Théorie des machines frigorifiques - Généralités

Fournir du froid à un corps ou 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. Il s'agit alors de ce que l'on dénomme communément 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, les cycles à compression de vapeurs liquéfiables (frigorigènes) prennent de l"importance dans le domaine des très basses températures (cryogénie), et exercent une domination quasi absolue 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, 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.

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, frigorigènes, 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. Ce dossier [BE 9 730] donne des indications générales sur les systèmes frigorifiques. Dans le dossier suivant [BE 9 731], on 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 dernier dossier [BE 9 732] est consacré ensuite aux cycles frigorifiques à compression polyétagée et, singulièrement, aux machines biétagées. Une étude des cycles frigorifiques en cascade complète ce dernier dossier qui se termine par un développement sur les fluides actifs des machines à compression : les frigorigènes.