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La réfrigération. Principes de base. Les appareils domestiques. Si les appareils de réfrigération domestique sont très différents. Leur principe de « production » de froid est identique. Méthodes de production. Procédés thermodynamiques. Mélanges réfrigérants. Détente d’un gaz comprimé.

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La réfrigération

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La r frig ration l.jpg

La réfrigération

Principes de base


Les appareils domestiques l.jpg

Les appareils domestiques

Si les appareils de réfrigération domestique sont très différents.

Leur principe de « production » de froid est identique

A. Diouris


M thodes de production l.jpg

Méthodes de production

Procédés thermodynamiques

Mélanges réfrigérants

Détente d’un gaz comprimé

L’évaporation d’un liquide

Fusion et la sublimation

A. Diouris


M langes r frig rants l.jpg

Mélanges réfrigérants

  • La dissolution de certains sels dans l’eau entraîne une absorption de chaleur.

  • Pour atteindre les températures les plus basses possible, il faut mélanger le sel à de la glace ; ce qui a pour effet d’abaisser le point de fusion, par conséquent de congélation.

  • Le passage de l’eau « glace » à l’état de solution met en œuvre la chaleur latente de fusion ; ce qui a pour effet un refroidissement complémentaire.

A. Diouris


Installation frigorifique absorption l.jpg

Installation frigorifique à absorption

  • Le cycle frigorifique à absorption, connu depuis 1777, est le procédé de production de froid le plus ancien.

  • En 1810, J. LESLIE construisait la première machine fonctionnant à eau (fluide frigorigène) et acide sulfurique (agent absorbant).

  • En 1859, F. CARRE fit une découverte fondamentale concrétisée par la mise au point d’une machine frigorifique à absorption travaillant en continue à partir d’un mélange binaire eau/ammoniac ; de telles machines fonctionnent aujourd’hui dans une plage de T° allant de 0°C à – 60°C.

  • Dans les machines frigorifiques à absorption de faible puissance (réfrigérateur ménager mis au point par PLATEN et MUNTERS en 1922) le mélange binaire eau/ammoniac utilise l’hydrogène comme gaz tampon pour équilibrer les pressions

A. Diouris


Installation frigorifique absorption6 l.jpg

Installation frigorifique à absorption

  • Les installations frigorifiques à absorption utilisent pour la production de froid des mélanges binaires formés à partir d’un fluide frigorigène et d’un absorbant.

  • Les installations frigorifiques à absorption présentent un côté basse pression, celui de l’évaporateur et un côté haute pression, celui du condenseur.

  • L’aspiration et la compression des vapeurs de fluide frigorigène ont lieu à partir d’un phénomène de « compression thermique », qui a lieu grâce au système absorbeur, pompe à solution et bouilleur .

  • Il faut donc distinguer dans toute machine frigorifique à absorption deux circuits : celui de fluide frigorigène entre bouilleur, condenseur, évaporateur et absorbeur, et le circuit du mélange binaire solvant et fluide frigorigène entre l’absorbeur et le bouilleur.

  • Pour créer une différence de pression, entre haute et basse pression, l’absorbeur doit être refroidi et le bouilleur chauffé.

A. Diouris


Slide7 l.jpg

Installation frigorifique à absorption

A. Diouris


D tente d un gaz comprim l.jpg

Détente d’un gaz comprimé

En comprimant rapidement un gaz à température ambiante, les calories qui y sont contenues se trouvent confinées dans un volume plus réduit

La rapidité de la compression ne leur laisse pas le temps de s’évacuer ; alors la température du gaz s’élève.

Inversement, en détendant un gaz préalablement comprimé, à température ambiante, on constate que sa température s’abaisse

A. Diouris


Installation frigorifique compression l.jpg

Installation frigorifique à compression

  • Les installations frigorifiques à compression se composent de quatre parties : l’évaporateur, le compresseur, le condenseur et le détendeur.

  • Le circuit est rempli d’un liquide facilement vaporisable : le fluide frigorigène

  • La chaleur « Q » cédée au fluide frigorigène par le milieu extérieur qui se refroidit autour de l’évaporateur entraîne la formation de vapeur par changement d’état du fluide frigorigène.

