Circuit frigorifique - Les bases

Circuit frigorifique - Les bases

Informations de base sur le fonctionnement du circuit frigorifique, les composants utilisés et les pièces impliquées

Bienvenue dans ce guide créé par Itieffe "À la découverte du froid maîtrisé - guide des bases du circuit frigorifique". Dans un monde où le contrôle de la température est essentiel pour un large éventail d'applications, ce guide vous emmènera dans un voyage fascinant au cœur des circuits frigorifiques, vous révélant les secrets du fonctionnement de ces systèmes qui permettent de générer et de maintenir le froid.

Les circuits réfrigérants sont présents dans de nombreux aspects de notre vie quotidienne, des maisons aux installations industrielles, des supermarchés aux laboratoires scientifiques. Mais que se passe-t-il réellement à l’intérieur de ces circuits qui nous permettent de refroidir et de maintenir les choses à température contrôlée ? Dans ce guide, nous explorerons les fondements fondamentaux des circuits réfrigérants, en démystifiant les concepts clés qui les rendent possibles.

À travers une approche claire et accessible, nous vous guiderons à travers les principes thermodynamiques qui sous-tendent le fonctionnement d’un circuit frigorifique. Vous apprendrez comment le fluide réfrigérant, soumis à des variations de pression et de température, peut transférer de la chaleur d'un environnement à un autre, permettant d'atteindre des températures inférieures à celles du milieu environnant. A travers des schémas, des explications détaillées et des exemples pratiques, nous vous ferons découvrir les étapes qui composent un cycle de réfrigération.

Circuit frigorifique - Les bases

Ce guide ne nécessite pas de connaissances avancées en thermodynamique ou en ingénierie. Il s'adresse à ceux qui souhaitent avoir une compréhension de base du fonctionnement des circuits de réfrigération et de leur utilisation dans des contextes variés. Que vous soyez étudiant, technicien ou simplement curieux d'apprendre quelque chose de nouveau, nous espérons que ce guide vous éclairera sur le monde complexe mais fascinant des circuits réfrigérants.

Nous vous invitons à nous rejoindre dans ce voyage à travers le froid maîtrisé, où les lois de la thermodynamique se traduisent en technologies qui influencent notre confort, notre santé et la production de biens essentiels. Que ce guide soit votre boussole pour explorer les mécanismes qui nous permettent de maîtriser le froid et de l’utiliser à notre avantage.

LE CIRCUIT FRIGORIFIQUE

Il n'y a pas de machines capables de produire du froid, mais il existe des machines capables d'évacuer la chaleur des fluides ou des corps (air, eau, métaux, etc.).

Ces machines sont appelées génériquement : « réfrigérateurs ».

Ils sont divisés en catégories en fonction de leur type et de leur utilisation et sont appelés réfrigérateurs et congélateurs domestiques (températures +4 -20°C), réfrigérateurs industriels et de laboratoire (températures jusqu'à -140 °C), déshumidificateurs, climatiseurs et refroidisseurs d'eau de tout type taille et potentiel.

Analysons ces machines (dans ce cas nous prendrons en considération le petit froid domestique même si les bases sont les mêmes pour toutes les catégories).

Circuit frigorifique - Les bases

LE RÉFRIGÉRATEUR : CYCLE STANDARD DE COMPRESSION DE VAPEUR

On sait que la chaleur est transférée des zones à haute température vers les zones à basse température. Ce processus de transfert de chaleur se produit spontanément dans la nature, sans nécessiter l'intervention d'aucune machine. En revanche, le processus inverse, c'est-à-dire le transfert de chaleur des zones à plus basse température vers les zones à plus haute température, ne se produit pas spontanément et nécessite l'utilisation de machines spéciales appelées machines frigorifiques.

La figure 1 montre le schéma du système d'un circuit de réfrigération à compression de vapeur standard.

Transformations du circuit de refroidissement

Les transformations effectuées par le fluide frigorigène à l'intérieur du groupe frigorifique peuvent être retracées aux indications du "cycle de Carnot" dont nous renvoyons l'explication à d'autres endroits :

1_2 – La vapeur saturée basse pression est aspirée par le compresseur et subit une compression adiabatique réversible (compression isoentropique). Le compresseur comprime la vapeur, augmentant sa pression et sa température et la poussant dans le condenseur.

