Réfrigérateur à compression de vapeur

Leréfrigérateur à compression de vapeurest fondé sur lacondensationde vapeur d'un fluide réfrigérant à la suite d'unecompression, et son évaporation à la suite d'une détente. C'est le procédé le plus répandu pour laproduction du froid. Ce principe est identique à celui employé pour lespompes à chaleur.
Ce procédé est à distinguer duturboréfrigérateur, dans lequel un gaz est comprimé, refroidi à température ambiante, puis détendu dans une turbine. Cet autre procédé ne fait pas intervenir de changement de phase. On peut noter sa ressemblance avec lecycle de Braytonde laturbine à gaz.
Tout système frigorifique à compression comprend au moins 4 éléments :
Ces cinq éléments sont le strict minimum pour assurer le fonctionnement du système frigorifique. Les principaux réfrigérants actuels contenant dufluor, les circuits frigorifiques doivent donc généralement être parfaitementanhydres. En effet le fluor risque de se dissoudre dans l'eau et ainsi de former de l'acide. L’eau est donc l'ennemi principal de la majorité des circuits frigorifiques.
Comme dessiné sur ce schéma, lecompresseurmet en circulationle réfrigérant. Il sort de l’orifice HP (haute pression) du compresseur à l’étatgazeux, plus chaud qu'il n'y est entré. Il traverse alors le côté HP en commençant par le condenseur.
Lors de son passage dans lecondenseur, le réfrigérant perd beaucoup de chaleur et se condense. On observe donc unchangement d’état. La tuyauterie située entre le condenseur et le détendeur s’appelle à juste titre :ligne liquide.
Le détendeur est donc alimenté en réfrigérant à l’étatliquide. Celui-cicrée une restrictioninduisant une chute de pression du réfrigérant qui alimente le côté BP (basse pression). À la sortie du détendeur, on observe une chute de pression importante ainsi qu’une chute de température du réfrigérant. Le réfrigérant est alors généralement enmélange diphasique, c'est-à-dire typiquement 15 % en gaz et 85 % en liquide. (Ces valeurs de pourcentage sont données à titre d’exemple et à prendre avec précaution. L’important est de retenir qu’ici nous sommes de manière quasi systématique en mélange diphasique).
Le fluide en mélange diphasique traverse l’évaporateur. Dans ce dernier, on observe à nouveau un changement d’état. En effet la partie liquide du fluideentre en ébullitionen absorbant lachaleurqui est fournie à l’évaporateur.
Le fluide à l’état gazeux est alorsaspirépar l’orifice BP du compresseur et le cycle se renouvelle.
Tout système frigorifique sert à véhiculer de l'énergied’une zone à une autre. En effet, la chaleur absorbée par l’évaporateur est ensuite évacuée par le condenseur. On a donc un transfert de chaleur (ou d’énergie) qui s’effectue de l’évaporateur vers le condenseur. On peut ainsi modéliser un système frigorifique ainsi :
Tout système frigorifique peut donc se définir comme unepompe à chaleur
Cette modélisation n’est qu’une modélisation partielle du fonctionnement frigorifique. En effet, dans un système frigorifique il y a deux sources de chaleur :
En effet, la compression de tout fluide quel qu'il soit nécessite de l'énergie (dans le cas d'une compression mécanique on la mesurera en joules), et ce quel que soit le rendement du compresseur. Cette énergie doit donc être évacuée au condenseur pour que le système soit à l'équilibre. Plus le rendement du compresseur est mauvais, et plus la quantité d'énergie à évacuer au condenseur sera élevée.
Par conséquent, un système frigorifique est toujoursplus puissant côté condenseurque côté évaporateur.
Exemple : plaque signalétique d’une climatisation réversible.
Exemple : temps nécessaire à une résistance donnée pour faire fondre de la glace :
Dans un premier temps, la résistance va chauffer la glace de manière à porter la température de la glace à0°C(chaleur massique).
ΔH=mcΔT{\displaystyle \Delta H=mc\Delta T}
ΔH=Pt{\displaystyle \Delta H=Pt}
Et donct=83,6s{\displaystyle t=83,6s}
Dans un deuxième temps, la résistance va chauffer cette glace à0°Cpour lui faire subir un changement d’état (chaleur latente).
La chaleur latente est notécl{\displaystyle c_{l}}
ΔH=mcl{\displaystyle \Delta H=mc_{l}}
t=mclP{\displaystyle t={\frac {mc_{l}}{P}}}
t=1340s{\displaystyle t=1340s}
Donc, il faut 1340 s + 83,6 s soit 1423,6 s soit environ 24 min pour faire fondre cette glace.