  • Cette vapeur est aspirée, comprimée et refoulée par le compresseur auquel on fournit l’énergie W.

  • La quantité de chaleur extraite de l’évaporateur, augmentée de l’énergie de compression W est évacuée dans le condenseur par le milieu qui l’entoure et qui par conséquent s’échauffe.

  • Dans le condenseur, le fluide cède sa chaleur tout d’abord sous forme sensible puis sous forme latente, et se liquéfie.

A. Diouris


Installation frigorifique compression10 l.jpg

Condenseur

QC = Q + W

W

Détendeur

Compresseur

Q

Évaporateur

Installation frigorifique à compression

La détente du fluide frigorifique liquéfié depuis la pression de condensation jusqu’à la pression d’évaporation s’effectue généralement par laminage dans un organe de détente.

Du mélange de vapeur détendue et de liquide froid se trouvant au niveau de l’évaporateur, seul la vapeur retourne au compresseur;

le cycle va pouvoir recommencer.

A. Diouris


D tente d un gaz comprim11 l.jpg

Détente d’un gaz comprimé

Froid ?

Chaud ?

Juste des sensations

Les unités de mesure

  • 2°) Le degré Fahrenheit

    0° Fahrenheit

  • mélange glace +Sel

    0°F = - 17,8°C

    100° Fahrenheit

  • Température du corps humain

    100°F = 37,8°C

  • 1°) Le degré Celsius

    0°Celsius

  • Fusion de la glace

  • Solidification de l ’eau

    100° Celsius

  • Ébullition de l’eau

  • 3°) Le degré Kelvin

    0° Kelvin

  • 0° absolu

    0°K = -273°C

A. Diouris


Table de correspondance l.jpg

°F

°C

°C

°F

100

37,8

40

104,0

95

35,0

35

95,0

90

32,2

30

86,0

85

29,4

28

82,4

80

26,7

26

78,8

75

23,9

24

75,2

70

21,1

22

71,6

65

18,3

20

68,0

60

15,6

18

64,4

55

12,8

16

60,8

50

10,0

14

57,2

45

7,2

12

53,6

40

4,4

10

50,0

35

1,7

8

46,4

30

-1,1

6

42,8

25

-3,9

4

39,2

20

-6,7

2

35,6

15

-9,4

0

32,0

10

-12,2

-2

28,4

5

-15,0

-5

23,0

0

-17,8

-10

14,0

-5

-20,6

-20

-4,0

-10

-23,3

-30

-22,0

Table de correspondance

F = 9/5 x C°+ 32

C = 5/9x( F°-32)

A. Diouris


Quantit de chaleur l.jpg

Quantité de chaleur

L’étude du froid, c’est l’étude de la chaleur

Chaleur latente :

C’est la quantité de chaleur nécessaire au passage

de l’état solide à l’état liquide et inversement

Chaleur spécifique (ou chaleur massique)

C’est la quantité de chaleur nécessaire à l’élévation

(ou à l’abaissement) de 1°C de la température

d’un corps

La quantité de chaleur a une unité :

le Joule

IJ = 0,239 10-3 kcal

1Kcal = 4190J

A. Diouris


Quantit de chaleur14 l.jpg

Quantité de chaleur

Trois règles de base à retenir :

1°) Comme l’eau, la chaleur contenue

dans la matière ne peut être détruite ;

on ne peut que la déplacer.

2°) La chaleur recherche

toujours un équilibre.

3°) Suivant les états, les caractéristiques

des corps changent.

