ETUDE DU RÉFRIGÉRATEUR

TP - L3 Physique-Plate-forme TTE - C.E.S.I.R.E. - Université Joseph Fourier - Grenoble
ETUDE DU RÉFRIGÉRATEUR
BUT DU T.P.
L’objet de ce TP, qui comprend deux parties, est de : comprendre le principe de fonctionnement d’un
réfrigérateur domestique, les idées de base concernant sa construction, son mode de fonctionnement et
l’origine des recommandations faites aux particuliers pour allonger sa durée de vie.
Mettre en évidence les analogies et les différences avec une pompe à chaleur. La machine utilisée dans
cette expérience simule le compartiment d’un réfrigérateur domestique pouvant contenir des boissons,
des légumes,... maintenus vers 3 à 4 ˚C. Les réglages et contrôles en cours de manipulation devront veiller
à éviter des températures négatives dans la partie de l’appareil représentant la charge utile à refroidir.
Dans ces conditions, dans le cas d’un réfrigérateur domestique les bouteilles pourraient exploser. Sur
la machine utilisée en TP, il se formerait de la glace dans l’échangeur et la manipulation devrait être
interrompue pour remettre en état les circuits ce qui peut prendre de 30 minutes à plusieurs jours suivant
les dégâts occasionnés (sans parler du coût de la réparation !).
La notation (⇒doc) signifie « Allez consultez le document annexe : classeur rouge à côté de chaque
expériences ».
1. SYSTÈME FERMÉ SYSTÈME EN ÉCOULEMENT
On peut distinguer 2 types de système thermodynamique :
- les systèmes fermés : ces systèmes peuvent échanger de l’énergie (sous forme de chaleur ou de
travail) avec l’extérieur mais n’échangent pas de matière.
- les systèmes ouverts : ces systèmes peuvent échanger de l’énergie (sous forme de chaleur ou de
travail) avec l’extérieur mais également de la matière. Parmi les systèmes ouverts, les systèmes en écou-
lement permanent sont particulièrement utilisés dans nombre de moteurs et machines thermiques.
Les énoncés des deux premiers principes appliqués à ces deux types de système sont résumés dans le
tableau suivant. Pour les démonstrations correspondantes ⇒doc.
Système fermé Système en écoulement permanent
Masse mconstante Débit massique ˙mconstant
Premier principe
4U=W+Q˙m∆Htot =˙ W+˙ Q
U,Wet Q˙ Wet ˙ Qsont des puissances (unité W)
sont des énergies (unité J) Htot est une énergie massique (unité J/kg)
Deuxième principe
∆S=Sech +Sirr ˙m∆S=˙ Sech+˙ Sirr
Exemple de machines
Moteur à explosion à allumage commandé Turbopropulseur, turboréacteur (cycle de Joule)
(moteur à essence-cycle de Beau de Centrale thermique
Rochas ou Otto) (cycle de Rankine ou de Hirn)
Moteur à explosion à allumage par compression Réfrigérateur, pompe à chaleur
(Moteur Diesel-cycle de Diesel) (cycle de Hirn inversé)
2. RAPPEL SUR LES MACHINES THERMIQUES
2.1. Source froide, source chaude. Dans les ouvrages de thermodynamique, il existe 2 définitions équi-
valentes
1) La source chaude est la source qui cède de la chaleur, la source froide celle qui reçoit de la chaleur,
au cours d’un cycle.
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2) La source chaude est la source qui se réchauffe (qui reçoit de la chaleur), la source froide est la
source qui se refroidit (qui cède de la chaleur), au cours d’un cycle.
Dans l’exemple du réfrigérateur, si l’on utilise la définition 1, la source froide est la cuisine où se trouve
le réfrigérateur, alors que l’utilisation de la définition 2 implique que la source froide est l’intérieur du
réfrigérateur.
Dans la suite du TP nous utiliserons la définition 2, plus proche du sens commun mais qui peut entrai-
ner une confusion entre la notion de chaleur et celle de température.
2.2. Moteur thermique. Un moteur fournit du travail à l’extérieur donc West négatif. Il prélève une
quantité de chaleur Q2à la source chaude et restitue une quantité de chaleur Q1à la source froide. Le
cycle est décrit dans le sens horaire.
2.3. Machine thermique (réfrigérateur ou pompe à chaleur). Une telle machine consomme un travail
mécanique W, prélève une quantité de chaleur Q1à la source froide et en restitue une quantité de chaleur
Q2à la source chaude. Le cycle est décrit dans le sens trigonométrique (ou anti-horaire).
