Fiche de révision : Installations frigorifiques

📋 Plan du Cours

1. Chaleur et thermodynamique
2. Transferts et changements d’état
3. Pression et états de vapeur
4. Principe du circuit frigorifique
5. Familles de fluides frigorigènes
6. Réglementation des fluides
7. Organes de l’installation
8. Incidents de fonctionnement
9. Cycle frigorifique et rendement
10. Saumure et absorption

📖 1. Chaleur et thermodynamique

🔑 Notions clés & Définitions

• Chaleur : Forme d’énergie contenue par tout corps dont la température est supérieure au zéro absolu de -273,2 °C.
• Chaleur spécifique : Quantité de chaleur nécessaire pour élever de 1 °C la température de 1 kilogramme d’un corps.

📝 Points essentiels

• La quantité de chaleur s’exprime en joules, tandis que la calorie est l’ancienne unité correspondant à la chaleur nécessaire pour élever de 1 °C la température de 1 g d’eau et que 1 cal vaut 4,15 joules.

📌 La chaleur sensible modifie la température sans changement d’état, tandis que la chaleur latente provoque un changement d’état sans modifier la température.

💡 Astuce mémo

Chaleur sensible : température ; chaleur latente : état

📖 2. Transferts et changements d’état

★ À maîtriser

• La chaleur se transmet spontanément du corps le plus chaud vers le corps le plus froid.

📌 La conduction transmet la chaleur de molécule en molécule, la convection la transmet par déplacement de liquides ou de gaz de densités différentes, et le rayonnement la transmet par rayons ou ondes.

• Dans une installation frigorifique, le fluide frigorigène s’évapore dans un échangeur au contact de l’air à refroidir et absorbe les calories de cet air.

Compléments

• À la pression atmosphérique, la liquéfaction de la glace à 0 °C met en jeu davantage de chaleur que le chauffage de l’eau liquide de 0 °C à 100 °C.

💡 Astuce mémo

CCR : conduction, convection, rayonnement

📖 3. Pression et états de vapeur

📝 Points essentiels

• Le pascal est l’unité légale de pression et le bar l’unité usuelle, avec 1 bar égal à $10^5\ \text{Pa}$.

• La pression atmosphérique vaut 1013 hPa, soit 1,013 bar, environ 1 bar.

📌 La pression absolue est la pression relative lue au manomètre augmentée de la pression atmosphérique, ainsi une lecture de 5 bars correspond à 6 bars absolus.

📌 La vapeur saturée est en présence de son liquide générateur, la vapeur sèche est entièrement gazeuse à la température de changement d’état, et la vapeur surchauffée est entièrement gazeuse à une température supérieure à cette température.

💡 Astuce mémo

Pression ↑ → température de changement d’état ↑

📖 4. Principe du circuit frigorifique

🔑 Notions clés & Définitions

• Installation frigorifique : Maintient des corps à une température inférieure à la température ambiante grâce à un fluide frigorigène fonctionnant en cycle fermé.

★ À maîtriser

📌 La zone haute pression s’étend du compresseur au détendeur, tandis que la zone basse pression s’étend du détendeur au compresseur.

• Le refroidissement repose sur l’évaporation du fluide frigorigène, qui absorbe la chaleur de l’air avant d’être comprimé, condensé puis détendu dans le circuit fermé.

Compléments

📌 La zone vapeur va de l’évaporateur au condenseur, tandis que la zone liquide va du condenseur à l’évaporateur.

💡 Astuce mémo

Compresser → condenser → détendre → évaporer

📖 5. Familles de fluides frigorigènes

★ À maîtriser

• Les principales catégories sont:

  • les substances inorganiques pures
  • les hydrocarbures
  • les hydrocarbures halogénés
  • les autres fluides

• L’ammoniac est un fluide frigorigène inorganique, gaz incolore à odeur très piquante, dont l’exposition peut provoquer des irritations pulmonaires et oculaires, des détresses pulmonaires et des gelures ou brûlures cutanées.

📌 Les CFC contiennent du chlore, du fluor et du carbone et leur production, mise sur le marché et utilisation sont strictement interdites en France en raison de leur action sur la couche d’ozone.

• Les HCFC, utilisés comme substituts des CFC, ont été interdits à partir du 1er janvier 2015 en raison de leur impact sur la couche d’ozone.

Compléments

📌 Les HFC ne contiennent pas de chlore et ne nuisent donc pas à la couche d’ozone, mais ils contribuent à l’effet de serre.

💡 Astuce mémo

Inorganiques → hydrocarbures → halogénés → autres

📖 6. Réglementation des fluides

★ À maîtriser

📌 Pour intervenir sur une installation frigorifique, l’opérateur doit posséder une habilitation personnelle et son entreprise doit disposer de la capacité professionnelle et être inscrite sur un registre de l’État.

• Lorsqu’un appoint de fluide frigorigène est nécessaire, il faut rechercher et réparer la fuite avant d’ajouter le fluide.

📌 Toute intervention pouvant entraîner une perte de fluide doit être réalisée sur une installation vidée avec une pompe à vide, et les contrôles d’étanchéité doivent être effectués à l’azote.

Compléments

• Après chaque intervention, un rapport indiquant notamment la masse exacte de fluide ajoutée doit être rédigé et un inventaire annuel des quantités de fluide doit être effectué.

