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La réfrigération
Principes de base
Les appareils domestiques
Si les appareils de réfrigération domestique sont très différents.
Leur principe de « production » de froid est identique
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A. Diouris
Méthodes de production
Procédés thermodynamiques
Mélanges réfrigérants
Détente d’un gaz comprimé
L’évaporation d’un liquide
Fusion et la sublimation
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A. Diouris
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.
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A. Diouris
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.
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 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
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A. Diouris
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.
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A. Diouris
Installation frigorifique à
absorption
ELECTROLUX SERVICE
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A. Diouris
Détente d’un gaz comprimé
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
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A. Diouris
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.
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A. Diouris
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.
Condenseur
QC = Q + W
W
Détendeur
Compresseur
Q
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Évaporateur
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A. Diouris
Détente d’un gaz comprimé
Froid ?
Chaud ?
Juste des sensations
Les unités de mesure
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1°) Le degré Celsius
2°) Le degré Fahrenheit
0°Celsius
 Fusion de la glace
 Solidification de l ’eau
100° Celsius
Ébullition de l’eau
0° Fahrenheit
 mélange glace +Sel
0°F = - 17,8°C
100° Fahrenheit
Température du corps
humain
100°F = 37,8°C
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3°) Le degré Kelvin
0° Kelvin
 0° absolu
0°K = -273°C
A. Diouris
Table de correspondance
°F
100
95
90
85
80
75
70
65
60
55
50
45
40
35
30
25
20
15
10
5
0
-5
-10
°C
37,8
35,0
32,2
29,4
26,7
23,9
21,1
18,3
15,6
12,8
10,0
7,2
4,4
1,7
-1,1
-3,9
-6,7
-9,4
-12,2
-15,0
-17,8
-20,6
-23,3
°C
40
35
30
28
26
24
22
20
18
16
14
12
10
8
6
4
2
0
-2
-5
-10
-20
-30
F = 9/5 x C°+ 32
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°F
104,0
95,0
86,0
82,4
78,8
75,2
71,6
68,0
64,4
60,8
57,2
53,6
50,0
46,4
42,8
39,2
35,6
32,0
28,4
23,0
14,0
-4,0
-22,0
C = 5/9x( F°-32)
12
A. Diouris
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 Joule
IJ = 0,239 10-3 kcal
1Kcal = 4190J
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A. Diouris
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 recherche
toujours un équilibre.
3°) Suivant les états, les caractéristiques
des corps changent.
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A. Diouris
Transfert de la chaleur
Le rayonnement
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A. Diouris
Transfert de la chaleur
La conduction
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A. Diouris
Transfert de la chaleur
La convection
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A. Diouris
Propriétés de la matière
Changement d’états physiques
Fusion
Solide
Vaporisation
Liquide
Solidification
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Gaz
Condensation
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A. Diouris
Propriétés de la matière
(exemple de l’eau)
Plaque chauffante
Bloc de glace à – 20°C + 100
+ 80
1ère étape : le bloc
+ 60 de glace est porté
de -20°C à 0°C
+ 40
Eau à 0°C
Bloc de glace à 0°C
+ 20
2ème étape : fusion à T°constante
c’est à dire passage
de l’état solide
0
(glace) à l’état liquide eau
- 20
Q1 =
41kJ
Eau à 0°C
Q2 =
334kJ
3ème étape : la T° de l’eau est portée
De 0°C à 100°C
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A. Diouris
Q3 =
420kJ
Propriétés de la matière
(exemple de l’eau)
Eau à 100°C
Vapeur à 100°C
+ 120
+ 100
Vapeur à 100°C
+ 80
4ème étape : vaporisation par ébullition
de 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
Q4 =
jusqu’à vaporisation de
la dernière
2258kJ
goutte.La vapeur est dite sèche
Vapeur à 120°C
5ème étape : la T° de la vapeur saturée
sèche est portée à 120°C. On parle alors
de vapeur surchauffée.
