Histoire du Réfrigérateur
Avant l'invention des réfrigérateurs, les méthodes traditionnelles de conservation des aliments incluaient le salage, le fumage et le séchage. Pendant l'hiver, les gens creusaient des trous pour stocker leurs aliments sous terre, sachant que le froid prolongeait leur conservation, sans en comprendre la raison scientifique.
Les glacières furent les premiers dispositifs utilisés comme réfrigérateurs entre 1860 et 1890. Fabriquées en bois doublé de zinc, elles comportaient des compartiments pour la glace. Malheureusement, la glace devait être remplacée chaque semaine par un livreur de glace. Comme la fabrication de glace n'était pas possible, elle était récoltée en hiver et stockée jusqu'à utilisation.
Le premier réfrigérateur commercial fut introduit en 1911. Il utilisait de l'ammoniac comme réfrigérant, mais celui-ci dégageait une odeur désagréable en cas de fuite et était toxique à l'inhalation. Le développement s'est poursuivi dans les années 1920 et 1930, aboutissant au réfrigérateur domestique moderne utilisant divers types de gaz fréon.
Réfrigérateur Domestique Moderne
Fonctionnement des Réfrigérateurs
Les réfrigérateurs abaissent la température de l'espace de stockage pour ralentir la croissance bactérienne et prévenir la détérioration. Ils fonctionnent en absorbant la chaleur d'une zone et en la transférant à une autre, formant un cycle continu d'évaporation et de condensation, deux processus de chaleur latente.
Chaleur Latente et Sensible
Côté Basse Pression et Côté Haute Pression
Une partie du système de réfrigération réduit la pression et la température du réfrigérant, appelée côté basse pression, se concentrant sur l'évaporation (transformation du liquide en gaz).
L'autre partie augmente la pression et la température du réfrigérant, appelée côté haute pression, se concentrant sur la condensation (transformation du gaz en liquide).
Un système de réfrigération est un système fermé nécessitant un réfrigérant qui change d'état de manière répétée, sûre et efficace. Tous les systèmes de réfrigération comprennent cinq composants principaux : une vanne d'expansion, un évaporateur, un compresseur, un condenseur et un thermostat.
Pièces du Réfrigérateur
Composants du Système de Réfrigération
Pour comprendre un système de réfrigération, commencez par le point où le réfrigérant est liquide, puis suivez-le à travers le système à mesure qu'il change d'état, de pression et de température. Le réfrigérant s'évapore et se condense, absorbant ou libérant de la chaleur (évaporation et condensation respectivement).
Système de Réfrigération
Vanne d'Expansion ou Tuyau Capillaire
Une vanne d'expansion ou un tuyau capillaire marque le début du côté basse pression du système, où le réfrigérant passe de l'état liquide à vapeur. Les petits systèmes utilisent des tuyaux capillaires, tandis que les plus grands utilisent des vannes d'expansion.
Les tuyaux capillaires sont formés en enroulant des tubes en cuivre pour créer un cylindre en spirale ; leur conception est simple, donc cet article se concentre sur la vanne d'expansion et son fonctionnement. Quel que soit le design, l'objectif des tuyaux capillaires et des vannes d'expansion est de réduire la pression et la température.
Une vanne d'expansion régule la quantité de réfrigérant envoyée à l'évaporateur. Le réfrigérant passant par la vanne subit une chute significative de pression et de température. La vanne possède une entrée, une sortie et des composants internes (trim) pour cela.
- L'entrée reçoit du réfrigérant liquide chaud sous pression du condenseur.
- La fonction de la vanne est de réguler (étrangler) le débit de réfrigérant. Le volume traversant la vanne dépend de l'équilibre de pression sur un diaphragme interne. Typiquement, le gaz d'une ampoule de détection agit sur le dessus du diaphragme pour ouvrir la vanne, tandis que la pression de l'évaporateur et un ressort réglable agissent en dessous pour la fermer. L'ampoule de détection forme une boucle de rétroaction autorégulant le débit selon la pression après l'évaporateur. Notez que les positions de l'ampoule et du ressort peuvent être inversées.
- La sortie libère un jet de réfrigérant liquide-vapeur froid, à basse pression, dans l'évaporateur.
Vanne d'Expansion Thermostatique
La plupart des réfrigérateurs utilisent une ampoule de détection remplie de gaz pour indiquer si plus ou moins de refroidissement est nécessaire. Lorsque l'ampoule est plus chaude que la température souhaitée, le gaz se dilate, exerçant une pression sur le diaphragme de la vanne, l'ouvrant pour permettre un plus grand débit de réfrigérant vers l'évaporateur (augmentant ainsi le refroidissement).
Une fois que l'évaporateur a évacué suffisamment de chaleur et rétabli la température désirée, le gaz dans le tuyau capillaire se contracte, fermant la vanne.
En résumé, la vanne d'expansion reçoit le réfrigérant liquide du condenseur et abaisse sa pression, entraînant une baisse de température. La basse pression provoque l'ébullition du réfrigérant en vapeur. Le réfrigérant est à sa température la plus froide en quittant la vanne. Une ampoule de détection envoie un signal à la vanne, converti en mouvement du diaphragme, régulant le débit (étranglement).
Évaporateur
L'évaporateur refroidit l'intérieur des compartiments d'un réfrigérateur. La vapeur froide, à basse pression de la vanne d'expansion circule à travers les serpentins, absorbant la chaleur environnante. Un ventilateur est souvent utilisé dans les grands réfrigérateurs pour augmenter le taux de transfert de chaleur entre les serpentins et l'air ambiant.