💡 Astuce mémo

Chercher → réparer → vider → contrôler → rapporter

📖 7. Organes de l’installation

★ À maîtriser

• Le compresseur aspire les vapeurs froides surchauffées à la pression BP et les élève à la pression HP sous forme de vapeur chaude surchauffée.

• Dans le condenseur, les vapeurs sont désurchauffées, condensées puis sous-refroidies grâce à un échange avec de l’eau de mer ou de l’air.

📌 Le détendeur règle le débit vers l’évaporateur et crée une chute de pression qui provoque une vaporisation partielle du fluide, avec environ 20 % de vapeur et 80 % de liquide à sa sortie.

📌 Le fluide doit sortir de l’évaporateur sous forme de vapeur surchauffée afin de protéger le compresseur contre les coups de liquide.

Compléments

• La bouteille accumulatrice collecte le fluide liquéfié en sortie du condenseur, possède un voyant de niveau et constitue la réserve de fluide de l’installation.

📌 La vanne à pression constante maintient la pression de l’évaporateur et permet notamment à une chambre froide positive de fonctionner à une pression plus élevée qu’une chambre négative.

💡 Astuce mémo

Séparer, condenser, stocker, détendre, évaporer

📖 8. Incidents de fonctionnement

📝 Points essentiels

• Une augmentation de la pression de refoulement correspond à une augmentation de la température de changement d’état dans le condenseur.

• Les causes possibles d’une HP élevée sont:

  • une vanne de refoulement fermée
  • un condenseur encrassé
  • un débit d’eau insuffisant
  • une eau de refroidissement trop chaude
  • un excès de fluide frigorigène

• Les causes possibles d’un déclenchement BP sont: un tirage au vide après fermeture des électrovannes, un manque de fluide frigorigène, un mauvais réglage du pressostat BP, un détendeur déréglé, une vanne de départ liquide fermée

• Les causes possibles d’un refroidissement insuffisant sont:

  • un manque de fluide frigorigène
  • un compresseur hors service ou endommagé
  • un condenseur encrassé
  • un évaporateur fortement givré
  • un filtre déshydrateur encrassé

📌 Le givre sur la culasse du compresseur indique la présence de liquide dans le gaz et impose l’arrêt très rapide du compresseur, contrairement au givre sur les tuyaux d’aspiration qui est normal.

💡 Astuce mémo

Givre sur aspiration normal ; givre sur culasse anormal

📖 9. Cycle frigorifique et rendement

★ À maîtriser

📐 Formule — Le rendement du cycle de Carnot vérifie $\eta = \frac{Q_1+Q_2}{Q_1}=\frac{W}{Q_1}$, avec une source chaude à $T_1$ supérieure à la source froide à $T_2$.

📐 Formule — Le coefficient d’efficacité d’une installation frigorifique vérifie $\varepsilon=\frac{Q_2}{W}=\frac{Q_2}{Q_1+Q_2}$ et est supérieur à 1.

• 🔄 Les transformations du cycle sont:
  1. la compression adiabatique A-B
  2. le refroidissement à pression constante B-B’
  3. la condensation à pression constante B’-C
  4. la détente isenthalpique C-D
  5. l’évaporation à pression constante D-A

📐 Formule — À partir des enthalpies du cycle, le coefficient d’efficacité vaut $\varepsilon=\frac{H_A-H_D}{H_B-H_A}$ et l’exemple présenté donne $\varepsilon=\frac{400-235}{434-400}=4{,}85$.

• La surchauffe dans l’évaporateur est maintenue entre 5 °C et 10 °C par le détendeur afin d’empêcher l’arrivée de liquide au compresseur.

Compléments

• Pour augmenter le coefficient d’efficacité, on peut diminuer le travail en abaissant la pression de refoulement ou augmenter la chaleur absorbée par sous-refroidissement du liquide et surchauffe de la vapeur.

💡 Astuce mémo

A-B compression, B-C condensation, C-D détente, D-A évaporation

📖 10. Saumure et absorption

🔑 Notions clés & Définitions

• Installation à saumure : Immerge l’évaporateur dans un bac de saumure incongelable, puis fait circuler cette saumure par pompe dans des frigorifères placés dans les chambres froides.

★ À maîtriser

• Les saumures sont des mélanges d’eau et de chlorure de sodium ou de chlorure de calcium, et leur concentration en sel augmente lorsque la température d’utilisation diminue.

📌 Le dégivrage d’une installation à saumure consiste à arrêter les compresseurs, chauffer la saumure à 35 °C puis la faire circuler dans les frigorifères.

• Dans une machine à absorption, le chauffage d’une solution riche en ammoniaque diminue sa solubilité, libère le NH3, augmente la pression, puis le NH3 se condense, se détend, s’évapore et est réabsorbé dans une solution pauvre refroidie.

Compléments

• Pour réduire la corrosion et l’acidité d’une saumure au chlorure de calcium, on ajoute généralement 500 g de soude caustique NaOH pour 100 kg de CaCl2.

• À 10 °C, l’eau absorbe 700 fois son volume d’ammoniac, mais cette solubilité diminue lorsque la température augmente.

💡 Astuce mémo

Chauffer la solution → dégager NH3 → évaporer → absorber

📊 Tableaux de synthèse

États du fluide dans le circuit