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La réfrigération Principes de base. ELECTROLUX SERVICE Janvier 2006 A. Diouris 2 Les appareils domestiques Si les appareils de réfrigération domestique.

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1 La réfrigération Principes de base

2 ELECTROLUX SERVICE Janvier 2006 A. Diouris 2 Les appareils domestiques Si les appareils de réfrigération domestique sont très différents. Leur principe de « production » de froid est identique

3 ELECTROLUX SERVICE Janvier 2006 A. Diouris 3 Méthodes de production Fusion et la sublimation Lévaporation dun liquide Détente dun gaz comprimé Mélanges réfrigérants Procédés thermodynamiques

4 ELECTROLUX SERVICE Janvier 2006 A. Diouris 4 Mélanges réfrigérants La dissolution de certains sels dans leau 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 dabaisser le point de fusion, par conséquent de congélation. Le passage de leau « glace » à létat de solution met en œuvre la chaleur latente de fusion ; ce qui a pour effet un refroidissement complémentaire.

5 ELECTROLUX SERVICE Janvier 2006 A. Diouris 5 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 dune machine frigorifique à absorption travaillant en continue à partir dun mélange binaire eau/ammoniac ; de telles machines fonctionnent aujourdhui 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 lhydrogène comme gaz tampon pour équilibrer les pressions

6 ELECTROLUX SERVICE Janvier 2006 A. Diouris 6 Installation frigorifique à absorption Les installations frigorifiques à absorption utilisent pour la production de froid des mélanges binaires formés à partir dun fluide frigorigène et dun absorbant. Les installations frigorifiques à absorption présentent un côté basse pression, celui de lévaporateur et un côté haute pression, celui du condenseur. Laspiration et la compression des vapeurs de fluide frigorigène ont lieu à partir dun 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 labsorbeur et le bouilleur. Pour créer une différence de pression, entre haute et basse pression, labsorbeur doit être refroidi et le bouilleur chauffé.

7 ELECTROLUX SERVICE Janvier 2006 A. Diouris 7 Installation frigorifique à absorption

8 ELECTROLUX SERVICE Janvier 2006 A. Diouris 8 Détente dun 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 sévacuer ; alors la température du gaz sélève. Inversement, en détendant un gaz préalablement comprimé, à température ambiante, on constate que sa température sabaisse

9 ELECTROLUX SERVICE Janvier 2006 A. Diouris 9 Installation frigorifique à compression Les installations frigorifiques à compression se composent de quatre parties : lévaporateur, le compresseur, le condenseur et le détendeur. Le circuit est rempli dun liquide facilement vaporisable : le fluide frigorigène La chaleur « Q » cédée au fluide frigorigène par le milieu extérieur qui se refroidit autour de lévaporateur entraîne la formation de vapeur par changement détat du fluide frigorigène. Cette vapeur est aspirée, comprimée et refoulée par le compresseur auquel on fournit lénergie W. La quantité de chaleur extraite de lévaporateur, augmentée de lénergie de compression W est évacuée dans le condenseur par le milieu qui lentoure et qui par conséquent séchauffe. Dans le condenseur, le fluide cède sa chaleur tout dabord sous forme sensible puis sous forme latente, et se liquéfie.

10 ELECTROLUX SERVICE Janvier 2006 A. Diouris 10 Installation frigorifique à compression La détente du fluide frigorifique liquéfié depuis la pression de condensation jusquà la pression dévaporation seffectue généralement par laminage dans un organe de détente. Du mélange de vapeur détendue et de liquide froid se trouvant au niveau de lévaporateur, seul la vapeur retourne au compresseur; le cycle va pouvoir recommencer. Compresseur W Détendeur Condenseur Évaporateur Q Q C = Q + W

11 ELECTROLUX SERVICE Janvier 2006 A. Diouris 11 Détente dun gaz comprimé Juste des sensations Froid ? Les unités de mesure 1°) Le degré Celsius 0°Celsius å Fusion de la glace å Solidification de l eau 100° Celsius å Ébullition de leau 2°) Le degré Fahrenheit 0° Fahrenheit å mélange glace +Sel 0°F = - 17,8°C 100° Fahrenheit å Température du corps humain 100°F = 37,8°C 3°) Le degré Kelvin 0° Kelvin å 0° absolu 0°K = -273°C Chaud ?

