La production du froid (TPE)

« •les HFC ou hydrofluorocarbures, non chlorés, sont actuellement en usage.

Ils sont également dérivés du méthane et de l'éthane, mais de nouveaux fluides, cette fois dérivés du propane ou de l'isobutane, sont également produits.

Le choix d'un fluide dépend de ses caractéristiques thermodynamiques (autrement dit, ses capacités à produire un type de froid donné), de son prix, de son interaction (ou plutôt de sa neutralité) avec les éléments techniques environnants et de critères environnementaux et de sécurité (inflammabilité, toxicité, etc.).

MACHINE FRIGORIFIQUE À COMPRESSION MÉCANIQUE CARACTÉRISTIQUES TECHNIQUES Une machine frigorifique à compression est composée de cinq éléments principaux .

•Le compartiment isolé dans lequel est maintenue une basse température .

• l'évaporateur qui est un échangeur de chaleur assurant l'évaporation d'un fluide par absorption de chaleur .

Il existe, suivant la source à refroidir, des évaporateurs à air (convectio n naturelle ou forcée) ou à eau.

•Le compresseur qui permet d'établir de hautes pressions.

On différencie les compresseurs à vapeur -dits volumétriques (compress ion par réduction du volume) qui sont les plus courants ou turbocompresseurs (compression par la force centrifuge) destinés à des installations de fortes puissances -et les compresseurs à piston (compression par transfert d'énergie mécanique).

• Le condenseur est également un échangeur de chaleur qui, cette fois, condense les vapeurs du fluide frigorigène en libérant la chaleur contenue dans ces gaz.

On distingue, suivant le fluide de refroidissement, les condenseurs à air (à convection naturelle ou forcée) et les condenseurs à eau.

• Le détendeur qui régule la pression du fluide et la quantité admise dans l'évaporateur.

À ce dispositif s'ajoute un certain nombre d'organes annexes , tels que le réservoir de fluide, le séparateur d'huile, les pompes à fluide ou à eau, les ventilateurs, les déshydratateurs ...

CYCLE DE RÉFRIGÉRATION La chaleur présente dans le compartiment isolé provoque l'évaporation du fluide frigorigène au niveau de l'évaporateur.

Cette chaleur est absorbée par le fluide, ce qui génère un refroidissement du compartiment isolé.

Les vapeurs formées sont alors dirigées vers la bouteille " anti-coups » qui s'assure que la totalité du fluide soit sous forme gazeuse.

Le gaz est ensuite aspiré par le compresseur, comprimé et dirigé vers le condenseur.

La vapeur sous haute pression et à température élevée cède sa chaleur à un fluide de refroidissement (l'eau ou l'air) et se condense.

Le fluide frigorigène retourne au réservoir et peut à nouveau alimenter le détendeur.

Celui-ci réduit la pression du fluide et régule la quantité distribuée à l'évaporateur.

Le cycle peut alors reprendre.

LA DISTRIBUTION DU FROID La distribution du froid peut être directe ou indirecte.

Dans le premier cas, l'évaporateur se trouve dans le compartiment à refroidir (la chambre froide) .

Ce système est simp le à mettre en œuvre et présente les meilleures performances énergétiques.

Mais la quantité de fluide nécessaire peut être importante et l'utilisation de certains fluides frigorigènes est délicate et règlementée (par exemple, l 'ammoniac).

Concernant la distribution indirecte, le fluide frigor igène refroidit un fluide appelé frigoporteur.

C'est ce dernier qui assure le refroidissement du compartiment isolé.

l'installation est évidemment plus complexe et d 'un rendement énergétique plus faible.

Par contre, plusieurs installations peuvent être alimentées par un même système, tout en confinant les fluides frigorigènes considérés dangereux.

MACHINE FRIGORIFIQUE À ABSORPTION La machine frigorifique à absorption reprend les mêmes principes de fonctionnement qu'une machine à compression , à savoir l'évaporation et la condensation d'un fluide.

Cependant, elle repose également sur la solubilité d'un gaz dans un liquide.

Ainsi, le fluide utilisé est en fait un mélange binaire composé d'un absorbant et d'un fluide frigorigène, plus volatile.

