TEMPERATURED'ÉBULLITION DIMINUE.


État VapeurÉtat Vapeur

Relation pression / température

°C°C

P atmP atm00

P P (bar)(bar)

État liquideÉtat liquide

État liquide - vapeurÉtat liquide - vapeur

100100



R22R22

100100 °C°C- 60- 60 5050- 40- 40 150150

P atmP atm

1010

55

P P (bar)(bar)

+ 3,7+ 3,7

+ 2,6+ 2,6

HH22OO

+ 0,98+ 0,98


Les CFC

LesC F C

Chloro

Cl

FluoroF

CarboneC


Les CFC

sont fabriqués à partir d’hydrocarbures tels que :

H

H

C HH

le méthane

CH4

C

H

CH

H

H

H

H

l’éthane

C2H6

ou


Dichlorofluorométhane

CCl2F2 ou R12

-29,8°C

Les CFC

dans lesquels les atomes d ’hydrogène ont été remplacés par du fluor et/ou du chlore

lorsque tous les atomes d ’hydrogène ont été remplacés ...

H

H

C HH Cl

F

Cl

F

… le réfrigérant est dit « totalement halogéné »

Cl

Cl

F

Cl

Trichlorofluorométhane

CCl3F ou R11

+23,7°C


Les HCFC

un HCFC est un CFC qui contient encore des atomes d’hydrogène donc non totalement halogéné

H

H

C HH

Cl

FF

Monochlorodifluorométhane

CHClF2 ou R22

-40,8°C


Les HFC

les HFC sont les produits qui ne contiennent pas de chlore

CCH

H

F

F

F

F

Tétrafluoroéthane

CH2FCF3 ou R134a

-26,5°C



Courbes pression-température

-5

0

5

10

15

20

-50 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

R22R22

R134aR134a


Les fluides frigorigènes

Pression (en bar)

°C R12 R134a MP39 R22 R600a(R401a)

Relat. Absol. Relat. Absol. Relat. Absol. Relat. Absol. Relat. Absol.

-40 -0,37 0,64 -0,503 0,51 -0,28 0,73 0,04 1,05 -0,73 0,28-35 -0,21 0,81 -0,383 0,63 -0,13 0,88 0,30 1,32 -0,67 0,36-30 -0,01 1,00 -0,173 0,84 0,14 1,16 0,62 1,64 -0,55 0,46-25 0,22 1,24 0,00 1,02 0,35 1,37 1,00 2,01 -0,43 0,58-20 0,50 1,51 0,31 1,33 0,73 1,75 1,44 2,45 -0,29 0,72-15 0,81 1,83 0,55 1,57 1,03 2,05 1,94 2,96 -0,12 0,89-10 1,18 2,19 0,99 2,01 1,54 2,56 2,53 3,54 0,06 1,08-5 1,60 2,61 1,32 2,34 1,93 2,95 3,20 4,21 0,29 1,310 2,07 3,09 1,91 2,93 2,61 3,63 3,96 4,98 0,55 1,575 2,61 3,63 2,60 3,62 3,39 4,41 4,83 5,84 0,85 1,87

10 3,22 4,23 3,13 4,15 3,98 5,00 5,79 6,81 1,19 2,2115 3,90 4,91 4,03 5,05 4,97 5,99 6,88 7,89 1,58 2,6020 4,66 5,67 4,70 5,72 5,71 6,73 8,09 9,10 2,01 3,0325 5,50 6,52 5,84 6,86 6,94 7,96 9,43 10,44 2,51 3,5330 6,44 7,45 6,69 7,71 7,85 8,87 10,90 11,92 3,05 4,0735 7,46 8,48 8,11 9,13 9,36 10,38 12,53 13,55 3,66 4,6840 8,59 9,61 9,16 10,18 10,46 11,48 14,32 15,34 4,32 5,3445 9,82 10,84 10,89 11,91 12,28 13,30 16,27 17,29 5,06 6,0850 11,17 12,19 12,17 13,19 13,61 14,63 18,40 19,42 5,86 6,88


Température d’ébullition du R134a -26°C

R134a en ébullition

Température du jour +20°CTempérature du jour - 30°C

R134a à l’état liquide



Zone du liquide Zone du liquide sous-refroidisous-refroidi

État liquide - vapeurÉtat liquide - vapeur

Zone de vapeur Zone de vapeur surchaufféesurchauffée

Sous-refroidissementSous-refroidissement SurchauffeSurchauffe

6060 120120100100 °C°C

P atmP atm

PP

40K40K 20K20K

AA BB


L’enthalpie

Ce terme souvent employé dans les calculs thermodynamiques

est considéré comme un contenu de chaleur.

H= I + PVH enthalpie

I énergie interne (moléculaire)

P pression absolue

V volume

A pression constante, la variation d’enthalpie est égale à la

quantité de chaleur fournie ou enlevée à une substance.

L’accroissement de l’enthalpie pendant la compression

adiabatique* équivaut à l’énergie mécanique fournie pour

assurer la compression.

Lorsqu’un gaz est comprimé dans des conditions telles que

le temps de compression ne permette aucun échange de

chaleur entre le gaz et son environnement, la compression

est dite adiabatique.


