frigorifique, génie
frigorifique, génie, ensemble des connaissances théoriques et techniques relatives à la réfrigération, incluant la conception des machines, l'étude des transferts thermiques, la sélection des fluides frigorigènes et l'optimisation des procédés de production du froid à différentes échelles industrielles, commerciales et domestiques, ainsi que l'analyse des performances énergétiques, de la sécurité des installations et de leur impact environnemental.
La première machine frigorifique est imaginée par l'Américain Evans en 1805, dans un contexte où les connaissances thermodynamiques restent encore embryonnaires et où les principes de conservation de l'énergie ne sont pas encore formalisés. Mais c'est à Londres, en 1835, qu'un autre Américain, Perkins, réalise le premier circuit frigorifique fonctionnel avec de l'éther comme fluide frigorigène, ouvrant ainsi la voie aux premières expérimentations industrielles du froid artificiel. Cette machine, capable de fabriquer de la glace de manière artificielle, n'a pas immédiatement retenu l'attention des industriels, en raison de sa complexité, de son coût élevé et de son faible rendement énergétique. L'industrie du froid ne prend réellement son essor que plusieurs dizaines d'années plus tard, notamment avec l'emploi des moteurs électriques, la standardisation progressive des composants, l'amélioration des techniques d'étanchéité, ainsi que le perfectionnement continu des compresseurs et des échangeurs thermiques, qui deviennent plus efficaces, plus compacts et mieux adaptés aux usages industriels et domestiques.
Principes thermodynamiques
La production du froid est basée sur le principe fondamental de l'extraction de la chaleur du milieu à refroidir, selon des lois physiques précises de transfert énergétique. Par exemple, un liquide qui s'évapore, ou un gaz comprimé qui se détend brutalement, empruntent de la chaleur au milieu qui les entoure, provoquant ainsi son refroidissement. Or, selon le second principe de la thermodynamique, «la chaleur ne peut passer spontanément d'un corps de température donnée à un autre corps de température supérieure». Aussi, pour extraire de la chaleur à un corps et ensuite la rejeter dans les milieux naturels que sont l'air ou bien l'eau, il faut nécessairement disposer d'un système frigorifique complet, et fournir de l'énergie mécanique, électrique ou thermique à ce système.
D'emblée, il faut préciser que seule la chaleur extraite du milieu le moins chaud est considérée comme utile dans les machines frigorifiques classiques. La chaleur rejetée vers l'extérieur est sans utilité directe, voire constitue une gêne énergétique. Dans le cas particulier des pompes à chaleur, c'est au contraire le rejet de la chaleur qui constitue l'effet utile principal, le froid devenant alors secondaire. L'idéal théorique obtenu avec une «thermo-frigo-pompe», est de produire du froid et simultanément d'utiliser la chaleur rejetée pour le chauffage, ce qui optimise le rendement global du système énergétique.
Les types de machines frigorifiques
Deux types de machines frigorifiques sont actuellement les plus répandus dans l'industrie et le bâtiment : la machine à compression mécanique, étant de loin la plus utilisée à grande échelle, et la machine à absorption, qui peut fonctionner sans électricité directe, avec du butane, du pétrole, ou même à l'énergie solaire, selon les configurations.
L'absorption, le transfert et le rejet de la chaleur se font grâce à un fluide frigorigène confiné dans un circuit entièrement étanche, conçu pour résister à des variations de pression importantes. L'ébullition et la condensation de ce fluide constituent les transformations thermodynamiques de base du cycle frigorifique. Le fluide frigorigène restant à l'état fluide (liquide ou gazeux selon les zones du circuit), il circule facilement d'un élément du circuit à un autre sous l'effet des différences de pression.