A. Diouris


Transfert de la chaleur l.jpg

Transfert de la chaleur

Le rayonnement

A. Diouris


Transfert de la chaleur16 l.jpg

Transfert de la chaleur

La conduction

A. Diouris


Transfert de la chaleur17 l.jpg

Transfert de la chaleur

La convection

A. Diouris


Propri t s de la mati re l.jpg

Propriétés de la matière

Changement d’états physiques

Fusion

Vaporisation

Solide

Liquide

Gaz

Solidification

Condensation

A. Diouris


Propri t s de la mati re exemple de l eau l.jpg

+ 100

+ 100

+ 80

+ 80

+ 60

+ 60

+ 40

+ 40

+ 20

+ 20

0

0

- 20

- 20

Q1 =

41kJ

Q1 =

41kJ

Q2 =

334kJ

Q3 =

420kJ

Propriétés de la matière(exemple de l’eau)

Plaque chauffante

Bloc de glace à – 20°C

1ère étape : le bloc de glace est porté

de -20°C à 0°C

Bloc de glace à 0°C

Eau à 0°C

2ème étape : fusion à T°constante

c’est à dire passage de l’état solide

(glace) à l’état liquide eau

Eau à 0°C

3ème étape : la T° de l’eau est portée

De 0°C à 100°C

A. Diouris


Propri t s de la mati re exemple de l eau20 l.jpg

+ 120

+ 120

+ 100

+ 100

+ 80

+ 80

Q4 =

2258kJ

Q4 =

2258kJ

Q5 =

38kJ

Propriétés de la matière(exemple de l’eau)

Eau à 100°C

Vapeur à 100°C

4ème étape : vaporisation par ébullition

de l’eau à T° constante.La vapeur se trouvant au dessus de l’eau est dite humide

Vapeur à 100°C

la T° reste constante et égale à 100°C jusqu’à vaporisation de la dernière goutte.La vapeur est dite sèche

Vapeur à 120°C

5ème étape : la T° de la vapeur saturée sèche est portée à 120°C. On parle alors de vapeur surchauffée.

A. Diouris


Quantit de chaleur exemple de l eau l.jpg

°C

+ 120

+ 100

+ 80

+ 60

+ 40

+ 20

0

- 20

Q4 =

2258kJ

Q1 =

41kJ

Q2 =

334kJ

Q3 =

420kJ

Q5 =

38kJ

Quantité de chaleur(exemple de l’eau)

A. Diouris


Influence de la pression l.jpg

Influence de la pression

Unité de mesure :

Le Pascal (Pa)

Toutefois plusieurs autres unités sont couramment utilisées :

Le Newton par mètre carré 1 N/m2 = 1PA

Le bar 1 bar = 100 000 Nm2

L'Atmosphère 1 atm = 1,013 bar

L'atmosphère technique 1 at = 1kgf/cm2 =0,98 bar

Le torr (mm Hg) 1 atm = 760 mmHg

Pression absolue

On appelle ainsi la pression par rapport au vide

Pression relative

Ce terme qualifie la pression qui règne à partir de la pression atmosphérique

A. Diouris


Influence de la pression23 l.jpg

Vide

Vide

mbar

bar

3

2

4

5000

1000

0

4000

2000

3000

5

-1

0

Influence de la pression

Pression Absolue

Pression Relative

Pression Atm.

A. Diouris


Influence de la pression24 l.jpg

Influence de la pression

  • Il existe trois catégories d’appareils pour mesurer une pression:

Les baromètres, utilisés pour mesurer la pression atmosphérique, donc une pression comptée à partir du vide absolue

Les manomètres: la plupart d’entre-eux sont gradués de manière à ce que l’aiguille soit en face du zéro lorsque le manomètre n’est pas raccordé, c’est à dire qu’il est soumis a la pression atmosphérique. Lorsque l’on utilise le manomètre, il indiquera la pression qui règne en plus de la pression atmosphérique, on l’appelle pression relative.

Les vacuomètres ou déprimomètres, que l’on utilise pour mesurer une pression atmosphérique et comptée à partir du zéro absolu.

A. Diouris


Influence de la pression25 l.jpg

1013mbar

1520mbar

-76 cm Hg

Influence de la pression

A retenir :

PLUS LA PRESSION AUGMENTE, PLUS LA TEMPERATURE

D'ÉBULLITION AUGMENTE.

PLUS LA PRESSION DIMINUE, PLUS LA TEMPERATURE

D'ÉBULLITION DIMINUE.

