Les grands principes de froid d’une climatisation : tout comprendre.

Pour comprendre la climatisation, il faut comprendre le froid artificiel.

Que ce soit pour conserver ses aliments plus longtemps ou pour ne plus souffrir de la chaleur, on cherche depuis toujours à produire artificiellement du froid.

Si l’utilisation de blocs de glace a longtemps été la solution, les techniques frigorifiques ont beaucoup évolué : réfrigération, congélation, surgélation, climatisation

Grâce à des procédés chimiques, mécaniques et électriques, on est désormais capables de créer du froid, très largement en dessous de 0 degré.

Petite présentation des grands principes de froid et de la climatisation.

froid climatisation

Les bases du froid et de la climatisation

La chaleur est une énergie. Elle se transmet par contact entre les corps.

Elle ne peut pas être produite, ne peut pas être détruite, on peut seulement la convertir. La chaleur ne circule que dans un sens : du corps le plus chaud vers le corps le plus froid. Le refroidissement est donc obligatoirement une élimination de chaleur.

Pour refroidir un corps, il faut non pas comme on pourrait le croire, lui apporter du froid… mais lui enlever de la chaleur !

Le froid c’est l’absence totale de chaleur. On parle aussi de « zéro absolu » (ce qui correspond plus ou moins à -273 degrés Celsius.).

Principe physique

La climatisation, c’est une technique qui permet d’amener l’air ambiant à une température plus faible en lui enlevant de la chaleur.

C’est pourquoi on parle de changement d’état par absorption d’énergie.

Exemple : lorsque vous placez un glaçon sur une surface chaude, il passe de l’état solide à l’état liquide pendant qu’il fond. L’eau va absorber une partie de l’énergie de la surface chaude. L’eau a donc une température plus élevée que le glaçon, et la surface chaude en contact a une température plus basse que celle de la surface qui n’est pas en contact.

Le test du doigt mouillé

Mouillez votre doigt et laissez-le à l’air libre.

Vous ressentirez immédiatement une sensation de fraîcheur sur le bout du doigt.

Pourquoi ? Parce que le liquide s’évapore au contact de la chaleur de votre corps, et que cette évaporation extrait de la chaleur de votre peau.


On appelle cela la thermodynamique : le transfert du froid vers le chaud ne peut se faire de manière spontanée. Seules une technologie, ou des réactions chimiques permettent ce transfert.

Le principe de base derrière la « fabrication de froid » artificielle est donc le changement d’état.

Et ce cycle de changement d’état est assuré par un système frigorifique, ou refroidisseur.

Dans le cas su circuit frigorifique, le système se compose de 4 grands acteurs :

  • le compresseur
  • le condenseur
  • le détendeur
  • et l’évaporateur

Chacun remplit une fonction bien précise pour faire changer l’état du fluide et de l’air, la pression, et donc la température.

Principe chimique

Outre les composés mécaniques et physiques qui permettent de fabriquer du refroidissement, il faut un principe chimique.

Dans le cas de la climatisation, il s’agit d’un fluide réfrigérant, c’est-à-dire un ensemble de composés chimiques condensés et comprimés dans un liquide appelé fluide frigorigène.

La base du cycle de réfrigération ou de climatisation c’est donc un liquide qui est transformé en gaz dans un circuit frigorifique, pour extraire la chaleur de la zone environnante. 

Voir aussi froid et climatisation PDF

Les fluides frigorigènes

Un fluide frigorigène est un mélange de fluides utilisé dans les installations thermodynamiques.

Il va circuler dans le circuit de refroidissement pour induire les changements d’état et l’effet frigorifique de votre appareil.

Il peut s’agir de :

  • HCFC (hydrochlorofluorocarbures), par exemple le R-22...
  • HFC (hydrofluorocarbures) par exemple les R-134a, R-404A, R-407C, R-410A et R-507A...
  • Fluides réfrigérants naturels : R-717 (ammoniac), R-744 (CO2), R-290 (propane), R-600a (isobutane) et R-718 (eau)...
  • Hydrofluorooléfines (HFO)

    Ils se présentent sous forme de bouteilles de gaz comprimé.

