Principes généraux de la technique du froid

Les procédés de production du froid relèvent d'une technique relativement simple. Il suffit de comprimer une vapeur obtenue à basse température pour que cette vapeur puisse se condenser par rejet de chaleur dans le milieu naturel.

En pratique, une machine frigorifique est un appareil qui permet de refroidir un milieu à une température inférieure à celle de l'ambiance. L'écoulement naturel de la chaleur s'effectuant toujours d'un corps chaud vers un corps froid, on peut définir une machine frigorifique comme un système permettant de réaliser l'écoulement de chaleur inverse au sens naturel, c'est-à-dire d'un milieu froid vers un milieu chaud.

Une dépense d'énergie sera bien entendue inévitable pour réaliser ce transfert inverse.

Le rôle d'une machine frigorifique est donc de transférer une quantité de chaleur d'un niveau bas de température (source froide) à un niveau supérieur de température (source chaude).

L'appareil prélève de la chaleur à la source froide (donc produit du froid), et la transmet à la source chaude (donc produit de la chaleur). Si l'effet utile recherché est la production de chaleur, l'appareil s'appellera une pompe à chaleur.

Une pompe à chaleur est en fait un réfrigérateur qui est utilisé à l'envers. Dans un réfrigérateur, l'effet utile recherché est la production de froid, c'est-à-dire le retrait de la chaleur aux aliments qui s'y trouvent. C'est le circuit frigorifique qui permet ce transfert de chaleur. Le principe de fonctionnement d'une pompe à chaleur est le même que celui d'un réfrigérateur.

Une machine frigorifique permet d'effectuer un transfert de chaleur d'une source froide vers une source chaude grâce à un système du type à compression. Ce système frigorifique se compose en général au minimum des quatre éléments suivants:

  • un compresseur
  • un condenseur
  • un organe de détente
  • un évaporateur

Un fluide frigorigène de travail assure les transferts thermiques entre ces différents éléments.

  1. a. Le compresseur: Il va tout d'abord aspirer le gaz frigorigène à basse pression et à basse température. L'énergie mécanique apportée par le compresseur va permettre d'élever la pression et la température du gaz frigorigène. C'est la phase de compression.
  2. b. Le condenseur: le gaz chaud à haute pression provenant du compresseur est dirigé vers le condenseur. Ce dernier est un échangeur de chaleur dans lequel circule le fluide extérieur à réchauffer (air ou eau) d'un côté, le fluide frigorigène à refroidir de l'autre. Les gaz vont céder leur chaleur au fluide extérieur à chauffer, c'est la phase de desurchauffage des gaz haute pression jusqu'à l'état où la température des gaz frigorigènes atteint la température d'équilibre liquide vapeur. La vapeur va alors se condenser à température et à pression constante, c'est la phase de condensation.
  3. c. L'organe de détente: le liquide formé dans le condenseur est détendu de la haute pression à la basse pression. Cette détente a lieu dans le détendeur. Au cours de cette détente, il se produit une formation de phase gazeuse. d. L'évaporateur: à basse pression, la température d'équilibre liquide vapeur du fluide frigorigène est plus faible. L'évaporateur est un échangeur de chaleur dans lequel circule d'un côté le fluide frigorigène provenant du détendeur, de l'autre côté le fluide extérieur auquel on puise la chaleur (air ou eau). Le fluide frigorigène liquide provenant du détendeur va entrer en ébullition en absorbant la chaleur du fluide extérieur. Le gaz formé est généralement réchauffé légèrement par le fluide extérieur, c'est ce qu'on appelle la phase de surchauffe. Le gaz est ensuite aspiré par le compresseur pour un nouveau cycle.