Principes et procédés de réfrigération en entrepôt frigorifique

Cet article explique les principes de fonctionnement des systèmes de réfrigération des chambres froides à l'aide de schémas et d'une analyse des processus. L'accent est mis sur ces principes car seule la compréhension de la logique sous-jacente permet d'établir un lien précis entre les problèmes de fonctionnement et leurs causes dans des situations réelles, ce qui permet d'analyser les pannes plus en profondeur et d'y apporter des solutions adaptées. Cet article utilise un langage aussi simple que possible pour expliquer le processus.

Qu'il s'agisse d'un système de stockage frigorifique ou d'un climatiseur, aucun ne « produit » véritablement du froid. La réfrigération est en réalité un transfert de chaleur. Ce transfert s'effectue par la conversion et la circulation continues d'un fluide frigorigène entre l'état liquide et l'état gazeux, réalisant ainsi un échange thermique. Le cycle complet comprend quatre étapes : compression, condensation, détente et évaporation, formant un circuit fermé continu. Lors de sa circulation, le fluide frigorigène absorbe et libère continuellement de la chaleur, en interaction avec les quatre principaux composants et les dispositifs auxiliaires, pour assurer ce transfert thermique.

Cependant, durant ce processus, à quel moment le fluide frigorigène est-il liquide ? À quel moment se transforme-t-il en gaz ? À quel moment est-il sous haute pression, et à quel moment est-il sous basse pression ? Quels sont les principes qui régissent ces changements ?

Processus de compression

Le compresseur comprime le gaz réfrigérant à basse température et basse pression en vapeur à haute température et haute pression

Commençons maintenant par le cœur du système frigorifique : le compresseur. Comme son nom l’indique, sa fonction principale est la compression. Cependant, le fluide comprimé doit toujours être un gaz, car les liquides sont quasiment incompressibles. Si du fluide frigorigène liquide pénètre dans le compresseur, cela peut provoquer des à-coups.

Imaginez un liquide comprimé de force à l'intérieur de la chambre du compresseur : c'est comme si un marteau frappait les composants internes. Si cette situation persiste, le compresseur tombera rapidement en panne et sera irrémédiablement endommagé. C'est pourquoi un séparateur gaz-liquide est généralement installé en amont du compresseur. Il agit comme un gardien de but, retenant le fluide frigorigène qui ne s'est pas complètement évaporé et ne laissant passer que le gaz vers le compresseur.

Après son entrée dans le compresseur, le volume du gaz diminue rapidement tandis que la pression et la température augmentent brusquement, pour finalement se transformer en gaz à haute température et haute pression qui est refoulé du compresseur. Ce processus est communément appelé refoulement.

La température de refoulement est un paramètre essentiel car elle reflète directement l'état de fonctionnement du compresseur et l'état du système frigorifique. C'est pourquoi les groupes frigorifiques sont généralement équipés d'indicateurs de température de refoulement.

Simultanément, le manomètre haute pression est directement raccordé à la conduite de refoulement afin de surveiller la pression en temps réel. Le régulateur de pression (haute/basse pression) y est également connecté. Dès que la pression de refoulement dépasse le seuil de sécurité, le système de protection haute pression se déclenche et arrête automatiquement le compresseur afin de prévenir tout dommage matériel.

De plus, lorsque le gaz à haute température et haute pression sort du compresseur, il emporte également une partie de l'huile du compresseur. C'est là que le séparateur d'huile joue un rôle essentiel. Il sépare l'huile et la renvoie au compresseur, assurant ainsi la lubrification et le bon fonctionnement de ce dernier.

Exemple de schéma de compresseur

Processus de condensation

La vapeur à haute température traverse le condenseur, libère de la chaleur vers l'extérieur et se condense en liquide à haute pression.

Le condenseur sert de station de refroidissement pour le gaz à haute température. Après avoir été comprimé par le compresseur, le gaz réfrigérant à haute température et haute pression pénètre dans le condenseur où il subit une transformation importante : il passe de l’état gazeux à l’état liquide.

Ce processus est similaire à la condensation de la vapeur d'eau en eau lorsqu'elle est refroidie. Pour faciliter le refroidissement et la liquéfaction rapide du fluide frigorigène, le condenseur est équipé de ventilateurs. Cependant, ces ventilateurs ne fonctionnent pas en continu ; leur fonctionnement est précisément régulé en fonction de la pression du système.

