Savoir 0.4

Les systèmes spécifiques : architecture et équipements.Les systèmes électrodomestiques.

BAC PROFESSIONNEL

Systèmes Electroniques Numériques

SAVOIR S.0Les systèmes spécifiques : architecture et équipements des

domaines applicatifs.

S 0.4 Les systèmes électrodomestiques

Niveau taxonomique 1

Rédacteur Relecteur Chargé de cours

REY Ph. REY Ph. REY Ph.

Le froid et la technique du froid.Ver01 du 18-12-2014. Page 1 / 14

Lycée Régional MONTESQUIEU263 Chemin de Lucette. 84700 Sorgues.

Tel : 04.90.39.74.80

Savoir 0.4

Les systèmes spécifiques : architecture et équipements.Les systèmes électrodomestiques.

I- Un peu d’histoire   :

L’apparition du réfrigérateur

Ver01 du 18-12-2014. Page 2 / 14

La conservation des aliments au moyen de la réfrigération n'est pas une idée nouvelle, déjà les chinois, 10 siècles avant notre ère, puis les Romains entreposaient couramment la glace naturelle dans des cavités isolées (principe de la glacière) en vue de son utilisation en été. Il y avait d’innombrables constructions souterraines dans les châteaux moyenâgeux. Celles-ci servaient de caves isolées. Dans ces caves, de grandes quantités de glace et de neige étaient entreposées. La nourriture était conservée un étage au-dessus, un frigo avant la lettre donc. Cependant, ce n'est qu'à partir de 1756 que William Cullen donna la première démonstration publique d’un processus artificiel de refroidissement. C’est seulement en 1869 que Charles Tellier développa la première installation pouvant servir à conserver les aliments. Vers les années 1920, une machine à absorber le froid est inventée en Suède. Cela est une grande avancée technologique. Le premier réfrigérateur qui fut largement répandu était le « Monitor-Top », développé par General Electric. Environ un million d’exemplaires ont été produit, surtout pour les besoins de l’industrie. Il faut tout de même attendre la fin de la Seconde Guerre Mondiale avant de voir une production de masse de frigo pour les particuliers ; cela grâce à l’introduction de fréon comme gaz de refroidissement. Dans les années 50 et 60, la technique se perfectionne. Entre autre, le dégivrage automatique est mis au point.Les années 70 et 80 ont également été consacrées à l’amélioration de l’efficacité des réfrigérateurs.. Voilà donc, dans un bref résumé, l’histoire du succès du réfrigérateur.

Savoir 0.4

Les systèmes spécifiques : architecture et équipements.Les systèmes électrodomestiques.

II- Problématique   : Comment le réfrigérateur permet-il la conservation des aliments ?

2.1. L’action du froid :

La conservation des aliments à l’état frais est limitée dans le temps. Peu à peu ils subissent des modifications :

- d’abord diminution de leurs qualités propres (propriétés organoleptiques : aspect, odeur, couleur…)

- ensuite apparition d’altérations.

Ce sont les interventions microbiennes qui sont responsables de ces altérations. On constate leur diminution si on abaisse la température : le froid est donc un adversaire des microbes.

Ver01 du 18-12-2014. Page 3 / 14

A Retenir

L’arrêt du développement ne veut pas dire destruction des microbes.

Le froid ne fait que les engourdir !

Arrêt de la croissance des microbes dangereux.Toute multiplication des levures et moisissures est

stoppées.

Arrêt de toute multiplication microbienne

Arrêt de la croissance des microbes ordinaires

Mise en sommeil des germes

Ralentissement de la multiplication des microbes

Développement des bacilles (dans la viande surtout)

Développement du staphylocoque (intoxication..)

Intense prolifération microbienne

Mort des microbes

Savoir 0.4

Les systèmes spécifiques : architecture et équipements.Les systèmes électrodomestiques.

2.2 Les techniques de conservation par le froid   :

On distingue trois modes de conservation des aliments : Ces techniques diffèrent suivant l’intensité du froid.