Diagramme enthalpique

Zone de LiquideZone de LiquideSous refroidiSous refroidi

Zone de mélangeZone de mélangeEau + vapeurEau + vapeur

P (bar)P (bar)

150150

125125

100100

7575

5050

2525

250250

225225

200200

175175

Enthalpie (KJ/kgEnthalpie (KJ/kg) ) 500500 10001000 20002000 2500250015001500 25002500 35003500

Zone de vapeurZone de vapeurSurchaufféeSurchauffée

K Point critiqueK Point critique


Le circuit FrigorifiqueL’évaporateur

PP

66 77 11

Enthalpie Enthalpie

SurchauffeSurchauffe

00 BPBP


Le circuit FrigorifiqueLe compresseur

00

PP

11

Enthalpie Enthalpie

22


Le circuit FrigorifiqueLe condenseur

00

PP

Enthalpie Enthalpie

2255 33

DésurchauffeDésurchauffe

44

Sous-refroidissementSous-refroidissement

1313 HPHP


Le circuit FrigorifiqueLe capillaire

00

55

66

1313

BPBP

HPHP

PP

Enthalpie Enthalpie


Circuit frigorifique

Intérieur(Absorption des calories)

Exterieur(Evacuation des calories)



DésurchauffeDésurchauffeSous-refroidissementSous-refroidissement

PP

66 77

Enthalpie Enthalpie

BPBP

22

11

55 33

44

HPHP

évaporationévaporation

Production frigorifiqueProduction frigorifique de l’évaporateurde l’évaporateur

SurchauffeSurchauffe

Quantité de chaleur évacuée Quantité de chaleur évacuée par le condenseurpar le condenseur

Travail du Travail du compresseurcompresseur

com

pres

sion

com

pres

sion


Circuit frigorifique(Coefficient de performance)

PP

Enthalpie Enthalpie

Quantité de chaleur évacuée Quantité de chaleur évacuée par le condenseurpar le condenseur


COP = COP = Quantité de chaleur évacuée Quantité de chaleur évacuée

par le condenseurpar le condenseur

Énergie fournie par le Énergie fournie par le compresseurcompresseur


Circuit frigorifique(Efficacité)

PP

Enthalpie Enthalpie

Quantité de chaleur absorbée Quantité de chaleur absorbée par l’évaporateurpar l’évaporateur


Efficacité = Efficacité = Quantité de chaleur absorbée Quantité de chaleur absorbée

par l’évaporateurpar l’évaporateur

Énergie fournie par le Énergie fournie par le compresseurcompresseur


Circuit frigorifique(Diagramme enthalpique)


L’humidité

Notion d’humiditéNotion d’humidité

Humidité maximumHumidité maximum

Humidité relativeHumidité relative

CondensationCondensation

Le givreLe givre


L'humidité de l'air

1.052.284.83

9.36

17.15

30.08

50.67

82

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

50 40 30 20 10 0 -10 -20 T°T°

Gr/mGr/m33

Courbe de Courbe de saturation à la saturation à la

pression pression atmosphérique atmosphérique

(100% (100% d'humidité)d'humidité)


Pré condenseur


Le givre

Le passage de l'état vapeur à l'état liquide

puis de l'état liquide à l'état solide

absorbe de nombreuses calories

De plus :

Le givre "isole" l'évaporateur.

L'échange de température est ralenti

Le rapport de fonctionnement du compresseur augmente


Le givre

Dans une famille le réfrigérateur est ouvert en moyenne 60 fois par jours

A chaque ouverture, 75 % de l’air froid est remplacé par de l’air chaud

La température annuelle moyenne dans une cuisine est de 20°C

Le taux d’humidité moyen d’une cuisine est 70 %

Considérant un réfrigérateur à dégivrage semi-automatique de 240L net;

Quelle quantité d’eau pénètre en une semaine dans ce réfrigérateur à dégivrage semi-automatique a cause des ouvertures des portes?


Principe de fonctionnement des combinés

1°) Combiné à 1 compresseur

Plus produits :

Faible coût de production.

Points faibles

Régulation

Mise en œuvre relativement complexe

Fonctionnement irrégulier dans les ambiances froides


Principe de fonctionnement des combinés

2°) Combiné à 2 compresseurs

Plus produits :

Très bonne régulation

Bon fonctionnement en faible température ambiante.

Technologie simple

Points faibles

Coût de production


Exercice

Sachant que:Sachant que:La chaleur spécifique du rosbif est de 0,75kcal/kg, (celle-ci est d’environ de moitié en dessous La chaleur spécifique du rosbif est de 0,75kcal/kg, (celle-ci est d’environ de moitié en dessous de son point de congélation à – 1°C)de son point de congélation à – 1°C)Sa chaleur latente de solidification est de 59,20kcal/kg;Sa chaleur latente de solidification est de 59,20kcal/kg;

Calculez (en kcal) la quantité de chaleur qu’il faut extraire d’1 kg de rosbif à 20°C pour l’amenerCalculez (en kcal) la quantité de chaleur qu’il faut extraire d’1 kg de rosbif à 20°C pour l’amenerà une température de –18°C ?à une température de –18°C ?

Solution :Solution :


La congélation

Chaleur latente de solidificationChaleur latente de solidification

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