Cette expérience met en évidence le fait que la quantité d'énergie (ici de la chaleur) la plus importante à fournir est consommée durant la phase latente. De ce fait, sur les circuits primaires (c'est-à-dire du côté du fluide frigorigène), il est très intéressant de travailler sur les changements d’état plutôt que sur les différences de température. C’est sur ce principe que fonctionnent les systèmes frigorifiques.
Lors d’un cycle de fonctionnement d’un système frigorifique, on observe une expérience similaire au niveau des deuxéchangeursque sont lecondenseuret l’évaporateur:
Ceschangements d’étatsont donc impératifs au bon fonctionnement du système frigorifique.
Lecompresseura pour rôle de créer uneHautePression d'un côté (et donc unepression et température de vapeur saturantehaute), et uneBassePression de l'autre (et donc unepression et température de vapeur saturantebasse). Par conséquent, il permet également d'assurer la circulation du fluide dans le circuit frigorifique.
Il existe trois grandes familles de compresseurs frigorifiques :
Lescompresseurshermétiquessont descompresseursdont la partie moteur et la partie compression sont confinées dans une clochehermétiquenon démontable d'où leurs noms. Si l'une des deux parties vient à céder le compresseur est considéré comme hors service. La partie électrique est refroidie par les vapeurs de BP lors du fonctionnement du compresseur.
De l'extérieur, ils disposent généralement d'un bornier de raccordement électrique ainsi que de 3 orifices :
Lescompresseurssemi hermétiquessont appelés comme tels du fait que la partie moteur et la partie compresseur sont directement assemblées l'une contre l'autre. L'accouplement entre le moteur et lecompresseurn'est donc pas accessible (à moins de dissocier les deux parties par démontage). Ces compresseurs sont donc réparables. Comme pour lescompresseurshermétiques, la partie moteur des semi hermétiques est généralement refroidie par les vapeurs de BP.
Les compresseurs ouverts sont ainsi nommés du fait que le compresseur et le moteur sont séparés. Le compresseur peut donc fonctionner par deux types d'entraînement distincts, par courroie ou par accouplement direct.
On retrouve aussi différents types decompresseursfrigorifiques:
Ils équipent principalement les réfrigérateurs ménagers mais on peut aussi les rencontrer pour le froid commercial (faible et moyenne puissance) et pour les groupes de production d'eau glacée utilisée pour les centrales de traitement d'air. On peut les rencontrer pour des installations de froid industriel anciennes.
Ils équipent des climatiseurs, réversibles ou non, de petite puissance en général, ils peuvent être équipés de 2 pistons rotatifs.
Aussi appeléscompresseurscroll; ceux-ci équipent souvent les climatisations du fait de leur discrétion sonore. De par leur performance supérieure aux compresseurs à piston, ils sont principalement utilisés dans les réfrigérateurs ménagers modernes. On les reconnaît à leur forme allongée. Leur champ d'application est plutôt pour la climatisation (split-system, multi-split, ...). Ils peuvent aussi constituer une "centrale" pour assurer le fonctionnement de centrale de traitement d'air via un fluide caloporteur (plus généralement de l'eau pure ou glycolée).
L’intérêt du compresseur à spirale réside dans un rendement volumétrique fort comparé au compresseur à piston.
Le compresseur à vis ou hélicocompresseur appartient à la classe des machines volumétriques de type rotatif.
Inventé en 1878 par l'ingénieur Grigar, il a connu diverses améliorations grâce au développement de techniques permettant une augmentation du rendement.
Depuis 1976, on assiste à un développement important mondial des compresseurs à vis dans tous les domaines du froid.
Depuis quelques années est apparue une nouvelle génération de compresseurs à vis de petite et moyenne puissance recouvrant le domaine des compresseurs à pistons de moyenne puissance.
Le compresseur centrifuge ou turbocompresseur (dans le sensturbomachine, à ne pas confondre avec leturbocompresseurhomonyme) est une turbomachine de type radial. Il comprend un rotor animé d'une vitesse de rotation uniforme. Il est traversé par le fluide qui s'écoule de façon permanente. Vitesse de rotation uniforme et écoulement permanent sont les caractéristiques essentielles des turbomachines. Le compresseur centrifuge utilise l'augmentation de l'énergie cinétique du fluide, obtenue en utilisant la force centrifuge provoquée par la grande vitesse périphérique avec laquelle le fluide quitte les aubes du rotor. À la sortie de la roue, le fluide pénètre dans un diffuseur où la vitesse du fluide est convertie en pression.
La vitesse de rotation peut varier de 3000 à plus de25 000tr/min, avec des vitesses périphériques de150à200m/s.
L'entrainement du compresseur est soit direct, soit obtenu par l'intermédiaire d'un multiplicateur de vitesse, généralement incorporé au compresseur.
Les aubages de prérotation permettent de modifier l'angle d'entrée du fluide dans la roue pour obtenir une puissance frigorifique différente. Les aubages sont actionnés par un servomoteur asservi à un appareil de régulation.
