Cours en ligne et simulateur de thermodynamique appliquée

Réfrigération à compression de vapeur

Dans une installation de réfrigération ou frigopompe, on cherche à maintenir une enceinte froide à une température inférieure à l'ambiante. Le principe consiste à évaporer un fluide frigorigène à basse pression (et donc basse température), dans un échangeur en contact avec l'enceinte froide.

Pour cela, il faut que la température Tevap du fluide frigorigène soit inférieure à celle Tef de l'enceinte froide. Le fluide est ensuite comprimé à une pression telle que sa température de condensation Tcond soit supérieure à la température ambiante Ta.

Il est alors possible de refroidir le fluide par échange thermique avec l'air ambiant, jusqu'à ce qu'il devienne liquide. Le liquide est ensuite détendu par laminage isenthalpique jusqu'à la basse pression, et dirigé dans l'évaporateur. Le cycle est ainsi refermé.

La figure ci-dessous illustre les transferts enthalpiques qui prennent place dans l'installation. Les petites flèches dirigées vers le bas représentent les échanges thermiques, qui, comme on le voit, respectent bien le second principe de la thermodynamique : la chaleur s'écoule des zones chaudes vers les zones plus froides.

La longue flèche ascendante représente l'apport enthalpique au compresseur, qui permet de relever le niveau de température du fluide (attention : les quantités de chaleur ne sont pas proportionnelles à la longueur des flèches).

 L'efficacité d'un tel cycle est définie selon la règle générale, comme le rapport de l'énergie utile à l'énergie payante. C'est donc le rapport de la chaleur extraite à l'évaporateur au travail de compression. Étant donné que sa valeur est généralement supérieure à 1, on préfère parler de COefficient de Performance ou COP.

Dans un cycle frigorifique, l'effet utile est l'extraction de chaleur à l'évaporateur. On peut aussi concevoir une machine dont l'effet utile est le chauffage, par valorisation de la chaleur disponible au condenseur. On appelle pompe à chaleur (PAC) ou thermopompe une telle machine, dont le cycle est très semblable à ceux utilisés en réfrigération. Il en diffère simplement par les niveaux de température, et donc par le fluide de travail.

 Composants

Sur le plan thermodynamique, un réfrigérateur est composé de quatre éléments :

  • l’évaporateur est généralement, dans un réfrigérateur domestique, formé de deux plaques planes corruguées soudées l’une contre l’autre, le fluide frigorigène circulant dans les canaux formés par les corrugations. Il tapisse le plus souvent le compartiment « congélation » du réfrigérateur (c’est sur lui que se forme la couche de givre). La plaque entre les canaux de passage du fluide sert d’ailette pour augmenter le contact thermique entre le fluide frigorigène et le compartiment froid. Cet évaporateur est relié au reste de la machine par deux canalisations qui traversent la paroi isolante. L’une d’entre elles est reliée à l’aspiration du compresseur, l’autre au détendeur.

  • le condenseur est la grille noire située sur la face postérieure du réfrigérateur, constituée d’un tuyau enroulé en serpentin et étayé par des plaques métalliques qui d’une part augmentent les échanges thermiques avec l’air, et d’autre part renforcent la rigidité mécanique. Il est relié à la sortie du compresseur et au détendeur.

  • le plus souvent, le compresseur n’est pas directement visible car il est contenu dans un bloc métallique monté sur des coussins en caoutchouc, pour éviter les vibrations, d’où sortent un fil électrique et deux tuyaux d’entrée et sortie du fluide. Il s’agit d’un compresseur dit hermétique, généralement à piston ou scroll, qui présente l’avantage que le moteur est directement refroidi et lubrifié par le fluide thermodynamique, ce qui permet de se passer d’huile.

  • le détendeur est généralement constitué d’un simple tube capillaire, et quelquefois il s’agit d’un détendeur thermostatique. Avant d’entrer dans le détendeur, le liquide est légèrement sous-refroidi ; cela permet de s’assurer que cet organe n’est pas alimenté avec de la vapeur, et cela augmente les performances du réfrigérateur.

Analyse fonctionnelle

La fonction principale d'une installation de réfrigération peut s'énoncer de la manière suivante : maintenir une armoire froide à une température Tf inférieure à l'ambiante Ta.

