Exemple de machine thermique : Les machines frigorifiques

Résumé du document

La conservation des aliments a toujours été un problème pour les hommes. Autrefois, c'est l'utilisation de blocs de glace ou de sel qui permettait de conserver la nourriture. La découverte des caractéristiques thermiques de certains fluides et l'invention des moteurs au cours du XIXe siècle ont permis la construction des premières machines frigorifiques.
La commercialisation de ces appareils a commencé dès l'aube du XXe siècle. Aujourd'hui, tous les ménages sont équipés de tels systèmes (climatisation, réfrigération). On les retrouve également dans le milieu industriel où la réfrigération s'effectue principalement par le biais de ces machines.
Après avoir présenté le principe général des machines frigorifiques, qui sont des pompes à chaleur particulières fondées sur le changement d'état d'un fluide circulant, nous présenterons plus en détail le fonctionnement d'un réfrigérateur. Nous nous intéresserons ensuite aux aspects énergétiques de ces appareils, afin de cerner à quels niveaux les réductions d'énergie sont possibles. Cette étude passera tout d'abord par l'importance des matériaux utilisés pour la construction des machines réfrigérantes, puis par l'analyse des diagrammes énergétiques des cycles.

Extraits

[...] En effet, en absence d'aspérités sur les parois des éléments de la machine, la formation de bulles ou de gouttes est très peu probable. La probabilité d'apparition d'une bulle ou d'une goutte est proportionnelle à exp(-Es/kT), où Es, son énergie superficielle, est très largement supérieur à kT. Au cours de sa formation, la bulle ou la goutte n'est dans ce cas formée que de quelques molécules, et son rayon est donc très faible. D'après la loi de Laplace, la pression subie par le fluide est alors très importante, d'où la faible probabilité d'apparition d'une goutte en l'absence d'aspérité. [...]

[...] La découverte des caractéristiques thermiques de certains fluides et l'invention des moteurs au cours du XIXe siècle ont permis la construction des premières machines frigorifiques. La commercialisation de ces appareils a commencé dès l'aube du XXe siècle. Aujourd'hui, tous les ménages sont équipés de tels systèmes (climatisation, réfrigération). On les retrouve également dans le milieu industriel où la réfrigération s'effectue principalement par le biais de ces machines. Après avoir présenté le principe général des machines frigorifiques, qui sont des pompes à chaleur particulières fondées sur le changement d'état d'un fluide circulant, nous présenterons plus en détail le fonctionnement d'un réfrigérateur. [...]

[...] Pour cela, on peut également optimiser l'évaporateur de manière à former la vapeur sur une faible distance de tuyauterie, laissant ensuite la fin des conduits pour réchauffer la vapeur. Le phénomène de surchauffe cité précédemment est donc utile pour optimiser la performance d'un cycle. Il faut ici à nouveau évoquer l'importance des matériaux utilisés ainsi que des températures et des pressions d'exécution des changements d'état, qui sont des facteurs influents sur la probabilité de formation des bulles. Conclusion A l'issue de ce rapport, nous avons donc pu voir comment les aspects de changements d'état vus en T.D. s'appliquent à des machines d'utilisation courante. [...]

[...] En outre, les températures habituelles d'utilisation des machines frigorifiques impliquent une pression de fluide supérieure à la pression atmosphérique. En effet, on ne peut pas fixer la température de la source froide qui correspond au milieu ambiant, il est donc nécessaire d'adapter la pression du fluide pour lui permettre de se placer dans des conditions de condensation. Cette observation explique la présence d'un compresseur avant l'étape de condensation dans le circuit du fluide. Dans le cas des machines étudiées, la température du fluide est plus élevée que sa température de condensation à pression atmosphérique. [...]

[...] Dans le cadre des politiques énergétiques actuelles, l'optimisation des machines thermiques est donc primordiale. Celle-ci passe à la fois par des matériaux appropriés pour favoriser la formation de bulles initiales et par des conditions de température stimulant les réactions de changements d'état. En outre, il est nécessaire de prendre en compte l'aspect environnemental. En effet, les fluides frigorigènes utilisés (chlorofluorocarbures, hydrochlorofluorocarbures . ) menacent fortement la couche d'ozone et amplifient l'effet de serre. De ce fait, une réglementation a été peu à peu mise en place depuis le début des années 1980. [...]