MODES DE PRODUCTION DU FROID
La production du froid qui consiste à absorber la chaleur contenue dans un milieu peut être obtenue suivant plusieurs modes. De même, les applications du froid sont très variées.
Parmi les différentes modes de production du froid, il faut retenir :
- la sublimation d’un solide (cas du CO2)
- la détente d’un gaz comprimé
- la fusion d’un corps solide
- le refroidissement thermoélectrique
- la dissolution de certains sels
- la désaimantation adiabatique
- la vaporisation d’un liquide en circuit fermé
La sublimation d’un solide consiste à la faire passer de l’état solide à l’état vapeur par absorption de chaleur, le cas le plus courant est celui du CO2 qui à la pression atmosphérique a une température de sublimation de –78.9°C.
La détente d’un gaz comprimé repose sur le principe de l’abaissement de la température d’un fluide lors de sa détente (avec ou sans travail extérieur). Cependant, cet abaissement est plus important lors de la détente sans travail extérieur (détente Joule -Thomson : étranglement à travers une vanne) mais il ne faut pas perdre de vue que le refroidissement du gaz détendu aura lieu seulement dans le cas où sa température avant la détente serait inférieure à la température d’inversion de l’effet Joule - Thomson.
La fusion d’un corps solide se fait à température constante par absorption de la chaleur latente de fusion du corps considéré, ce procédé discontinu bien que simple présente l’inconvénient de nécessiter une congélation préalable à moins que cet état ne soit disponible à l’état naturel.
Le refroidissement thermoélectrique (effet Peltier) est utilisé pour produire de très petites quantités de froid. Il consiste à faire passer un courant continu dans un thermocouple constitué de conducteurs de natures différentes reliés alternativement par des ponts de cuivre.
La dissolution d’un sel dans l’eau provoque un abaissement de la température de la solution. Ce n’et pas un phénomène très utilisé dans l’industrie frigorifique à cause de la nécessité de vaporisation ultérieure de l’eau (récupération du sel). Par exemple, le mélange de neige (4 parties) et de potasse (3 parties) fait baisser la température de la solution de 0°C à 40°C.
La désaimantation adiabatique consiste en une réorganisation du cortège électronique d’un corps, ce qui permet l’obtention de très basses températures (10-2 à 10-6 K).
La vaporisation d’un liquide permet de produire du froid par l’absorption de la chaleur à travers un échangeur (évaporateur), la vapeur produite étant ultérieurement liquéfiée dans un autre échangeur (condenseur), le fluide décrit ainsi un cycle au sein d’une machine fonctionnant de manière continue.
Les machines utilisant ce principe peuvent être regroupées en deux grandes familles que sont les machines à compression mécanique et les machines à absorption.
La vaporisation d’un liquide en circuit fermé reste la méthode la plus utilisée pour la production du froid.
La production de froid pour les besoins domestiques, commerciaux et industriels nécessitent l’utilisation d’un dispositif capable d’extraire de la chaleur dans le milieu à refroidir pour la rejeter dans un milieu dit extérieur, ce dispositif qui obéit nécessairement au second principe de la thermodynamique est appelé « machine frigorifique ».
La conception, la réalisation et l’exploitation et/ou le suivi d’une telle machine nécessitent de bonnes connaissances en thermodynamique, en mécanique des fluides, en transfert thermique et en électrotechnique.
Ces connaissances théoriques devront être complétées par une bonne familiarisation à la technologie des composants ainsi qu’à l’élaboration et à la lecture de schémas électriques ou de régulation.
Dans le cadre de ce cours, il sera étudié les machines utilisant la vaporisation d’un fluide en circuit fermé.
Le froid peut être produite directement ou indirectement.
On parle de refroidissement direct lorsque la substance à refroidir (par exemple l’air) est en contact avec le fluide circulant en circuit fermé dans la machine (par l’intermédiaire de l’échangeur).
Le refroidissement est dit indirect lorsqu’on utilise un fluide intermédiaire (par exemple l’eau) entre la subsistance à refroidir (l’air) et le fluide circulant en circuit fermé dans la machine. Le fluide intermédiaire est appelé fluide frigoporteur.
