Réfrigérateur de Carnot — Cycle et systèmes de refroidissement

Réfrigérateur de Carnot

Le principe de fonctionnement des circuits de réfrigération correspond au cycle de Carnot, mais inversé par rapport à celui des moteurs à combustion interne. Ainsi, au prix d'un travail extérieur, le fluide frigorigène extrait la chaleur d'une source froide pour la céder à une source chaude. Un système de réfrigération qui fonctionne conformément à ce cycle se compose des éléments suivants : un condensateur (source chaude, T_c), un évaporateur (source froide, T_f), un compresseur qui augmente la pression et la température du fluide, et un détendeur ou une turbine où la pression et la température du fluide diminuent. Les quatre étapes du cycle sont :

• Compresseur — entraîné par un moteur (travail fourni), il augmente la pression et la température du fluide adiabatiquement, de P₁ à P₂ et de T_f à T_c. (Étape 1–2)
• Condenseur — le fluide atteint le condenseur où il se liquéfie en cédant la chaleur Q₁ au milieu chaud ; il reste alors à température constante T_c. (Étape 2–3)
• Détendeur / Turbine — dans le détendeur, le fluide se détend adiabatiquement : la pression et la température diminuent (vers T_f), ce qui favorise l'évaporation. (Étape 3–4)
• Évaporateur — le fluide atteint l'évaporateur où il s'évapore presque entièrement à la température isotherme T_f, à pression quasi constante, absorbant la chaleur Q₂. (Étape 4–1)

Les cycles de refroidissement réels diffèrent du cycle de Carnot sur au moins deux aspects importants : d'abord, les processus réels ne sont pas réversibles et s'écartent donc du comportement idéal ; ensuite, en pratique on compresse uniquement de la vapeur, car l'entrée du compresseur doit être constituée de vapeur saturée et non d'un mélange liquide‑vapeur (ce dernier poserait de gros problèmes mécaniques). Dans les systèmes réels, on s'assure donc d'obtenir de la vapeur saturée à l'entrée du compresseur en contrôlant l'évaporation dans l'évaporateur.

Un autre point à considérer est l'expansion du liquide saturé : bien que la turbine permette de récupérer du travail, le travail fourni par une turbine placée en sortie du condenseur est généralement beaucoup plus faible que celui nécessaire au compresseur. Pour cette raison, la turbine est souvent remplacée par un organe d'expansion simple, tel qu'un papillon ou une vanne de détente, basé sur la chute de pression d'un fluide passant à travers un rétrécissement. Ainsi, le cycle réellement mis en œuvre s'éloigne de l'idéal et se rapproche du fonctionnement des systèmes industriels.

Il existe essentiellement deux types de systèmes de refroidissement : la vapeur et le gaz. Dans les systèmes à vapeur, le fluide frigorigène s'évapore et se condense en alternance dans les différents éléments du circuit ; dans les systèmes à gaz, le fluide frigorigène reste à l'état gazeux tout au long du cycle.

Systèmes de refroidissement : vapeur et gaz

Dans le système de refroidissement par vapeur, les processus qui ont lieu sont :

• Compression adiabatique du mélange liquide‑vapeur dans le compresseur jusqu'à ce qu'il devienne vapeur saturée. C'est l'étape où le travail est fourni au système (compresseur). (Étape 1–2)
• Condensation — transfert de chaleur du réfrigérant vers l'extérieur (milieu chaud). Le fluide se condense en cédant la chaleur latente de vaporisation et demeure à température et pression constantes. (Étape 2–3)
• Détente — détente adiabatique dans une turbine ou, plus couramment, dans un détendeur : le fluide passe d'un liquide saturé à un mélange liquide‑vapeur, ce qui diminue la pression et la température ; la turbine produirait du travail, mais elle est souvent remplacée par un détendeur, auquel est parfois ajouté un accumulateur qui stocke le liquide provenant du condenseur. (Étape 3–4)
• Évaporation — absorption de chaleur par le fluide dans l'évaporateur. Le fluide se présente comme un mélange liquide‑vapeur et la vapeur s'enrichit jusqu'à retrouver, à la sortie, les conditions initiales de pression, température et volume, initiant un nouveau cycle. (Étape 4–1)

Dans un système à gaz, le cycle théorique est similaire mais les étapes se présentent différemment : la détente adiabatique dans la turbine produit un travail utile (Étape 3–4) ; ensuite, dans un échangeur thermique, le gaz absorbe la chaleur du milieu froid et augmente sa température (Étape 4–1) ; puis le gaz est comprimé adiabatiquement dans le compresseur (travail fourni), ce qui augmente sa pression et sa température (Étape 1–2) ; enfin, le gaz passe à travers un refroidisseur, libérant de la chaleur vers l'extérieur et retrouvant les conditions initiales pour démarrer un nouveau cycle (Étape 2–3).

Parmi les applications des appareils de réfrigération figurent notamment :

• les chambres froides pour le stockage et la conservation des aliments,
• les camions ou wagons frigorifiques pour le transport de marchandises périssables,
• la climatisation,
• et divers services industriels et domestiques.