Ce sont des produits nocifs pour l’environnement, avec un effet de serre sur la couche d’ozone.

Les fluides frigorigènes utilisés en climatisation et de réfrigération sont réglementés par le décret n° 2015-1790 du 28 décembre 2015 relatif aux gaz à effet de serre.

Il faut une attestation de capacité du technicien frigoriste pour effectuer leur assemblage ou leur renouvellement.

Changement d’état de la matière

Pour provoquer le changement d’état d’une matière, il faut agir sur sa pression, sa température et son volume.

Étape dans le circuit de climatisation

État du fluide frigorigène

Entrée du compresseur

Vapeur basse pression

Sortie du compresseur

Vapeur haute pression

Entrée du condenseur

Vapeur haute pression > liquide haute pression

Sortie du condenseur 

Liquide haute pression

Entrée du détendeur

Liquide haute pression

Sortie du détendeur 

Liquide basse pression

Entrée de l'évaporateur

Liquide basse pression > vapeur basse pression

Sortie de l'évaporateur

Vapeur basse pression

On se réfère aussi au  diagramme enthalpique (ou diagramme de Mollier) pour représenter les états de la matière aux différents stades du refroidissement :

diagramme mollier

Le paradoxe de la climatisation

Nous sommes face à un phénomène de « serpent qui se mord la queue ».

La climatisation produit des gaz à effet de serre > qui participent au réchauffement climatique > qui conduit à une augmentation de l’utilisation de la climatisation.

On cherche donc depuis des années à produire des systèmes de climatisation plus respectueux de l’environnement, avec des alternatives de climatisation écologique...

Les grands principes de la thermodynamique

 grands principes de la thermodynamique

La grande idée de la thermodynamique c’est : « Rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme » (Lavoisier).

  • L’énergie est toujours conservée et constante, si le corps est isolé.
  • Elle ne peut être que transmise d’un système à un autre.
  • On ne crée pas l’énergie, on la transforme. C’est pourquoi on appelle aussi la thermodynamique la science des systèmes en équilibre.

Elle étudie la relation entre pression, volume et température. Elle est utilisée par les frigoristes notamment.

Cette science s’appuie sur 4 grandes Lois de la thermodynamique :

  • Loi de Charles : à une pression donnée et constante, le volume d’une quantité de gaz augmente en fonction de sa température, et inversement. C’est le principe de fonctionnement d’une montgolfière.
  • Loi de Gay Lussac : pour  une certaine quantité  de  gaz  comprise dans un volume donné, sa pression est proportionnelle à sa température (en degrés Kelvin). On se sert de cette loi pour vérifier l’étanchéité d’un circuit frigorifique en introduisant de l’azote et en relevant la pression et la température.
  • Loi de Boyle-Mariotte : à une température constante, le volume d’une masse gazeuse est inversement proportionnel à la pression.
  • Loi de Dalton : la pression totale exercée par un mélange de gaz est égale à la somme des pressions partielles de chaque gaz constituant le mélange.

Toutes ces lois thermodynamiques servent aussi bien à la climatisation non réversible (climatisation froid seul ou climatiseur monobloc froid seul) qu’au fonctionnement d’un climatiseur chaud/froid (réversible ou Inverter).

Le circuit frigorifique

C’est ainsi que la climatisation « transforme » le chaud en froid, ou inversement, que la climatisation réversible produit du chaud avec du froid.