A. Diouris


Relation pression temp rature l.jpg

P (bar)

État Vapeur

P atm

0

°C

Relation pression / température

État liquide

État liquide - vapeur

100

A. Diouris


Relation pression temp rature27 l.jpg

P (bar)

10

R22

5

H2O

+ 3,7

+ 2,6

+ 0,98

P atm

°C

- 60

- 40

100

150

50

Relation pression / température

A. Diouris


Les cfc l.jpg

  • Fluoro

  • Carbone

  • Chloro

C

Cl

F

Les CFC

  • Les

  • C F C

A. Diouris


Les cfc29 l.jpg

H

H

H

C

C

C

H

H

H

H

H

H

H

  • le méthane

  • CH4

  • l’éthane

  • C2H6

Les CFC

  • sont fabriqués à partir d’hydrocarbures tels que :

  • ou

A. Diouris


Les cfc30 l.jpg

F

H

  • Dichlorofluorométhane

  • CCl2F2 ou R12

  • Trichlorofluorométhane

  • CCl3F ou R11

F

Cl

Cl

C

H

H

Cl

Cl

  • +23,7°C

  • -29,8°C

Cl

H

F

Les CFC

  • dans lesquels les atomes d ’hydrogène ont été remplacés par du fluor et/ou du chlore

  • lorsque tous les atomes d ’hydrogène ont été remplacés ...

  • … le réfrigérant est dit « totalement halogéné »

A. Diouris


Les hcfc l.jpg

H

F

F

C

H

H

  • Monochlorodifluorométhane

  • CHClF2 ou R22

Cl

H

  • -40,8°C

Les HCFC

  • un HCFC est un CFC qui contient encore des atomes d’hydrogène donc non totalement halogéné

A. Diouris


Les hfc l.jpg

F

H

  • Tétrafluoroéthane

  • CH2FCF3 ou R134a

C

C

F

F

  • -26,5°C

F

H

Les HFC

  • les HFC sont les produits qui ne contiennent pas de chlore

A. Diouris


Relation pression temp rature33 l.jpg

Relation pression / température

R22

R134a

A. Diouris


Slide34 l.jpg

Les fluides frigorigènes

A. Diouris


Temp rature d bullition du r134a 26 c l.jpg

Température d’ébullition du R134a -26°C

Température du jour - 30°C

Température du jour +20°C

R134a

en ébullition

R134a à

l’état liquide

A. Diouris


Relation pression temp rature36 l.jpg

P

P atm

°C

60

100

120

40K

20K

Relation pression / température

État liquide - vapeur

Zone de vapeur

surchauffée

Zone du liquide

sous-refroidi

A

B

Surchauffe

Sous-refroidissement

A. Diouris


L enthalpie l.jpg

L’enthalpie

Ce terme souvent employé dans les calculs thermodynamiques est considéré comme un contenu de chaleur.

H= I + PV

H enthalpie

I énergie interne (moléculaire)

P pression absolue

V volume

A pression constante, la variation d’enthalpie est égale à la quantité de chaleur fournie ou enlevée à une substance.

L’accroissement de l’enthalpie pendant la compression adiabatique* équivaut à l’énergie mécanique fournie pour assurer la compression.

Lorsqu’un gaz est comprimé dans des conditions telles que le temps de compression ne permette aucun échange de chaleur entre le gaz et son environnement, la compression est dite adiabatique.

A. Diouris


Diagramme enthalpique l.jpg

P (bar)

250

225

200

175

150

125

100

75

50

25

500

1000

1500

2000

2500

2500

3500

Enthalpie (KJ/kg)

