Installation frigorifique : fluides, Evaporateur, Compresseur, Condenseur, Détendeur

7 February 2019 | Thèmes des mémoires

I. 2. Fonctionnement d’une installation frigorifique

La majorité des installations frigorifiques opèrent selon le principe de la compression mécanique des vapeurs : les vapeurs surchauffées produites au cours d’un processus isobare dans l’évaporateur A, sont aspirées à basse pression et température basse par le compresseur B. Après une compression, elles sont refoulées à haute pression et naturellement à température haute vers le condenseur C où au cours d’un processus isobare elles se transformeront en liquide. Ce liquide sous refroidi dans le condenseur traverse ensuite le détendeur D dans lequel il subit une dépression de la haute pression du condenseur à la basse pression de l’évaporateur et le cycle recommence.



Figure 1: Principe de fonctionnement d’une installation frigorifique.

I. 2.1. Les fluides frigorigènes

a. Définition :

Les fluides frigorigènes, plus couramment appelés fréons, sont des dérivées chlorés et fluorés du méthane ou de l’éthane, facilement liquéfiables et vaporisables.



Ils permettent les échanges de chaleur dans un circuit frigorifique par leurs changements d’état à travers l’évaporateur et le condenseur.

Le tableau ci-dessous donne les températures d’évaporation de certains fluides frigorigènes à la pression atmosphérique. Ces changements d’état s’effectuent à température et pression constantes. C’est durant cette phase, la chaleur absorbée ou rejetée est la plus importante

Tableau 2: Température d’ébullition de quelques fluides à pression atmosphérique

Fluide frigorigène

Température d’ébullition (℃)

Eau (𝐻2) – 718

11

12

22

502

Ammoniac (𝐻3)-717

100

23.3

-29.8

-40.7

-45.6

-33.3

Le tableau donne les chaleurs sensibles et leurs chaleurs latentes d’évaporation de quelques fluides

Tableau 3: Chaleurs sensibles et chaleurs latentes d’évaporation de quelques fluides

Fluide frigorigène (liquide)

Chaleur sensible nécessaire

pour chauffer le liquide de

1℃

(kJ/kg℃)

Chaleur latente nécessaire

pour évaporer le liquide à la pression atmosphérique

(kJ/kg℃)

Eau

12

22

4.18

0.98

1.40

2250

169

231

De façon générale les fluides frigorigènes sont constitués des atomes de carbone,

d’hydrogène, de fluor et de chlore. Soit de formule chimique𝐶 𝐻 𝐹 .

Ils sont classés en quatre grandes familles :

CFC : les chlorofluororocarbones ;

HCFC : les hydrochlorofluorocarbones ;

HFC : les hydrofluorocarbones ;

Les fluides naturels (NH3, propane, isobutane)

b. Propriétés :

En théorie, l’air ou l’azote qui sont des fluides courants sur notre planète, pourraient servir de réfrigérant, ainsi que tout fluide qui présente un potentiel en termes de réfrigération, mais, en pratique, il en est tout autrement, car ces fluides frigorigènes sont sélectionnés s’ils répondent aux critères suivants :

Avoir une grande propriété d’absorption de chaleur (calories) lorsqu’ils passent de la phase liquide à la phase gazeuse. La chaleur absorbée par le fluide lors du changement d’état est appelée chaleur latente de vaporisation. Ils sont utilisés purs ou en mélange dans les métiers du froid et de la climatisation.

Respecter l’environnement. Ils doivent être inoffensifs pour l’homme et tout être vivant du fait du risque de fuite dans l’atmosphère.

Avoir des températures de fonctionnement adéquates dans les 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.

Enfin leurs pressions, qui sont fonction des températures de service des échangeurs 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.

c. Rôle

Dans un circuit frigorifique, le fluide frigorigène véhicule deux éléments :

Les calories. Celles-ci sont captées à l’évaporateur puis au niveau du compresseur. Elles sont ensuite évacuées au niveau du condenseur.

