Principes des systèmes de réfrigération

Principes des systèmes de réfrigération

• Les fluides frigorigènes efficaces et sûrs doivent être sans danger pour l'environnement, non toxiques, ininflammables, non explosifs et stables.
• Les fuites doivent être faciles à détecter, et les fluides doivent fonctionner à basse pression.
• Un bon frigorigène ne doit pas réagir avec l'huile lubrifiante ou les matériaux de fabrication des équipements de réfrigération, ni contaminer les aliments en cas de fuite.
• Il doit exiger une grande quantité de chaleur latente de vaporisation pour le changement d'état liquide à gazeux.

Classification des groupes de frigorigènes

• La toxicité des frigorigènes est identifiée par les lettres A et B.
• La catégorie A comprend les frigorigènes avec une toxicité non identifiée à une concentration inférieure ou égale à 400 ppm.
• La catégorie B comprend les frigorigènes avec évidence de toxicité à des concentrations inférieures à 400 ppm.
• L'inflammabilité des frigorigènes est identifiée par un numéro.
• La catégorie 1 comprend les frigorigènes non inflammables dans l'air à 18°C et 101 kPa.
• La catégorie 2 comprend les frigorigènes avec un point bas d'inflammabilité supérieur à 100 g/m³ à 21°C et 101 kPa.
• La catégorie 3 comprend ceux hautement inflammables avec un point bas d'inflammabilité inférieur à 100 g/m³.
• Le Code B52 et la norme 34 de l'ASHRAE définissent six groupes de frigorigènes : A1, A2, A3, B1, B2 et B3.
• La limite inférieure d'inflammabilité est la concentration minimale à laquelle un frigorigène brûle dans l'air dans des conditions d'essai spécifiées.

Frigorigènes courants

• Le R-12 fait partie des CFC (chlorofluorocarbones) et a été largement utilisé dans de nombreuses applications de réfrigération.
• Le R-22 appartient aux HCFC (hydrochlorocarbones) et a un point d'ébullition de -40,8°C à la pression atmosphérique.
• Le R-134a est un HFC (hydrofluorocarbone) sans potentiel de réduction de l'ozone, ce qui en fait une option écologique.
• L'ammoniac (R-717) est le seul frigorigène hors du groupe des fluorocarbures, utilisé en particulier dans l'industrie alimentaire.

Frigorigène R-12 : Propriétés générales

• Le R-12 (CCl₂F₂) est non toxique, ininflammable et non explosif, faisant partie du groupe des CFC.
• C'est un mélange très stable difficile à décomposer, même dans des conditions défavorables.

Frigorigène R-12 : Applications

• Le R-12 est utilisé dans les systèmes de climatisation automobiles, les congélateurs, les réfrigérateurs domestiques, les fontaines d'eau et les réfrigérateurs de transport.

Frigorigène R-12 : Impact environnemental

• Il contient du chlore, une molécule destructrice qui reste dans l'atmosphère pour plus de 100 ans, réduisant ainsi la couche d'ozone et contribuant à l'effet de serre.

Frigorigène R-22 : Composition et classification

• Le R-22 (CHClF₂) appartient aux HCFC (hydrochlorocarbones) et bout à -40,8°C sous pression atmosphérique.

Frigorigène R-22 : Développement et application

• Il a initialement été développé comme frigorigène à basse température pour les congélateurs domestiques et de ferme, ainsi que les systèmes commerciaux et industriels à basse température (jusqu'à -87°C).

Frigorigène R-22 : Utilisation actuelle

• Il est couramment utilisé dans les climatiseurs préassemblés, où la petite taille du compresseur est un avantage en raison des contraintes d'espace.

Frigorigène R-22 : Impact environnemental

• Les HCFC possèdent moins d'atomes de chlore et ont une durée de vie atmosphérique plus courte que les CFC, mais leur élimination progressive est prévue car ils ne sont pas totalement inoffensifs pour l'environnement.