2.4. Rendement. En pratique l’une des sources est un "réservoir thermique" de grande inertie ; sa tem-
pérature d’équilibre n’est pas sensiblement modifiée par la quantité d’énergie qu’on lui cède ou qu’on
lui prélève. L’autre source est une enceinte isolée de volume fini qui atteint une température d’équilibre
quand l’énergie prélevée ou cédée par la machine est compensée par les pertes dues à l’imperfection de
l’isolation.
Dans une machine frigorifique, la source chaude est le réservoir thermique supposé infini (air de
la pièce pour un réfrigérateur, circulation d’eau d’un climatiseur) et la source froide, le volume fini à
refroidir (intérieur de l’armoire et son contenu pour un réfrigérateur, pièce pour un climatiseur). Dans
une pompe à chaleur, la source froide est le réservoir thermique supposé infini (rivière ou atmosphère)
qui représente une source d’énergie gratuite (pour le compte en banque !) et la source chaude le volume
fini à réchauffer (habitation, piscine).
Pour les moteurs, on peut définir le rendement comme le rapport de l’énergie intéressante (travail
W) à l’énergie qu’il a fallu payer (chaleur prise à la source chaude Q2). Ce rendement est toujours
inférieur à 1 et vaut 1−T1/T2dans le cas idéal d’un cycle de Carnot réversible. Pour les machines
thermiques, on préfère définir un COefficient de Performance (COP) ou efficacité, comme le rapport de
l’énergie intéressante (chaleur prélevée à l’évaporateur en machine frigorifique : Q1; ou chaleur cédée
au condenseur en pompe à chaleur : Q2) à l’énergie qu’il a fallu payer (travail W). Ce COP est la plupart
du temps supérieur à 1, dans le cas des machines thermiques, et vaut T1/(T2−T1)pour un réfrigérateur
dans le cas idéal d’un cycle de Carnot réversible.
En préparant ce TP, vous réfléchirez à la différence entre le coefficient de performance et le rendement
thermodynamique (toujours inféieur à 1) habituellement présenté en cours.
2.5. Enthalpie. Les machines thermiques les plus simples, utilisent un fluide caloporteur en circuit
fermé qui subit une succession de transformations ou cycle. Ce cycle permet de faire fonctionner la
machine en continu. Ce type de machine s’appelle “machine à écoulement permanent” et constitue un
système ouvert.
Pour les décrire correctement, considérons une petite partie du fluide caloporteur constituant un sys-
tème fermé, condition nécessaire pour pouvoir appliquer le premier principe de la thermodynamique.
Supposons que ce fluide passe d’un état caratérisé par le volume V1et la pression P1à l’état caractérisé
par le volume V2et la pression P2.
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Dans un système fermé, la variation de l’énergie interne de cette partie du fluide U2−U1est égale
à la somme du travail Wet de la chaleur Qéchangés pendant la transformation. Attention : West la
somme du travail fourni par l’extérieur Wext (par exemple, par le compresseur) et du travail des forces
de pression exercées sur le système considéré par le reste du fluide Wreste.
Ce travail Wreste est égal à P1V1−P2V2(c’est-à-dire à la différence entre le travail qui doit être
effectué pour faire sortir le fluide de volume V1à la pression P1et le travail qu’il faut effectuer pour
occuper le volume V2à la pression P2(⇒doc). Ainsi nous avons :U2−U1=Q+Wext +P1V1−P2V2.
En introduisant l’enthalpie H=U+P V , on obtient finalement : H2−H1=Q+Wext.
C’est pourquoi pour la description de ces machines (système ouvert), l’enthalpie (et non l’énergie
interne) est la grandeur caractéristique du cycle ; on représente en pratique ce cycle sur le diagramme
P-V ou T-S. Le choix de la pression comme deuxième variable est justifiée par le fait que l’échange de
chaleur avec les sources chaude et froide a lieu à pression constante.
3. CYCLE ET DIAGRAMME DE MOLLIER
3.1. Diagramme de Mollier. Le diagramme de Mollier du fluide considéré a pour axes la pression P
et l’enthalpie H(par unité de masse). Sur ce diagramme, des séries de courbes sont déjà tracées : iso-
thermes, isentropiques, isochores (volume constant) ainsi que la courbe de saturation limitant le domaine
de coexistence de deux phases (liquide et gaz). En assimilant le cycle à une succession de transforma-
tion quasi-statiques, le diagramme de Mollier permet de schématiser ce cycle en fonction des paramètres
mesurés et d’en déduire les autres variables d’état en tout point du cycle.