2_3 – La chaleur Q2, chaleur de condensation, est transférée à l'air extérieur ou à d'autres fluides, dans un processus de condensation à pression constante, transformant la vapeur en liquide. L'échangeur qui réalise la transformation est appelé condenseur. Un fluide sort du condenseur sous forme de liquide saturé.

3_4 – Il y a un passage à travers le détendeur (vanne de stratification), dans lequel le fluide passe de la pression supérieure à la pression inférieure produisant le phénomène de dilatation. C'est avec ce changement d'état que la chaleur est évacuée de l'environnement ou du fluide. Le liquide, après le détendeur, n'est plus comprimé et revient à l'état de vapeur.

4_1 – La chaleur Q1 (chaleur évacuée de l'environnement ou du fluide impliqué) est reçue par le système de réfrigération à une température plus basse dans un processus d'évaporation à pression constante à travers un échangeur de chaleur appelé évaporateur, de cette manière le cycle se ferme et le réfrigérant et prêt à effectuer un nouveau cycle de réfrigération.

 

MACHINES FRIGORIFIQUES COP

Pour les machines frigorifiques, il est possible de définir un indicateur d'efficacité : le Coefficient de Performance (FLIC_F):

COP_F = effet bénéfice / dépense nécessaire = Q1 / L_c

où l'effet utile est la chaleur soustraite à basse température pour maintenir un environnement froid, tandis que la dépense nécessaire est représentée par le travail de compression.

La COP_F et inversement proportionnel au coût d'exploitation de l'installation : plus le travail de compression est élevé, plus le coefficient de performance est faible.

SOUS-REFROIDISSEMENT ET SURCHAUFFE

En pratique courante, dans les cycles standards de compression de vapeur, un sous-refroidissement du liquide est effectué avant d'effectuer la détente (laminage). De cette façon on est sûr d'alimenter l'élément de stratification en liquide et non en vapeur (ce qui ferait mal fonctionner l'appareil). La surchauffe est faite pour être sûr d'alimenter le compresseur en vapeur et éviter que le fluide contienne des traces de liquide. En effet, il peut arriver dans ce cas que le compresseur comprime du liquide provoquant sa rupture. On préfère donc que le fluide soit légèrement surchauffé à l'entrée du compresseur. Cette opération est toujours effectuée dans le cycle de réfrigération, qu'il y ait une augmentation ou une diminution du COP ; de cette façon, vous pouvez être sûr que le compresseur (orgue très coûteux) fonctionne bien et longtemps.

SCHÉMATISATION DU COMPORTEMENT

La figure montre un schéma d'un circuit frigorifique générique : on voit comment l'air en contact avec l'évaporateur B dégage de la chaleur Q1 provenant de l'environnement E, tandis que l'autre air extérieur est plus chaud (mais toujours à une température inférieure à la température de condensation ) il s'échauffe en passant par le condenseur C et est ensuite envoyé à l'extérieur (chaleur Q2). Le circuit est complété par l'élément roulant D.

 

COMPOSANTS DU CIRCUIT FRIGORIFIQUE

LE COMPRESSEUR

Le compresseur est le « cœur » du circuit frigorifique. C'est la force motrice du système de réfrigération car elle fournit le travail nécessaire à la réalisation du cycle thermodynamique. Sa fonction est d'amener le fluide frigorigène vaporisé de la pression de l'évaporateur (basse pression) à la pression du condenseur (haute pression) qui correspond à une température de condensation compatible avec celle du fluide de refroidissement externe (air ou eau).

Types de compresseurs frigorifiques

alternative	hermétique
	semi-hermétique
	ouvert
rotatif	vis
	vis unique
	double vis
	spirale (défilement)
	palette (aube coulissante)
	piston oscillant

Il existe différents types de compresseurs qui peuvent être classés par type de compression et type de construction :

- dynamique dans laquelle la compression est obtenue en faisant varier les conditions d'écoulement du fluide avec conversion d'énergie

- volumétrique dans laquelle la compression est obtenue par réduction mécanique du volume offert au fluide dans un capsulisme à géométrie variable ; ils sont divisés en :

Compresseurs volumétriques alternatifs

Le compresseur alternatif est essentiellement constitué d'un cylindre à l'intérieur duquel circule un piston, à mouvement alternatif. Le cylindre est fermé en partie haute par une plaque où sont obtenues deux ouvertures équipées de clapets. Ils permettent de raccorder la bouteille alternativement, par le conduit d'aspiration, à l'évaporateur et, par le conduit de refoulement, au condenseur. Au moyen d'un mécanisme à bielle et manivelle, le piston est relié au vilebrequin qui a pour fonction de transformer de manière alternative le mouvement de rotation du moteur auquel il est relié (généralement un moteur électrique).