Frigorigène R-134a : Composition

• Le R-134a (CF₃CH₂F) est un HFC (hydrofluorocarbone) sans potentiel de réduction de l'ozone.
• Il est ininflammable, non explosif et son point d'ébullition est de -26,2°C à la pression atmosphérique.

Frigorigène R-134a : Compatibilité

• Le R-134a a un problème de miscibilité avec les huiles minérales utilisées comme lubrifiants, mais ce problème est résolu en utilisant des lubrifiants synthétiques à base d'ester.

Frigorigène R-134a : Avantages environnementaux

• Les composés HFC ne contiennent pas d'atomes de chlore et ne causent donc pas de réduction de l'ozone.
• La plupart ont une faible durée de vie atmosphérique et un faible potentiel de réchauffement climatique.

Frigorigène R-134a : Applications

• Le R-134a est principalement utilisé comme substitut du R-12 dans les systèmes de climatisation automobiles, car respectueux de l'environnement.

Ammoniac (R-717) : Propriétés

• L'ammoniac (NH3) est le seul fluide frigorigène en dehors du groupe des fluorocarbures largement utilisé avec un point d'ébullition de -33,3 °C à la pression atmosphérique est sans danger pour l'environnement.

Ammoniac (R-717) : Applications

• Malgré sa toxicité et son inflammabilité dans certaines conditions, ses excellentes propriétés thermiques en font le fluide frigorigène le plus utilisé dans l'industrie alimentaire notamment dans les laiteries usines d'emballage de viande et entrepôts réfrigérés.

Ammoniac (R-717) : Avantages

• L'ammoniac n'est pas miscible dans l'huile impliquant des mesures pour éliminer l'huile de l'évaporateur, il est facilement accessible constitue le fluide frigorigène le moins coûteux parmi ceux qui sont couramment utilisés.

Ammoniac (R-717) : Compatibilité

• L'ammoniac anhydre pur n'est pas corrosif pour les métaux qui sont utilisés dans les systèmes de réfrigération. Cependant en présence d'humidité, il devient corrosif pour les métaux non ferreux cuivre et le laiton.

Cycle de compression de l'ammoniac : Détente

• L'ammoniac liquide s'écoule du ballon de recette à 30 °C et 1065 kPa jusqu'au robinet de détente pour entrer dans le côté basse pression (135 kPa).
• À cette pression, la température d'ébullition est de -15°C, causant une vaporisation partielle immédiate.

Cycle de compression de l'ammoniac : Évaporation

• Le mélange entre dans les serpentins d'évaporation où il se vaporise à -15°C en absorbant la chaleur de l'air environnant.
• La vapeur peut être surchauffée jusqu'à -12°C avant de quitter l'évaporateur.

Cycle de compression de l'ammoniac : Compression

• La vapeur passe dans un séparateur d'huile pour entrer dans le compresseur où elle est comprimée à 1065 kPa.
• La chaleur de la compression fait grimper sa température à 100°C.

Cycle de compression de l'ammoniac : Condensation

• À 1065 kPa, le point de condensation de l'ammoniac est de 30°C.
• Dans le condenseur, la vapeur est refroidie à 18°C, puis chauffée à 24°C à l'aide de l'eau pour être condensée en liquide à 30°C et refroidie à 28°C dans le ballon de recette.

Système de réfrigération à l'ammoniac

• Compresseur : Ce dernier élimine le fluide frigorigène et augmente sa pression, facilitant ainsi sa condensation.
• Condenseur : Refroidit la vapeur comprimée jusqu'à ce qu'elle devienne liquide.
• Ballon de recette : Conserve le fluide frigorigène à l'état liquide et s'adapte aux variations de charge.
• Robinet de détente : Le fluide frigorigène est régulé grâce à ce robinet et une différence de pression est maintenue.
• Évaporateur : Le fluide frigorigène peut absorber la chaleur et se vaporiser.
• Un système de réfrigération à l'ammoniac est composé d'un côté haute et basse pression : le côté à haute pression (tuyauterie, condenseur et ballon de recette) et le côté à basse tension (évaporateur).