circuit frigorifique ou cycle frigorifique
  1. 1
    Phase 1 du circuit de climatisation : la compression avec le compresseur
    Le compresseur de climatisation « aspire » aspire le fluide frigorigène (basse pression)
    Par compression mécanique, il va faire élever sa pression et donc sa température.
    La différence de pression « injecte » le fluide dans le circuit frigorifique, à l’état gazeux.
    Le gaz haute pression est dirigé vers le condenseur.
  2. 2
    Phase 2 du circuit de climatisation : la condensation avec le condenseur
    Le condenseur (ou échangeur) condense le gaz/vapeur chaud qui se mélange avec l’air et l’eau extérieurs.
    La condensation crée une pression et température constante
    Le gaz/vapeur se transforme en liquide par sous refroidissement
  3. 3
    Phase 3 du circuit de climatisation : la détente avec le détendeur
    Le liquide sous refroidi subit une brusque chute de pression au passage dans le détendeur.
    Lors de ce passage, le détendeur gère le débit de fluide vers l’évaporateur.
  4. 4
    Phase 4 du circuit de climatisation : l’évaporation avec l’évaporateur
    Le liquide provenant du détendeur entre en ébullition dans l’évaporateur.
    L’évaporateur absorbe la chaleur provenant de ce fluide extérieur et le fait passer de l’état de liquide à l’état de vapeur à nouveau.
    Puis ce liquide retourne en circuit fermé vers le compresseur.

    Le cycle recommence…

Le circuit frigorifique en cascade

Les installations frigorifiques en cascade sont utilisées en froid commercial, pour une réfrigération pouvant aller jusqu’à -100 °C ou + 80 °C.

La réfrigération en cascade fait appel à une succession d’installation thermodynamique (compresseur, condenseur, détendeur, évaporateur) qu’on appelle circuit frigorifique.

On parle de cascade, car il y a plusieurs « étages » : l’étage haute pression avec une source chaude (condenseur) refroidie par air ou par eau et l’étage basse pression avec l’évaporateur à air ou à eau.

La pression d’un système en cascade peut devenir très importante : il faut impérativement un dispositif de sécurité pour limiter la pression en augmentant le volume (vase d’expansion) et des soupapes de sécurité.

Pour atteindre une température réfrigérante très basse dans un local commercial alimentaire par exemple, il faut des températures d’évaporation encore plus basses.

techniques de production de froid

Froid et climatisation : quelles sont les techniques de production de froid ?

Les machines à compression utilisant un fluide frigorigène et un circuit frigorifique (le climatiseur ou la pompe à chaleur).

Les machines à absorption ou adsorption, utilisant un procédé chimique basé sur la faculté qu’ont certains liquides à absorber et à désorber une vapeur. On utilise par exemple eau+ bromure de lithium ou ammoniac + eau. 


Ces machines possèdent le même circuit que les machines à compression, mais en supplément elles ont un bouilleur (désorbeur) et un absorbeur pour créer la réaction chimique.


La machine à adsorption « fait du froid avec du chaud ».

Le free-cooling est une technique d’architecture thermodynamique permettant d’assurer un refroidissement naturel et renouvelable, sans compresseur.

Les unités de mesure du froid

Froid, chaleur, température, pression... Il est aussi difficile de définir le froid que de le mesurer. Toutefois il existe des échelles et des unités pour décrire le niveau de froid.

Les unités de mesure du froid

Les unités simplifiées

Le degré Celsius (°C) ou degré Fahrenheit (°F) chez les Anglo-saxons.
Pour mesurer la température.

Le Kelvin (K)
Il s’agit de la mesure « scientifique » de la température, par rapport au zéro absolu (on mesure donc la chaleur ou le froid).
°C = T (K) — 273,15.

Le pascal (Pa)
Pour mesurer la pression dans les systèmes de chauffage et de climatisation.

Le joule (J)
Pour mesurer la capacité d’un système à modifier un état, un rayonnement. On l’utilise pour certains appareils domestiques.

La masse volumique en kg/m3
La masse volumique est la quantité de matière par mètre cube. On l’utilise en thermodynamique pour mesurer les rapports entre air sec et vapeur d’eau.

Le coefficient de performance frigorifique ou COP-froid

Une machine frigorifique est qualifiée performante si elle demande peu d’énergie pour fournir une puissance frigorifique.

Cette performance se mesure avec le calcul du COP-froid (coefficient de performance).

  • Une machine frigorifique à compression a un COP moyen de 3
  • Une machine frigorifique à absorption a un COP moyen de 0,7
  • Une machine frigorifique à adsorption a un COP moyen de 0,5

Les notions de chaleur et de température 

Avec la définition des notions de chaleur et de température, on touche aux principes fondamentaux qui régissent la thermodynamique.