L’huile du compresseur. En effet, le fonctionnement du compresseur nécessite une abondance d’huile. Cette huile est entrainée par les vapeurs du fluide frigorigène à la sortie du compresseur. Elle est utile pour les autres organes du circuit frigorifique afin d’améliorer l’étanchéité du circuit. Elle sera ensuite séparée puis réintégrée dans le carter du compresseur.

d. Caractéristiques

Le fluide frigorigène, étant un médium qui sert à évacuer de la chaleur, possède des caractéristiques (physique, chimique et thermodynamique). Ces caractéristiques qui sont physiques, chimiques et thermodynamiques permettent de choisir le fluide le mieux approprié à l’installation prévue.

Caractéristiques physiques :

 Chaleur latente importante afin diminuer le débit horaire du fluide ;

 La température d’évaporation peu élevée afin que le changement d’état soit réalisable ;

 Température critique élevée pour limiter le taux de vaporisation au détendeur ;

 Pression de condensation modérée ;

 Volume massique de vapeur faible (pour diminuer la cylindrée du compresseur) ;

 Température d’évaporation basse ;

 Ininflammable ;

 Inexplosible.

Caractéristiques chimiques :

 Stabilité thermique et chimique (pour ne pas détruire l’huile, les métaux, les joints…) ;

 Miscibilité avec les lubrifiants ;

 Solubilité dans l’eau.

Caractéristiques thermodynamiques :

Celles-ci sont données par les abaques qui permettent de connaître, en fonction de sa température, les différentes caractéristiques telles que :

 La pression ;

 Le volume massique ;

 L’entropie ;

 L’enthalpie.

e. Nomenclature des fluides frigorigènes :

De formule chimique 𝐶 𝐻 𝐹 , la désignation d’un fréon autrement dit d’un fluide

frigorigène est condensée dans le symbole de la forme :

= (−1)(+1)() avec + + = 2 + 2

Où a, b et c sont des entiers naturels. Soit :

R : le fluide frigorigène (réfrigérant);

Chiffre des unités « c » : désigne le nombre d’atomes de fluor ;

Chiffre des dizaines « b » : désigne le nombre d’atomes d’hydrogène + 1 ; Chiffre des centaines « a » : désigne le nombre d’atomes de carbone – 1.

Les lettres minuscules en fin de numérotation désignent une asymétrie plus (b) ou moins (a) de a molécule.

Pour obtenir la formule chimique d’un fréon à partir de son symbole il suffit de poser :

=

{ = − 1

= + 1

Avec + + = 2 + 2

Où représente le nombre d’atomes de carbone ;

le nombre d’atomes d’hydrogène ;

le nombre d’atomes de fluor ;

le nombre d’atomes de chlore.

Exemple :

 Le fréon 22 , qui peut encore s’écrire 022 :

= 2

= 2

{ = 2 − 1 < => { = 1 → + + = 2 + 2 => = 1.

= 0 + 1

= 1

D’où la formule chimique: 𝐶𝐻𝐹2𝐶 (le monochlorodifluorométhane)

 Le fréon 134 , la lettre « a » signifiant que sa formule chimique semi-développée est

asymétrique.

= 4

= 4

{ = 3 − 1 < => { = 2 → + + = 2 + 2 => = 0

= 1 + 1

= 2

D’où la formule chimique : 𝐶2𝐻2𝐹4 (tétrafluoroéthane)

I. 2.2. L’évaporateur

L’évaporateur est un échangeur de chaleur à air ou à eau qui permet les échanges de chaleur entre le milieu que l’on souhaite refroidir et le fluide frigorigène qui circule dans l’installation frigorifique.

Le schéma ci-dessous représente un évaporateur à air ventilé à détente direct utilisé sur un circuit frigorifique fonctionnant tout à fait normal.



ts.c.

Figure 2 : fonctionnement de l’évaporateur

: Température de l’air à l’entrée de l’évaporateur

: Température de l’air à la sortie de l’évaporateur

: Température de vaporisation

: Température de surchauffe

Point 1 : le liquide qui est sous haute pression et sous refroidi, arrive au détendeur

thermostatique.

Point 2 : le liquide s’est détendu au passage de l’orifice calibré du détendeur, la pression a chuté

à la pression BP. Une partie du liquide s’est vaporisée afin de refroidir le mélange

liquide/vapeurs. Au point 1, il y a un mélange d’environ 15% de vapeurs et 85%, à pression et

température basse.

