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Auteur(s)
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Maxime DUMINIL : Ancien professeur de l’Institut du Froid Industriel et du Génie Climatique, au CNAM - Ancien Professeur à l’École Centrale de Paris - Vice-Président de l’Association Française du Froid (AFF )
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Fournir du froid à un corps, 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. On a alors affaire à ce que l’on appelle généralement 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, 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, les cycles à compression de vapeurs liquéfiables (frigorigènes ) exercent une domination quasi absolue, 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. En revanche, ces derniers prennent une importance majeure dans le domaine des très basses températures (cryogénie ).
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, 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. Après des indications générales sur les systèmes frigorifiques, cet article 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 paragraphe est consacré ensuite aux cycles frigorifiques à compression polyétagée et, singulièrement, aux machines biétagées. Une étude des cycles frigorifiques en cascade complète ce texte qui se termine par un développement sur les fluides actifs des machines à compression : les frigorigènes.
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Machine frigorifique et pompe à chaleur. Généralités4. Frigorigènes pour cycles à compression
Les frigorigènes sont les substances qui évoluent dans les circuits des systèmes frigorifiques à compression en produisant du froid grâce aux phénomènes endothermiques mis en œuvre par les transformations thermodynamiques qu’ils subissent, généralement la vaporisation dans l’évaporateur d’une machine frigorifique. Les pompes à chaleur utilisent, elles aussi, des substances semblables pour la production de chaleur par l’utilisation d’un phénomène exothermique, le plus souvent la liquéfaction des vapeurs dans un condenseur. Certains auteurs leur donnent alors le nom de calogènes ou calorigènes. Nous nous tiendrons, quant à nous, au seul vocable frigorigène quelle que soit l’utilisation faite de ces fluides.
4.1 Familles de produits
Puisque l’on désire, avec ces fluides, produire du froid à des températures généralement basses par vaporisation du liquide, les points triples de ces fluides doivent être à des températures plus basses encore. Leurs pressions de vapeurs seront donc assez élevées ou, si l’on préfère, leurs températures d’ébullition seront basses, ce qui implique le choix de molécules simples. On peut ainsi utiliser :
-
des éléments simples ;
-
des composés purs (inorganiques ou organiques) ;
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des mélanges soit azéotropiques, dont le comportement est comparable à celui des corps purs, soit zéotropiques (ou non azéotropiques), dont l’usage tend à se développer.
Les éléments les plus simples (hydrogène, hélium, azote, oxygène, etc.) permettent d’atteindre les basses températures utilisées dans les techniques cryogéniques. Ils ne sont généralement pas mis en œuvre dans les cycles à compression tels qu’on vient de les décrire.
4.1.1 Composés inorganiques purs
Parmi les composés inorganiques purs, deux fluides se détachent :
-
l’eau (H2O) ou R 718 (encadré, p. 0) ne permet évidemment pas d’atteindre des températures inférieures...
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