TPE:La conservation par le froid



I. Le fonctionnement du réfrigérateur


Il existe plusieurs types de réfrigérateurs, le réfrigérateur à compression, présent dans la plupart des foyers, le réfrigérateur à absorption et le réfrigérateur à effet Peltier. Dans cette partie nous expliquerons le fonctionnement de chacun de ces réfrigérateurs.

A. Le réfrigérateur à compression



1) Le fonctionnement
Le réfrigérateur à compression fonctionne selon un principe qui consiste à évaporer un fluide frigorigène tel que (le CFC, le R12 et le R22) qui se trouve généralement à basse pression dans un circuit fermé. Cette évaporation provoque le refroidissement du fluide frigorigène car il s’agit d’une réaction endothermique. Le fluide frigorigène est ensuite à nouveau compressé pour redevenir liquide. Le fluide frigorigène décrit ainsi un cycle perpétuel fermé, ce fluide est donc recyclé indéfiniment.

Figure 1 : Cycle du liquide frigorigène dans un réfrigérateur à compression.
Pour effectuer ce cycle, le liquide frigorigène passe par quatre composants clés qui sont :
  • L’évaporateur
  • Le condensateur
  • Le compresseur
  • Le détendeur

    1) Les composants du système

    a) L’évaporateur
    L’évaporateur est la zone dans laquelle le fluide frigorigène s’évapore en passant à une pression quatre fois moins élevée. C’est lors de ce changement que se crée le froid. L’évaporateur n’est en lui-même qu’un long tuyau qui est relié au compresseur et au détendeur. Ce tuyau tapisse la paroi interne du réfrigérateur. Dans le compartiment « congélation » cette zone est facilement reconnaissable car c’est là que se forme le givre.
    b) Le condensateur
    Le condensateur est une grille en métal présente à l’arrière du réfrigérateur dans laquelle circule le fluide frigorigène. Ce fluide, chauffé après sa sortie du compresseur, est refroidi et permet les échanges thermiques. Il est donc indispensable au bon fonctionnement du réfrigérateur.
    c) Le compresseur
    Le compresseur a pour fonction de faire redevenir le fluide frigorigène à l’état liquide en augmentant la pression. Le compresseur est contrôlé par un thermostat afin de maintenir la température adéquate.
    Il existe trois types de compresseurs :
  • Le compresseur à piston
  • Le compresseur Scroll
  • Le compresseur hélicoïdal.
    Les plus utilisés sont les compresseurs Scroll et à piston car ils n’ont pas besoin d’une maintenance régulière.
    d) Le détendeur
    En général il s’agit d’un tube qui permet de réguler le flux de fluide frigorigène, il permet ainsi d’augmenter les performances.

    B. Réfrigérateur a absorption

    Le réfrigérateur à absorption utilise le même procédé physique que le réfrigérateur a absorption. Cependant le compresseur est remplacé par un générateur qui n’est autre qu’une source de chaleur. Ceci permet d’utiliser des énergies alternatives à l’électricité comme par exemple le gaz.

    1) Le fonctionnement
    Ce type de réfrigérateur utilise un fluide frigorigène et un solvant. Le plus souvent l’on utilise le couple suivant « ammoniac/eau » où l’ammoniac est le fluide frigorigène et l’eau le solvant. Tous comme le réfrigérateur à compression le réfrigérateur à absorption utilise un cycle fermé. Les réfrigérateurs à absorption utilisent la pression qui résulte de la distillation à la place du compresseur. Cette distillation se fait sous l’effet de la chaleur produite par le générateur. La solution « eau/ammoniac » est chauffée dans le bouilleur. La solubilité de l'ammoniac dans l'eau diminue, l'ammoniac gazeux se dégage sous pression. La solution restante dans le bouilleur s'appauvrie en ammoniac. L'ammoniac se sépare des gouttelettes d’eau entrainée dans le séparateur. L'ammoniac va alors se condenser (redevenir liquide) dans le condenseur. Puis l'ammoniac passe à travers le détendeur qui régule son flux pour se retrouver dans l'évaporateur où il est évaporé créant ainsi le froid désiré. Puis l'ammoniac gazeux est absorbé par l'eau dans l’absorbeur (d'où le nom réfrigérateur à absorption.) L'on retourne alors au début du cycle, la solution d’ammoniac passant dans le bouilleur grâce à la différence de concentration présente entre les deux. Les fluides allant toujours du milieu le plus concentré au moins concentré. Certains modèles de réfrigérateur à absorption utilisent quand à eux des pompes
    Les réfrigérateurs à absorption sont composés de six éléments :
  • Le générateur
  • Le condenseur
  • Le bouilleur
  • L'évaporateur
  • L’absorbeur
  • Le séparateur