Entre 2 et 3 : le mélange liquide/vapeurs avance dans l’évaporateur en absorbant de la chaleur.

Il y a de plus en plus de vapeurs et de moins en moins de liquide. Au cours de cette étape la

pression notée 0 et la température0 sont constantes.

Point 3 : la dernière molécule de liquide se vaporise à cette basse pression0 et une température

0 faible. Il y a donc à ce point 100% de vapeurs à cette température.

Entre 3 et 4 : les vapeurs étant toujours en contact avec l’air à refroidir, leur température

augmente au fur et à mesure de la traversée du tube 2-3. La pression 0reste constante mais la

température augmente.

Point4 : les vapeurs sont surchauffées et sortent de l’évaporateur à la pression 0 et à la température de surchauffe vers le compresseur.

a. La surchauffe du fluide frigorigène

Entre l’étape pendant laquelle le fluide frigorigène se vaporise et celle pendant laquelle il se surchauffe règne un écart de température appelé surchauffe, qui se détermine de la manière suivante en Kelvin:

∆𝑇 = 𝑇 − 𝑇0

∆ : Surchauffe en K ;

: Température du fluide à la sortie de l’évaporateur

𝑇0 : Température de vaporisation du fluide

On rencontre, généralement sur les évaporateurs à détente directe une valeur de la surchauffe

comprise entre 5K et 8K.

b. La vaporisation

La détermination de la vaporisation dépend de l’humidité relative des denrées qui seront refroidies par l’installation frigorifique, pour cela le graphe qui suit permet de faire une lecture directe de la vaporisation afin de faire le choix de l’évaporateur pouvant absorber la quantité de chaleur des denrées.



Figure 3 : graphe de correspondance ∆𝑇0 – humidité relative

Exemple :

Pour une humidité relative de 90% correspond une vaporisation de 5°C Pour une humidité relative de 95% correspond une vaporisation de 4,2°C.

I. 2.3. Le compresseur

Le compresseur est le cœur de l’installation, il aspire les vapeurs surchauffées à la sortie de

l’évaporateur à la pression 0faible correspondante aux conditions de fonctionnement, les comprime et les refoule à une haute pression appelée température de condensation, vers le

condenseur.

Figure 4: fonctionnement du compresseur

a. Types de compresseurs

Il existe de nombreuses technologies de compresseurs. Il est cependant possible de les regrouper par famille en fonction du mode de compression ainsi

Les compresseurs volumétriques : la compression du fluide frigorigène se fait par la réduction du volume de la chambre de compression. On rencontre, dans cette catégorie, plusieurs types de compresseurs :

compresseurs à pistons (alternatifs)



compresseurs à palettes (rotatifs)

compresseurs hélicoïdaux ou à vis (rotatifs)

compresseurs spiro-orbitaux ou scroll (rotatifs)

Les compresseurs centrifuges (ou à impulsion) : la compression du fluide est créée par la force centrifuge générée par une roue à aubes. On parle de turbocompresseur.

b. Cycle théorique du compresseur



Figure 5 : Cycle théorique du compresseur

Le piston se trouve au point mort bas dit PMB puis le piston remonte. La phase de compression débute (segment A-D) : la diminution de volume occupé par la vapeur entraîne une augmentation de la pression.

A partir de D, la pression dans le cylindre est sensiblement supérieure à la pression régnant dans

la chambre de refoulement. Le clapet HP s’ouvre.

Le piston qui continue vers le point C pousse les vapeurs comprimés vers l’extérieur du cylindre

: il s’agit du refoulement.

Lorsque le piston atteint le point mors haut PMH (point C), il reste un peu de vapeurs comprimées sous haute pression (HP) dans un espace résiduel. Cet espace qui porte le nom d’espace nuisible. Il est nécessaire afin d’éviter que le piston ne cogne sur le sommet du cylindre, ce qui provoquerait de gros dégâts mécaniques.

Le piston redescend vers le point mort bas PMB.