Compresseurs alternatifs

• Les compresseurs alternatifs utilisés dans la réfrigération sont à simple ou double effet.
• Les compresseurs à deux étages sont utilisés dans certaines applications mais en général un simple suffit.
• Un compresseur a au moins deux cylindres en parallèle.

Compresseurs rotatifs

• Les ailettes de ce type de compresseurs sont limitées par une force centrifuge au corps à mesure que le rotor tourne.
• Le frigorigène au raccordement d'aspiration est emprisonné entre le corps et la palette puis dirigé vers le raccordement de refoulement.
• Le frigorigène est comprimé grâce à l'espace qui s'amenuise lorsque celui-ci se déplace vers le refoulement.
• Les compresseurs rotatifs génèrent un écoulement régulier, sont peu bruyants et relativement dépourvus de vibrations, mais restent dispendieux en usinage et lubrification.

Compresseurs centrifuges

• La pompe à engrenages utilisée assure que la lubrification est sous pression à tous les roulements et joints d'arbres.
• Le compresseur centrifuge à deux étages permet au refrégirant d'être comprimé progressivement.
• La lubrification externe nécessaire prévient toute contamination de l'huile lubrifiante au réfrigérant.
• Les compresseurs conviennent aux grands volume et sont utilisés dans les climatiseurs et réfrigérants R-11 basse pression.
• Les principaux inconvénients du compresseur sont ses pressions sont basses et le bon rendement est faible.

Condenseurs

• La fonction d'un condenseur est de refroidir la vapeur comprimée des fluides frigorigènes jusqu'à ce qu'ils reviennent à l'état liquide.
• Le milieu du fluide frigorigène peut être une combinaison d'eau, d'air ou des deux.
• Les refroidisseurs refroidis peuvent être refroidis à l'eau et à l'eau et à l'air.
• Les refroidisseurs offrent une installation à faibles coûts et une excellente simplicité.

Condenseurs refroidis à l'air : Principe de fonctionnement

• Les condenseurs refroidis à l'air font passer le frigorigène dans des tubes à ailettes.
• Des ventilateurs évacuent tout air froid pour dissiper la chaleur à travers les tubes à ailettes.

Condenseurs refroidis à l'air : Avantages

• Les avantages majeurs des condenseurs refroidis à l'air concernent leur simplicité et leur faiblesse en coûts d'installation.
• Applications domestiques et commerciales de petite taille.

Condenseurs refroidis à l'air : Application

• Ces condenseurs sont utilisés dans les appareils domestiques tels que les climatiseurs et réfrigérateurs.
• Certaines installations commerciale étant de taille limitée, l'accès à l'eau est limité ou trop onéreux.

Condenseurs à calandre : Structure

• Le condenseur à calandre contient bon nombre de tubes dans une calandre en acier soudé.
• Les calandres sont utilisées communément dans les systèmes de réfrigération industrielle.

Condenseurs à calandre : Circulation d'eau

• L'eau de refroidissement parcourt deux fois le condenseur en circulant dans le groupe de tubes inférieur puis en changeant de direction pour remonter dans les tubes supérieurs.

Condenseurs à calandre : Processus de condensation

• Le gaz frigorigène chaud entre au haut de la calandre et se condense en touchant la surface extérieure des tubes refroidis à l'eau.
• Au fur et à mesure que le gaz se transforme, celui-ci tombe au fond de la calandre où il s'accumule.

Condenseurs à tuble double : Structure

• Ce type de condenseur est constitué de petits tuyaux ou tubes à l'intérieur de tuyaux ou de tubes plus grands de manière concentrique créant deux chemins de circulations distincts.

Condenseurs à tuble double: Circulation des fluides

• L'eau de refroidissement se déplace dans les petis tubes intérieurs puis le gaz frigorigène chaud dans l'espace entre les tubes extérieurs et intérieurs.

Condenseurs à tuble double: Refroidissement additionnel

• Le refroidissement additionnel est assuré par l'air autour des tubes extérieurs, accroissant ainsi l'efficacité du système de condensation.

