Extraits du manuel LES BASES DU FROID
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Généralités
PRESSION ATMOSPHÉRIQUE
Lorsqu'on applique une ventouse sur une vitre, on chasse l'air qui était sous la ventouse et l'on diminue en même temps la pression.

Ensuite, la ventouse tient par l'action de la force extérieure (Fe) (due à l'air ambiant) qui est bien plus importante que la force intérieure (Fi). La force Fe est développée par la pression atmosphérique, cette pression étant engendrée par le poids de la masse gazeuse entourant la Terre.

Fig. 1.28
La valeur de la pression atmosphérique peut se mesurer avec le baromètre de TORRICELLI.

Un tube, plein de mercure (Hg), est fermé à une extrémité. On le retourne dans un bac contenant du Hg. La force exercée sur la surface libre dans le bac par la pression atmosphérique empêche le tube de se vider et laisse dans le tube une colonne de mercure de 76 cm de hauteur.

Cette colonne de 76 cm de Hg représente la valeur de la pression atmosphérique normale, c'est-à-dire au niveau de la mer.

En pascals, nous aurons :

          r du mercure = 13 600 kg/m3

p = v . h = (13 600 x 9,81) x 0,76 = 101 396 pascals

soit 1,013 bar

Avec :    p en pascals ; v   en N/m2 ; h en mètres

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LA CHALEUR
En fait, comme nous venons de le voir, la chaleur est une des formes prises par l'énergie.

Si on ajoute de la chaleur à un corps (c'est-à-dire si nous le chauffons), on obtient une augmentation de sa température. De même, si on enlève de la chaleur à un corps, on provoque un abaissement de sa température.

La température indique le niveau de chaleur d'un corps.(1)

Pour obtenir une variation de la température d'un corps, nous devrons, selon le but cherché, lui ajouter ou lui retirer de la chaleur. Ceci peut se faire par échange de chaleur avec un autre corps.

L'échange de chaleur entre deux corps se fait toujours du corps le plus chaud vers le corps le plus froid.

Exemple (Fig. 1.44) :

a) Le poulet que l'on met dans le four va s'échauffer au contact de l'air très chaud du four. Le poulet reçoit de la chaleur.

b) Le poulet chaud que l'on pose sur une table est au contact de l'air ambiant. Le poulet cède de
    la chaleur et se refroidit jusqu'à se stabiliser à la température ambiante.

c) Plus tard, on introduit le poulet dans le réfrigérateur, il est alors au contact de l'air à 4 °C. Le
    poulet cède à nouveau de la chaleur et sa température diminue pour se stabiliser à 4 °C au
    bout de quelques heures.

On notera que l'échange de chaleur entre deux corps est d'autant plus rapide que leur différence de température est importante. Nous le voyons bien lorsque l'on touche une braise.

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FLUIDES FRIGORIGÈNES
Les fluides frigorigènes ont la particularité d'avoir, sous la pression atmosphérique, une température d'ébullition très faible.

Cette propriété est utilisée pour maintenir l'évaporateur (1) à une température inférieure à celle du milieu à refroidir.

Exemple :

Si on verse du R22 dans un récipient (Fig. 1.64), il entre immédiatement en ébullition. Si on mesure sa température, on constate : -40,8 °C. C'est le point d'ébullition du R22 sous pression atmosphérique.

La même expérience donne -26,4 °C avec du R134a et –33 °C avec du NH3.

Par contre, l'eau doit être chauffée jusqu'à 100 °C pour obtenir son ébullition sous pression atmosphérique.

(1) - L'évaporateur est un des principaux organes du circuit frigorifique, il sera étudié plus loin.

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COMPORTEMENT DU FLUIDE
Soit une bouteille de fluide frigorigène contenant du R22 (Fig. 1.65).

Cette bouteille se trouve, depuis quelques heures, dans une ambiance de 20 °C et un thermomètre électronique confirme la même température pour le R22 liquide.

Les vapeurs sont à la même température que le liquide. Ce sont donc des vapeurs saturantes.

A ce moment, la pression relative donnée par le manomètre est de 8,1 bar.

Si on met la bouteille de R22 dans une ambiance où il fait 30 °C, au bout de quelques heures le liquide est également à 30 °C (Fig. 1.66).

Le manomètre indique alors une pression relative de 10,9 bar.

Maintenant, si on refroidit la bouteille à 10 °C, la pression mesurée est de 5,8 bar (Fig. 1.67).

En fait, nous avons affaire ici à un comportement classique des vapeurs saturantes de fluides frigorigènes, la relation PRESSION/TEMPÉRATURE.

A chaque température correspond une pression, et vice-versa.

Une seule condition à cela : il doit y avoir au moins une goutte de liquide dans la bouteille (Fig. 1.68).

En effet, à chaque fois que la température augmente, il se produit une évaporation partielle du fluide. Ceci entraîne une augmentation de la quantité de vapeur au-dessus du liquide, et par conséquent une augmentation de la pression.