LA REFRIGERATION (0 à +7°C)

LA CONGELATION (-18°C)

LA SURGELATION

Caractéristiques de quelques produits pouvant être conservés par le froid

Ver01 du 18-12-2014. Page 4 / 14

C'est la conservation des aliments dans leur état normal. Le fait d'abaisser la température des aliments entre 0°C et +7°C permet de les conserver quelques jours dans le réfrigérateur.

C'est la conservation des aliments en abaissant leur température en dessous du point de solidification. Cette température doit être beaucoup plus basse de façon à éviter la formation de cristaux de glace entre les cellules des aliments. Ces cristaux qui ont tendance à disloquer les cellules ne se forment pas si la température descend très vite en dessous de -18°C. Ce principe permet de conserver des aliments plusieurs mois dans un CONGELATEUR. De 4 à 24 mois environ suivant la qualité et le type de produit.

CONGELATION et SURGELATION se différencient par la rapidité de pénétration du froid lors de l’opération .La surgélation c'est réaliser très rapidement la congélation "A COEUR" des aliments. C'est par des procédés industriels tels que le passage des petits poids dans un courant d'air très froid (-40°C à-60°C ) ou l'immersion dans un liquide surgelant que l'on réalise la SURGELATION.Un produit surgelé peut se conserver dans un congélateur à -18°C.

Le froid stabilise l’aliment dans un état donné, il ne modifie pas sa valeur nutritive.

A Retenir

Savoir 0.4

Les systèmes spécifiques : architecture et équipements.Les systèmes électrodomestiques.

III- La production du froid   :

3.1. Les principales unités de température:

Ver01 du 18-12-2014. Page 5 / 14

Prenons trois récipients contenant de l’eau froide, à température ambiante (tiède) et un autre remplit d’eau chaude. On plonge une main dans chaque récipient extrême (froid et chaud) et on les regroupe rapidement dans le bac tiède. Résultat, la main froide éprouve une sensation de chaleur, la chaude une sensation de fraicheur alors que la température réelle du récipient tiède est la même pour les deux mains. Les notions de chaud et de froid sont liées à nos sens. Elles sont caractérisées par un premier repère :

La température

La réfrigération est l’étude de la chaleur. Celle-ci se déplace et on ne peut la détruire. Elle se déplace du plus chaud vers le plus froid dans une recherche d’équilibre.

Comme l’eau, la chaleur recherche un équilibre.

Réalisons une expérience :

Savoir 0.4

Les systèmes spécifiques : architecture et équipements.Les systèmes électrodomestiques.

IV- La transmission de la chaleur   :

cru et froid. L’œuf est en contact direct avec la poêle

Ver01 du 18-12-2014. Page 6 / 14

Le transfert de chaleur est la manière dont la chaleur va être véhiculée d'un point à un autre. Cela peut être au sein même d'un matériau ou bien entre deux matériaux différents, par contact étroit ou non. La chaleur se transmet selon trois modes :

4.1. La conduction   : empruntée par les solides

Deux objets de même nature et de masse identique en contact à des températures différentes. La chaleur passe de l’un à l’autre jusqu’à atteindre la même température.

26°C

4°C 15°

15°C

4.2. La convection: emprunté par les fluides (liquides, gaz)

4.3. Le rayonnement : transmission se faisant dans le vide.

L'eau ici chauffée par le bas remonte en surface repoussant ainsi l'eau plus fraîche vers le fond, créant ainsi un courant perpétuel appelé phénomène de convection.

La joue de la jeune fille reçoit un échauffement provenant de la semelle du fer, provoqué par des rayons invisibles : les infrarouges. Ils se propagent en ligne droite comme la lumière et peuvent être déviés ou arrêtés par un écran.

La poêle est chauffée par le foyer et l’œuf cru est froid. L’œuf est en contact direct avec la poêle. La température de l’œuf s’élève, et l’œuf commence à cuire.

Energie thermique.

Savoir 0.4

Les systèmes spécifiques : architecture et équipements.Les systèmes électrodomestiques.