Compresseur
Le compresseur est le cœur du cycle de refroidissement, débutant le côté haute pression. Il est l'opposé de la vanne d'expansion, car le réfrigérant est à sa température la plus froide et pression la plus basse en quittant la vanne, et à sa température la plus chaude et pression la plus élevée en quittant le compresseur.
Les compresseurs peuvent être alternatifs (le plus courant), rotatifs ou centrifuges. Leur but est d'augmenter la pression du réfrigérant, en l'aspirant de l'évaporateur, augmentant la pression de la vapeur et la déchargeant vers un condenseur. La compression augmente la température de la vapeur. Le débit à travers le système est causé par la différence de pression (ΔP) créée par le compresseur.
Condenseur
Dans les petits réfrigérateurs, le condenseur est souvent une série de tubes ou une bobine, refroidie par air. Dans les grandes installations, c'est un échangeur de chaleur à tubes et calandre, avec le réfrigérant circulant dans les tubes et l'eau de refroidissement autour. L'eau de refroidissement est l'agent de refroidissement.
Refroidisseur Industriel Moderne
Le condenseur refroidit la vapeur chaude du réfrigérant pour qu'elle devienne liquide. Dans les petits réfrigérateurs, il est souvent à l'arrière. Sa longueur et sa configuration assurent que le réfrigérant a le temps de se refroidir. Comme les évaporateurs, les condenseurs refroidis par air peuvent utiliser un ventilateur axial pour augmenter le transfert de chaleur.
Le réfrigérant liquide du condenseur est envoyé vers la/les vanne(s) d'expansion, fermant ainsi le cycle.
Thermostat
Un thermostat mesure la température intérieure et la compare à la température désirée. Les thermostats peuvent utiliser des signaux mécaniques ou électroniques selon la complexité du système.
Le but principal d'un thermostat est de maintenir la température désirée, en envoyant un signal au compresseur pour démarrer ou s'arrêter selon la température.
Les systèmes utilisant uniquement des signaux électroniques ont des relais pour démarrer et arrêter le compresseur. Les systèmes utilisant des signaux électromécaniques utilisent généralement des bandes bimétalliques pour cela.
Température, Pression et Point de Saturation
Pour évaluer le bon fonctionnement d'un système de réfrigération, les relevés de température et de pression sont des indicateurs clés du niveau de saturation d'un réfrigérant.
Le point de saturation, ou point d'ébullition, est le moment où le liquide ne peut plus stocker d'énergie thermique sans changer d'état. Les définitions suivantes clarifient ce concept.
- La température de saturation est la température à laquelle le liquide bout et devient vapeur.
- La pression de saturation est la pression à laquelle le liquide bout et devient vapeur.
- La vapeur est un gaz contenant des gouttelettes de liquide ; un chauffage supplémentaire transforme la vapeur en gaz.
À mesure que la pression du système augmente, la température de saturation augmente également, c'est-à-dire le point où le liquide commence à se transformer en vapeur. Par exemple, l'eau douce bout à une température inférieure à 100°C (212°F) si la pression est inférieure à la pression atmosphérique (1 bar, 14,5 psi). De même, si la pression du système est augmentée à 100 bars (145 psi), l'eau douce ne commencera à bouillir qu'à une température bien supérieure à 100°C (212°F). Ainsi, en contrôlant la pression du système, il est possible de contrôler la température de saturation du réfrigérant et, par conséquent, son état à divers points du système.
Point d'Ébullition Basé sur la Pression et la Température
Les relevés de température, de pression et de température de saturation sont particulièrement importants pour l'évaporateur et le condenseur car le réfrigérant doit approcher la température de saturation pour s'évaporer ou se condenser.
Les relations entre température, pression et température de saturation sont indiquées dans les tableaux de température-pression de réfrigération. Comme chaque type de réfrigérant a des propriétés différentes (température de saturation différente, etc.), le tableau correct doit être choisi pour le réfrigérant correct.
Détails du Modèle 3D
Ce modèle 3D représente un réfrigérateur domestique typique. L'invention des réfrigérateurs a considérablement changé le cours du développement humain. Il est désormais possible de stocker des aliments pendant des mois avant de les consommer, ce qui a libéré l'humanité des cycles de rareté et d'abondance associés au changement des saisons. De plus, il est désormais possible d'expédier des aliments sur de grandes distances avant de les consommer; cela a permis de grandes concentrations de population dans des zones qui n'auraient pas pu traditionnellement soutenir une telle population. Le modèle 3D montre :
- Compresseur
- Évaporateur
- Condenseur
- Tuyau d'Expansion (Tuyau Capillaire)
Chacun des principaux composants du réfrigérateur a été mis en évidence pour faciliter la compréhension.
Références
https://www.achrnews.com/articles/94025-refrigerant-pressures-states-and-conditions
https://www.fda.gov/consumers/consumer-updates/are-you-storing-food-safely
https://www.youtube.com/watch?v=RdTG3gjZGpI
https://www.swtc.edu/Ag_Power/air_conditioning/lecture/expansion_valve.html
https://www.hvacrschool.com/flash-gas/
https://tigermechanical.net/blog/how-a-refrigerator-compressor-works/
https://www.danfoss.com/en/about-danfoss/our-businesses/cooling/the-fridge-how-it-works