Le Repaire des Sciences
Sciences Physiques et Chimiques

 

 

 

    

Le réfrigérateur : comment ça marche ?

 

 

Cette prodigieuse machine sait tirer profit de la notion de changement d'état. Pour comprendre, servons nous de notre expérience quotidienne :

De manière générale,

Dans un réfrigérateur, on se sert exactement de ces constats.

Le fluide pénètre d'abord dans l'évaporateur. Comme c'est un tube très fin, il passe au compte-goutte : les molécules se dispersent et le fluide devient gazeux. Alors très refroidi (à une température de l'ordre de - 40°C), il cherche à se réchauffer en absorbant la chaleur qui se trouve à l'intérieur du réfrigérateur.

Ensuite, le gaz est de nouveau comprimé et liquéfié dans le condenseur (serpentin à l'extérieur), où il libère la chaleur emmagasinée.

A la sortie de ce circuit, le liquide est déshydraté pour le débarrasser de l'eau, de l'air et des différentes impuretés qu'il a ramassé.

En terme d'échanges de chaleur, ce cycle d'évaporation-liquéfaction du liquide de refroidissement porte un nom : le cycle de Carnot.
A -> B : le détendeur diminue la pression du frigorigène (liquide).
B -> C : l'évaporateur fait passer le frigorigène de l'état liquide à l'état gazeux en absorbant de la chaleur (il est donc placé dans l’enceinte à refroidir).
C -> D : le compresseur aspire le frigorigène gazeux et augmente sa pression.
D -> A : le condenseur fait passer le frigorigène de l'état gazeux à l'état liquide en évacuant de la chaleur.
 

Contrairement à ce que l'on croit, le réfrigérateur ne "fabrique" pas du froid, mais capte la chaleur à l'intérieur du frigo. Si on ouvre trop souvent la porte ou si on y met des plats chauds, l'appareil se met en marche plus souvent pour restaurer l'équilibre initial. Il consomme plus donc plus d'énergie. Cette énergie, dissipée, est responsable d'une augmentation globale de la température (le frigo fonctionne comme un radiateur !). Pour refroidir une pièce, il faudrait plutôt que la partie chaude du réfrigérateur se situe à l'extérieur de la pièce, et c'est là le principe de la climatisation.

Il est aussi important de dégivrer le frigo régulièrement : une couche de 2 mm de glace augmente la consommation de 10%, car elle empêche les échanges de chaleur.

 

Quel fluide réfrigérant choisir ?

Un bon fluide réfrigérant doit remplir plusieurs conditions. Il doit s'évaporer à une pression supérieure à la pression atmosphérique et à une température inférieure à 0 °C. Il doit aussi être stable chimiquement, non inflammable, non toxique… et bon marché.

De nombreux liquides frigorigènes ont été utilisés depuis les débuts du frigo. William Cullen a dès le 18e siècle réussi à produire de la glace avec l'éther, qui s'évapore 25 fois plus vite que l'eau. L'éther étant hautement inflammable, l'ingénieur allemand Carl Von Linde fait breveter en 1876 une chambre froide à ammoniac. Ce gaz est idéal, car il faut très peu d'énergie pour abaisser sa chaleur sensible (celle échangée avec le milieu ambiant sans changement de phase). Il suffit ainsi de 130 joules pour faire passer un gramme d'ammoniac gazeux de 25°C à -33°C. Malheureusement, l'ammoniac est aussi très toxique, est il est banni des réfrigérateurs dès les années 1930.

On le remplace alors par le fréon, un gaz de la famille des CFC (chlorofluorocarbones). Mais on s'aperçoit que ce gaz provoque une dégradation de la couche d'ozone. En 1987, 180 pays signent le protocole de Montréal, interdisant son utilisation. Il a depuis été remplacé par des hydrocarbures (isobutane ou hydrofluorocarbones - HFC), sans danger pour la couche d'ozone, mais… puissants gaz à effet de serre.

 

Une autre application du réfrigérateur : le chauffage thermodynamique !

Pour prélever la chaleur à l’intérieur du frigo, on utilise un circuit frigorifique composé principalement des 4 éléments qui réalisent les 4 changements physiques décrits au début de cette étude,

    un compresseur

    un condenseur

    un détendeur

    un évaporateur

Ces éléments sont reliés entre eux par une tuyauterie étanche. Ils forment un circuit fermé dans lequel circule le fluide frigorigène choisi pour sa facilité à s’évaporer et à se condenser.