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Auteur(s)
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Maxime DUMINIL : Ancien professeur de l’Institut du Froid Industriel et du Génie Climatique, au CNAM - Ancien Professeur à l’École Centrale de Paris - Vice-Président de l’Association Française du Froid (AFF )
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Fournir du froid à un corps, à un milieu, c’est lui extraire de la chaleur ce qui se traduit par un abaissement de sa température et aussi, bien souvent, par des changements d’états : condensation, solidification, etc. Ce sont ces effets du froid qui sont, dans leur grande diversité, au service de l’homme moderne. Les machines frigorifiques permettent, moyennant un apport énergétique, d’extraire de la chaleur aux milieux à refroidir. Elles rejettent cette chaleur, accompagnée de l’équivalent thermique de l’énergie reçue, à température plus élevée, dans le milieu ambiant. Ces machines peuvent aussi être utilisées comme systèmes de chauffage. Si le froid qu’elles produisent alors est généralement sans utilité (on se contente de prélever de la chaleur dans un milieu où celle-ci est gratuite, air, eau ou processus industriel ) c’est la chaleur rejetée à température plus élevée qui est utilisée. On a alors affaire à ce que l’on appelle généralement une pompe à chaleur dont les principes de fonctionnement, et souvent la technologie, sont semblables à ceux des machines frigorifiques.
Si les modes de production de froid sont fort variés, certains d’entre eux se détachent nettement des autres dans tel ou tel domaine de températures à atteindre. Ainsi, par exemple, pour les domaines de température descendant, pour les machines frigorifiques, jusqu’à – 80 oC, environ, et s’élevant, pour les pompes à chaleur, jusqu’à environ + 100 oC, les cycles à compression de vapeurs liquéfiables (frigorigènes ) exercent une domination quasi absolue, ne laissant que très peu de place aux autres modes de production de froid comme l’absorption, l’adsorption ou les cycles thermodynamiques à gaz. En revanche, ces derniers prennent une importance majeure dans le domaine des très basses températures (cryogénie ).
Comme la plupart des applications économiquement très importantes du froid, le conditionnement d’air de confort (climatisation ) ou industriel, la production, la conservation et la distribution des denrées périssables appartiennent au domaine des cycles à compression, l’importance de ces cycles est considérable. La primauté écrasante des machines frigorifiques à compression s’explique d’abord par leur simplicité et leur efficacité. Mais elle s’explique aussi par la très importante diversité de leurs composants (compresseurs, échangeurs thermiques, organes de régulation, etc.) utilisables dans les plus petites machines comme dans les plus grandes, composants disponibles à peu près partout dans le monde, généralement fabriqués en série avec des prix très étudiés car la concurrence internationale est sévère. Il est ainsi possible de réaliser, à la demande, n’importe quel type de cycles à compression en assemblant ces composants.
La bonne connaissance des cycles frigorifiques à compression est donc d’une importance majeure, ce qui justifie le développement qui leur est réservé. Après des indications générales sur les systèmes frigorifiques, cet article étudie les cycles frigorifiques à un étage de compression mécanique : tracé des cycles, étude de la machine monoétagée, influence des conditions de fonctionnement de cette machine sur ses caractéristiques et modes de réglage de la puissance frigorifique. Un paragraphe est consacré ensuite aux cycles frigorifiques à compression polyétagée et, singulièrement, aux machines biétagées. Une étude des cycles frigorifiques en cascade complète ce texte qui se termine par un développement sur les fluides actifs des machines à compression : les frigorigènes.
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2. Machines frigorifiques monoétagées
2.1 Classification des cycles frigorifiques à compression mécanique
On distingue les cycles à compression à un seul frigorigène pur ou azéotropique de ceux à plusieurs frigorigènes.
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Cycles à compression à un seul frigorigène pur ou azéotropique
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Cycle à compression monoétagée
On utilise un seul étage de compression mécanique pour la production de froid à températures pas trop basses (généralement supérieures à – 20 ou – 25 oC) et pour la plupart des pompes à chaleur. De tels cycles sont extrêmement répandus.
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Cycle à compression polyétagée
— Cycle à compression biétagée
Lorsqu’il s’agit de produire du froid à températures plus basses (généralement comprises entre – 25 et – 45 oC), les cycles à compression monoétagée présentent divers inconvénients. On fait alors appel aux cycles mettant en jeu deux étages de compression associés en série. Ces cycles à compression biétagée sont très courants.
— Cycle à plus de deux étages de compression
On utilise de tels cycles pour la production de froid à des températures encore plus basses (par exemple inférieures à – 45 ou – 50 oC) et ne mettant en jeu qu’un seul frigorigène. Ils sont beaucoup plus rares.
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Cycles à compression à plusieurs frigorigènes
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Cycles à plusieurs frigorigènes purs séparés. Cycles en cascade
Le système qui met en œuvre ces cycles comprend plusieurs circuits frigorifiques séparés, à compression mono ou polyétagée, utilisant chacun des frigorigènes différents. Ces circuits élémentaires sont disposés en série et fonctionnent à des températures différentes. Chacun d’entre eux communique thermiquement avec le circuit plus froid qui le précède et le circuit plus chaud qui le suit. La chaleur puisée à basse température est ainsi transférée, d’un circuit à l’autre, tandis que sa température s’élève. Elle est finalement rejetée dans les milieux naturels,...
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