Le circuit frigorifique à compression mécanique est constitué pour l'essentiel de quatre éléments fondamentaux interconnectés :
- l'évaporateur, qui est un échangeur thermique entre le milieu à refroidir (air, eau ou solution aqueuse) et le fluide frigorigène, lequel se vaporise en prélevant la chaleur au milieu à refroidir ;
- le compresseur, qui aspire les vapeurs produites par l'évaporateur sous basse pression, puis les refoule sous haute pression vers le condenseur. Les compresseurs à piston sont les plus répandus historiquement, mais depuis les années quatre-vingt, les compresseurs à spirale, à vis et rotatifs prennent une place de plus en plus importante ; des compresseurs centrifuges sont employés lorsque des puissances frigorifiques très élevées doivent être développées, parfois de plusieurs milliers de kilowatts ;
- le condenseur, qui est un échangeur thermique entre le fluide frigorigène et un fluide de refroidissement (air, eau ou solution glycolée) ; le fluide frigorigène s'y condense en libérant sa chaleur et réchauffe le fluide de refroidissement. À la sortie du condenseur, le fluide frigorigène est à l'état saturant, voire légèrement sous-refroidi ;
- le détendeur, qui a pour rôle de réguler le débit de liquide frigorigène admis à l'évaporateur en provoquant une chute de pression contrôlée. Le détendeur thermostatique, le plus utilisé, régule également la surchauffe des vapeurs de fluide frigorigène à la sortie de l'évaporateur ; il assure ainsi une alimentation stable du compresseur en vapeur surchauffée et protège le système contre les retours de liquide.
Avant le protocole signé à Montréal en 1987, les fluides frigorigènes les plus utilisés étaient des dérivés halogénés du méthane et de l'éthane contenant du chlore : les chlorofluorocarbones (CFC) et les hydrochlorofluorocarbones (HCFC). Ils sont aujourd'hui progressivement remplacés, car ils sont potentiellement destructeurs de la couche d'ozone stratosphérique. Les CFC et les HCFC sont désormais substitués par d'autres produits ne contenant pas de chlore, notamment les HFC et les fluides naturels.
Le froid ménager, le froid commercial et le froid industriel
Les réfrigérateurs et les congélateurs domestiques (ou conservateurs) permettent respectivement de conserver les aliments à environ + 5 °C et -20 °C, dans de petits volumes adaptés à la vie familiale et aux besoins quotidiens. Le fluide frigorigène utilisé dans ces appareils a été pendant longtemps le R 12 (CFC), très performant mais nocif pour l'environnement ; il est aujourd'hui remplacé par le R 134a ou le R 600a, considérés comme moins destructeurs pour la couche d'ozone.
Les commerces de proximité ainsi que les supermarchés possèdent des chambres froides, des vitrines réfrigérées de conservation (+ 2 °C), et des vitrines de congélation à - 20 °C, dont le volume intérieur peut atteindre ou dépasser 100 m³ selon les installations. Les chambres froides industrielles ou les tunnels de congélation permettent de refroidir et de conserver les denrées jusqu'à - 25 °C, voire moins dans certains procédés spécialisés. Le volume des chambres froides industrielles peut atteindre plusieurs milliers de mètres cubes, notamment dans les plateformes logistiques alimentaires.
Le fluide frigorigène de prédilection historique est l'ammoniac, en raison de son efficacité thermique élevée, mais dans l'avenir, il sera de plus en plus souvent remplacé par le R 134a, le R 404A et d'autres fluides plus respectueux des normes environnementales. Notons l'importance capitale du froid dans la conservation des denrées alimentaires : on estime qu'un tiers des 4,5 milliards de tonnes de denrées produites chaque année sur la planète nécessite un stockage réfrigéré à un moment de la chaîne logistique. Par ailleurs, la chaîne du froid, de la production jusqu'à la consommation finale, doit être scrupuleusement respectée afin d'éviter toute altération sanitaire.
La climatisation et le conditionnement de l'air constituent les autres applications majeures du génie frigorifique. Les installations frigorifiques ont alors pour but de refroidir, mais aussi éventuellement de déshumidifier et de filtrer l'air des locaux. Les installations peuvent être à refroidissement direct, l'évaporateur étant situé directement dans la pièce à traiter. Le fluide frigorigène doit alors être dépourvu de toute toxicité afin d'éviter les accidents en cas de fuite accidentelle.
Le groupe de compression est généralement placé à proximité immédiate de l'évaporateur afin de limiter les pertes de charge, de réduire les longueurs de tuyauterie et d'obtenir de meilleures performances énergétiques de la machine. Les installations à refroidissement indirect, quant à elles, utilisent un fluide intermédiaire, souvent de l'eau ou de l'eau glycolée, abaissée en température dans un échangeur principal. Cette eau circule ensuite vers des unités terminales qui refroidissent l'air ambiant dans les bâtiments, assurant ainsi une régulation thermique plus souple et plus centralisée.