Réfrigérateur à compression de vapeur - Définition

Introduction

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 6 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.

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.