12 ELECTROLUX SERVICE Janvier 2006 A. Diouris 12 Table de correspondance °F°C 10037,8 9535,0 9032,2 8529,4 8026,7 7523,9 7021,1 6518,3 6015,6 5512,8 5010,0 457,2 404,4 351,7 30-1,1 25-3,9 20-6,7 15-9, ,2 5-15,0 0-17, , ,3 °C°F 40104,0 3595,0 3086,0 2882,4 2678,8 2475,2 2271,6 2068,0 1864,4 1660,8 1457,2 1253,6 1050,0 846,4 642,8 439,2 235,6 032,0 -228,4 -523, , , ,0 C = 5/9x( F°-32) F = 9/5 x C°+ 32

13 ELECTROLUX SERVICE Janvier 2006 A. Diouris 13 Quantité de chaleur Létude du froid, cest létude de la chaleur Chaleur latente : Cest la quantité de chaleur nécessaire au passage de létat solide à létat liquide et inversement Chaleur spécifique (ou chaleur massique) Cest la quantité de chaleur nécessaire à lélévation (ou à labaissement) de 1°C de la température dun corps La quantité de chaleur a une unité : le Joule IJ = 0, kcal 1Kcal = 4190J

14 ELECTROLUX SERVICE Janvier 2006 A. Diouris 14 Quantité de chaleur Trois règles de base à retenir : 1°) Comme leau, 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.

15 ELECTROLUX SERVICE Janvier 2006 A. Diouris 15 Transfert de la chaleur Le rayonnement

16 ELECTROLUX SERVICE Janvier 2006 A. Diouris 16 Transfert de la chaleur La conduction

17 ELECTROLUX SERVICE Janvier 2006 A. Diouris 17 Transfert de la chaleur La convection

18 ELECTROLUX SERVICE Janvier 2006 A. Diouris 18 Propriétés de la matière VaporisationFusion CondensationSolidification SolideLiquide Gaz Changement détats physiques

19 ELECTROLUX SERVICE Janvier 2006 A. Diouris 19 Propriétés de la matière (exemple de leau) 1ère étape : le bloc de glace est porté de -20°C à 0°C 2ème étape : fusion à T°constante cest à dire passage de létat solide (glace) à létat liquide eau 3ème étape : la T° de leau est portée De 0°C à 100°C Bloc de glace à – 20°C Plaque chauffante Bloc de glace à 0°C Eau à 0°C Q 2 = 334kJ Q 3 = 420kJ Q 1 = 41kJ Q 1 = 41kJ

20 ELECTROLUX SERVICE Janvier 2006 A. Diouris 20 Propriétés de la matière (exemple de leau) 4ème étape : vaporisation par ébullition de leau à T° constante.La vapeur se trouvant au dessus de leau est dite humide la T° reste constante et égale à 100°C jusquà vaporisation de la dernière goutte.La vapeur est dite sèche 5ème étape : la T° de la vapeur saturée sèche est portée à 120°C. On parle alors de vapeur surchauffée. Eau à 100°C Vapeur à 100°C Vapeur à 120°C Q 4 = 2258kJ Q 4 = 2258kJ Q 5 = 38kJ

21 ELECTROLUX SERVICE Janvier 2006 A. Diouris 21 Quantité de chaleur (exemple de leau) Q 4 = 2258kJ Q 5 = 38kJ Q 3 = 420kJ Q 2 = 334kJ Q 1 = 41kJ °C

22 ELECTROLUX SERVICE Janvier 2006 A. Diouris 22 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 = Nm 2 L'Atmosphère 1 atm = 1,013 bar L'atmosphère technique 1 at = 1kgf/cm 2 =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

23 ELECTROLUX SERVICE Janvier 2006 A. Diouris 23 Influence de la pression Vide Pression Absolue Pression Relative Vide Pression Atm mbar bar

24 ELECTROLUX SERVICE Janvier 2006 A. Diouris 24 Influence de la pression Il existe trois catégories dappareils 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 dentre-eux sont gradués de manière à ce que laiguille soit en face du zéro lorsque le manomètre nest pas raccordé, cest à dire quil est soumis a la pression atmosphérique. Lorsque lon utilise le manomètre, il indiquera la pression qui règne en plus de la pression atmosphérique, on lappelle pression relative. Les vacuomètres ou déprimomètres, que lon utilise pour mesurer une pression atmosphérique et comptée à partir du zéro absolu.

