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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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Machines frigorifiques monoétagées1. Machine frigorifique et pompe à chaleur. Généralités
« La chaleur ne peut passer spontanément d’un corps froid vers un corps chaud ». C’est l’énoncé de Clausius du second principe de la thermodynamique.
Si l’on veut effectuer le transfert de chaleur, dans le sens antinaturel, d’un milieu froid vers un milieu chaud, il faut, nécessairement, d’une part, imaginer et mettre en œuvre un système thermique particulier, et, d’autre part, fournir de l’énergie au système.
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Le système thermodynamique particulier mis en œuvre est susceptible de transférer effectivement de la chaleur d’un milieu à température inférieure où la chaleur est prélevée (source froide) vers un milieu à température supérieure où la chaleur est rejetée (puits chaud).
Lorsque le but recherché est l’extraction de chaleur à un corps, ou à un milieu, pour le refroidir ou le maintenir à une température inférieure à celle de l’ambiance, c’est-à-dire lorsqu’il s’agit de produire du froid, le système thermodynamique qui effectue cette opération prend naturellement le nom de machine frigorifique. L’effet utile est la chaleur extraite (ou le froid produit) à la source froide (figure 1a ).
Si, au contraire, le but recherché est la production de chaleur pour chauffer un milieu ou le maintenir à une température suffisamment haute à partir de chaleur gratuite récupérée à une température plus basse, le système en question est dénommé habituellement pompe à chaleur. L’effet utile est alors la chaleur rejetée au puits chaud (figure 1b ). Notons que les « hautes températures » que produisent les pompes à chaleur sont généralement très inférieures à celles que l’on obtient aisément en mettant en œuvre d’autres techniques, la combustion par exemple.
Dans certains cas spécifiques, on peut utiliser à la fois le froid produit à la source froide et la chaleur rejetée au puits chaud. Un tel système est alors généralement appelé thermofrigopompe.
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Pour alimenter le système thermodynamique, on utilise :
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soit une énergie mécanique, ou équivalente, donc sous la forme de pure exergie [1]...
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