Théorie des machines frigorifiques

1. Machine frigorifique et pompe à chaleur. Généralités

1.1 Coefficients de performance

1.2 Machine consommant de l’énergie mécanique. Système au moins ditherme

1.3 Machine consommant de l’énergie thermique. Système au moins tritherme

1.4 Phénomènes endothermiques et exothermiques utilisés

1.5 Utilisation de la vaporisation et de la condensat ion d’un frigorigène

1.6 Variance d’un système. Loi de Gibbs. Pression de vapeur

1.7 Machine utilisant la vaporisation d’un frigorigène

2. Machines frigorifiques monoétagées

2.1 Classification des cycles frigorifiques à compression mécanique

2.2 Cycle fondamental à compression monoétagée d’un frigorigène pur

2.3 Rendements du compresseur

2.4 Calcul d’une machine

2.4.1 Données

2.4.2 Tracé du cycle

2.4.3 Caractéristiques de la machine. Choix du matériel

2.4.4 Coefficients de performance. Rendement de cycle

2.4.5 Influence de la proximité du point critique

2.4.6 Sélection rapide du matériel frigorifique

2.5 Conditions de fonctionnement et caractéristiques d’une machine

2.5.1 Température d’évaporation

2.5.2 Température de condensation

2.5.3 Autres paramètres de fonctionnement

2.5.4 Sous-refroidissement accentué

2.6 Variation de la puissance thermique

3. Machines frigorifiques polyétagées

3.1 Intérêt de la compression polyétagée. Ses limites

3.2 Cycle frigorifique biétagé

3.2.1 Cycle biétagé à injection totale

3.2.2 Cycle biétagé à injection partielle

3.2.3 Choix de la pression intermédiaire

3.2.4 Autres cycles biétagés

3.3 Cycles frigorifiques polyétagés

3.4 Cycles frigorifiques (ou de pompes à chaleur) en cascade

3.5 Valorisation de la chaleur issue du condenseur d’une machine frigorifique

4. Frigorigènes pour cycles à compression

4.1 Familles de produits

4.2 Hydrocarbures fluorés et chlorés

4.3 Frigorigènes naturels

4.4 Choix d’un frigorigène

4.4.1 Critères thermodynamiques

4.4.2 Sécurité

4.4.3 Action sur l’environnement

4.4.4 Critères techniques

4.4.5 Critères économiques

4.4.6 Frigorigènes actuellement utilisés

Pour en savoir plus

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°C, environ, et s’élevant, pour les pompes à chaleur, jusqu’à environ + 100°C, 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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