V- Notions élémentaires   :

5.1 Les différents états de la matière

5.2 Les changements d’état de la matière   :

Exemple : Lorsqu’on désire faire bouillir de l’eau pour cuisiner, il faut allumer une plaque chauffante. La plaque chauffante apporte de l’énergie (chaleur) à l’eau qui l’utilise d’abord pour augmenter sa température. Lorsque toute la quantité d’eau est à 100°C alors l’eau commence à passer de l’état liquide à l’état gazeux (vapeur d’eau).

Ver01 du 18-12-2014. Page 7 / 14

On ne fabrique pas du froid mais on enlève de la chaleur. La méthode consiste à utiliser des principes de transformation d’un liquide en gaz et la transformation d’un gaz en liquide.

A la base, tout corps pur peut prendre trois états fondamentaux :

SOLIDE LIQUIDE GAZEUX

Glaçons Eau Humidité de l’air

Le passage de l’état solide à l’état liquide (fusion) demande un apport d’énergie.Le passage de l’état liquide à l’état gazeux (vaporisation) consomme aussi de l’énergie.Le passage de l’état gazeux à l’état liquide (condensation) ou (liquéfaction) est obtenu par refroidissement. Cette phase cède donc de l’énergie (chaleur

Savoir 0.4

Les systèmes spécifiques : architecture et équipements.Les systèmes électrodomestiques.

5.3 Relation entre pression et température de changement d’état   :

Ver01 du 18-12-2014. Page 8 / 14

L’eau boue à 100°C. Oui mais à PRESSION ATMOSPHERIQUE.La pression atmosphérique est toujours sensiblement la même : 1,013 bar (1013 mbar)

Il est possible de faire bouillir de l’eau à d’autres températures. Dans une cocotte minute par exemple. Cet ustensile permet de réduire le temps de cuisson des aliments de manière considérable.

COMMENT ?

En faisant monter la pression dans l’enceinte dont la pression est régulée par une soupape, il se produit une élévation de la température d’évaporation de l’eau. On fait ainsi bouillir l’eau à des températures comprises entre 110 et 120°C. Le temps de cuisson peut être réduit.

A l’opposé, un alpiniste qui fait bouillir de l’eau en altitude voit une température d’ébullition inférieure à 100°C car plus l’altitude est élevée moins la pression atmosphérique est importante. Par exemple à 3000 mètres l’eau ne boue plus qu’à 90°C

Il existe donc bien une relation entre pression et température de changement d’état.

Plus la pression monte, plus la température monte. Plus la pression descend, plus la température descend.

L’eau est le fluide le plus connu, mais chaque élément présent dans la nature a une température d’évaporation variant avec la pression.

Savoir 0.4

Les systèmes spécifiques : architecture et équipements.Les systèmes électrodomestiques.

VI- Le cycle de production de froid   :

1 Evaporation Vaporisation à basse pression et basse température

2 Compression Compression et échauffement du fluide à l’état gazeux.

3 Condensation Refroidissement du gaz surchauffé et liquéfaction .

4 Détente Diminution de la pression.

Ver01 du 18-12-2014. Page 9 / 14

Compression

A partir des règles que nous avons vu précédemment, nous allons pouvoir comprendre le principe de la production du froid. Pour cela nous utiliserons un fluide dont la température d’évaporation n’est pas 100°C comme l’eau mais une température beaucoup plus basse : - 30°C par exemple. (Propriété des fluides frigorigène).Le principe est fondé sur le transport de la chaleur par un fluide frigorigène. Utilisé dans un circuit fermé ce fluide à la capacité par ses changements d’états (liquide/gazeux) de transférer l’énergie frigorifique et calorifique. La production du froid se fait en étapes :

Détente4

3

2

1E v a p o r C o n d e n

Savoir 0.4

Les systèmes spécifiques : architecture et équipements.Les systèmes électrodomestiques.

