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.

1. L'EVAPORATEUR

C'est la partie froide de la machine. Il s'agit d'un échangeur dans lequel le fluide va s'évaporer (d'où son nom) au contact de l'air du local, en y prélevant donc de la chaleur.

Notons que sur le schéma ci-dessus, la température du fluide frigorigène est la même à l'entrée et à la sortie de l'évaporateur. En première approche, on peut en effet considérer que le fluide frigorigène s'évapore comme le ferait de l'eau portée à ébullition dans une cuisine, à savoir à température constante (100 [°C] dans le cas de l'eau).
En réalité, pour garantir une totale évaporation du fluide frigorigène, il faut s'assurer qu'il sorte légèrement "surchauffé" de l'évaporateur, mais cette subtilité technique n'est pas utile à ce stade de notre apprentissage (elle le sera plus tard si on cherche à bien comprendre le cycle frigorifique).

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).

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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.

2. LE COMPRESSEUR

piston

Une fois l'énergie prélevée dans le local par le fluide (qui sort de l'évaporateur à l'état de vapeur froide), il faut trouver un moyen de l'évacuer. Si on souhaite rejeter cette énergie dans un milieu extérieur tel que la rue, il va falloir gérer le fait que celle-ci se trouve à une température beaucoup plus élevée que celle de la vapeur à refroidir. La situation semble a priori compliquée, mais la solution à ce problème relève en fait de l'évidence.

L'astuce technique mise en place dans le processus du cycle frigorifique consiste en effet 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 même phénomène que l'on utilise.

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.

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 s'est rajoutée l'énergie apportée par le moteur du compresseur, sous forme de montée en pression et en température.

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3. LE CONDENSEUR

C'est la partie chaude de la machine. Il s'agit d'un échangeur dans lequel le fluide va se condenser (d'où son nom) au contact de l'air extérieur, en y restituant l'énergie qu'il véhicule.

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. Puisqu'il vient juste de sortir du compresseur, 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 évacué, en se condensant, l'énergie qu'il avait extrait du local à refroidir et celle qu'il avait reçu lors de sa compression.
Il contient donc moins d'énergie qu'à son entrée.

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4. LE DETENDEUR

Pour que le cycle soit complet, il reste à trouver le moyen de renvoyer le fluide frigorigène dans l'évaporateur afin qu'il permette à nouveau de refroidir le local. Bien entendu, il faut pour cela que le fluide 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, à savoir une détente.

Le phénomène est peut-être moins connu que celui de la compression, mais nous l'avons pourtant tous déjà 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.

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 qui serons présentées ultérieurement.

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Récapitulons avec Maurice Ciron.

Les vidéos récapitulatives de Maurice.

Au final, le cheminement du fluide se fait sur un parcours que l'on peut séparer symétriquement en deux grandes parties.

Dans le sens de circulation du fluide frigorigène, en aval du détendeur et jusqu'à l'aspiration du compresseur se trouve donc la partie froide et basse pression du circuit frigorifique. Cette zone froide permet l'extraction de la chaleur du milieu à refroidir.

Dans le sens de circulation du fluide frigorigène, en aval du compresseur et jusqu'à l'entrée du détendeur se trouve donc la partie chaude et haute pression du circuit frigorifique. Cette zone chaude permet l'évacuation à l'extérieur de la chaleur puisée dans le milieu à refroidir.

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