Schéma du système de soupapes à piston de cylindre

Pendant la phase d'admission, le piston se déplace vers le bas, les soupapes d'admission s'ouvrent, mettant la chambre du cylindre en communication avec la zone basse pression du circuit. Une fois le volume utile atteint, celui qui se produit au point mort bas (PMI), le piston commence à réduire le volume de la chambre du cylindre et à comprimer le fluide. Les soupapes d'admission se ferment, tandis que les soupapes de refoulement ne s'ouvrent que lorsque la pression à l'intérieur du cylindre est égale à celle présente dans la partie supérieure du circuit. Le taux de compression (et le symbole ρ est indiqué) est le rapport entre la pression de condensation et la pression d'évaporation.

Les compresseurs alternatifs peuvent à leur tour être classés selon la méthode de construction en :

 

Compresseurs rotatifs à spirale

Dans les compresseurs Scroll, également appelés « spirale orbitale », la compression du gaz se produit grâce à l'action combinée de deux spirales développantes couplées entre elles. La première spirale reste fixe tandis que la seconde effectue un mouvement orbital (pas une rotation), grâce à cette configuration, des poches de gaz se créent entre les bobines qui se déplacent vers l'intérieur, se rétrécissant et se comprimant. La compression obtenue est extrêmement uniforme, évitant ainsi les « pulsations » classiques caractéristiques des compresseurs alternatifs.

Compresseurs rotatifs jumeaux

Les problèmes les plus courants liés aux compresseurs rotatifs scroll concernent la lubrification correcte au démarrage avec des risques de grippage, la présence de grandes quantités d'huile dans le circuit avec des cycles de récupération relativement fréquents et enfin la perte d'efficacité aux charges partielles due à une limitation de capacité. aux basses fréquences. Pour résoudre ces problèmes, un nouveau compresseur Twin Rotary a été conçu, dans lequel se trouvent deux aubes.

Grâce à leur rotation contraphasée, les forces centrifuges opposées agissant sur l'arbre de rotation assurent une plus grande stabilité à bas régime. Le « Double Rotor » permet une plus grande uniformité de rotation lors des opérations de compression et une réduction des frottements par rapport aux machines rotatives classiques. Les aubes sont complètement immergées dans l'huile, réduisant considérablement le bruit produit et les vibrations transmises au circuit réfrigérant, tout en maintenant une excellente lubrification. Ne disposant pas de phase dépressive pour rappeler le lubrifiant, la quantité d'huile qui est introduite dans le circuit frigorifique est bien inférieure à celle du compresseur Scroll.

En particulier:

1 = aspiration

2 = compression

3 = vidange

COMPRESSEURS DE PIÈCES ÉLECTRIQUES

Les conformations des parties électriques des compresseurs frigorifiques adaptées à chaque besoin individuel selon les différents types de schémas de raccordement des alimentations électriques sont décrites en accédant au lien ci-dessous. Les différents composants électriques nécessaires au démarrage et au fonctionnement du compresseur sont décrits et sont essentiellement : les relais, les protecteurs thermiques (clicson), les condensateurs électrolytiques, etc.

Voir : "Schémas des pièces électriques du compresseur"

 

LES ÉCHANGEURS DE CHALEUR

Les échangeurs de chaleur (en l'occurrence les condenseurs et les évaporateurs) sont des dispositifs qui permettent l'échange de chaleur entre deux fluides à des températures différentes. Dans les échangeurs de chaleur, les deux fluides ne se mélangent pas : la chaleur est échangée par convection dans les deux fluides et par conduction à travers le milieu de séparation entre eux.

Le condensateur

Le condenseur du circuit réfrigérant a pour fonction de dissiper la chaleur absorbée par le réfrigérant à travers un fluide qui peut être de l'eau ou de l'air. En raison de la compression donnée par le compresseur, le fluide atteint le condenseur dans des conditions de vapeur surchauffée où il se refroidit et se condense, transférant sa chaleur au fluide de refroidissement, après quoi il quitte le condenseur dans des conditions liquides.

