Grande Encyclopédie Larousse 1971-1976Éd. 1971-1976
F

frigorifique (machine)

Machine de divers types servant à produire du froid.


Les procédés de production du froid sont très nombreux ; ils sont fondés sur des phénomènes physiques ou physico-chimiques.

• Les principaux phénomènes physiques exploités sont :
— les propriétés thermodynamiques des fluides, utilisés dans des cycles à compression et détente, avec ou sans changement d’état ;
— les propriétés thermo-électriques de certains solides ;
— les phénomènes thermiques accompagnant la désaimantation adiabatique de certains cristaux (propriété utilisée en cryogénie pour obtenir des températures proches du zéro absolu).

• Les propriétés physico-chimiques utilisables pour produire le froid sont :
— l’abaissement de température qui se manifeste lors de la dissolution de certains solides ou liquides dans des solvants ;
— les phénomènes thermiques se produisant lors de l’absorption de certaines vapeurs dans des liquides appropriés.


Machines frigorifiques à compression de fluides liquéfiables

Un fluide dit « frigorigène » se vaporise dans un évaporateur en enlevant de la chaleur au milieu extérieur ; un compresseur aspire les vapeurs formées dans l’évaporateur et, après les avoir comprimées, les refoule dans un condenseur (refroidi par circulation d’air ou d’eau), où elles se liquéfient ; un détendeur laisse passer le fluide liquide vers l’évaporateur, en abaissant sa pression. Le premier cycle frigorifique à compression de fluide liquéfiable a été breveté en 1834 par Jacob Perkins.

Le cycle thermodynamique théorique du fluide frigorigène se décompose en quatre phases :
1o une évaporation à pression et à température constantes dans l’évaporateur ;
2o une compression adiabatique de la vapeur humide qui porte la pression à la valeur de saturation à la température de condensation et qui absorbe un certain travail fourni par une source d’énergie extérieure ;
3o une condensation du fluide à pression et à température constantes ;
4o une détente adiabatique du fluide liquéfié dans un détendeur attelé sur le même arbre que le compresseur pour récupérer le travail de détente.

Pour atteindre des températures très basses, impliquant un écart important entre la pression d’aspiration et la pression de refoulement, on a recours à une compression étagée (avec refroidissement intermédiaire) avec le même fluide ou avec des fluides différents (système dit alors « en cascade »). Avec les compresseurs volumétriques, on atteint une température de – 40 °C en un seul étage de compression, – 65 °C en deux étages ; le système à cascade permet d’atteindre – 80 °C en deux étages et – 100 °C environ en trois étages.

Les fluides frigorigènes comprennent notamment l’ammoniac et surtout une série très abondante de dérivés halogènes (chlorés, fluorés, bromés) des hydrocarbures ; ils sont dénommés couramment par la lettre R suivie d’un nombre qui symbolise leur formule (R11, R12, R22, R113, etc.) ; on utilise aussi des mélanges azéotropiques de ces hydrocarbures halogènes. Enfin, pour certaines applications, notamment dans l’industrie du pétrole, on emploie comme frigorigènes les hydrocarbures eux-mêmes : méthane, éthane, propane, etc. Le choix entre ces divers frigorigènes est fondé sur des considérations très diverses : caractéristiques thermodynamiques visant au meilleur rendement pour le niveau de température à obtenir, propriétés chimiques telles que l’action corrosive sur les métaux, les huiles, etc., ou encore toxicité et inflammabilité du produit (sécurité).


Compresseurs

Leur puissance frigorifique, exprimée en watts, mais plus couramment en frigories/heure, s’échelonne de quelques centaines de frigories/heure (compresseurs ménagers) à plusieurs millions de frigories/heure. On peut les ranger en deux grandes catégories : les compresseurs volumétriques et les machines centrifuges à flux radial. Les caractéristiques débit-pression de ces machines diffèrent largement et conditionnent leurs domaines d’application.

• Compresseurs volumétriques.
Ils se classent en divers types d’après leur structure.

• Les compresseurs alternatifs, ou à piston, s’apparentent étroitement aux compresseurs d’air, avec des précautions spéciales pour l’étanchéité. Le premier compresseur frigorifique à piston, pratique et fiable, a été mis au point en 1856 par James Harrison. L’évolution technologique de ces machines a été caractérisée par une vitesse de l’arbre de plus en plus grande (1 500 tr/mn pour les grosses machines, 3 000 ou 3 600 pour les petites), par une masse et un, encombrement de plus en plus réduits, par un nombre croissant de cylindres (jusqu’à 16), disposés en ligne, en V, en W, etc., et par des dispositifs divers commandés automatiquement pour faire varier facilement la puissance frigorifique en fonction des besoins. Dans les machines utilisant des carbures halogénés, on peut enfermer moteur électrique et compresseur dans une enveloppe soudée (groupe frigorifique hermétique) ou boulonnée (groupe semi-hermétique) sous ambiance de fluide frigorigène. Tous les petits compresseurs ménagers sont hermétiques ; des compresseurs industriels semi-hermétiques de 100 000 ou même 200 000 frigories/heure sont d’emploi courant.

• Les compresseurs volumétriques rotatifs, du type à palettes, comportent un rotor excentré par rapport au stator, avec palettes mobiles coulissant dans le rotor ou dans le stator. Relativement peu utilisés dans l’industrie frigorifique, ils trouvent surtout leur place en compression multi-étagée, à l’étage basse pression ; ils sont souvent du type semi-hermétique.

• Les compresseurs à vis comprennent deux rotors hélicoïdes dont l’engrènement provoque la compression. Introduits assez récemment dans l’industrie du froid, ils sont surtout intéressants pour les grandes puissances frigorifiques (jusqu’à 1 500 000 frigories/heure), mais leur domaine s’étend aujourd’hui vers les puissances moyennes ; leurs vitesses de rotation s’échelonnent de 1 500 à 30 000 tr/mn.