6.1 Les étapes de la production de froid

Repère Etape Action Actionneur

1 EVAPORATION

C’est l’étape qui produit le froid. Porté à basse pression, le fluide boue en absorbant les calories qui l’entourent. Cette absorption de chaleur provoque une chute de température de l’évaporateur et de son environnement.

2 COMPRESSION

Cette phase est réalisée par le compresseur. Elle s’accompagne d’un dégagement de chaleur du fluide car on a modifié sa pression. Le fluide en sortie du compresseur est à une température relativement élevée.

3

REFROIDISSEMENT CONDENSATION

Pour condenser un gaz il faut que la pression remonte (compression) et un refroidissement. Ce refroidissement est réalisé par le condenseur où le gaz chaud se refroidit et où il se liquéfie.

4 DETENTE

Après avoir transformé le gaz en liquide il faut faire chuter sa pression pour qu’il puisse s’évaporer. On utilise un détendeur appelé capillaire.  Il est constitué d’un tube de cuivre de petit diamètre relativement long au diamètre intérieur très réduit 0.6 à 1 mm.

Ver01 du 18-12-2014. Page 10 / 14

Savoir 0.4

Les systèmes spécifiques : architecture et équipements.Les systèmes électrodomestiques.

6.2 Le circuit élémentaire de production de froid   :

Le cycle est fermé, le fluide frigorigène évolue sous l'action du compresseur dans les quatre éléments constituant la machine frigorifique.

Ver01 du 18-12-2014. Page 11 / 14

Etape : COMPRESSION

Etape : EVAPORATION

Etat du fluide : LIQUIDE à GAZEUX

Pression : BASSE PRESSION (BP)

Etape : CONDENSATION

Etat du fluide :GAZEUX à LIQUIDE

Pression : HAUTE PRESSION (HP)

REFOULEMENT

Etat du fluide : GAZEUX surchauffé

Pression : HAUTE PRESSION (HP)

ASPIRATION

Etat du fluide : GAZEUX chauffé

Pression : BASSE PRESSION (BP)

Etat du fluide : LIQUIDE

Pression : BASSE PRESSION (BP)

Etape : DETENTE

Etat du fluide : : LIQUIDE

Pression : HAUTE PRESSION (HP)

Savoir 0.4

Les systèmes spécifiques : architecture et équipements.Les systèmes électrodomestiques.

6.3 Le circuit frigorifique du réfrigérateur à compression   :

DESCRIPTION :

RÔLE :- retenir les impuretés dans le circuit, c’est le rôle des filtres (2et 6).- absorber l’humidité du circuit, le rôle des billes d’alumine (5).

Ver01 du 18-12-2014. Page 12 / 14

Filtre déshydrateur

Aspiration

Refoulement

Détendeur capillaire

LE FILTRE DESHYDRATEUR

Il est composé d’un corps tubulaire (2) en cuivre qui enferme une certaine quantité de billes d’alumine (5).On rencontre trois sortes de déshydrateur 10, 15 et 20 grammes. Le plus employé sur les réfrigérateurs ménagers est le modèle 10 grammes.

1. Sortie côté capillaire2. Corps3. filtre fin4. sens de circulation du fluide5. billes d ‘alumine6. grille filtre7. entrée côté condenseur

Savoir 0.4

Les systèmes spécifiques : architecture et équipements.Les systèmes électrodomestiques.

VII. Les fluides réfrigérants du froid ménager

5.1 PROPRIETES

7.1 Propriétés

En théorie, l'air ou l'azote (des fluides courants sur notre planète...) pourraient servir de réfrigérant, ainsi que tout fluide présentant un potentiel en termes de réfrigération, mais, en pratique, il en est tout autrement, car ces fluides doivent répondre aux critères suivants :

Les fluides réfrigérants sont sélectionnés principalement pour leur grande propriété d'absorption de chaleur (calories) lorsqu'ils passent de leur phase liquide à leur phase gazeuse (la chaleur absorbée par le fluide lors du changement d'état est appelée : chaleur latente de vaporisation). Les réfrigérants sont utilisés purs ou en mélange dans les métiers du froid et de la climatisation.

