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Article

1 - PRINCIPE

2 - COEFFICIENTS DE PERFORMANCE

3 - MACHINES CONSOMMANT DE L'ÉNERGIE MÉCANIQUE

4 - MACHINES CONSOMMANT DE L'ÉNERGIE THERMIQUE

5 - PHÉNOMÈNES ENDOTHERMIQUES ET EXOTHERMIQUES

6 - UTILISATION DE LA VAPORISATION ET DE LA CONDENSATION

  • 6.1 - Systèmes ouverts
  • 6.2 - Systèmes fermés

7 - VARIANCE D'UN SYSTÈME. LOI DE GIBBS. PRESSION DE VAPEUR

8 - MACHINE UTILISANT LA VAPORISATION D'UN FRIGORIGÈNE

  • 8.1 - Machine frigorifique à compression
  • 8.2 - Machine frigorifique à éjection
  • 8.3 - Machine frigorifique à absorption
  • 8.4 - Machine frigorifique à adsorption

9 - DIVERSES FAMILLES DE SYSTÈMES FRIGORIFIQUES

10 - CLASSIFICATION DES CYCLES FRIGORIFIQUES À COMPRESSION MÉCANIQUE

  • 10.1 - Cycles à compression à un seul frigorigène pur ou azéotropique
  • 10.2 - Cycles à compression à plusieurs frigorigènes

Article de référence | Réf : BE9730 v1

Machines consommant de l'énergie thermique
Théorie des machines frigorifiques - Généralités

Auteur(s) : Maxime DUMINIL, Jean-Pierre DOMBLIDES

Date de publication : 10 janv. 2012

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Auteur(s)

  • Maxime DUMINIL : Ancien professeur de l'Institut du froid industriel et du génie climatique, au CNAM - Ancien professeur à l'École centrale de Paris - Expert honoraire près la Cour d'appel de Paris

  • Jean-Pierre DOMBLIDES : Maître de conférences au Conservatoire national des arts et métiers et à l'IFFI Institut français du froid industriel et du génie climatique - Président de la commission formation de l'Association française du froid (AFF)

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INTRODUCTION

Fournir du froid à un corps ou 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. Il s'agit alors de ce que l'on dénomme communément 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, les cycles à compression de vapeurs liquéfiables (frigorigènes) prennent de l"importance dans le domaine des très basses températures (cryogénie), et exercent une domination quasi absolue 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, 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.

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, frigorigènes, 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. Ce dossier [BE 9 730] donne des indications générales sur les systèmes frigorifiques. Dans le dossier suivant [BE 9 731], on 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 dernier dossier [BE 9 732] est consacré ensuite aux cycles frigorifiques à compression polyétagée et, singulièrement, aux machines biétagées. Une étude des cycles frigorifiques en cascade complète ce dernier dossier qui se termine par un développement sur les fluides actifs des machines à compression : les frigorigènes.

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DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-be9730


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4. Machines consommant de l'énergie thermique

Outre la source froide à T F et le puits chaud à T C  , ces systèmes, consommant de l'énergie thermique, mettent en œuvre au moins une troisième source de chaleur à T M où la chaleur motrice leur est fournie. On a donc affaire à des systèmes au moins trithermes.

Notons que selon le niveau thermique de cette troisième source T M  , on peut rencontrer les deux cas suivants :

  • 1er cas : T M > T C > T F

  • 2e cas : T C > T M > T F

4.1 1er cas : TM > TC  > TF

Le schéma d'un tel système est représenté figure 4. La chaleur motrice subit, dans le système thermodynamique, une chute de température entre T M  , où elle est apportée au système, et T C  , où elle est rejetée dans le milieu extérieur. Il en résulte un effet moteur (M) que le système utilise pour déplacer de la chaleur (D) de T F à T C.

Comme précédemment, on peut avoir affaire à un système frigorifique si le froid Q F  , produit à la température T F  , est l'effet utile ou à une pompe à chaleur si notre intérêt se porte sur Q C  , chaleur rejetée à la température utilisable T C  .

D'après le premier principe de la thermodynamique, on a :

( 10 )

Le coefficient de performance frigorifique COPF de ce système est :

( 11 )

et le coefficient de performance calorifique COPC :

...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - DUMINIL (M.) -   Cours de génie frigorifique. Institut français du froid industriel et du génie climatique.  -  Conservatoire national des arts et métiers. 1988.

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