Les fonctions des éléments mis en évidence à partir de l'analyse technique précédente peuvent être énoncées comme suit :

  • l'armoire sert à confiner l'enceinte froide et à limiter son échauffement dû à l'écart de température entre elle et l'ambiante ;

  • l'évaporateur sert à extraire la chaleur qui pénètre dans l'enceinte froide, qu'il refroidit donc ;

  • le compresseur sert à relever le niveau de pression du fluide thermodynamique ;

  • le condenseur sert à rejeter de la chaleur vers l'air ambiant, qu'il réchauffe ;

  • le détendeur sert à baisser la pression du fluide sans produire de travail.

Cette analyse montre que la fonction principale est réalisée par les deux premiers éléments de cette liste, les autres fonctions étant des fonctions contraintes qui sont liées aux solutions techniques choisies. En effet, pour maintenir une enceinte froide à une température Tf inférieure à l'ambiante Ta, il faut d'une part limiter son échauffement, et d'autre part extraire la chaleur qui y pénètre.

Les autres composants (compresseur, condenseur, détendeur) servent à extraire la chaleur communiquée au fluide dans l'évaporateur, et à ramener celui-ci dans l'état souhaitable à l'entrée de cet appareil, ce qui peut être formulé comme « Ramener le fluide dans l'état initial » en entrée d'évaporateur.

Pour ramener le fluide dans son état à l'entrée de l'évaporateur, il faut rejeter à l'extérieur la chaleur qu'il a reçue de l'enceinte froide. Cette fonction se faisant en relation avec l'extérieur, il s'agit d'une fonction de service.

Pour que la chaleur puisse être rejetée à l'extérieur dans le condenseur, la température du fluide doit y être supérieure à l'ambiante. La pression de condensation doit donc être supérieure à la pression de saturation à la température de l'air ambiant.

La nécessité du compresseur et du détendeur se déduit de cette analyse : la pression d'évaporation doit être inférieure à la pression de saturation à la température de l'enceinte froide, et la pression de condensation supérieure à celle à la température de l'air ambiant. A la fonction de service contrainte « Refroidir le fluide », s'ajoutent deux fonctions techniques contraintes, internes au système : « Comprimer le fluide » avant refroidissement, et « Détendre le fluide » ensuite.

Le diagramme FAST du réfrigérateur s'en déduit. Il permet de bien montrer que les fonctions assurées par les trois derniers éléments sont d'une nature différente des deux premiers.

Nous lui avons aussi ajouté une fonction de service de régulation qui porte sur deux points principaux :

  • adapter la pression de condensation en fonction de la température ambiante ;

  • réguler la puissance de la machine pour que la température de l'enceinte froide reste comprise dans un faible intervalle autour de la valeur de consigne.

Voyage au cœur d'un réfrigérateur

Pour améliorer votre compréhension de son fonctionnement, et comprendre ses bases thermodynamiques, une animation 3D a été réalisée par la société Paraschool .

Cette animation très simple s'adresse aussi bien à des néophytes qu'à des connaisseurs. Elle vous permet de visualiser la localisation des différents composants dans le réfrigérateur, le parcours du fluide thermodynamique, et d'obtenir des valeurs de son état thermodynamique (température, pression, titre en vapeur) en différents points, pour des conditions de fonctionnement d'été ou d'hiver.

L'animation fait appel à SchockWave, dont l'installation vous sera automatiquement proposée.

Les fluides frigorigènes

Les premiers cycles de réfrigération qui ont été réalisés vers 1875 utilisaient des fluides comme l'ammoniac, le dioxyde de soufre ou le gaz carbonique. Par la suite, dans la première moitié du XXe siècle sont apparus de nouveaux fluides dérivés chlorofluorés du méthane et de l'éthane (les chlorofluorocarbones CFC) et les hydrochlorofluorocarbones (HCFC).

Pour des raisons multiples, tant techniques (performances thermodynamiques, compatibilité avec les huiles, joints, métaux, pressions acceptables…) que d'acceptabilité sociale (faibles inflammabilité et toxicité…), ces fluides ont progressivement pris la place des précédents, à l’exception de l’ammoniac, toujours utilisé dans les installations industrielles, notamment agroalimentaires.

