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 Bulletins techniques
août 2013

L'ABC de la réfrigération

Par Pier-Luc Vinet-Thibault ing.,

Le principe de refroidir un objet ou un espace a été principalement développé et expérimenté vers la fin du 18e siècle et le début du 19e. À cette époque, les gens étaient surtout habitués à récolter la glace sous forme naturelle, afin de garder et entreposer leur nourriture pour une période prolongée. Plusieurs compagnies étaient reconnues pour leurs produits d'isolation thermique puisque les préoccupations étaient, d'abord et avant tout, de conserver cette glace plutôt que d'en créer.

Durant la première moitié du 19e siècle, la découverte d'une solution économiquement viable pour créer la réfrigération artificielle a révolutionné plusieurs domaines pour lesquels la glace et le refroidissement étaient une nécessité. De nos jours, les maisons et bâtiments utilisent des systèmes de réfrigération afin de combler leurs besoins. L'entreposage de nourriture, la conservation des matières biologiques, le refroidissement de la machinerie, le conditionnement de l'air et même les sports profitent maintenant de tels systèmes.

La thermodynamique

La plupart des systèmes de réfrigération d'aujourd'hui utilisent le principe du cycle de réfrigération afin d'extraire la chaleur d'une pièce et la rejeter à l'extérieur ou ailleurs. Ce cycle exploite un principe de la deuxième loi de la thermodynamique : la chaleur ou l'énergie migre toujours naturellement à partir d'une région à température plus élevée vers une région à température plus basse, dans le but que ces régions atteignent un équilibre thermique, et donc une température semblable. Durant ce procédé, il y aura échange d'énergie de la région chaude vers la région froide.

Température et énergie

Avant d'analyser le processus du cycle de réfrigération, il faut comprendre la relation qui existe entre l'énergie et la température. En fait, il y a de l'énergie et de la chaleur dans tout objet, même aux températures les plus basses. Avec cette logique, " froid " ne veut pas nécessairement dire " aucune chaleur ", mais plutôt " moins de chaleur ", et donc " moins d'énergie ". En réalité, c'est seulement près de 0 kelvin (K), qui correspond approxi­mativement à -273 degrés Celsius (°C), que l'énergie est pratiquement inexis­tante. Donc, en appliquant la deuxième loi de la thermo­dynamique, si l'on veut extraire l'énergie d'un objet à 40 °C, nous devons donc simplement utiliser un objet qui sera plus froid que cette température, afin d'absorber l'énergie disponible par différence de température.

Changement de phase

L'énergie impliquée dans un changement de phase est aussi un autre phénomène qui prend une place importante dans la réfrigération. Une expérience simple à réaliser afin d'illustrer le phénomène d'absorption d'énergie lors d'un changement de phase, comme l'évaporation, est de placer une petite flaque d'eau sur une table. Après un certain temps, l'eau se sera complètement évaporée et aura atteint un équilibre de phase avec

l'air environnant dans la pièce. Durant le processus d'évaporation, l'eau absorbera une quantité d'énergie de la table et laissera une région froide au toucher à sa surface. En fait, une quantité considérable d'énergie sera nécessaire lors de l'évaporation et c'est ce qui est exploité dans le cycle de réfrigération. En réalité, il faut sept fois plus d'énergie pour évaporer de l'eau à l'état liquide à 100 °C qu'il en faut pour augmenter la température de ce liquide à partir de 20 °C (température de pièce) à 100 °C. La même analogie s'applique pour la solidification ou la congélation de l'eau. Celle-ci libèrera quatre fois plus d'énergie pour se solidifier (geler) à 0 °C qu'il en faut pour descendre sa température de 20 °C à 0 °C.

Cycle de réfrigération

Le cycle de réfrigération utilise les deux phénomènes précédemment décrits afin d'absorber l'énergie (température) à partir d'une région et la rejeter ailleurs. Un fluide froid est utilisé afin d'absorber la chaleur par différence de température et on maximise l'absorption de l'énergie en laissant le fluide se changer en gaz (changement de phase) durant le processus.