Suivant le fluide frigorigène utilisé et l'application envisagée, le compresseur centrifuge peut être monoroue ou multiroues. Dans le cas du multiroues, le diffuseur d'une roue est prolongé par un canal de retour qui amène le fluide comprimé à l'entrée de la roue suivante.
Il existe plusieurs types decondenseur:
Tout d'abord rappelons l'utilité d'un condenseur dans un système frigorifique.
Le condenseur a pour but de liquéfier le gaz réfrigérant sortant du compresseur qui est en phase vapeur, sous haute pression et à haute température (environ65°C). Lorsqu'il traverse le condenseur, le réfrigérant évacue des calories, reste à la même pression et se condense (à environ40°C). Lorsque le réfrigérant quitte le condenseur, il est en phase liquide (à environ35°C).
Ces valeurs de températures peuvent varier et sont données à titre d'exemple.
Le réfrigérant circulant dans le serpentin du condenseur est refroidi par l'air. Le condenseur peut être de deux types :
Le réfrigérant est refroidi par l'eau par l'intermédiaire d'un échangeur. Les parties eau et réfrigérant sont strictement hermétique (le circuit réfrigérant devant être parfaitement déshydraté). On trouve généralement ces condenseurs sur lesgroupesfrigorifiquesà eau glacéeet sur lespompes à chaleur air/eau ou eau/eau).
Il existe plusieurs types de condenseur à eau :
Ce dernier type concerne les machines récentes qui fonctionnent avec les nouveaux fluides (R407CetR410A). On peut le considérer comme le remplaçant des échangeurs de type coaxial. Il convient pour les petites et moyennes puissances.
Celui-ci se situe sur laligne liquideet informe par contrôle visuel de la phase (vapeur, liquide ou mélange) du réfrigérant dans la ligne liquide. Il peut aussi être équipé d’une pastille réactive à l’humidité qui nous indiquera s’il y a ou non présence d’humidité dans le circuit. Cette pastille est généralement verte et vire au jaune s’il y a présence d’humidité.
Très utilisée dans lespompes à chaleur, c'est elle qui permet laréversibilitéd'une machine frigorifique (production de chaud en hiver et de froid en été).
Elle est de plus utilisée pour lesdégivragesautomatiques des pompes a chaleur air/eau : en effet, en hiver, la glace qui s'est accumulée sur la batterie à air durant la production de chaud baisse significativement le rendement de la pompe a chaleur. C'est pourquoi toutes les heures environ, lavanne 4 voiesva basculer : ainsi des gaz chauds iront directement dans la batterie à air, réchauffant celle-ci pour permettre de faire fondre le givre.
Une fois le givre fondu, la vanne 4 voies rebascule en mode chauffage.
Ce dégivrage modifie sensiblement le rendement de la machine frigorifique, car durant toute la phase de dégivrage, la machine va produire du froid et non du chaud ! Le temps de dégivrage doit donc être affiné au plus juste pour assurer un bon dégivrage dans le délai le plus court.
À noter qu'en dessous de7°C, unePACair-eau est susceptible de givrer et donc d'avoir des dégivrages. La fréquence de ces dégivrages va dépendre principalement du niveau d'humidité de l'air: Plus l'air sera humide, plus le givre va se former rapidement sur la batterie. Les essais normalisées sont souvent réalisés sur des humidités relatives importantes aux points suivants :
Placé sur la ligne liquide (entre le condenseur et le détendeur), il permet de piéger les molécules d'eau résiduelles dans le circuit.
Souvent présente à la sortie des condenseurs sur les pompes à chaleur, elle permet de stocker du fluide lorsque la machine fonctionne en pompe à chaleur. Elle permet de compenser les écarts de volumes entre notamment une batterie à air et un échangeur à plaques en fonction du mode de fonctionnement (pac ou clim). Elle peut aussi servir à stocker du liquide notamment sur des machines pouvant fonctionner avec de fortes variations de température d'évaporation.
La reconversion d'ancienne installation frigorifique (appelée rétrofit) avec de nouveaux fluides frigorigènes s'effectue sur des installations fonctionnant avec d'anciens fluides tels que le R12, le R22, ...
Cette opération comprend plusieurs points importants :
Il n'est pas nécessaire de remplacer d'autres éléments de l'installation pour qu'elle puisse fonctionner correctement.
Ce genre d'opération s'effectue sur des installations en assez bon état de fonctionnement avec des puissances frigorifiques de tailles moyennes.
Dans le monde routier, le groupe frigorifique dispose d'une ou plusieurs sources d'énergie :
Les réfrigérants employés dans la réfrigération routière sont de même type que ceux employés dans l'automobile, le froid commercial et l'électroménager. Principalement :