Si la température du liquide se stabilise, la pression fait de même et prend une valeur telle qu'elle empêche l'évaporation du liquide.

De la même manière, une diminution de la température du liquide entraîne la condensation d'une partie de la vapeur. De ce fait, celle-ci entraîne une diminution de la pression et crée donc un équilibre à une valeur plus basse.

Cependant, s'il ne reste plus qu'une seule goutte de liquide (et que l'on continue à augmenter la température de la bouteille) une fois cette dernière goutte évaporée, il ne reste plus de liquide pour fournir de la vapeur, et la pression ne peut plus continuer à monter.(1)

Ainsi, la relation pression/température n'est vraie que s'il reste au moins une molécule de liquide.

Chaque fluide a sa relation pression/température.

La figure 1.70 montre la relation P/T du R22 et du NH3 (ammoniac).





(1)     En réalité la pression continue à augmenter, mais très faiblement (environ 0,06b/°C), ce qui est 6 fois inférieur à la montée en pression avec présence de liquide.
(Attention, l'échelle des pressions est graduée en bar absolus).

Exemple : sur le graphique 20 °C donne (pour le R22), 9,1 bar absolus, c'est-à-dire 8,1 bar au manomètre.

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DÉFINITION DU CIRCUIT FRIGORIFIQUE
Le quotidien nous démontre que la chaleur se déplace naturellement du chaud vers le froid, c'est-à-dire de l'endroit où la température est élevée vers l'endroit où la température est basse.

Cet échange de chaleur devient nul quand les températures sont identiques.

Si on veut qu'en été la température intérieure d'une habitation n'atteigne pas la valeur de la température extérieure (30 °C dans l'exemple), il faut prévoir un système capable d'inverser le flux naturel de la chaleur.

Le circuit frigorifique se définit comme un système qui prend de la chaleur à un endroit où la température est faible (évaporateur) et la transporte pour la rejeter dans un endroit où la température est élevée (condenseur).

Le principe du circuit frigorifique consiste à utiliser, dans un circuit fermé, les propriétés thermodynamiques d'un fluide frigorigène.

Nous avons vu, au chapitre 1, que la principale propriété d'un fluide frigorigène est de s'évaporer à une faible tempé-rature sous pression atmosphérique.

Ainsi, nous savons que, sous la pression atmosphérique :

  • l'eau bout à 100 °C
  • le R22 bout à -40,8 °C
  • le R134a bout à -26,4 °C

Si la pression exercée sur le liquide augmente, la température d'ébullition fait de même, et inversement. Ainsi, chaque fluide sera caractérisé par une courbe de changement d'état : la relation pression/température.

Dans l'exemple choisi (Figures 2.4 et 2.5), l'air ambiant à 24 °C chauffe le R22, le fait évaporer à une température de 5 °C et une pression de 4,8 bar.

Le compresseur aspire ces vapeurs, les comprime et les refoule à une pression de 16,2 bar, ce qui permet de les condenser à 45 °C avec de l'air extérieur à 30°C.




La chaleur, dégagée par le fluide lors de sa condensation, a réchauffé l'air de 30 à 36 °C.

Prenons un exemple : le liquide, à la pression de condensation 16,2 bar, arrive au détendeur avec une température de 35 °C.

Aussitôt le détendeur traversé, le liquide (dont la pression vient de chuter à 4,8 bar) s'évapore partiellement et sa température descend à la température d'évaporation de 5 °C.


fig 2.5
Pour évaporer le R22, l'air cède de la chaleur et sa température diminue de 24 à 18 °C.

Ainsi, l'air intérieur est refroidi de 24 à 18 °C, l'air extérieur est réchauffé de 30 à 36 °C, la chaleur absorbée à l'intérieur du local est rejetée à l'extérieur du local.

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PRODUCTION FRIGORIFIQUE

Quelle est la quantité de chaleur absorbée par le R22 dans l'évaporateur ?

Pour déterminer la quantité de chaleur absorbée dans l'évaporateur, il est nécessaire de connaître :

1) la quantité de chaleur possédée par le liquide arrivant à l'évaporateur,

2) la quantité de chaleur possédée par la vapeur quittant l'évaporateur.

La quantité de chaleur que possède 1 kg de R22 liquide à l'entrée du détendeur correspond à l'ENTHALPIE du liquide à 35 °C.

L'enthalpie peut se lire sur la table du fluide, soit  h' = 243,2 kJ/kg.

De même, la table indique l'enthalpie de la vapeur sortant de l'évaporateur :

h" = 407,1 kJ/kg

La différence entre l'enthalpie de la vapeur sortant de l'évaporateur, et celle du liquide traversant le détendeur, donne la quantité de chaleur absorbée par chaque kg de fluide frigorigène passant par l'évaporateur.

Cette chaleur est bien sûr retirée à l'air, ce qui entraîne son refroidissement de 24 à 18 °C.

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