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Plan du document :

1. Généralité sur le froid

2. Diagrammes frigorifiques

3. Machines à compression mécanique simple

4. Machines à compression étagée

5. Description simplifiée du rendement volumétrique

6. Caractéristiques des fluides frigorifiques

7. Mélanges binaires

8. Machines à absorption liquide

9. Liquéfaction des gaz

1. Généralité sur le froid

On distingue dans le domaine du froid deux domaines distincts : 

• la réfrigération qui consiste à produire et maintenir une température inférieure à la température ambiante

• la cryophysique, qui est la science des propriétés de la matière à très basse température (quelques K)

La distinction entre réfrigération et cryophysique diffère selon l'usage. Dans l'industrie la réfrégiration s'arrête souvent à la liquéfaction de l'air (-190°C environ).

1.1 Bref historique de la production du froid

• 1857 ...

• 1876 ...

1.2 Applications industrielles du froid 

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1.3 Production de froid

Toute transformation endothermique peut constituer un procédé capable de produire du froid soit : 

• fusion d'un solide 

• sublimation d'un solide 

• vaporisation d'un liquide 

• détente d'un gaz 

• effet Peltier, Thomson 

• dissolution des solides, liquides, gaz

Les machines les plus courantes fonctionnent en vaporisant le fluide frigorigène dans la chambre froide. C'est précisément au cours de cette opération que la chaleur est absorbée. 

Remarque : Si l'on désire une production continue de froid, il est nécessaire de réaliser un cycle, c'est à dire de combiner un phénomène exothermique à un phénomène endothermique. Les machines frigorifiques seront donc au moins bithermes. 

1.4 Cycle firgorigfique de Carnot 

Le cycle de Carnot est composé de deux isothermes et de deux adiabatiques. 

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2. Diagrammes frigorifiques

Les diagrammes principalement utilisés par les frigoristes sont :

1. le diagramme température-entropie T - S
2. le diagramme pression-enthalpie (sous la forme ln(P)-H))

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3. Machines à compression mécanique simple

Les machines frigorifiques à compression mécanique simple sont les plus répandues. 

3.1 Machines frigorifiques : principe 

• Le fluide frigorigène se vaporise à la rempérature T₀ et à la pression P₀ en prélevant la quantité de chaleur q_0m ou Q₀ selon les unités. 

• La vapeur est compressée et refoulée la pression P_k

• Dans un deuxième échangeur la vapeur est condensée à la pression P_k et la température T_k constantes en rejetant la chaleur Q_km ou Q_k selon les unités. 

• Le liquipe est détendu de la pression P_k à la pression P₀.

3.2 Représentation du cycle frigorifique théorique 

Le cycle frigorifique est composé des transformations suivantes : 

• une compression polytropique (adiabatique pour le cycle théorique)

• Une condensation isobare 

• uen détente isenthalpique 

• une vaporisation isobare 

Cycle théorique dans le diagramme de Clapeyron 

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3.3 Bilan thermique du cycle 

Utilisons l'expression du premier principe soit : 

ΔW^mec+ΔQ=ΔH

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4. Machines à compression étagée

Lorsque la température du milieu à refroidir devient très basse, la pression d'évaportation est faible. Le rapport de compression prend alors des valeurs élevées ce qui conduit à : 

- un rendement énergétique faible 

- une température en fin de compression élevée ... 

On peut contourner ces inconvénients en scindant la compression en plusieurs phases, comportant un refroidissement entre les phases. 

4.1 Principe de la compression biétagée

En général, la compression biétagée est nécessaire lorsque le taux de compression est supérieur à 25.

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4.2 Machine à injection partielle 

1. Description 

Au cours d'une détente isenthalpique allant jusqu'à la vaporisation partielle il y a production de froid. Ce froid servira à abaisser la température des vapeurs de l'étage basse compression et à sous-refroidir le liquide issu du condenseur. 