Condenseur à évaporation forcée : Principe de fonctionnement

• Les condenseurs à évaporation forcée utilisent conjointement l'air et l'eau afin de refroidir tout en apportant les avantages des deux.

Condenseur à évaporation forcée : Circulation des fluides

• La vapeur du frigorigène circule dans des serpentins tandis que de l'eau pulvérisée dans les tubes. L'air du ventilateur aspire à contre-courant du débit de l'eau.

Condenseur à évaporation forcée : Effet de l'évaporation

• Le passage de l'air créé l'évaporation d'une portion d'eau dispersée, intensifiant ainsi l'effet de refroidissement des serpentins qui contiennent le frigorigène et le reste de l'eau.

Condenseur à évaporation forcée : Recirculation

• L'eau est continuellement circulée par une pompe située dans le fond du condenseur d'où elle retourne vers les tube de pulvérisation dans un circuit fermé efficace.

Ballon de recette de liquide : Fonction principale

• Un ballon de recette de liquide est requis en raison du volume instable des fluides frigorigènes dans les évaporateurs et les condenseurs.
• Il répond aux variations de charge du réfrigérant et assure la vidange du condenseur afin que celui-ci ne soit pas endommagé.

Ballon de recette de liquide : Avantages pour le condenseur

• Le ballon évite l'amoncellement du liquide dans le condenseur et prévient la réduction de la zone de surface qu'il utilise. Le niveau optimal de performance est ainsi maintenu.

Ballon de recette de liquide : Stockage

• Les ballons sont employés comme récipient de stockage. Les systèmes ont plus de possibilités d'être ajustés grâce à la possibilité d'y soutirer des frigorigènes liquides.

Robinet de détente : Fonction de régulation

• La fonction majeure de ce robinet est de contrôler la quantité de réfrigérant liquide qui est envoyé à l'évaporateur. Sa vitesse doit être la même que le taux d'évaporation du liquide dans l'évaporateur.

Robinet de détente : Maintien de la pression différentielle

• La présence du robinet de détente offre une pression différentielle pour l'ensemble du système, permettant la vaporisation sous une basse pression.

Robinet de détente : Équilibre du système

• Cette régularité assure ainsi que le système peut performer selon son efficacité optimisée. Le condensateur a donc la capacité de condensé tout en assurant la régulation précise du fonctionnement.

Évaporateur

• À tubes nus: il comporte des tuyaux qui sont cintrés ou connectés pour produire un serpentin en continu. Plusieurs serpentins peuvent être utilisés en ayant accès aux collecteurs de sortie et d'entrée.
• À tubes ailettes: Une plus grande surface servira à conduire la chaleur vers les tubes auxquels le frigorigène se fixe.
• À plaques: Deux plaques métalliques soudées sont nécessaires. Les plaques créent ainsi un serpentin et créent une zone vide pour optimiser la chaleur.
• L'évaporateur est l'espace où le frigorigène absorbe la chaleur et commence à bouillir. C'est ce qui permet la production du refroidissement requis des systèmes.

Évaporateur à tubes nus

• Le serpentin continu transfère avec efficacité la chaleur entre le réfrigérant et la zone étant refroidie.
• Divers collecteurs sont utilisés pour que la capacité d'absorption augmentée colle avec les besoins de l'installation.

Évaporateur à tubes droits : Structure

• La structure, aussi simple que les tubes nus, aide à l'entretien et est en général utilisée pour refroidir les climatisations à eau.

Évaporateur à tubes droits : Fonctionnement

• L'eau est refroidie par des frigorigènes qui travers les tubes. Les frigorigènes dans les tubes ou dans la cuve feront le refroidissement de l'application visée.

Évaporateur à tubes à ailettes : Principe de fonctionnement

• La surface du transport de chaleur est accrue dans les tubes à ailettes.

Évaporateur à tubes à ailettes : Avantages

• Ce type d'évaporateur à plus efficacité dans un plus petit espace et peut grandement accroître la surface d'échange thermique.