On utilise principalement les couples suivants : •eau et bromure de lithium (l'eau constitue le fluide frigorigène) ; •ammoniac et eau (l'ammon iac est le fluide frigorigène) .

CARACTÉRISTIQUES TECHNIQUES La machine frigorifique à absorption dispose de quatre principaux éléments.

• l'évaporateur: son fonctionnement est le même que pour la machine frigorifique à compression .

Le fluide frigorigène absorbe la chaleur du compartiment isolé, se vaporise et est dirigée vers l'absorbeur .

• l'absorbeur : la vapeur est dissoute dans la solution absorbante (réaction exothermique) et le mélange absorbanVfluide frigorigène est créé.

• Le désorbeur : son rôle est de séparer le fluide frigorigène du mélange en le vaporisant.

On obtient ainsi à la sortie du désorbeur des vapeurs de fluide frigorigène et une solution absorbante .

• Le condenseur : le gaz est liquéfié en cédant sa chaleur à un fluide caloporteur.

COMPARAISON AVEC LA MACHINE A COMPRESSION Les deux systèmes (mécanique et à absorption) fonctionnent sur le principe de l'évaporation et de la condensation d'un fluide.

Leur différence réside dans la façon de restituer au fluide un état liquide .

Pour la machine à compression, c'est l'absorption qui joue ce rôle.

Les machines à absorption ont un rendement moins important.

Néanmoins, sans système mécanique, ces installations ont une durée de vie plus longue et leur maintenance est réduite.

D'autre part, les fluides frigorigènes utilisés n 'ont pas d 'impact sur l'environnement.

•!itM 11!.\ii.JlfJ Trois niveaux de froid sont différenciés selon le type d'application : le froid positif, le froid négatif et le froid ultra négatif .

LE FROID POSITIF Il se rapporte aux températures supérieures à o 0C.

Ses principales applications concernent la climatisation, la réfrigération et le refroidissement.

• La climatisation est un système de conditionnement de l'air régu lant la température, l'hygrométrie et le taux de particules.

Elle permet de maintenir des conditions de confort ou d'exigences de fabrication industrielles (dans l'électronique ou la pharmacologie par exemple).

• La réfrigération est une technique de conservation limitant la dégradation des denrées alimentaires en maintenant une température positive inférieure à 10 °C.

Les durées de conservation varient selon les produits , mais se comptent généralement en heures ou en jours .

• Le refroidissement de machines motrices, tournantes ou électroniques.

LE FROID NÉGATIF Pour des températures comprises entre o et -30 °C, on parle de froid négatif .

La congélation (dite lente) , qui est une technique de conservation des produits biologiques, exploite ce gradient de températures.

Le processus qui entre en jeu est la cristallisation (ou solidification) de l'eau contenue dans les produits.

En maintenant cette basse température, les réaction s biochimiques et le développement bactérien sont stoppés, assurant ainsi la préservation des produits sur des durées variant de 3 à 20 mois .

LE FROID ULTRA NÉGATIF Le froid ultra négatif concerne les températures inférieures à -30 °C.

Il est ...------ -e mployé pour L:~I!!!~= la surgélation j: ou des applications ~~ ~!!!~spécifiques (cryogénie, •-- --•.....,• lyophi­lisation ...

).

La surgé lation est une congélation très rapide qui demande, dans sa mise en œuvre, des températures variant de -40 °C à -196 °C.

La vitesse du procédé conduit à une cristallisation très fine de l'eau .

Les produits sont ensuite conservés à des températures égales ou inférieures à -18 °C.

Les avantages de la surgélation par rapport à la congé lation sont de limiter l'altération des denrées (les fins cristaux de glace n'endommagent pas la structure cellulaire ), une durée de conservation doublée (ent re 9 et 30 mois selon les produits) et une exsudation à la décongélation beaucoup plus faible.

La lyophilisation est une technique de déshydratation qui requiert de très basses températures (-50 à -60 °C).

Une fois le produit congelé et placé sous vide, la dessiccation se fait par sublimation : transformation directe de l'état solide (cristaux de glace) à l'état gazeux .

La cryogénie se rapporte aux températures extrêmement basses (inférieures à -150 °C).

Les domaines d 'applications sont variés : le médical , l ' alimentaire, l'industrie ...

La production du froid a un impact direct et indirect sur l'environnement.