Le liquide issu du condenseur est séparé en deux parties : 

• L'une passe par un détenteur auxiliaire R2 où elle est détendue de la pression Pk à la pression Pi. Ce mélange liquide vapeur est ensuite envoyé dans une bouteille intermédiaire où il rencontre les vapeurs issues de la compression "basse". Or la température des vapeurs issues de R2 est inférieure à la température des vapeurs issues de la compression "basse". Cette portion de fluide qui ne subit pas de changement d'état, sert à refroidir les vapeurs issues de la compression du premier étage. 

• L'autre partie du liquide passe dans un serpentin situé dans la partie basse de la bouteille intermédiaire afin de subir un sous-refroidissement. 

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2. Bilan enthalpique

Enthalpies entrantes dans la bouteille par unité de temps : 

q_mB₃ h_B3+q_mC₄ h_C4+q_mB₁ h_B1

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4.3 Machines à injection totale

1.Description 

Si l'on souhaite utiliser la production de froid, générée lors de l'évaporation à l'étage intermédiaire B3B2, il faut modifier la configuration du circuit et préocéder à une injection totale du fluide dans la bouteille intermédiaire. Dans ce type de fonctionnement la totalité du liquide est détendue dans la bouteille. Le schéma de principe devient : 

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2. Machines en cascades : application : liquéfaction de l'azote

Pour liquéfier l'azote, on utilise un cycle ammoniac, qui sert à liquéfier le méthane, puis l'azote. 

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5. Description simplifiée du rendement volumétrique

5.1 Notion de rendement volumétrique

La notion de rendement volumétrique apparaît dans les machines à compression volumétrique, c'est à dire pour l'ensemble des machines qui aspirent, compriment puis renvoient le fluide par déplacement d'un piston dans un cylindre. En adoptant une approche simplifiée, le rendement volumétrique résulte de la présence d'un espace mort. les deux paramètres principaux caractérisant le rendement volumétrique sont alors le volume de l'espace mort et le taux de compression. Dans la pratique, le rendement volumétrique résulte de nombreuses imperfections dont les effets s'ajoutent à l'effet de l'espace mort. 

5.2 Définitions 

1. Cylindrée ou volume balayé : 
C'est le volume balayé par le piston au cours de la course d'aspiration, pendant un tour de l'arbre-manivelle. 

2. Volume mort : 

Espace situé entre le point mort haut (PMH) du piston et le fond de cylindre.

5.3 Cycle du compresseur 

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5.4 Représentation du cycle du compresseur dans le diagramme de Clapeyron : 

La représentation de ce cycle nécessite de distinguer deux cas :

1. Cas où le volume mort est nul 

Dans ce cas la phase d'aspiration débute dès que le piston atteint le point mort haut (ouverture de la soupage d'aspiration au PMH). Le volume réellement aspiré correspond à la longueur AB : le volume balayé est égal au volume aspiré. 

2. Cas où le volume mort n'est pas nul 

Lorsque le piston amorce sa course de descente, le fluide enfermé dans le volume mort subit une détente de la pression P2 à la pression P1. Le soupage d'admission ne s'ouvre que lorsque la pression du fluide est inférieure ou égale à la pression d'admission P1. Il en résulte que la présence d'un volume mort retarde l'ouverture de la soupage d'admission et diminue en conséquence le volume aspiré. 

5.5 Définition du rendement volumétrique 

On définit le rendement volumérique comme le rapport du volume aspiré sur le volume balayé.  

5.6 Expression du rendement volumétrique 

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5.7 Enumération des autres effets susceptibles de réduire le rendement volumétrique 

Outre l'effet du volume mort, il existe de nombreuses causes agissant sur le rendement volumétrique : 

1. Pertes dues aux pertes de charge et aux échanges de chaleur ...

2. Pertes dues aux effets de parois ...

3. Pertes dues aux défauts d'étanchéité ses segments et des clapets ... 

6. Caractéristiques des fluides frigorifiques

6.1 Fluides frigorifiques : nomenclature 

On appele fluides frigorigènes les composés facilement liquéfiables. Ces fluides ont pour formule générique : 

