Le circuit frigorifique

Partons du principe que vous ne connaissez pas du tout le fonctionnement d'un circuit frigorifique. Qu'il soit destiné à chauffer comme dans une application "pompe à chaleur" ou à refroidir comme dans une climatisation, un réfrigérateur ou même un congélateur.

Pour susciter la réflexion je vais donc partir du plus simple et aller vers l'explication complète, étape après étape.

Etape N°1

Imaginons donc cette situation de départ où nous avons un tube fermé et étanche contenant du gaz. Dessin assez simple... Voilà...

J'avais dit que nous devions réfléchir ensemble à ce qui se passe ici. Alors?

Vous avez raison, il ne se passe rien. Si, au départ, il y avait une différence de température, dès que les échanges avec l'air de la pièce où se trouve le tube sont terminés, le gaz est à température ambiante (voir "les échangeurs de chaleur"). Il est à une pression constante, fonction de cette température (voir "lois des gaz combinés").

Etape N°2

Ajoutons un seul paramètre à ce montage. Une pompe. Vous verrez pourquoi, dans l'étape N°3, nous l'appellerons "compresseur". Mais ici, disons que c'est encore une pompe.

Alors, la réflexion ? Toujours simple en effet. Le gaz se met à tourner. C'est tout.

* Pour les spécialistes: En réalité, rien n'est si parfait. La pompe s'échauffe un peu par les frottements, le gaz est un peu freiné par les pertes de charges dans le tuyau, etc. Ces considérations n'amenant rien à la compréhention d'un circuit frigorifique, ne compliquons pas l'explication inutilement. Nous considérerons donc dans cette page, par convention que tous les systèmes décrits sont idéaux.

Etape N°3

Ici encore, ajoutons un seul paramètre. Un frein. Un système qui empêche le gaz de passer librement.

Ici par contre plus de choses à dire. Vous avez des idées ? Réfléchissez donc encore un peu...

La pompe veut maintenir constant le débit pour lequel elle est conçue. Lorsque le "frein" commence à ralentir le gaz, que va-t-il se passer dans le circuit ? Et bien oui, à l'avant du frein, la pression du gaz va augmenter. Après le "frein" par contre, la pompe aspire le gaz. La pression baisse. Voilà un premier constat. Dans le chapitre concernant "la loi des gaz combinés", nous avons expliqué qu'un gaz s'échauffe si on le comprime et se refroidit si on le détend. Si vous n'avez pas assimilé cette notion, allez la relire avant d'aller plus loin sur cette page. Elle est capitale.

Voici donc ce que donnera le dessin suivant. Le gaz s'échauffe en étant comprimé puis se refroidi en étant détendu. La pompe devient donc bien un "compresseur" et le frein un "détendeur".

Le gaz était partout à température ambiante. On est bien d'accord de dire qu'il est maintenant plus chaud que l'air ambiant du côté de la haute pression et plus froid du côté de la basse pression. Dès l'ors qu'il y a un déséquilibre, un échange commence à avoir lieu et de l'énergie se dissipe d'un côté et est absorbée par le tuyau froid de l'autre. Imaginez que nous avons un mur ou une paroi entre la zone froide et chaude... On approche à grands pas d'un frigo ou d'une pompe à chaleur là... Vous ne trouvez pas ?

Une chose nous manque, l'efficacité. Dans ce système la différence de température entre le gaz et l'air ambiant n'est pas très grande et le volume d'air qui entre en contact avec le tuyau est aussi très limité. L'échange lui-même est très limité par la surface réduite d'un tuyau. Enfin, le gaz ne peut stocker que peu d'énergie. Il ne peut donc en rendre que peu également. L'efficacité du système est donc à améliorer. Voyons ce que l'on peut faire...

Etape N°4

Concentrons-nous sur les échanges de chaleur entre le tuyau et l'air. Autant du côté chaud que du côté froid. Nous avons vu les règles de la physique et les principes qui régissent ces échanges (relire "Les échangeurs de chaleur"). Nous savons ainsi que pour améliorer l'échange on doit augmenter la différence de température entre l'air et l'échangeur (ici le tuyau). On doit aussi augmenter la surface d'échange. Alors ici, allongeons le tuyau en lui faisant faire des aller/retour. Ce sera même un peu plus complexe (voir dans c'est pas sorcier; "l'évaporateur"). L'échange amélioré, les deux températures évoluent également plus rapidement et plus fort.

Si on force mécaniquement plus d'air à passer dans l'échangeur, on augmente encore l'échange. Plaçons donc des ventilateurs. Voilà...

Maintenant, prenons le temps de la réflexion. Ici, se passe bien plus de choses. Les échanges deviennnent tellement importants que nous allons ici forcer un phénomène physique. En réalité, deux phénomènes. L'un opposé à l'autre. L'évaporation et la condensation. Voyons ça brièvement. Ce sera expliqué plus en détails dans l'onglet "C'est pas sorcier" sur la page "Evaporation et Condensation".