    Figure 2 : Cycle du liquide frigorigène dans le réfrigérateur à absorption

    2) Composants du système

    a) Le générateur
    Le générateur est une source de chaleur qui peut être produite par la combustion d’un gaz comme c’est le cas pour les réfrigérateurs de camping.
    b) L’évaporateur
    Il est identique à celui du réfrigérateur à compression. Le liquide frigorigène y change d’état, (passe de l’état liquide à l’état gazeux) ce qui conduit à un refroidissement de ce dernier.
    c) Le condenseur
    Le condensateur est une grille en métal présente à l’arrière du réfrigérateur dans laquelle circule le fluide frigorigène. Ce fluide, chauffé après sa sortie du compresseur, est refroidi et permet les échanges thermiques. Il est donc indispensable au bon fonctionnement du réfrigérateur.
    d) Le bouilleur
    C’est la partie du cycle où sera chauffée la solution permettant ainsi de séparer l’ammoniac de l’eau par évaporation.
    e) L’absorbeur
    C’est un récipient qui contient de l'eau à température ambiante, cette solution absorbe l'ammoniac gazeux qui sort de l’évaporateur.
    f) Le séparateur
    Le séparateur permet de purifier la solution d’ammoniac afin qu’elle soit le plus pur possible pour une efficacité optimal du système.

    3) Comment le changement d’état peut provoquer le refroidissement du fluide frigorigène ?
    Lorsqu’un liquide frigorigène change d’état on assiste à une variation de température. Il faut savoir que la température est l’agitation moléculaire. Plus les molécules sont agités et plus la température est élevé et inversement. Quand l’on passe d’un état liquide à un état gazeux l’agitation moléculaire diminue et la température du liquide frigorigène diminue cette réaction est dite endothermique.

    C. Le réfrigérateur à effet Peltier


    Le réfrigérateur à effet Peltier est un système qui équipe en général les petits réfrigérateurs. Le phénomène physique qui lui est associé a été découvert en 1834 par le physicien Jean-Charles Peltier. L’effet Peltier qui est aussi appelé effet thermoélectrique est un phénomène de déplacement de chaleur en présence d’un courant électrique.

    1) Le fonctionnement
    Les réfrigérateurs à effet Peltier utilisent une plaque à effet Peltier. Ce sont des réfrigérateurs d'une autre classe car contrairement au réfrigérateur à absorption et compression ceux-ci n’utilisent pas de réaction endothermique. La plaque contient une multitude de jonctions qui relie des matériaux semi-conducteurs ou conducteur P et N . on privilégie les matériaux à faible effet Joule. Lorsque le courant passe entre les jonctions de P-N la plaque est refroidie. Lorsque le courant passe entre les jonctions de N-P la plaque est chauffée. Pour inverser le sens des échanges thermiques il suffit d’inverser la polarité. La jonction P-N est alors chauffée et la jonction N-P refroidit.

    Figure 3 : Plaque d’un réfrigérateur à effet Peltier

    D. Le Réfrigérateur écologique


    Depuis peu il existe des réfrigérateurs 100% écologiques destinés aux pays en voie de développement ceux-ci repose sur le fonctionnement du réfrigérateur à absorption mais utilise le soleil comme générateur. Il est intéressant car il n’utilise que le soleil comme source d’énergie et qu’il nécessite aucun entretient ce qui fait de lui un réfrigérateur idéal pour le tiers monde, même si des modèles pour les pays développé sont en cours de développement par l’entreprise « Solaref ».

    Figure 4 : Réfrigérateur écologique
    Il est également possible d’acheter un réfrigérateur à basse consommation qui respecte donc plus l’environnement que les autres réfrigérateurs en choisissant un réfrigérateur récompensé du label « A ». En effet comme tous les appareils électroménagers le réfrigérateur est noté sur une échelle de « A » à « G » en fonction de sa consommation d’énergie. Les appareils les plus économes sont les appareils « A » et les moins économes les appareils « G ».

    Figure 5 : classement de la consommation d’énergie en Europe
    Le froid crée par le système complexe du réfrigérateur agit de manière à préserver les aliments, mais il existe aussi des limites à la réfrigération nous verrons dans la suite quelles sont les réactions créées par le froid au niveau des aliments.