Diagramme enthalpique

K Point critique

Zone de Liquide

Sous refroidi

Zone de vapeur

Surchauffée

Courbe de saturation

Vapeur

Courbe de saturation

Liquide

Zone de mélange

Eau + vapeur

A. Diouris


Le circuit frigorifique l vaporateur l.jpg

P

Enthalpie

Le circuit FrigorifiqueL’évaporateur

6

7

1

0

BP

Surchauffe

A. Diouris


Le circuit frigorifique le compresseur l.jpg

P

0

Enthalpie

Le circuit FrigorifiqueLe compresseur

2

1

A. Diouris


Le circuit frigorifique le condenseur l.jpg

P

0

Enthalpie

Le circuit FrigorifiqueLe condenseur

Sous-refroidissement

Désurchauffe

5

3

2

13

HP

4

A. Diouris


Le circuit frigorifique le capillaire l.jpg

P

Enthalpie

Le circuit FrigorifiqueLe capillaire

13

HP

5

6

0

BP

A. Diouris


Circuit frigorifique l.jpg

Circuit frigorifique

A. Diouris


Circuit frigorifique44 l.jpg

P

Enthalpie

Circuit frigorifique

Quantité de chaleur évacuée

par le condenseur

Sous-refroidissement

Désurchauffe

5

3

2

HP

4

compression

1

7

6

BP

évaporation

Travail du

compresseur

Surchauffe

Production frigorifique

de l’évaporateur

A. Diouris


Circuit frigorifique coefficient de performance l.jpg

P

Enthalpie

Circuit frigorifique(Coefficient de performance)

Quantité de chaleur évacuée

par le condenseur

COP =

Énergie fournie par le

compresseur

Travail du

compresseur

Quantité de chaleur évacuée

par le condenseur

A. Diouris


Circuit frigorifique efficacit l.jpg

P

Enthalpie

Circuit frigorifique(Efficacité)

Quantité de chaleur absorbée

par l’évaporateur

Efficacité =

Énergie fournie par le

compresseur

Travail du

compresseur

Quantité de chaleur absorbée

par l’évaporateur

A. Diouris


Circuit frigorifique47 l.jpg

Circuit frigorifique

A. Diouris


Circuit frigorifique diagramme enthalpique l.jpg

Circuit frigorifique(Diagramme enthalpique)

A. Diouris


L humidit l.jpg

L’humidité

Notion d’humidité

Humidité maximum

Humidité relative

Condensation

Le givre

A. Diouris


L humidit de l air l.jpg

L'humidité de l'air

Gr/m3

Courbe de saturation à la pression atmosphérique (100% d'humidité)

A. Diouris


Pr condenseur l.jpg

Pré condenseur

A. Diouris


Le givre l.jpg

Le givre

Le passage de l'état vapeur à l'état liquide

puis de l'état liquide à l'état solide

absorbe de nombreuses calories

De plus :

Le givre "isole" l'évaporateur.

L'échange de température est ralenti

Le rapport de fonctionnement du compresseur augmente

A. Diouris


Le givre53 l.jpg

Le givre

  • Dans une famille le réfrigérateur est ouvert en moyenne 60 fois par jours

  • A chaque ouverture, 75 % de l’air froid est remplacé par de l’air chaud

  • La température annuelle moyenne dans une cuisine est de 20°C

  • Le taux d’humidité moyen d’une cuisine est 70 %

  • Considérant un réfrigérateur à dégivrage semi-automatique de 240L net;

  • Quelle quantité d’eau pénètre en une semaine dans ce réfrigérateur à dégivrage semi-automatique a cause des ouvertures des portes?

A. Diouris


Principe de fonctionnement des combin s l.jpg

Principe de fonctionnement des combinés

1°) Combiné à 1 compresseur

Plus produits :

Faible coût de production.

Points faibles

Régulation

Mise en œuvre relativement complexe

Fonctionnement irrégulier dans les

ambiances froides

A. Diouris


Principe de fonctionnement des combin s55 l.jpg

Principe de fonctionnement des combinés

2°) Combiné à 2 compresseurs

Plus produits :

Très bonne régulation

Bon fonctionnement en faible

température ambiante.

Technologie simple

Points faibles

Coût de production

A. Diouris


Exercice l.jpg

Exercice

Sachant que:

La chaleur spécifique du rosbif est de 0,75kcal/kg, (celle-ci est d’environ de moitié en dessous

de son point de congélation à – 1°C)

Sa chaleur latente de solidification est de 59,20kcal/kg;

Calculez (en kcal) la quantité de chaleur qu’il faut extraire d’1 kg de rosbif à 20°C pour l’amener

à une température de –18°C ?

Solution :

A. Diouris


La cong lation l.jpg

La congélation

Chaleur latente de solidification

A. Diouris


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