Évaporateur à tubes à ailettes : Applications

• Principalement pour les refroidisseurs d'air, les systèmes de climatisation et les congélateurs.

Évaporateur à plaques : Plaques

• Ces deux plaques faites de métaux sont soudés avec un serpentin à l'intérieur.

Évaporateur à plaques : Vide

• Une zone vide est créée et est utilisée pour optimiser le contact thermique. L'atmosphère de pression maintient les plaques contre le tubage.

Évaporateur à plaques : Composants

• L'entrée du liquide, le tubage, la plaque extérieure, la sortie de la vapeur, le joint à vie et l'espace à vide sont tous des principales composantes.

Réfrigération directe

• Dans un système direct, l'évaporateur est en contact direct avec la matière ou l'endroit à réfrigérer, améliorant ainsi l'efficacité grâce à l'élimination du transfert de chaleur.

Réfrigération indirecte

• Un liquide refroidi par le fluide frigorigène est employé, diminuant la quantité de fluides frigorigènes à utiliser avec les températures inférieures tout en offrant une plus grande flexibilité pour la climatisation et le refroidissement commercial.

Système de compression centrifuge : Compression

• Le compresseur aspire tout frigorigène qui s'est évaporé des autres parties du système avant de le comprimer.

Système de compression centrifuge : Condensation

• La vapeur de frigorigène comprimée passe à un condensateur qui condense l'eau en réfrigérant gazeux en utilisant l'eau de refroidissement dans ses tubes.

Système de compression centrifuge : Évaporation

• Le frigorigène traverse les tubes et absorbe la chaleur, ce qui le fait s'évaporer avant de retourner vers le compresseur.

Système de compression centrifuge : Détente

• Le frigorigène s'accumule dans un collecteur localisé au fond. C'est ensuite qu'il circule à la chambre à flotteur.
• Ces systèmes sont employés pour réduire la température de l'air des climatiseurs et sont compacts.

Système de compresseur duplex : Principe

• Deux frigorigènes ou plus sont utilisés graduellement pour abaisser les températures (en dessous de -92°C. Le condensateur de la premier sera l'évaporateur du deuxième.

Système de compresseur duplex : Compression

• Deux cylindres contenus dans une machine font la pression différentielle de la compression de la vapeur.

Système de compresseur duplex : Refroidissement intermédiaire

• Les refroidissements sont accomplis par le biais de la vaporisation. Le réfrigérant excédentaire est conduit par la gravité.

Système de réfrigération à deux étages

• Une installation à basses et hautes température avec un surcompresseur utilisé avant un compresseur alternatif dans le système d'évaporation.

Système de réfrigération à deux étages : Compresseur rotatif

• Un appareil plus petit aura la capacité de manipuler une grande quantité de vapeur à des températures plus basses.

Système de réfrigération à deux étages : Refroidisseur à liquide et à gaz

• La vaporisation du frigorigène liquide produit un refroidissement du réfrigérant gazeux et du frigorigène liquide.

Système de réfrigération à plusieurs étages : Compression divisée

• Une efficacité accrue et une haute fiabilité peut être observée après que la compression nécessaire ait été divisée.

Système de réfrigération à plusieurs étages : Refroidissement intermédiaire

• Le travail des étages diminue, la température réduite accroit la densité de vapeurs et la machine a une consommation réduite d'électricité.

Système d'absorption d'ammoniac

• L'eau et la solution ammoniacales (liqueur riche) sont réchauffées par les serpentins de vapeur et passent vers l'analyseur. Un grand portion d'eau qui entre dans la solution passe dans les plateaux condensant de la vapeur d'eau alors que la vapeur est à approx. 1200kPa.
• La vapeur est subséquemment passée vers le rectificateur puis vers le condensateur pour être re-condensée en liquide et retourne à l'évaporateur.
• Finalement, la pression est réduite à -15C, ce qui permet d'absorber la chaleur de l'air.