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A. Diouris
Q5 =
38kJ
Quantité de chaleur
(exemple de l’eau)
°C
+ 120
+ 100
+ 80
+ 60
+ 40
+ 20
0
- 20
Q1 =
41kJ
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Q2 =
334kJ
Q4 =
2258kJ
Q3 =
420kJ
21
Q5 =
38kJ
A. Diouris
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 = 1PA
Le bar
1 bar = 100 000 Nm2
L'Atmosphère
1 atm = 1,013 bar
L'atmosphère technique
1 at = 1kgf/cm2 =0,98 bar
Le torr (mm Hg)
1 atm = 760 mmHg
Pression absolue
On appelle ainsi la pression par rapport au vide
Pression relative
Ce terme qualifie la pression qui
règne à partir de la pression
atmosphérique
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A. Diouris
Influence de la pression
Pression
Absolue
Pression
Relative
Pression
Atm.
Vide
Vide
bar
mbar
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A. Diouris
Influence de la pression
•
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.
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24
A. Diouris
Influence de la pression
1013mbar
1520mbar
-76 cm Hg
A retenir :
PLUS LA PRESSION AUGMENTE, PLUS LA TEMPERATURE
D'ÉBULLITION AUGMENTE.
PLUS LA PRESSION DIMINUE, PLUS LA TEMPERATURE
D'ÉBULLITION DIMINUE.
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Relation pression / température
P (bar)
État liquide
État liquide - vapeur
État Vapeur
P atm
0
°C
100
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26
A. Diouris
Relation pression / température
P (bar)
10
R22
5
H2O
+ 3,7
+ 2,6
+ 0,98
P atm
- 60
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- 40
100
50
27
150
A. Diouris
°C
Les CFC
Les
C F C
Chlor
o
Cl
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Fluor
o
F
28
Carbon
e
C
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Les CFC
 sont fabriqués à partir d’hydrocarbures
tels que :
C
o
H
H
C
C
u
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H
H
H
le méthane
l’éthane
CH4
C2H6
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A. Diouris
H
H
H
H
H
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 ...
F
H
F
e
ClH
Cl
C
Dichlorofluorométhan
Trichlorofluorométhane
CCl3F ou R11
CCl2F2 ou R12
HCl
Cl
-29,8°C
+23,7°C
H
F
Cl
… le réfrigérant est dit « totalement halogéné »
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A. Diouris
Les HCFC
 un HCFC est un CFC qui contient encore des
atomes d’hydrogène donc non totalement halogéné
H
Monochlorodifluorométhane
FH
C
HF
CHClF2
ou
R22
-40,8°C
H
Cl
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A. Diouris
Les HFC
 les HFC sont les produits qui ne
contiennent pas de chlore
H
F
Tétrafluoroéthane
CH2FCF3
F
C
C
ou
R134a
F
-26,5°C
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H
F
32
A. Diouris
Relation pression / température
Courbes pression-température
20
R22
15
R134a
10
5
0
-5
-50 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5
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0
5
10
33
15 20
25
30
35 40
45 50
A. Diouris
Les fluides frigorigènes
Pression (en bar)
°C
R12
R134a
MP39
(R401a)
R22
R600a
Relat. Absol. Relat. Absol. Relat. Absol. Relat. Absol. Relat. Absol.
-40
-35
-30
-25
-20
-15
-10
-5
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
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-0,37 0,64 -0,503
-0,21 0,81 -0,383
-0,01 1,00 -0,173
0,22 1,24 0,00
0,50 1,51 0,31
0,81 1,83 0,55
1,18 2,19 0,99
1,60 2,61 1,32
2,07 3,09 1,91
2,61 3,63 2,60
3,22 4,23 3,13
3,90 4,91 4,03
4,66 5,67 4,70
5,50 6,52 5,84
6,44 7,45 6,69
7,46 8,48 8,11
8,59 9,61 9,16
9,82 10,84 10,89
11,17 12,19 12,17
0,51
0,63
0,84
1,02
1,33
1,57
2,01
2,34
2,93
3,62
4,15
5,05
5,72
6,86
7,71
9,13
10,18
11,91
13,19
-0,28
-0,13
0,14
0,35
0,73
1,03
1,54
1,93
2,61
3,39
3,98
4,97
5,71
6,94
7,85
9,36
10,46
12,28
13,61
0,73
0,88
1,16
1,37
1,75
2,05
2,56
2,95
3,63
4,41
5,00
5,99
6,73
7,96
8,87
10,38
11,48
13,30
14,63
34
0,04
0,30
0,62
1,00
1,44
1,94
2,53
3,20
3,96
4,83
5,79
6,88
8,09
9,43
10,90
12,53
14,32
16,27
18,40
1,05
1,32
1,64
2,01
2,45
2,96
3,54
4,21
4,98
5,84
6,81
7,89
9,10
10,44
11,92
13,55
15,34
17,29
19,42
-0,73
-0,67
-0,55
-0,43
-0,29
-0,12
0,06
0,29
0,55
0,85
1,19
1,58
2,01
2,51
3,05
3,66
4,32
5,06
5,86
0,28
0,36
0,46
0,58
0,72
0,89
1,08
1,31
1,57
1,87
2,21
2,60
3,03
3,53
4,07
4,68
5,34
6,08
6,88
A. Diouris
Température d’ébullition du
R134a -26°C
Température du jour - 30°C
Température du jour +20°C
R134a
en ébullition
R134a à
l’état liquide
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A. Diouris
Relation pression /
température
P
État liquide - vapeur
Zone de vapeur
surchauffée
Zone du liquide
sous-refroidi
P atm
A
B
Surchauffe
Sous-refroidissement
60
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40K
100
36
°C
20K 120
A. Diouris
L’enthalpie
Ce terme souvent employé dans les calculs thermodynamiques
est considéré comme un contenu de chaleur.
