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N°3 - Les composants de la machine frigorifique - niv 3 à 4

N°3 - Les composants de la machine frigorifique - niv 3 à 4

La machine frigorifique comporte 4 composants principaux dans lesquels le fluide frigorigène passe successivement.



Composant 1 : l'évaporateur (c'est la partie froide de la machine)
Ce composant permet de refroidir le local en y prélevant de la chaleur. Le fluide frigorigène s'y évapore. On l'appelle "évaporateur".

évaporateur


Notons sur le schéma ci-dessus que la température du fluide frigorigène est la même en entrée et en sortie de l'évaporateur. Comme l'eau dont l'ébullition s'effectue dans la cuisine à la température constante de 100°C, le fluide frigorigène s'évapore sans changer de température.
En réalité, pour garantir une totale évaporation du fluide frigorigène, on veille à ce qu'il sorte légèrement "surchauffé" de l'évaporateur, mais ce point important n'est pas utile à ce stade de notre apprentissage.

La puissance prélevée dans le local est appelée "puissance frigorifique" ou "puissance de l'évaporateur".

Question

Q1 : Indiquez, aussi clairement et complètement que possible, toutes les différences que présente le fluide frigorigène entre l'entrée et la sortie de l'évaporateur.

A l'entrée de l'évaporateur, le fluide frigorigène est pour l'essentiel à l'état liquide.
A la sortie de l'évaporateur il est à l'état gazeux.

A la sortie de l'évaporateur le fluide frigorigène contient plus d'énergie qu'à son entrée. Il a récupéré la chaleur prélevée dans le local à refroidir.
C'est cette chaleur qui a permis au fluide frigorigène de passer de l'état liquide à l'état gazeux (évaporation).


A ce stade de notre étude du parcours du fluide frigorigène, le refroidissement du local est effectué et, pour pouvoir réutiliser le fluide, il reste à évacuer l'énergie prélevée qu'il contient.

Composant 2 : Le compresseur
Il faut trouver un moyen d'évacuer l'énergie contenue dans les vapeurs froides qui sortent de l'évaporateur. On souhaite la rejeter dans un milieu extérieur tel que la rue. Or, celle-ci se trouve à une température beaucoup plus élevée que celle de la vapeur à refroidir... Ce n'est donc pas évident.
Une astuce va consister à comprimer le gaz jusqu'à ce que sa température devienne plus élevée que celle du milieu extérieur.

Nous avons tous un jour gonflé le pneu d'une bicyclette et noté que la compression de l'air s'accompagnait d'une montée en température. C'est ce phénomène que l'on utilise.

compresseur



La compression du fluide frigorigène nécessitera un apport supplémentaire d'énergie. Cet apport sera de l'ordre du tiers de celle de l'énergie prélevée dans le local à refroidir.
Ainsi, si la puissance de l'évaporateur est de 3 [kW], il faudra consommer environ 1 [kW] pour effectuer la compression.



compression

Pour 3 [kW] prélevés dans le local à refroidir (puissance frigorifique), une compression correspondant à un apport énergétique de 1 [kW] sera nécessaire. On dira alors que le coefficient de performance (ou d'effet) frigorifique est de 3, rapport entre la puissance de l'évaporateur et celle du compresseur.

En sortie du compresseur, la vapeur est à haute pression. Elle contient la puissance prélevée à l'évaporateur, augmentée de celle apportée par la compression, soit 4 [kW] pour notre exemple.

Question

Q2 : Indiquez, aussi clairement et complètement que possible, toutes les différences que présente le fluide frigorigène entre l'entrée et la sortie du compresseur, notamment pour ce qui concerne l'énergie qu'il contient .

A l'entrée et à la sortie du compresseur, le fluide frigorigène est à l'état gazeux, mais en sortie il a été comprimé.
En sortie du compresseur, le fluide frigorigène est à une pression et une température plus élevée qu'à son entrée.

A la sortie du compresseur le fluide frigorigène contient plus d'énergie qu'à son entrée.
A l'entrée, le fluide frigorigène contenait la chaleur prélevée dans le local à refroidir. En sortie du compresseur il s'est rajoutée l'énergie apportée par le moteur du compresseur, sous forme de montée en pression et en température.


Composant 3 : Le condenseur (c'est la partie chaude de la machine frigorifique)
Le condenseur permet d'évacuer l'énergie contenue dans le fluide frigorigène. Le fluide s'y condense en restituant l'énergie qu'il véhicule.

condenseur

Question

Q3 : Indiquez, aussi clairement et complètement que possible, toutes les différences que présente le fluide frigorigène entre l'entrée et la sortie du condenseur, notamment pour ce qui concerne l'énergie qu'il contient.

A l'entrée du condenseur, le fluide frigorigène est à l'état gazeux. Du fait de la compression, sa température et sa pression sont élevées.
A la sortie du condenseur le fluide frigorigène est à l'état liquide. Sa température a chuté.

Lors de son passage dans le condenseur, le fluide frigorigène a, en se condensant, évacué l'énergie qu'il avait puisé dans le local à refroidir et reçu lors de sa compression.
Il contient donc moins d'énergie qu'à son entrée.


Composant 4 : Le détendeur
Il reste à trouver le moyen de renvoyer le fluide frigorigène dans l'évaporateur pour qu'il permette à nouveau de refroidir le local. Il faut pour cela qu'il soit froid. Or, en sortie du condenseur, le fluide frigorigène est un liquide chaud. Pour le faire chuter en température, on effectue l'inverse d'une compression : une détente.

Le phénomène est moins connu que celui de la compression, mais nous l'avons tous rencontré. Lorsqu'un homme se rase le matin, ou qu'une femme se parfume, ils ont noté que la bombe de mousse à raser ou le vaporiseur de parfum se refroidissait. Ceci est dû à la chute de pression de la mousse ou du parfum qui se retrouve brusquement à la pression atmosphérique de la salle de bain.

détendeur

Dans le circuit frigorifique, la chute de pression nécessaire au refroidissement du fluide frigorigène est obtenue par frottement (perte de charge) dans le détendeur. Il s'agit en général d'une sorte de robinet de petite taille.

Question

Q4 : Compte tenu de ce que nous avons appris, indiquez toutes les différences que présente le fluide frigorigène entre l'entrée et la sortie du détendeur.

A l'entrée du détendeur, le fluide frigorigène est à l'état liquide. Il est encore à une pression et une température élevée.
A la sortie du détendeur le fluide frigorigène est pour l'essentiel à l'état liquide. Sa température et sa pression ont suffisamment chuté pour qu'il puisse à nouveau prélever de la chaleur dans le local à refroidir.

Sujet moins évident, le fluide frigorigène contient autant d'énergie en entrée et en sortie du détendeur. Cela méritera quelques explications que nous recevrons ultérieurement.

Récapitulons :

cycle frigorifique

Le cheminement complet du fluide frigorigène s'appelle le cycle frigorifique.