La pression de la vapeur occupant le volume nuisible diminue au fur et à mesure que le volume disponible augmente. Quand le piston est au point D, la pression dans le cylindre coïncide avec la pression de la chambre d’aspiration. La course comprise entre C et D a permis de détendre la vapeur contenue dans l’espace nuisible en fin de compression.

Le piston continue à descendre. A partir du point D, la pression dans le cylindre ne suffit plus pour maintenir le clapet d’aspiration fermé et il s’ouvre sous la poussée des vapeurs de la chambre d’aspiration : il s’agit de la phase d’aspiration.

La distance DA correspond à la course réelle de l’aspiration et de compression. Ce qui veut dire, à chaque tour de vilebrequin, le compresseur va réellement aspirer un volume de vapeur correspondant au volume compris entre D et A.

Au sein d’une famille de compresseurs, on sera attentif au taux de compression qui doit être adapté en fonction de la pression de condensation et par conséquent en fonction du régime de fonctionnement du condenseur.

Par conséquent, les transformations suivantes ont ainsi été effectuées :

 De D à A, augmentation du volume à pression constante,

 De A à D, augmentation de la pression par réduction du volume,

 De D à C, diminution du volume à pression constante,

 De C à D, diminution de pression à volume constant.

Il faut noter que plus la HP augmente plus la production calorifique est importante dans le milieu extérieur moins nous avons la production du froid et l’énergie consommée par le

compresseur est très élevée. Le volume aspiré DA est plus faible et le cylindre aspire moins de

vapeur que dans le cas précédent.

I. 2.4. LE CONDENSEUR

tas

tc

tae

tsr



Figure6 : fonctionnement du condenseur

: Température de l’air à l’entrée du condenseur

: Température de l’air à la sortie du condenseur

: Température de condensation

Point 1 : les vapeurs surchauffées venant du compresseur entrent dans le condenseur, de pression HP et de température élevée.

Entre 1 et 2 : les vapeurs se désurchauffent par perte de chaleur sensible vers l’air ambiant pour

atteindre la température de condensation .

Point 2 : la première molécule liquide du fluide frigorigène apparaît, c’est le début de la

condensation.

Entre 2 et 3: phase de condensation à pression constante et température de condensation

constante. Dans le condenseur, il y a de moins en moins de vapeurs saturées et de plus en

plus de liquide.

Point 3 : la condensation est terminée et tout le fluide est liquide et à température .

Entre 3 et 4 : le liquide se refroidit de quelques degrés grâce au débit d’air sur le condenseur

(il y a perte de chaleur sensible).

Point 4 : à la sortie du condenseur, il reste du fluide frigorigène liquide sous refroidi de quelques

degrés à pression constante.

Il est à noter qu’un sous refroidissement du liquide donnera la certitude d’une condensation achevée à 100% pour permettre d’alimenter le détendeur en liquide.

a. Le sous refroidissement du fluide

Entre l’étape pendant laquelle le fluide frigorigène se condense et celle pendant laquelle il est sous refroidi règne un écart de température appelé sous refroidissement, qui se détermine de la manière suivante en Kelvin:

∆𝑇 = 𝑇 − 𝑇

∆ : Surchauffe en K ;

: Température du fluide à la sortie du condenseur

: Température de condensation du fluide

On rencontre généralement, sur les condenseurs à air une valeur normale de sous refroidissement comprise entre 4K et 7K.

b. Types de condenseurs

Le condenseur est l’élément qui va se charger d’évacuer la chaleur du réfrigérant vers l’air extérieur. Pour cela, deux techniques existent :

Soit refroidir le fluide frigorigène directement par l’air : c’est le rôle d’un condenseur à

air ;

 Soit refroidir le fluide frigorigène par de l’eau : la machine sera équipée d’un condenseur à eau. Mais cette eau devra alors elle-même être refroidie en toiture, via une tour de refroidissement.

Le condenseur à air :

L’évacuation de la chaleur du circuit frigorifique est assurée au travers d’un échangeur direct fluide frigorigène/air. Le gaz chaud du réfrigérant cède sa chaleur à l’air traversant le condenseur et passe à l’état liquide. L’avantage du condenseur à air est que son entretien est limité, et il n’y a aucun risque de gel.