H enthalpie
H= I + PV
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.
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A. Diouris
Diagramme enthalpique
250
225
K Point critique
200
175
Zone de Liquide
Sous refroidi
Zone de vapeur
Surchauffée
150
125
100
Zone de mélange
Eau + vapeur
75
50
25
500
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1000
1500
2000
38
2500
2500
3500
Enthalpie (KJ/kg)
A. Diouris
Le circuit Frigorifique
L’évaporateur
6
0
7
1
BP
Surchauffe
Enthalpie
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A. Diouris
Le circuit Frigorifique
Le compresseur
2
1
0
Enthalpie
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40
A. Diouris
Le circuit Frigorifique
Le condenseur
Sous-refroidissement
5
13
Désurchauffe
3
2
HP
4
0
Enthalpie
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Le circuit Frigorifique
Le capillaire
13
HP 5
0
BP
6
Enthalpie
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A. Diouris
Circuit frigorifique
Intérieur
Exterieur
(Absorption des calories)
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(Evacuation des calories)
43
A. Diouris
Circuit frigorifique
Sous-refroidissement
Quantité de chaleur évacuée
par le condenseur
5
Désurchauffe
3
2
HP
4
6
BP
7
1
évaporation
Travail du
compresseur
Surchauffe
Production frigorifique
de l’évaporateur
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Enthalpie
A. Diouris
Circuit frigorifique
(Coefficient de performance)
COP =
Quantité de chaleur évacuée
par le condenseur
Énergie fournie par le
compresseur
Travail du
compresseur
Enthalpie
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Quantité de chaleur évacuée
par le condenseur
45
A. Diouris
Circuit frigorifique
(Efficacité)
Efficacité =
Quantité de chaleur absorbée
par l’évaporateur
Énergie fournie par le
compresseur
Travail du
compresseur
Enthalpie
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Quantité de chaleur absorbée
par l’évaporateur
46
A. Diouris
Circuit frigorifique
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A. Diouris
Circuit frigorifique
(Diagramme enthalpique)
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A. Diouris
L’humidité
Notion d’humidité
Humidité maximum
Humidité relative
Condensation
Le givre
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49
A. Diouris
L'humidité de l'air
Gr/m3
90
82
80
70
Courbe de
saturation à la
pression
atmosphérique
(100%
d'humidité)
60
50.67
50
40
30
30.08
20
17.15
9.36
10
4.83
2.28
1.05
0
50
ELECTROLUX SERVICE
Janvier 2006
40
30
20
10
0
-10
-20
50
T°
A. Diouris
Pré condenseur
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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
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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 semiautomatique de 240L net;
 Quelle quantité d’eau pénètre en une semaine dans ce
réfrigérateur à dégivrage semi-automatique a cause
des ouvertures des portes?
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53
A. Diouris
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
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A. Diouris
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
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A. Diouris
Exercice
Sachant que:
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)
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’amene
à une température de –18°C ?
Solution :
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A. Diouris
La congélation
Chaleur latente de solidification
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A. Diouris