Processus du froid

Le terme «froid» désigne le flux de cha-leur qui est extrait d’une pièce. Étant donné que la chaleur circule toujours d’une température plus élevée vers une température plus basse, il faut, pour re-froidir une pièce, un système dont la température est plus basse et qui peut absorber la chaleur de la pièce. Autre-fois, la glace présente dans la nature était stockée en hiver et utilisée pour le refroidissement en été. Aujourd’hui, nous utilisons des machines fiques à cette fin. Les machines frigori-fiques actuelles sont basées sur les phé-nomènes suivants:

Détente du gaz

Lorsqu’un gaz est détendu d’une pres-sion élevée à la prespres-sion ambiante, il se refroidit (p. ex. le refroidissement de l’air lors de l’ouverture d’une conduite d’air comprimé). Ce processus est appelé l’effet Joule-Thomson.

La température du gaz après détente dépend non seulement de la pression et de la température avant détente, mais aussi du type de gaz.

Utilisation de la chaleur de vaporisation Lorsqu’un liquide s’évapore ou bout, il se produit un changement d’état de liquide à gazeux. Il faut de l’énergie pour séparer les molécules les unes des autres. Cette

énergie peut être fournie de l’extérieur sous forme de chaleur (exemple: bouillir de l’eau).

La quantité de chaleur à apporter entre l’évaporation des premières molécules et l’évaporation de la dernière goutte de liquide est appelée chaleur de vaporisa-tion. La chaleur fournie est utilisée ex-clusivement à cette fin pendant tout le processus d’évaporation – il n’y a donc pas d’augmentation de la température pendant cet apport de chaleur.

La température à laquelle l’évaporation a lieu (la température d’évaporation) est déterminée par la pression à laquelle un fluide frigorigène particulier est soumis.

Lorsque la pression augmente, la tem-pérature d’évaporation augmente égale-ment (c.-à-d., que l’état d’évaporation est à une température plus élevée).

Lorsque la pression est abaissée, l’éva-poration a lieu à des températures plus basses. Si la pression est appropriée, l’évaporation a lieu à des températures

L’air comme médium frigoporteur En théorie, l’air peut également être exploité comme médium frigoporteur.

Il est prélevé dans l’environnement, comprimé, refroidi et à nouveau dé-tendu. De cette manière, il peut être renvoyé froid dans l’environnement (p. ex. dans une chambre froide). Mais en termes d’efficacité énergétique, l’air en tant que médium frigoporteur est très peu performant. Les ma-chines frigorifiques exploitant l’air de cette façon ne sont donc guère adap-tées d’un point de vue technique.

Lorsqu’un médium autre que l’air est utilisé, un tel processus «ouvert» n’a aucun sens sur le plan écologique, technique ou économique. En effet, le gaz froid présent dans la pièce ne doit pas mettre en danger ou nuire aux personnes, aux marchandises réfrigé-rées ou à l’environnement. Pour cette raison, tous les autres médiums frigo-porteurs fonctionnent en cycle fermé.

ration p₀ et donc aussi la température d’évaporation T0 dans l’évaporateur. Il suf-fit donc d’ajouter suffisamment de fluide frigorigène liquide pour qu’il puisse s’éva-porer. Dans un circuit fermé, celui-ci ne peut provenir que du côté pression du compresseur (haute pression).

Lorsqu’un compresseur comprime un fluide frigorigène sous forme gazeuse, celui-ci est chauffé de manière significa-tive en raison de la loi des gaz. En outre, les pertes par frottement pendant la compression augmentent encore la tem-pérature du fluide frigorigène. Le gaz fri-gorigène comprimé est appelé gaz chaud et doit être renvoyé dans l’évapo-rateur, mais sous forme liquide. Il doit donc être refroidi et condensé. L’environ-nement est beaucoup plus froid que le gaz chaud et peut donc contribuer à re-froidir le gaz chaud et à le liquéfier dans le condenseur. La condensation à haute pression se produit à une température T_C beaucoup plus élevée que l’évapora-tion en raison de la pression p_C (T_C > T₀).

Le fluide frigorigène sous forme liquide peut maintenant revenir à la basse pres-sion par l’intermédiaire du détendeur. Il réduira considérablement sa tempéra-ture et entrera froid dans l’évaporateur.

L’effet Joule-Thompson ainsi que l’in-fluence de la chaleur de vaporisation entrent ici en jeu.

inférieures à la température ambiante.

La chaleur passe alors de l’environne-ment au fluide frigorigène – et l’environ-nement se refroidit.

Pour la réalisation technique de ce pro-cédé, il faut mettre en place un circuit fermé pour un fluide frigorigène. Un compresseur aspire le fluide frigorigène sous forme gazeuse et le comprime à un niveau de pression plus élevé. Pour ob-tenir une différence de pression, il faut également placer une résistance à l’écoulement dans le cycle. Il peut s’agir d’une conduite d’étranglement ou d’un détendeur variable.

Du côté aspiration, le compresseur réduit la pression (basse pression) et veille à ce que le fluide frigorigène liquide puisse s’évaporer dans l’évaporateur situé avant lui, comme décrit ci-dessus. Le compres-seur détermine ainsi la pression

d’évapo-Chaleur sensible et latente

Un apport de chaleur entraînant une modification de la température, c’est-à-dire sans modification de l’état, peut être «ressenti» via la tempéra-ture – on parle alors de chaleur sen-sible.

Un apport de chaleur avec un chan-gement d’état a lieu à température constante – c’est ce qu’on appelle la chaleur latente.

Dégagement de chaleur Détente Absorption de chaleur Compression

Pression p

p_C

p₀

Q._Chaleur

Q._Froid Illustration 3.1:

Schéma montrant les quatre compo-sants principaux du circuit de froid et les deux niveaux de pression à l’intérieur du circuit.

Ce cycle décrit du fluide frigorigène a un côté froid où la chaleur est absorbée par le poste frigorifique (Q˙_Froid) et un côté chaud où la chaleur est évacuée (Q˙Chaleur).

Lorsque le niveau de température est suffisant, le côté chaud peut être utilisé, p. ex. pour fournir de la chaleur à un cir-cuit de chauffage (utilisation chaud-froid). Le circuit se compose des princi-paux éléments suivants:

– Compresseur

– Échangeur de chaleur à haute pres-sion pour l’évacuation de la chaleur (condenseur)

– Détendeur pour l’expansion du côté basse pression

– Échangeur de chaleur à basse pres-sion pour l’absorption de chaleur (éva-porateur)

Ce cycle est le type de refroidissement le plus utilisé dans le froid de confort.

Les machines correspondantes sont ap-pelées machines frigorifiques à com-pression. Le cycle est représenté dans l’Illustration 3.1 comme un processus sur une ligne. Après l’absorption de la cha-leur (évaporation), la compression re-commence du côté gauche.

Le processus de froid peut maintenant être calculé sur la base du contenu d’énergie du fluide frigorigène, en utili-sant les niveaux de haute et basse pres-sion et en spécifiant l’enthalpie. Il est donc pratique de représenter le proces-sus de froid par un diagramme pres-sion-enthalpie (Illustr. 3.2). Les haute et basse pressions sont alors immédiate-ment visibles et les changeimmédiate-ments d’éner-gie peuvent être lus directement dans le diagramme (log p,h) tout comme la diffé-rence d’enthalpie. Étant donné qu’un compresseur peut multiplier la pression par dix environ, la pression est représen-tée de manière logarithmique et le diagramme est donc appelé diagramme log p,h. Les pressions doivent être com-prises comme des pressions absolues.