Un impact direct tout d'abord, car certains fluides frigorigènes utilisés ont une action destructrice sur la couche d'ozone .

C'est le cas des CFC et des HCFC.

D'autre part, les hydrocarbures halogénés sont également de puissants gaz à effet de serre qui contribuent au réchauffement climatique.

Leur impact , à concentration égale, serait bien supérieur à celui du dioxyde de carbone (8 500 fois supérieur pour les CFC , 1 700 fois pour les HCFC et 1 300 fois pour les HFC).

Un impact indirect enfin, car les installations de production du froid sont énergétivores.

l'énergie primaire nécessaire à leur fonctionnement est à l'origine d 'un dégagement important de dioxyde de carbone, contribuant encore à l'accroissement de l'effet de serre.

LES SYSTEMES DE PRODUCTION DE DEMAIN Les thèmes actuels de recherche sur la production du froid s'orientent principalement vers des systèmes économes en énergie et " neutres »vis­ à-vis de l'environnement.

Visant à anticiper la demande croissante en froid, les objectifs sont de limiter l'impact écologique et de permettre aux pays émergents d'avoir accès aux technologies du froid.

Une autre voie de développement est celle de l'optimisation des procédés existants, avec toujours les mêmes buts.

C'est par exemple le cas de la trigénération, qui permet d'exploiter la chaleur produite par cogénération (production simultanée d'électricité et d'énergie thermique) pour produire du froid.

LA RÉFRIGÉRATION À ADSORPTION Ce système fonctionne sur le même principe que les machines à absorption.

Cependant, au lieu d'utiliser une solution liquide (absorbant), c'est un solide (gel de silice, charbon actif, ou zéolithe) qui adsorbe la vapeur du fluide frigorigène (eau, ammoniac ou méthanol).

Cette technique est déjà appliquée: le rendement est faible, l'encombrement de la machine important, mais la maintenance est réduite et la consommation énergétique très faible.

lA RÉFRIGÉRATION PASSIVE PAR RAYONNEMENT Tout corps noir émet une énergie (rayonnement thermique) se traduisant par une perte de chaleur et une baisse de sa température.

C'est sur ce principe que repose la réfrigération passive par rayonnement.

Passive, car elle ne met en jeu aucune pièce mobile .

Pour que le refroidissement soit effectif, il faut que le corps noir soit totalement isolé et qu'il ne reçoive aucune énergie extérieure.

C'est un juste équilibre entre le fait de maximiser le rayonnement sortant et de minimiser les énergies entrantes.

Les recherches portent ainsi sur les propriétés du corps rayonnant et sur l'architecture du compartiment réfrigéré.

LES MINI-CANAUX l'utilisation de fluides intéressants en terme environnemental, tels que l'ammon iac ou les hydrocarbures, est limit ée par les risques d'inflammabilité et de toxicité.

Des études sont donc réalisées pour réduire la charge de fluide nécessaire dans les installations classiques.

La " miniaturisation » des composants permet également de réduire la consommation électrique.

Les dernières technologies développées diminuent ainsi la quantité de fluide requis par dix.

LA RÉFRIGÉRATION MAGNÉTIQUE Elle repose sur l'effet magnéto­ calorique d'un corps, générant un échauffement ou un refroidissement sous l'action ou non d'un champ magnétique .

Le rendement est nettement supérieur à celui de l'effet Peltier.

Par rapport aux systèmes de production classique, l'avantage de la réfrigération magnétique est une très faible perte énergétique et donc une efficacité accrue.

De plus, les matériaux en jeu sont solides, et non plus volatiles, d'où un faible impact environnemental.

Les recherches portent actuellement sur la conception de ces matériaux.

LA RÉFRIGÉRATION SOLAIRE Comme l'énonce le second principe de la thermodynamique, pour transférer la chaleur d'une source froide à ~une source chaude, il est nécessaire de fournir de l'énergie.

Des capteurs solaires peuvent produire une source chaude et délivrer cette énergie sous forme de chaleur.

Couplés à une machine à absorption ou adsorption, cette chaleur permet l'évaporation du fluide frigorigène et la production du froid.

Les performances sont pour l'instant limitées , mais le procédé est énergétiquement autonome .. »