Le réfrigérant entre dans le condenseur en surchauffe. Après un court tronçon, le réfrigérant atteint les conditions de saturation et c'est à partir de là que commence le tronçon affecté par le changement de phase, qui occupe généralement une grande partie de l'échangeur. Même en cas de changement de phase, il y a une baisse de température due à la chute de pression subie par le réfrigérant. Une fois complètement condensé, le réfrigérant liquide est sous-refroidi jusqu'à ce qu'il sorte du condenseur. Le fluide caloporteur qui absorbe la chaleur de condensation est généralement monophasé et donc sa température augmente au fur et à mesure à l'intérieur de l'échangeur. La classification des condenseurs se fait généralement en fonction du fluide caloporteur utilisé :

L'évaporateur

L'évaporateur a pour fonction d'évacuer la chaleur indésirable du fluide à traiter (air ou eau) pour la transférer vers le circuit. Le réfrigérant pénètre dans l'évaporateur avec un titre d'environ 10%, en raison de la chute de pression pendant le changement de phase, le réfrigérant diminue sa température même s'il absorbe de la chaleur jusqu'à ce qu'il atteigne des conditions de vapeur saturée sèche. Le réfrigérant est surchauffé jusqu'à sa sortie de l'évaporateur, pour être à nouveau aspiré par le compresseur. Il existe des évaporateurs ventilés qui augmentent leur efficacité au moyen d'un ventilateur et des évaporateurs statiques qui n'ont pas recours à ce dispositif. Les évaporateurs statiques offrent plusieurs avantages dans les cellules réfrigérées utilisées pour les denrées alimentaires car ils éliminent moins d'humidité de l'environnement que les évaporateurs ventilés.

 

FLUIDE THERMIQUE

Le fluide caloporteur qui libère la chaleur d'évaporation est généralement monophasique (normalement de l'air ou de l'eau) et donc sa température diminue en cours de route à l'intérieur de l'échangeur. Dans le cas de l'air, parfois poussé par un ventilateur, il touche les tuyaux de l'évaporateur, donnant de la chaleur au réfrigérant (chaleur latente d'évaporation), le faisant s'évaporer. Lorsque le réfrigérant s'évapore, il absorbe la chaleur de son environnement. L'air est refroidi puis renvoyé dans la pièce. Pour faciliter l'évaporation du réfrigérant, des tuyaux en cuivre à haut coefficient de conductivité thermique sont utilisés. Les tuyaux en cuivre sont insérés dans une série d'ailettes fines qui augmentent la surface de contact avec l'air.

LES FRIGORIGÈNES

Les fluides réfrigérants sont le moyen par lequel s'effectue le transfert de chaleur dans les différentes parties du circuit frigorifique. Le premier réfrigérant utilisé dans les machines frigorifiques à compression de vapeur était l'éther éthylique, choisi et utilisé vers le milieu du siècle dernier par Perkins et Harrison en raison de son inflammabilité et de sa toxicité et en raison de la faible fiabilité des systèmes d'étanchéité au fil du temps, son utilisation a été abandonnée. . Dans la seconde moitié du XIXe siècle, d'autres réfrigérants ont été introduits, tels que le dioxyde de carbone, l'ammoniac et le chlorure de méthyle ; l'utilisation de ces réfrigérants a sans aucun doute contribué au développement des machines frigorifiques à compression de vapeur.

Cependant, le problème de sécurité, dû à la toxicité et à l'inflammabilité de presque tous les réfrigérants répertoriés, est resté jusqu'à ce que les réfrigérants synthétiques tels que R30, R11, R113, R21, etc. soient introduits dans les années 22. obtenu à partir de méthane et d'éthane par remplacement total ou partiel des atomes d'hydrogène par ceux de chlore, de fluor et parfois de brome. Grâce à leurs excellentes caractéristiques thermophysiques et à leurs exigences de stabilité et de sécurité, les chlorofluorocarbures (CFC) se sont imposés comme les réfrigérants prédominants pour remplacer ceux précédemment utilisés, parmi lesquels pratiquement seul l'ammoniac (R717) restait pour les applications industrielles.

Mais le problème environnemental, en termes de destruction de l'ozone et de réchauffement climatique dû à l'effet de serre, a en partie délégitimé le rôle joué par les CFC au cours des cinquante dernières années ; d'où la nécessité de remplacer les CFC par d'autres fluides, ce qui a poussé le monde technique à envisager et examiner les différentes possibilités, mais a en même temps posé le problème du « Retro fi t », c'est-à-dire de la reconversion de tous les systèmes existants et de leurs adaptation aux nouveaux fluides frigorigènes.

