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Le froid est la sensation contraire du chaud, associée aux températures basses, il abaisse la température des denrées et de ce fait ralentit les évolutions physiologiques, biochimiques et microscopiques. Le froid ne stérilise pas, contrairement à la chaleur: Le stock microscopique n’est jamais totalement détruit, quel que soit le niveau de température atteint. On peut créer le froid artificiellement en effectuant le vide dans une chambre ou par des systèmes réfrigérants tels que les réfrigérateurs ou les congélateurs qui sont deux types fondamentaux de traitement par le froid des denrées alimentaire.

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Plan du document :

1. Introduction

2. Généralités sur le froid

3. Technique de production de froid

4. Fonctionnement d'une machine frigorifique

5. Les types des éléments de base du circuit frigorifique

6. Fluides frigorigènes

1. Introduction

Pour acquérir une température ambiante inférieure à celle extérieure; il est nécessaire de prévoir une installation frigorifique dont la puissance soit correctement déterminée et les composantes parfaitement selectionnées, vue sa nécessité dans le domaine du froid industriel. 

C'est dans ce but, que nous avons entrepris au sein du département génie Energétique de l'école nationale d'ingénieur de Monastir, ce mini-projet qui consiste à décrire une machine frigorifique. 

2. Généralités sur le froid

Le froid est la sensation contraire du chaud, associée aux températures basses, il abaisse la température des denrées et de ce fait ralentit les évolutions physiologiques, biochimiques et microscopiques. le froid ne stérilise pas, contrairement à la chaleur : Le stock microscopique n'est jamais totalement détruit, quel que soit le niveau de température atteint. 

On peut créer le froid artificiellement en effectuant le vide dans une chambre ou par des systèmes réfrigérants tels que le réfrégérateurs ou les congélateurs qui sont deux types fondamentaux de traitement par le froid des denrées alimentaire. 

• Le froid positif : la réfrigération 

• Le froid négatif : la congélation 

La réfrigération : 

Le traitement par le froid "réfrigération" consiste à refroidir, puis à conserver une denrée à température positife (à 0°C) de telle façon que l'eau contenue dans cette denrée, ne puisse être transformée en glasses. 

La congélation : 

Le traitement par le froid "congélation" constite à refroidir, a congeler, et a conserver une denrée à une température très inférieure à celle de l'eau, constitutive en son sein. Une grande partie de cette eau est transformée en glace sous de cristaux plus ou moins gros. Les températures usuelles de conservation par congélation sont comprises entre -10°C et -35°C. 

3. Technique de production de froid

Il existe différentes façons d'obtenir du froid. Le principe réside toujours en un transfert de chaleur (calories), à partir du système à refroidi vers l'environnement. 
La technologie la plus employée dans la grand majoritée des réfrégérateurs électroménagers et dans de nombreuses applications industrielles est la réfrigération à compression de vapeur. 

4. Fonctionnement d'une machine frigorifique

La première chose à comprendre est qu'on fait le froid en prenant de la chaleur (ce qui a pour effet de refroidir).

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5. Les types des éléments de base du circuit frigorifique

a. Différent types de compresseur 

Il y a 4 types de compresseurs : 

• compresseur a piston 

• compresseur à spirale 

• compresseur à vis 

• compresseur centrifuge 

Compresseur à piston : 

Ils équipent principalement les réfrigérateurs ménagers mais on peut aussi les rencontrer pour le froid commercial (faible et moyenne puisssance) et pour les groupes de porduction d'eau glaçée utilisée pour les centrales de traitements d'air. On peut les trouver dans les installations de froid industriel anciennes. 

Compresseur à spirale (Scroll): 

Aussi appelé compresseur scroll; ceux-ci équipent souvent les climatisations du fait de leur discrétion sonore. On les reconnaît à leur forme allongée. leur champs d'application est plutôt pour la climatisation (split-system, multi split,....). Ils peuvent aussi constituer une "centrale" pour assurer le fonctionnement de centrale de traitements d'air via un fluide caloporteur (plus généralement de l'eau pure ou glycose). 

Compresseur à vis (Screw) :

Le compresseur à vis ou hélico-compresseur appartient à la classe des machines volumétriques de type rotatif. Depuis 1976, on assiste à un développement important mondial des compresseurs à vis dans tous les domaines du froid. Depuis quelques années, il est apparue une nouvelle génération de compresseurs à vis de petite et moyenne puissance recouvrant le domaine des compresseurs à pistons de moyenne puissance vus leur efficacités et leur progrès dans l'amélioration du rendement. 

Les compresseurs à vis se répartissent en deux sous-groupes : les birotors et les Mono rotors. 

Compresseurs centrifuge : 

Le compresseur centrifuge ou turbocompresseur est une turb-machine de type radial. Il comprend un rotor animé d'une vitesse de rotation uniforme. il est traversé par le fluide qui s'écoule d'une façon permanente. Vitesse de rotation uniforme et écoulement permanent sont les caractéristiques essentielles des turbo-machine. Le compresseur centrifuge utilise l'augmentation de l'énergie cinétique du fluide, obtenue en utilisant la force centrifugeprovoquée par la grande vitesse périphérique avec laquelle le fluide quitte les aubes du rotor. A la sortie de la roue, le fluide pénètre dans un diffuseur où la vitesse du fluide est convertie en pression. 