25 ELECTROLUX SERVICE Janvier 2006 A. Diouris 25 Influence de la pression 1013mbar-76 cm Hg1520mbar A retenir : PLUS LA PRESSION AUGMENTE, PLUS LA TEMPERATURE D'ÉBULLITION AUGMENTE. PLUS LA PRESSION DIMINUE, PLUS LA TEMPERATURE D'ÉBULLITION DIMINUE.

26 ELECTROLUX SERVICE Janvier 2006 A. Diouris 26 État Vapeur Relation pression / température °C P atm 0 P (bar) État liquide État liquide - vapeur 100

27 ELECTROLUX SERVICE Janvier 2006 A. Diouris 27 Relation pression / température R22 100°C P atm 10 5 P (bar) + 3,7 + 2,6 H2OH2OH2OH2O + 0,98

28 ELECTROLUX SERVICE Janvier 2006 A. Diouris 28 Les CFC Les C F C Chloro Cl Fluor o F Carbon e C

29 ELECTROLUX SERVICE Janvier 2006 A. Diouris 29 Les CFC sont fabriqués à partir dhydrocarbures tels que : H H C HH le méthane CH 4 C H C H H H H H léthane C 2 H 6 ou

30 ELECTROLUX SERVICE Janvier 2006 A. Diouris 30 Dichlorofluorométhane CCl 2 F 2 ou R12 -29,8°C 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... H H C HH Cl F F … le réfrigérant est dit « totalement halogéné » Cl F Trichlorofluorométhane CCl 3 F ou R11 +23,7°C

31 ELECTROLUX SERVICE Janvier 2006 A. Diouris 31 Les HCFC un HCFC est un CFC qui contient encore des atomes dhydrogène donc non totalement halogéné H H C HH Cl FF Monochlorodifluorométhane CHClF 2 ou R22 -40,8°C

32 ELECTROLUX SERVICE Janvier 2006 A. Diouris 32 Les HFC les HFC sont les produits qui ne contiennent pas de chlore C C H H F F F F Tétrafluoroéthane CH 2 FCF 3 ou R134a -26,5°C

33 ELECTROLUX SERVICE Janvier 2006 A. Diouris 33 Relation pression / température R22 R134a

34 ELECTROLUX SERVICE Janvier 2006 A. Diouris 34 Les fluides frigorigènes

35 ELECTROLUX SERVICE Janvier 2006 A. Diouris 35 Température débullition du R134a -26°C R134a en ébullition Température du jour +20°CTempérature du jour - 30°C R134a à létat liquide

36 ELECTROLUX SERVICE Janvier 2006 A. Diouris 36 Relation pression / température Zone du liquide sous-refroidi État liquide - vapeur Zone de vapeur surchauffée Sous-refroidissementSurchauffe °C P atm P 40K20KA B

37 ELECTROLUX SERVICE Janvier 2006 A. Diouris 37 Lenthalpie 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 denthalpie est égale à la quantité de chaleur fournie ou enlevée à une substance. Laccroissement de lenthalpie pendant la compression adiabatique* équivaut à lénergie mécanique fournie pour assurer la compression. Lorsquun 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.

38 ELECTROLUX SERVICE Janvier 2006 A. Diouris 38 Diagramme enthalpique Zone de Liquide Sous refroidi Zone de mélange Eau + vapeur P (bar) Enthalpie (KJ/kg) Zone de vapeur Surchauffée K Point critique

39 ELECTROLUX SERVICE Janvier 2006 A. Diouris 39 Le circuit Frigorifique Lévaporateur P 671 Enthalpie Surchauffe 0BP

40 ELECTROLUX SERVICE Janvier 2006 A. Diouris 40 Le circuit Frigorifique Le compresseur 0 P 1 Enthalpie 2

41 ELECTROLUX SERVICE Janvier 2006 A. Diouris 41 Le circuit Frigorifique Le condenseur 0 P Enthalpie 2 53 Désurchauffe 4 Sous-refroidissement 13HP