Les nouveaux réfrigérants

À partir de la fin des années 70, l'industrie chimique a commencé à travailler pour identifier de nouvelles substances pouvant être utilisées dans les systèmes de réfrigération, remplaçant les CFC et plus tard également les HCFC qui créaient de nombreux problèmes environnementaux tels que la diminution de l'ozone stratosphérique. Les substances qui ont été identifiées, et qui appartiennent à la classe des hydrofluorocarbures HFC, ont été évaluées à la fois d'un point de vue toxicologique (International PAFT Consortium) et d'un point de vue environnemental (AFEAS International Consortium). Les nouveaux réfrigérants se caractérisent par une stabilité chimique élevée, ce qui les rend adaptés à une utilisation dans presque toutes les conditions de fonctionnement pouvant être rencontrées dans les systèmes de réfrigération et de climatisation. Ces nouveaux fluides sont des mélanges de divers composés et selon leur comportement ils sont définis :

- Les azéotropes : ce sont des mélanges qui ne changent pas leur composition volumétrique ni leur température de saturation lors de l'évaporation (absence d'effet de glissement) ; par conséquent, les changements d'état se produisent un pression et température constantes.

- Quasiment azéotropes : ils présentent une légère variation de température lors de la transition d'état (petit effet de glissement) qui ne compromet cependant pas les performances et le fonctionnement du système.

- Les zéotropes : ils ont un effet « glissant » marqué, c'est-à-dire que le passage des états se fait à pression constante mais pas à température constante. Lors de la conception de la machinerie, cette particularité doit être prise en compte si vous envisagez d'utiliser un fluide zéotrope. Ce mélange étant formé d'une partie plus volatile et d'une partie moins volatile, en cas de fuite le composant le plus léger fuira facilement. De cette façon, seul le composant le plus lourd restera dans le circuit, souvent avec de mauvaises caractéristiques de refroidissement. Ainsi, en cas de panne, le système doit d'abord être complètement vidé et le mélange « recréé » en renouvelant le composant perdu et enfin, après avoir réparé la fuite, le circuit doit être rechargé.

Les principaux fluides frigorigènes HFC :

-R134A

-R407C

-R410A

Pour plus de détails, veuillez consulter les liens suivants :

Gaz réfrigérant

Cartes de gaz réfrigérant

Rapport de pression de température du réfrigérant

Applications typiques

Applications typiques du gaz réfrigérant avec indication du type de fluide, numéro R, produit qu'il remplace, composition et fabricant.

Voir la version complète "Applications typiques des gaz réfrigérants"

L'ORGANE DE LAMINAGE

D'un point de vue purement thermodynamique, l'élément de feuilletage sert à abaisser la pression et la température entre les deux échangeurs de chaleur du cycle de compression de vapeur inversé. En pratique, sa fonction principale est de réguler le débit de fluide frigorigène du condenseur à l'évaporateur afin qu'il soit toujours proportionné à la puissance frigorifique que le système doit garantir. La classification entre les différents éléments roulants repose sur la capacité d'adapter leur géométrie aux différentes conditions de charge (variation de la puissance frigorifique requise).

Le tube capillaire

C'est l'organe de stratification le plus courant dans les petites et très petites machines de réfrigération et les climatiseurs. Le réfrigérant liquide est forcé de passer à travers ce tube extrêmement étroit. L'énergie perdue lors du passage dans le capillaire fait passer le réfrigérant d'un état de haute pression à un état de très basse pression. dans ces cas, des conditions de fonctionnement différentes de celles nominales s'établissent spontanément avec une diminution du rendement.

Le détendeur thermostatique

Les détendeurs thermostatiques contrôlent l'injection de réfrigérant liquide dans les évaporateurs et protègent le moteur du compresseur du réfrigérant liquide. 

Le détendeur thermostatique permet de maintenir la surchauffe (ou le niveau de réfrigérant) constante dans des situations de charge variable dans le système de réfrigération, afin d'économiser de l'énergie.

La vanne de laminage électronique

Il agit comme une vanne thermostatique sauf qu'il n'est pas auto-activé au moyen du système de pression créé dans la vanne. C'est un véritable système de contrôle électronique à commande électronique.

Eléments roulants qui adaptent leur géométrie à la charge :

• détendeur thermostatique
• détendeur électronique

Eléments roulants qui n'adaptent PAS leur géométrie à la charge :

• tube capillaire
• soupape à pression constante

 

PRINCIPAUX ACCESSOIRES

 

Autres types de thermostats

Antiquité (persistant)

• Réfrigération

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