Puisqu'il est important d'utiliser un fluide spécifique qui changera de phase pendant le transfert de chaleur, plusieurs substances appelées " réfrigérants " ont été développées. Les plus utilisées sont le R-12, R-22, R-134a et R-410a, où le R-12 et le R-22 sont progressivement remplacés pour le danger qu'ils repré­­sentent pour l'environnement. L'ammoniac (R717) et le dioxyde de carbone (R744) sont aussi utilisés comme réfrigérants puisqu'ils sont peu néfastes pour l'envi­ronnement, mais ils sont toxiques pour l'humain.

Figure 1 :Le cycle de réfrigération

Dans un cycle de réfrigération, il existe quatre principaux éléments et quatre états physiques correspondants du réfrigérant. La figure 1 ci-dessus (cycle de réfrigération) illustre chacune des étapes du cycle.

État 1 : Le réfrigérant est froid et sous forme de vapeur à basse pression. On utilise un compresseur afin de compresser le réfrigérant. Celui-ci est contrôlé par des sondes de pression afin de maintenir une pression différentielle dans le système.

État 2 : Le réfrigérant est chaud et sous forme de vapeur à haute pression. Il contient une quantité d'énergie maximale. On utilise un échangeur de chaleur appelé condenseur pour rejeter l'énergie contenu dans le réfrigérant. Un fluide (air, eau ou autre), à température plus basse que le réfrigérant, absorbe l'énergie (chaleur) de ce dernier par différence de température. Au fur et à mesure que le réfrigérant perd son énergie, sa température diminue et atteint finalement sa température de condensation. Lors de la condensation du réfrigérant, encore plus d'énergie est rejetée par changement de phase.

État 3 : Le réfrigérant est chaud et sous forme liquide. On utilise une valve d'expansion qui contrôle et limite le débit de réfrigérant vers l'évaporateur. Cette valve thermo­statique ouvre ou ferme automatiquement en fonction de la température du réfrigérant à la sortie de l'évaporateur. La valve réduit la pression du réfrigérant et le refroidit par expansion avant de l'acheminer vers l'évaporateur. Elle s'assure également que le réfrigérant soit complètement sous forme gazeuse avant d'atteindre le compresseur et éviter d'endommager celui-ci avec du réfrigérant liquide (incompressible).

État 4 : Le réfrigérant est froid et sous forme d'un mélange liquide/gazeux. Il contient un minimum d'énergie. On utilise un second échangeur de chaleur appelé évaporateur afin que le réfrigérant absorbe l'énergie de l'élément (pièce, objet ou fluide) à refroidir. Puisque le réfrigérant est plus froid que l'élément à refroidir, il absorbe l'énergie (chaleur) disponible par différence de température. Le réfrigérant atteindra sa température d'évaporation et absorbera encore plus d'énergie durant le processus de changement de phase

Conclusion

En résumé, la réfrigération et ses applications nous ont permis d'améliorer notre qualité de vie en déplaçant l'énergie où bon nous semble, et en contrôlant la température ambiante pour notre plus grand confort à tous.

De plus, le principe d'absorption et de rejet de chaleur du cycle de réfrigération rend son application extrêmement intéressante dans un contexte où l'on se préoccupe d'écono­miser l'énergie et de bien la gérer. On utilise donc des systèmes qui rejettent la chaleur accumulée d'une maison vers une piscine extérieure en été, ou qui absorbent la chaleur du sol en hiver afin de chauffer un bâtiment (géothermie).

Malgré les nombreux avantages que les systèmes de réfrigération nous apportent, leurs nombreuses applications, et ce, dans plusieurs domaines, nous exposent éga­lement à des désavantages résultant de défaillances mécaniques qui peuvent être liées aux conditions d'opération, à l'entretien, à la conception ou à la fabrication de ces systèmes complexes et de leurs composantes mécaniques. Ces défaillances peuvent causer des dommages importants aux biens con­servés ou aux bâtiments dans lesquels ils sont installés.

Les conséquences de ces défaillances peuvent mener à des litiges nécessitant l'analyse des aspects techniques impliqués. À cet effet, les experts d'Experts-Conseils CEP inc. sont en mesure de réaliser diverses expertises techniques dans le but d'établir les causes à l'origine de ces défaillances.