Description : Un compresseur centrifuge se compose d'un ensemble mobile constitué par un arbre et une roue à aubages, et d'un jeu d'augbages de prérotation placé à l'aspiration du compresseur. 

b. Différents types d'évaportateur 

• Evaporateur à convection naturelle :

On appelle convection naturelle, le mouvement résultant de la variation de la masse volumique du fluide avec la température, cette variation engendre la formation d’un champ de force gravitationnelle qui conditionne le déplacement des particules du fluide.

Les évaporateurs à convection naturelle sont généralement, réalisés en tube à ailettes et parfois en tubes lisses collés sur une plaque métallique. La réfrigération de l’aire est obtenue par convection naturelle de l'air qui se met en mouvement (l'air froid tombe vers le bas et l'air chaud va vers le haut). Ce procédé est réservé à de faibles puissances frigorifiques; exemple l’évaporateur du réfrigérateur.

• Evaporateur convection forcée : 

On appelle convection forcée, le mouvement provoqué par un procédé mécanique indépendant des phénomènes thermiques ; c’est donc un gradient de pression extérieur qui provoque les déplacements des particules du fluide. L’échange de chaleur avec ventilation forcée consiste à forcer la circulation d'air sur l'évaporateur et ainsi améliorer l'échange thermique entre le fluide frigorigène et le corps à refroidir (air, eau...). Avec ce système, il est possible d'avoir de plus grosses puissances frigorifiques.

c. Différents types de condenseur 

• Condenseur à convection naturelle : 

Ce type de condenseur est réservé aux installations de très faible puissance (réfrigérateurs ménagers); il est constituté par un tube formant un serpention appliqué sur une feuille de tôle formant ailette unique et perforée, le condenseur étant alors placé verticalement derrière le réfrigérateur. 

• Condenseur à convection forcée : 

Pour des puissances frigorifiques supérieures à celles des réfrigérateurs ménagers, il est recommandé d'utiliser des condenseurs à convection forcée afin que les appareils utilisés soient d'un encombrement compatible avec les puissances colorifiques à évacuer. Les condenseurs à convection forcée sont constitués par une batterie ailettée équipée d'un ou plusieurs électroventilateurs qui assurent la circulation de l'air sur le paisceau ailetté, exemple le condenseur d'un climatiseur. 

d. Différents types de détenteurs 

• Détenteur capillaire : 

Le capillaire est un tube en cuivre dont le diamètre est très faible (de l'ordre de 0.6mm à 1.8 mm) et la longueur varie de 1.7m et 7m environ. Il permet d'assurer la détente du fluide frigorigè,e et l'alimentation de l'évaporateur en fluide frigorigène détendu, il relie le condenseur avec l'évaporateur. La détente du fluide frigorigène est obtenue par une chute de pression lors de son passage dans le tube . 

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6. Fluides frigorigènes

a. Définition et rôle 

Un fluide frigorigène (ou réfrigérant) est un fluide pur ou un mélange de fluides purs présents en phase liquide, gazeuse ou les deux à la fois en fonction de la température et de la pression de celui-ci. C'est un agent de transmission thermique qui, dans un système frigorifique, s'évapore a basse température et a basse pression et fournie de la chaleur en se condensant a une température et pression plus élevée. 
Le rôle d'un fluide frigorifigène est d'absorber de la chaleur à l'évaporateur et d'en rejeter au condenseur. 

b. Caractéristiques fondamentales d'un fluide frigorigène : 

Le fluide frigorigène est une substance qui évolue dans les circuits des installations. Grace aux phénomène endothermique et exothermique qui résultent des transformations qu’il subit, il permet d’absorber la chaleur à la source froide et d’en rejeter à la source chaude.

Pour qu’une substance puisse jouer le rôle d’un fluide frigorigène, il faut que:

• Son point d'ébullition soit le plus bas possible à la pression atmosphérique 

• La pression de condensation ne soit pas trop élevée 

• Elle ne doit attaquer ni l'huile ni les métaux du circuit frigorigène

• Elle doit être peu toxique que possible, inflammable et non explosive.

c. Restriction d 'utilisation depuis le protocole de Montréal

Depuis le 16 septembre 1987, le Protocole de Montréal signé par 24 pays et par la Communauté économique européenne et qui compte aujourd'hui 190 pays signataires, est un accord international visant à réduire et, à terme, éliminer complètement les substances qui appauvrissent la couche d'ozone.

La Communauté économique européenne a ainsi depuis voté des lois dans ce sens.

Ce protocole impose la suppression de l'utilisation des CFC (sauf pour des utilisations qualifiées de critiques ou essentielles), de halons, bromure de méthyle et autres substances appauvrissant la couche d'ozone (HCFC, tétrachlorure de carbone, bromochlorométhane, hydrobromofluorocarbone, méthylchloroforme), et cela dans un délai permettant la mise en place de substituts. 

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