Ces fluides doivent respecter l'environnement et être inoffensifs pour l'homme (et tout être vivant) du fait du risque de fuite dans l'atmosphère.

Ils sont également choisis en fonction des températures de fonctionnement des deux échangeurs du circuit frigorifique concerné (le condenseur et l'évaporateur). En effet, les fluides utilisés pour obtenir des basses températures sont différents des fluides de climatisation par exemple.

Enfin, leurs pressions (qui sont fonction des températures de service des échangeurs cités ci-dessus) doivent permettre leur utilisation dans un circuit frigorifique avec un dimensionnement raisonnable des tuyauteries et du compresseur. En effet, il ne serait pas rentable d'utiliser de l'azote pour faire de la climatisation, la pression nécessaire étant trop importante, ce qui nécessiterait des tuyaux très épais et un compresseur gigantesque.

Ver01 du 18-12-2014. Page 13 / 14

Un fluide frigorigène (ou réfrigérant) est un fluide pur ou un mélange de fluides purs présents en phase liquide, gazeuse ou les deux à la fois en fonction de la température et de la pression de celui-ci. La principale propriété des fluides frigorigènes est de s'évaporer à une faible température sous pression atmosphérique. Les fluides frigorigènes sont utilisés dans les systèmes de production de froid (climatisation, congélateur, réfrigérateur, etc.)

Pendant des années, un seul fluide a été utilisé pour faire fonctionner les réfrigérateurs ménagers : LE DICHLORODIFLUOROMETHANE plus connu sous la dénomination R12.

R134a / R600a : Ils remplacent le R12 interdit dans les installations neuves depuis 1994 et à la vente pour la maintenance depuis le 1er octobre 2000.

Savoir 0.4

Les systèmes spécifiques : architecture et équipements.Les systèmes électrodomestiques.

7.2 Le R134a

7.3 Relation Pression / Température du R134a

Température Pressionrelative Température Pression

relative Température Pressionrelative

T°C Pe BAR T°C Pe BAR T°C Pe BAR-80 -0,974 -27 -0,039 15 3,37-70 -0,93 -26 -0,007 20 4,703-65 -0,895 -25 -0,054 25 5,54-60 -0,85 -20 -0,317 30 6,688-55 -0,79 -15 -0,628 35 7,855-50 -0,714 -10 -0,994 40 9,151-45 -0,617 -5 1,421 45 10,583-40 -0,497 0 1,915 50 12,163-35 -0,347 5 2,483 55 13,899-30 -0,166 10 3,132 60 15,8

7.4 Le R600a ou l’isobutane

5.5 Relation Pression / Température du R600a

Température Pressionrelative Température Pression

relative Température Pressionrelative

T°C Pe BAR T°C Pe BAR T°C Pe BAR-60 -0,924 -10 0,067 40 4,33-55 -0,891 -5 0,294 45 5,065-50 -0,85 0 0,556 50 5,871-45 -0,797 5 0,857 55 6,752-40 -0,732 10 1,199 60 7,712-35 -0,652 15 1,587 65 8,755-30 -0,553 20 2,023 70 9,886-25 -0,435 25 2,512 75 11,108-20 -0,294 30 3,057 80 12,426-15 -0,128 35 3,662 85 13,846

Ver01 du 18-12-2014. Page 14 / 14

Premier fluide a avoir été mis en œuvre après l’interdiction du R12, le R134a (TETRAFLUOROETHANE) appartient à la famille des H.F.C. ce fluide a une température d’ébullition de -26,5°C à pression atmosphérique. La relation pression température est sensiblement identique à celle du R12.

De la famille des hydrocarbures (HC) le R600a est un réfrigérant nécessitant des niveaux de pression assez différents du R12 et du R134a. Son caractère inflammable nécessitera une méthode de dépannage particulière. Le R600a est non polluant. Il fonctionne sous des pressions plus basses.

R 600a