C_xH_yF₂Cl_k

avec : y+z+k=2x+2

Ils s'appellent : 

1.CFC : Chlorofluorocarbures (fréons) si y=0

2. HCFC : Hydrochloroflurocarbures si y <>0

3. HFC: : Hydroflurocarbures si k=0

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6.2 Les gaz fluorés et l'environnement

Les gaz fluorés contribuent à deux effets majeurs modifiant la constitution de l'atmosphère :

2. L'effet de serre

2. La modification de la concentration d'ozone

1. L'appauvrissement de la couche d'ozone 

Par brassage de l'athmosphère les chlorofluorocarbures CFC, aboutissent dans la strataosphère, où le rayonnement ultraviolet libère les atomes de chlore. Ces atomes se recombinent dans l'ozone pour former de l'oxyde de chlore et une molécule d'oxygène selon la rédaction en chaîne suivante : 

(voir schéma disponible sur la version complète du cours)

On estime qu'un atome de chlore peut ainsi détruire plus de 100 000 atomes d'ozone. La production des CFC a été interdite par le protocole de Montréal (1987).

La mesure de la concentration du trou d'ozone au dessus d'un point de la surface terrestre est mesurée en unités Dobson (BU pour Dobson units) soit en moyenne 260 DU entre les tropiques. Partout ailleurs la concentration devrait être plus élévée, avec d'importantes variations saisonnières. 

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7. Mélanges binaires

Nous étudions dans ce chapitre l'équilibre physique entre deux corps purs A et B, répartis en deux phases (liquide-vapeur).

7.1 Règle des phases : 

Définition : 

Phase : On appelle phase toute partie homogène d'un système; exemple : 

- Un mélange gazeux de plusieurs gaz en équilibre ne comporte qu'une phase

- Une solution homoèene de plusieurs corps dissous ne comporte qu’une phase,

- Une solution saturée deux sels en équilibre comporte trois phases. 

Variance : On appelle variance d'un système, le nombre minimum de variables intensives nécessaires, pour définir toutes les phases du système. 

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7.2 Loi de Raoult 

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8. Machines à absorption liquide

Les machines frigorifiques à absorption liquide fonctionnent grâce à la faculté de certains liquides (constituant A ) d’absorber et de désorber une vapeur (constituant B). Le mélange des corps A et B se nomme mélange binaire.

Le constituant A est nommé "absorbant", tandis que le constituant B très volatil est le fluide frigorigène. 

Deux couples sont principalement utilisés : 

1. Eau + Bromure de Lithium (H2O/LiBr), l'eau étant le fluide frigorigène 

2. Ammoniac + Eau (NH3)

8.1 Schéma de principe 

Le schéma de principe de smachines frigorifiques à absorbtion est le même que celui des machines à compression mécanique : 

- vaporisation à basse température 

- condensation à haute température 

La machine est constituée de 4 éléments : Condenseur / Vaporateur / Bouilleur / Absorbeur 

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9. Liquéfaction des gaz

La liquéfaction d'un gaz permet de l'emmagasiner, de le transporter... L'opération la plus simple à réaliser pour liquéfier un gaz est la compression isotherme. Cette opération ne peut être réalisée que si la température initiale du gaz est inférieure à la température critique. 

9.1 Historique 

Historiquement vers 1790 Van Marum fut le premier à liquéfier de l'ammoniac en le comprimant sous 6 atmosphères. Différents gza furent ainsi liquéfier : SO2, Cl2,H2S... Ces gaz présentent tous une température critique supérieure à la température ambiante : la liquéfaction de ces gaz s'effectue par une simple compression (ex: compression isotherme).

Principe : Pour les gaz dont la température critique est inférieure à la température ambiante les premiers essais de liquéfaction furent réalisés par Cailletet (France) et Pictet (Suisse) en 1877. En 1895, Linde réussit à fabriquer pour la première fois de grandes quantités d'air liquide. La machine de Linde sera perfectionnée par Claude en 1905. Ces machines utilisent des cycles à détente. 

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