42 ELECTROLUX SERVICE Janvier 2006 A. Diouris 42 Le circuit Frigorifique Le capillaire BP HP P Enthalpie

43 ELECTROLUX SERVICE Janvier 2006 A. Diouris 43 Circuit frigorifique

44 ELECTROLUX SERVICE Janvier 2006 A. Diouris 44 Circuit frigorifique Désurchauffe Sous-refroidissement P 6 7 Enthalpie BP HP évaporation Production frigorifique de lévaporateur de lévaporateur Surchauffe Quantité de chaleur évacuée par le condenseur Travail du compresseur compression

45 ELECTROLUX SERVICE Janvier 2006 A. Diouris 45 Circuit frigorifique (Coefficient de performance) P Enthalpie Quantité de chaleur évacuée par le condenseur Travail du compresseur COP = Quantité de chaleur évacuée par le condenseur Énergie fournie par le compresseur

46 ELECTROLUX SERVICE Janvier 2006 A. Diouris 46 Circuit frigorifique (Efficacité) P Enthalpie Quantité de chaleur absorbée par lévaporateur Travail du compresseur Efficacité = Quantité de chaleur absorbée par lévaporateur Énergie fournie par le compresseur

47 ELECTROLUX SERVICE Janvier 2006 A. Diouris 47 Circuit frigorifique

48 ELECTROLUX SERVICE Janvier 2006 A. Diouris 48 Circuit frigorifique (Diagramme enthalpique)

49 ELECTROLUX SERVICE Janvier 2006 A. Diouris 49 Lhumidité Notion dhumidité Humidité maximum Humidité relative Condensation Le givre

50 ELECTROLUX SERVICE Janvier 2006 A. Diouris 50 L'humidité de l'air T° Gr/m 3 Courbe de saturation à la pression atmosphérique (100% d'humidité)

51 ELECTROLUX SERVICE Janvier 2006 A. Diouris 51 Pré condenseur

52 ELECTROLUX SERVICE Janvier 2006 A. Diouris 52 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

53 ELECTROLUX SERVICE Janvier 2006 A. Diouris 53 Le givre Dans une famille le réfrigérateur est ouvert en moyenne 60 fois par jours A chaque ouverture, 75 % de lair froid est remplacé par de lair chaud La température annuelle moyenne dans une cuisine est de 20°C Le taux dhumidité moyen dune cuisine est 70 % Considérant un réfrigérateur à dégivrage semi- automatique de 240L net; Quelle quantité deau pénètre en une semaine dans ce réfrigérateur à dégivrage semi-automatique a cause des ouvertures des portes?

54 ELECTROLUX SERVICE Janvier 2006 A. Diouris 54 Le givre Quantité deau par litre dair dans la cuisine 17,15 X 0,70 / 1000 = 0,012gr Quantité deau à chaque ouverture de porte 240 X 0,75 X 0,012 = 2,16gr Quantité deau par semaine 2,16 X 60 X 7 = 907gr

55 ELECTROLUX SERVICE Janvier 2006 A. Diouris 55 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

56 ELECTROLUX SERVICE Janvier 2006 A. Diouris 56 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

57 ELECTROLUX SERVICE Janvier 2006 A. Diouris 57 Exercice Sachant que: La chaleur spécifique du rosbif est de 0,75kcal/kg, (celle-ci est denviron 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 quil faut extraire d1 kg de rosbif à 20°C pour lamener à une température de –18°C ? Solution :

58 ELECTROLUX SERVICE Janvier 2006 A. Diouris 58 Exercice Sachant que: La chaleur spécifique du rosbif est de 0,75kcal/kg, (celle-ci est denviron 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 quil faut extraire d1 kg de rosbif à 20°C pour lamener à une température de –18°C ? 1°) pour amener la viande à sa température de solidification, il faut lui retirer: 0,75 (20 + 1) = 15,75kcal 2°) Pour congeler la viande, il faut retirer: 59,20 kcal 3°) Pour congeler la viande, il faut: 0,75/2 (18 - 1) = 6,375 kcal Soit 81,325 kcal Solution :

59 ELECTROLUX SERVICE Janvier 2006 A. Diouris 59 La congélation Chaleur latente de solidification


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