En quelques décennies, un CFC et un HCFC, le R12 (CCl2F2) et le R22 (CHClCF2), en sont ainsi venus à représenter à eux seuls 75 % du parc de réfrigération français (en 1998), tandis que l'ensemble des nouveaux fluides dépassait 90 % du total.

Deux préoccupations environnementales sont venues brusquement remettre en cause l'utilisation massive de ces fluides : la rupture de la couche d'ozone et l'augmentation de l'effet de serre. Très rapidement a été prise la décision d'arrêter la production des CFC et des halons, et de remettre en cause celle des HCFC, du fait qu'ils contiennent toujours du chlore. L'ensemble de ces mesures a provoqué pour les industriels de la réfrigération une révolution technologique majeure qui a commencé en 1994 et qui n’est pas terminée.

Les problèmes se posent différemment selon qu’il s’agit de concevoir une nouvelle installation ou de changer le fluide d’une existante. Dans ce dernier cas, il est nécessaire que les caractéristiques thermodynamiques du fluide de remplacement soient proches de celles de l'original, alors que dans le premier cas le changement peut quelquefois permettre une amélioration des performances de l'installation. Dans tous les cas, de nombreux problèmes technologiques doivent être étudiés, comme par exemple la compatibilité avec les lubrifiants, le choix du déshydrateur, l'adaptation du détendeur…

Pour compliquer les choses, les réglementations diffèrent selon les pays, en fonction des engagements auxquels ils ont souscrit dans le cadre des accords internationaux. Un dernier élément à prendre en compte est que de grandes incertitudes subsistent pour l’avenir, notamment en ce qui concerne le sort des HFC à GWP important.

Références livre

Chapitre 9

 Un extrait de ce chapitre est librement téléchargeable avec l'accord des Presses de l'Ecole des Mines de Paris

Séances Diapason disponibles

Les séances Diapason traitant des cycles de réfrigération sont données dans le tableau ci-dessous. La séance S30 est plus particulièrement dédiée à la technologie, alors que les autres permettent de construire dans Thermoptim des modèles de cycles de réfrigération variés : dans la séance S31, on fait étudie les cycles simples. La séance S32 permet d'établir le bilan exergétique de la machine et . La séance S33 permet d'étudier le cycle d'une pompe à chaleur et de dimensionner son évaporateur.

Fiches-guides de TD et corrigés

 Il n'y a pas de fiche-guide de TD traitant des cycles de réfrigération à proprement parler, mais la fiche-guide sur les tours de refroidissement  en met en jeu.

Exercices et activités personnelles

Un guide de prise en mains vous permet tout d'abord de vous initier à la modélisation d'un cycle de réfrigération à compression de vapeur dans Thermoptim.

Les modules ExpliSite vous proposent des explorations virtuelles guidées des cycles de réfrigération , avec des liens vers des explications théoriques, technologiques, méthodologiques... Ils présentent trois niveaux de difficulté croissante, dont le premier correspond aux connaissances qui ont été introduites au cours de la première étape du module d'auto-formation aux systèmes énergétiques, et les deux suivants à celles de la deuxième étape.

Ces explorations virtuelles sont réellement des activités en ce sens que vous êtes systématiquement incité à tester votre compréhension grâce à des reformulations, des demandes d'extraction d'informations qualitatives ou quantitatives pour renseigner des formulaires, répondre à des questions, effectuer des calculs de bilans…

Nous vous conseillons donc, si vous avez le temps, d'étudier les différents  niveaux du module ExpliSite sur les cycles de réfrigération .

Nous  vous proposons  aussi quelques exercices  pour développer votre capacité de modélisation avec Thermoptim. Les énoncés étant très succincts, le schéma de l'installation est fourni dans chaque cas. Les corrigés sont accessibles aux enseignants authentifiés. Une fois le modèle établi, vous pouvez faire des études de sensibilité pour analyser l'influence des différents paramètres sur les performances des cycles.

copyright R. Gicquel

Réalisé avec Scenari (nouvelle fenêtre)