En effet, si les ventilateurs démarrent trop tôt, le fluide frigorigène risque de se liquéfier avant que la chaleur nécessaire ne soit évacuée, ce qui réduit l'efficacité du système de réfrigération. À l'inverse, s'ils démarrent trop tard, la pression du système risque de devenir excessive.

Le système utilise donc un contrôleur relié à la conduite de refoulement ou au réservoir de liquide pour détecter la pression et gérer intelligemment le fonctionnement du ventilateur du condenseur. Une fois la liquéfaction du fluide frigorigène terminée, celui-ci s'écoule dans le réservoir de liquide et attend la prochaine étape de son parcours.

Après sa sortie du réservoir de liquide, le fluide frigorigène passe d'abord par le filtre déshydrateur, qui agit comme une étape de purification en éliminant les impuretés, l'humidité et les substances acides du fluide frigorigène.

Certains filtres déshydrateurs contenant du charbon actif sont spécialement conçus pour absorber la paraffine, car l'huile frigorigène peut précipiter la paraffine lorsque les températures descendent en dessous de -35 °C. Les systèmes de réfrigération à moyenne et haute température ne nécessitent généralement pas ce type d'élimination de la paraffine.

Après purification, le fluide frigorigène pénètre dans le voyant.

Le voyant de niveau est un élément essentiel pour évaluer l'état d'un système frigorifique. Les techniciens peuvent l'observer pour déterminer le niveau de sécheresse de la canalisation et vérifier si la charge de réfrigérant est suffisante ou si de l'air est entré dans le système, en recherchant des bulles à l'intérieur du réfrigérant.

À ce stade, le fluide frigorigène est encore à l'état liquide sous haute pression. Pour empêcher le fluide frigorigène de continuer à s'écouler dans l'évaporateur après l'arrêt, une électrovanne est installée après le voyant de niveau afin d'assurer un contrôle précis du débit.

Exemple de schéma de condensateur

Processus d'étranglement

Le liquide sous haute pression traverse le détendeur, sa pression chute instantanément et il se transforme en un mélange gaz-liquide à basse température et basse pression.

Après son passage dans l'électrovanne, le fluide frigorigène atteint le détendeur. Ce dernier joue le rôle de réducteur de pression dans le système frigorifique. Lorsque le fluide frigorigène liquide haute pression traverse le détendeur, l'orifice de détente réduit rapidement la pression, entraînant une chute significative de la pression et de la température du fluide. Le fluide frigorigène se transforme alors en un mélange gaz-liquide basse température et basse pression.

Le processus de détente lui-même ne modifie pas le contenu thermique total du fluide frigorigène. Cependant, la chute de pression soudaine abaisse la température et crée un mélange gaz-liquide capable d'absorber la chaleur à l'intérieur de la chambre froide.

Dans le même temps, le détendeur peut ajuster automatiquement le débit de réfrigérant en fonction de la charge frigorifique de la chambre froide, garantissant ainsi l'efficacité de la réfrigération et la stabilité de la température.

Exemple de schéma de détendeur

Processus d'évaporation

Le fluide frigorigène pénètre dans l'évaporateur, absorbe la chaleur de la chambre froide, se vaporise à nouveau, refroidit l'air et retourne au compresseur pour boucler le cycle.

Ensuite, le mélange gaz-liquide à basse température pénètre dans l'évaporateur, qui est le refroidisseur d'air situé à l'intérieur de la chambre froide.

L'évaporateur est l'élément qui produit réellement l'effet frigorifique. Le fluide frigorigène y absorbe la chaleur de la chambre froide et se transforme progressivement de l'état liquide à l'état gazeux à basse température et basse pression.

À mesure que la chaleur est extraite de l'air stocké, la température de l'air diminue, permettant ainsi à la chambre froide d'atteindre la basse température requise.

Lorsque le fluide frigorigène quitte l'évaporateur, il s'est complètement transformé en gaz saturé et retourne au compresseur pour entamer le cycle frigorifique suivant.

Exemple de schéma d'évaporateur