La chaleur est la quantité d’énergie échangée par un corps avec un autre corps (ou système). En tant qu’énergie elle a également un pouvoir moteur. Par exemple, la bougie crée un courant ascendant  au-dessus de sa flamme. Sur une casserole avec de l’eau en ébullition, la vapeur finit par soulever le couvercle.

La température est l’expression mesurée de la chaleur. Donc la mesure de l’énergie interne de la matière. Nous utilisons une échelle de 0 (fonte de la glace) à 100 (ébullition de l’eau) pour avoir une température mesurable.

Comment définir le confort thermique ?

Le confort thermique est une sensation liée au ressenti de la chaleur, et à ce titre il s’agit d’une appréciation subjective.

On considère qu’un confort thermique acceptable en hiver est une sensation suffisante de chaleur.

Les facteurs qui déterminent le confort thermique sont :


1/ La température ambiante (ou de consigne), entre 19 °C et 22 °C.

2/ La température des parois : pour une température de paroi de 16 °C : la température ressentie sera de 18 °C. Voilà pourquoi il est important d’isoler correctement son logement en limitant le plus possible les ponts thermiques.

3/Le mode de chauffage : chauffage par convection, conduction ou rayonnement aura une incidence sur la stratification de la chaleur (l’air chaud remonte sous le plafond tandis que l’air froid reste au niveau du sol).

4/ La ventilation : courants d’air, température en montagnes russe et sans système de régulation… Ou au contraire inertie thermique.

5/ Le taux d'humidité : idéalement entre 40 % et 60 %. Pour réguler au mieux l’humidité, il est nécessaire de mettre en place une ventilation mécanique contrôlée (VMC)

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Lexique du froid

transfert de chaleur à travers l’air

Rayonnement

Le rayonnement est une forme de transfert de chaleur à travers l’airEx. : rayonnement du soleil.

Conduction

Le transfert de chaleur par conduction se fait à l’intérieur d’un corps solide, par mouvement des électrons libres. Les bons conducteurs de chaleur sont aussi de bons conducteurs électriques. Ex. : fer à repasser.

Convection

Transfert de chaleur au sein d’un même fluide liquide au gazeux, avec modification de la densité. Les parties plus chaudes auront tendance à s’élever et les parties plus froides à descendre. A pour effet la stratification de la chaleur, du sol au plafond. Ex. : sèche-cheveux.

Effet Peltier

Phénomène thermoélectrique de transferde chaleur obtenu en soumettant deux types de semi-conducteurs (thermocouples) à une tension continue. On utilise cet effet Peltier dans les petits réfrigérateurs, glacières ou en électronique pour le refroidissement des processeurs ou dans certains petits modèles de climatiseur froid mobile ou de climatiseur froid sans évacuation.

Zéro absolu

Le zéro absolu est une valeur théorique de – 273,15 °C, retenue comme la plus basse température théoriquement possible.

C’est-à-dire le niveau d’énergie le plus bas de la matière, où les atomes sont dans leur état fondamental et amorphe. L’application scientifique du zéro absolu serait par exemple la cryogénie. À l’heure actuelle, le zéro absolu ne peut être atteint, bien qu’il soit possible de s’en rapprocher avec un refroidisseur cryogéniquou un cryostat à désaimantation nucléaire.

Zéro absolu

Liste métier et professionnels du secteur du froid

Au sein de toute entreprise de froid et climatisation, vous retrouverez plusieurs métiers du froid :


  • Monteur en installations frigorifiques et climatiques
  • Technicien de chambres froides
  • Technicien froid et climatisation salaire
  • Ingénieur en Génie climatique
  • Installateur de systèmes réfrigérés
  • Frigoriste
  • Spécialiste de la chaîne du froid…

    Si ces métiers vous intéressent, vous avez la possibilité d’apprendre le froid et la climatisation en suivant une formation froid et climatisation à distance ou en vous inscrivant à une formation climatisation GRETA.

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