Parmi les différentes modes de production du froid, il faut retenir :
- la sublimation d’un solide (cas du CO2)
- la détente d’un gaz comprimé
- la fusion d’un corps solide
- le refroidissement thermoélectrique
- la dissolution de certains sels
- la désaimantation adiabatique
- la vaporisation d’un liquide en circuit fermé
La sublimation d’un solide consiste à la faire passer de l’état solide à l’état vapeur par absorption de chaleur, le cas le plus courant est celui du CO2 qui à la pression atmosphérique a une température de sublimation de –78.9°C.
La détente d’un gaz comprimé repose sur le principe de l’abaissement de la température d’un fluide lors de sa détente (avec ou sans travail extérieur). Cependant, cet abaissement est plus important lors de la détente sans travail extérieur (détente Joule -Thomson : étranglement à travers une vanne) mais il ne faut pas perdre de vue que le refroidissement du gaz détendu aura lieu seulement dans le cas où sa température avant la détente serait inférieure à la température d’inversion de l’effet Joule - Thomson.
La fusion d’un corps solide se fait à température constante par absorption de la chaleur latente de fusion du corps considéré, ce procédé discontinu bien que simple présente l’inconvénient de nécessiter une congélation préalable à moins que cet état ne soit disponible à l’état naturel.
Le refroidissement thermoélectrique (effet Peltier) est utilisé pour produire de très petites quantités de froid. Il consiste à faire passer un courant continu dans un thermocouple constitué de conducteurs de natures différentes reliés alternativement par des ponts de cuivre.
La dissolution d’un sel dans l’eau provoque un abaissement de la température de la solution. Ce n’et pas un phénomène très utilisé dans l’industrie frigorifique à cause de la nécessité de vaporisation ultérieure de l’eau (récupération du sel). Par exemple, le mélange de neige (4 parties) et de potasse (3 parties) fait baisser la température de la solution de 0°C à 40°C.
La désaimantation adiabatique consiste en une réorganisation du cortège électronique d’un corps, ce qui permet l’obtention de très basses températures (10-2 à 10-6 K).
La vaporisation d’un liquide permet de produire du froid par l’absorption de la chaleur à travers un échangeur (évaporateur), la vapeur produite étant ultérieurement liquéfiée dans un autre échangeur (condenseur), le fluide décrit ainsi un cycle au sein d’une machine fonctionnant de manière continue.
Les machines utilisant ce principe peuvent être regroupées en deux grandes familles que sont les machines à compression mécanique et les machines à absorption.
La vaporisation d’un liquide en circuit fermé reste la méthode la plus utilisée pour la production du froid.
La production de froid pour les besoins domestiques, commerciaux et industriels nécessitent l’utilisation d’un dispositif capable d’extraire de la chaleur dans le milieu à refroidir pour la rejeter dans un milieu dit extérieur, ce dispositif qui obéit nécessairement au second principe de la thermodynamique est appelé « machine frigorifique ».
La conception, la réalisation et l’exploitation et/ou le suivi d’une telle machine nécessitent de bonnes connaissances en thermodynamique, en mécanique des fluides, en transfert thermique et en électrotechnique.
Ces connaissances théoriques devront être complétées par une bonne familiarisation à la technologie des composants ainsi qu’à l’élaboration et à la lecture de schémas électriques ou de régulation.
Dans le cadre de ce cours, il sera étudié les machines utilisant la vaporisation d’un fluide en circuit fermé.
Le froid peut être produite directement ou indirectement.
On parle de refroidissement direct lorsque la substance à refroidir (par exemple l’air) est en contact avec le fluide circulant en circuit fermé dans la machine (par l’intermédiaire de l’échangeur).
Le refroidissement est dit indirect lorsqu’on utilise un fluide intermédiaire (par exemple l’eau) entre la subsistance à refroidir (l’air) et le fluide circulant en circuit fermé dans la machine. Le fluide intermédiaire est appelé fluide frigoporteur.