diagramme de Mollier du fluide R134a
3.2. Cycle. Le cycle théorique de base pour toutes les machines est le cycle de Carnot. Ce cycle com-
prend 2 transformations isothermes et 2 transformations adiabatiques ou isentropiques. Il s’agit d’un
cycle à rendement maximum. Les cycles utilisés en pratique s’écartent sensiblement, pour des raisons
techniques, du cycle de Carnot. Les réfrigérateurs ( et pompe à chaleur) à compression utilisent le cycle
de Hirn qui comprend 2 transformations isobares, une transformation adiabatique et une transformation
isenthalpique. Un tel cycle est représenté de façon très simple dans un diagramme de Mollier. Le dia-
gramme de Mollier du fluide considéré (⇒doc) a pour axes la pression Pet l’enthalpie H(par unité de
masse). Sur ce diagramme, des séries de courbes sont déjà tracées : isothermes, isentropiques, isochores
(volume constant) ainsi que la courbe de saturation limitant le domaine de coexistence de deux phases
(liquide et gaz). En assimilant le cycle à une succession de transformations quasi-statiques, le diagramme
de Mollier permet de schématiser ce cycle en fonction des paramètres mesurés et d’en déduire les autres
variables d’état en tout point du cycle.
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Le fluide gazeux (point A) est comprimé de façon adiabatique jusqu’au point B. La vapeur, qui s’est
échauffée lors de la compression, cède de la chaleur à la source chaude en se refroidissant à pression
constante puis en se liquéfiant (à pression et température constantes) dans le condenseur (trajet BC).
En sortie du condenseur (point C), le fluide complètement liquide est détendu par une détente de Joule-
Thomson (trajet CD). Le liquide se refroidit et se vaporise en partie. Il traverse ensuite l’évaporateur où
il se vaporise complètement (à pression et température constantes) en prélevant de la chaleur à la source
froide (trajet DA).
On montre facilement qu’un fluide liquéfiable augmente l’efficacité du cycle : au cours de la liqué-
faction et de la vaporisation (isothermes), on tire profit de la chaleur latente de changement d’état et
l’efficacité est d’autant plus grande que le cycle se rapproche d’un cycle de Carnot. Au voisinage de la
température ambiante, les caractéristiques des fréons R12 (CCl2F2) ou R22 (CHClF2) (la protection
de l’environnement prévoit désormais l’obligation d’utiliser d’autres fluides), du chlorure de méthyle
(CH3Cl) ou de l’ammoniaque (NH3) répondent au souci industriel d’efficacité.
Le cycle réel décrit par le fluide dans la machine s’écarte un peu, pour des raisons pratiques, du cycle
de Hirn. Il a l’allure représentée sur la figure suivante :
La température du fluide en sortie de l’évaporateur est généralement différente de celle de l’évapora-
teur Tvap et le point représentatif n’est pas situé sur la courbe de saturation mais dans la zone ”vapeur”
du diagramme. Il y a surchauffe du gaz à la sortie de l’évaporateur. Suivant le nombre de thermomètres
utilisés, on peut obtenir deux points représentatifs A’ en sortie de l’évaporateur et A en entrée du com-
presseur. Cette surchauffe permet d’être certain que le fluide sera bien entièrement à l’état de vapeur dans
le compresseur (qui ne peut pas comprimer un mélange liquide-vapeur sous peine de casse !). En sortie
du compresseur, on mesure une température correspondant au point B (remarquer qu’il y a augmentation
de l’entropie au cours de la compression) différente de celle du point B’ correspondant à l’entrée du
condenseur. Si l’on mesure la température en sortie du condenseur, on trouve un point C situé dans la
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région "liquide" : on a sous-refoidi le liquide. Ce sous-refroidissement permet d’être certain que le fluide
sera bien à l’état liquide à l’entrée de la vanne de détente. Enfin, la mesure de la température après la
vanne de détente donne en général un point D’, également situé sur l’isenthalpique, mais différent de D.
4. RÉALISATION PRATIQUE
Attention il existe 2 machines thermiques : Machine A et Machine B légèrement différentes
Dans ce T.P., la chaleur Q1(simulant la charge thermique à retirer des aliments d’un réfrigérateur)
est prélevée à un circuit d’eau (évaporateur). Le travail est fourni au fluide par un compresseur hermé-
tique (moteur et compresseur dans la même enceinte). Un deuxième échangeur transfère la chaleur Q2
à la source chaude (second échangeur à eau simulant l’air atmosphérique entourant un réfrigérateur).
Le fluide caloporteur termine son cycle en revenant à la source froide après passage par un détendeur
pressostatique. Le fluide caloporteur est un composé fluorocarboné couramment utilisé dans l’industrie
frigorifique, le R12 dans le cas de la machine B plus ancienne. Ce fluide n’est plus autorisé pour les
nouvelles machines. La machine A contient le Fréon R134a moins nocif pour la couche d’ozone en cas
de fuite.
Machine A
Machine B
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