Cependant, le coefficient d’échange avec l’air étant faible, le condenseur sera volumineux, et donc lourd et encombrant.

Enfin, les températures de condensation étant directement liées aux conditions de température extérieure, en été la pression de condensation sera forte, ce qui entraine une dégradation du COP de la machine frigorifique, mais elle sera plus faible en hiver, entrainant d’ailleurs un besoin de régulation adapté pour un fonctionnement correct.

On veillera tout particulièrement à considérer le choix du ventilateur car sa consommation électrique et le bruit généré ne sont pas négligeables, ainsi que la possibilité de récupérer la chaleur perdue au condenseur.

Le condenseur à eau :

Le réfrigérant de la machine frigorifique cède sa chaleur à l’eau circulant dans le condenseur, on parle alors de condenseur à refroidissement indirect. Grâce au coefficient d’échange de vingt à trente fois plus élevé que le coefficient d’échange avec l’air, la taille du condenseur à eau sera plus réduite et l’échangeur sera moins encombrant.

Il possède l’avantage d’être moins bruyant que le condenseur à air et de permettre de récupérer la chaleur au condenseur plus facilement puisque. La température de condensation peut également être plus facilement stabilisée.

Cependant, le condenseur à eau nécessite une tour de refroidissement, qui, elle, est encombrante, génère du bruit, un coût d’entretien non négligeable et une éventuelle consommation d’eau.

I. 2.5. LE DETENDEUR

Dans l’ensemble du fonctionnement d’une machine frigorifique, le détendeur module le débit de fluide frigorigène à l’entrée de l’évaporateur. La différence de pression entre le condenseur et l’évaporateur nécessite d’insérer un dispositif qui va abaisser la pression dans le circuit : c’est le rôle du détendeur. Sa fonction est donc de réduire la pression HP à la pression BP. En passant dans ce dernier, le fluide frigorigène va se vaporiser partiellement et voir sa température baisser.

Le bon contrôle de la quantité de fluide frigorigène admise dans l’évaporateur est prépondérant pour le bon fonctionnement de la machine frigorifique car un mauvais contrôle entrainerait les conséquences suivantes :

Trop peu de fluide frigorigène : il est immédiatement évaporé et il continue à se

réchauffer. C’est l’effet de surchauffe. Dans ce cas, l’efficacité de l’évaporateur diminue.

 Trop de fluide injecté : l’excès de fluide n’est pas évaporé par manque de chaleur disponible. Une partie du fluide reste liquide et est aspirée par le compresseur, ce dernier peut alors être sérieusement endommagé (coup de bélier)

Types de détendeurs

a. Le détendeur thermostatique :

C’est une vanne qui règle le débit du réfrigérant, en maintenant une différence constante entre la température d’évaporation du réfrigérant et la température des gaz à la sortie de l’évaporateur. La différence entre ces deux températures s’appelle “surchauffe à l’évaporateur” et est typiquement de 6 à 8 K. On est ainsi certain que tout le liquide s’est évaporé et on ne risque pas de coup de bélier au compresseur. Il est de nos jours, le dispositif le plus fréquemment utilisé.



Figure 7: Détendeur thermostatique

b. Le détendeur électronique :

Il fonctionne sur le même principe et permet un réglage plus précis de l’évaporateur. Une surchauffe plus faible sera possible, la température d’évaporation remontera alors de 2 à 3 K, ce qui diminuera la consommation du compresseur. Son avantage est de pouvoir bénéficier de l’intelligence de la régulation numérique : pouvoir adapter son point de fonctionnement en fonction de plusieurs paramètres.

Cela permet notamment de bénéficier d’une régulation modulante de la température du milieu à refroidir, d’avoir une injection optimale du réfrigérant et un dégivrage optimalisé.

c. Le détendeur capillaire :

Ilse contente, comme dispositif de réglage, d’un étranglement dans la conduite du réfrigérant avant l’évaporateur, qui est assuré par un tube capillaire de très faible diamètre, dans lequel la détente du fluide est obtenue par la perte de charge dans le tube. Ce type de détendeur est réservé aux installations de petites tailles, tels les appareils frigorifiques ou les petits climatiseurs.