frigorifique (machine) (suite)

• Compresseurs centrifuges ou turbocompresseurs.
Introduits dans l’industrie du froid vers 1910, ils conviennent particulièrement pour les débits de fluide importants et les taux de compression modérés. Ils comportent en général de 1 à 7 roues, le type à deux roues étant le plus courant, et sont quelquefois semi-hermétiques. Leur puissance peut atteindre 6 millions de frigories/heure. Leur vitesse de rotation s’échelonne entre 3 000 tr/mn (grosses unités) et 120 000 tr/mn (compresseurs « miniatures » utilisés notamment en aviation). Sauf cette dernière exception, les turbocompresseurs sont surtout utilisés pour les grandes puissances frigorifiques, plus particulièrement en conditionnement d’air.

Condenseurs

Ce sont des échangeurs de chaleur où l’on refroidit le fluide comprimé pour le liquéfier. De façon classique, les condenseurs de grand format sont refroidis par eau. On distingue les condenseurs à double tube, les appareils multitubulaires à calandres (horizontaux ou verticaux), les appareils où l’eau ruisselle sur un faisceau de tubes. Les condenseurs multitubulaires sont les plus répandus ; la tendance est à diminuer le diamètre des tubes et à les munir d’ailettes de façon à accroître le coefficient d’échange thermique ; fonctionnant à eau perdue, ces condenseurs multitubulaires sont d’excellents échangeurs de chaleur, de masse et d’encombrement réduits. Mais, devant la pénurie mondiale d’eau, on est amené soit à recycler l’eau de refroidissement, qu’on rafraîchit, au prix d’une légère évaporation, dans des refroidisseurs atmosphériques, ou tours de refroidissement, soit à utiliser des « condenseurs à évaporation », dans lesquels on établit une active circulation d’air à contre-courant de l’eau ruisselant sur le faisceau de tubes contenant le frigorigène. L’un et l’autre de ces systèmes permettent d’économiser 95 p. 100 sur la consommation des condenseurs à eau perdue, au prix d’un accroissement très acceptable de l’énergie consommée.

Les condenseurs peuvent aussi être refroidis par air. C’est la règle dans les réfrigérateurs ménagers (refroidissement par convection naturelle) et la plupart des installations commerciales (avec circulation forcée de l’air par ventilateur). La pénurie d’eau généralisée conduit de plus en plus à utiliser le condenseur refroidi par air dans les installations frigorifiques industrielles.

Évaporateurs

Ce sont des échangeurs de chaleur qui, le plus souvent, transmettent le froid produit par vaporisation du frigorigène à un médium secondaire : air ou liquide. Il est très rare, en effet, que des produits soient refroidis directement par le frigorigène en cours de vaporisation : c’est le cas cependant dans certains procédés de congélation des aliments.

• Les évaporateurs refroidisseurs d’air sont à tubes lisses ou plus souvent à ailettes. L’air est refroidi par convection naturelle (radiateurs de froid) ou par convection forcée (un ventilateur soufflant l’air sur un faisceau de tubes froids).

• Les évaporateurs refroidisseurs de liquide (eau, saumure, liquide alimentaire, solution chimique quelconque, etc.) sont soit constitués d’une batterie de tubes immergée dans un bac, soit du type à double tube ou multitubulaire.

Outre ces deux catégories courantes d’évaporateurs, on rencontre encore des appareils refroidisseurs où le frigorigène s’évapore dans des plaques creuses, dans l’enveloppe d’une cuve ou d’un tambour, etc.

Détendeur et régulation automatique

Le robinet régleur à main des premières installations frigorifiques a depuis longtemps été remplacé par des dispositifs de réglage automatique, plus ou moins complexes, dont l’objet est de doser le frigorigène admis à l’évaporateur en fonction des besoins de l’usager. D’abord introduite systématiquement dans les circuits frigorifiques des réfrigérateurs ménagers, puis commerciaux, la régulation automatique s’est peu à peu étendue aux installations frigorifiques les plus puissantes.

Appareils auxiliaires

Le circuit frigorifique se complète d’un certain nombre d’auxiliaires indispensables, qui sont notamment : un séparateur d’huile, pour arrêter l’huile entraînée par les gaz refoulés, sous forme de gouttelettes ou de vapeur ; une bouteille accumulatrice de liquide, en aval du condenseur, constituant une réserve entre celui-ci et les organes de détente ; un séparateur de liquide qui, dans les installations à ammoniac fonctionnant par regorgement, recueille les gouttelettes de frigorigène liquide entraîné et auquel sont raccordés les évaporateurs.

Machines frigorifiques à compression de gaz (sans changement d’état)

Bien qu’utilisées antérieurement aux machines à compression de vapeurs liquéfiables (la première machine à air de John Gorrie est de 1844), elles sont aujourd’hui beaucoup moins employées parce que leur rendement, dans les domaines courants du froid artificiel, est nettement moins bon. Le fluide le plus utilisé est l’air. Comprimé, il subit un refroidissement à pression constante, puis est détendu dans une machine, à piston ou à turbine, en fournissant un travail que l’on récupère sur l’arbre du compresseur. On peut aussi détendre librement le gaz sans production de travail extérieur (détente Joule-Thomson). En fait, ces deux procédés sont utilisés surtout pour la liquéfaction de l’air. On utilise aussi la machine frigorifique à air pour le conditionnement d’air des avions, parce qu’elle est légère et compacte.

Un cas très particulier de la machine frigorifique à air est le tube Vortex, utilisant l’effet découvert par Ranque en 1931 et perfectionné par Hilsch en 1945 : dans un tube muni d’un diaphragme, de l’air injecté tangentiellement à grande vitesse par une tuyère perpendiculaire à l’axe se détend : une partie sort par le diaphragme plus froid qu’il n’a été introduit, tandis qu’à l’autre extrémité du tube sort de l’air plus chaud. Le rendement est très faible, mais l’appareillage est simple, léger et fiable. Les applications sont actuellement très limitées (refroidissement de vêtements d’ouvriers travaillant devant des fours).