Le « cycle de réfrigération par compression de vapeur » est le nom donné pour décrire le fonctionnement des circuits fermés utilisés dans les applications de réfrigération.

Il exploite l’évaporation d’un fluide frigorigène à l’intérieur du circuit, plus précisément dans un échangeur de chaleur appelé évaporateur, qui absorbe l’énergie de l’air ambiant ; celle-ci est ensuite délivrée au compartiment de stockage des aliments par convection naturelle ou forcée par un ventilateur (voir aussi « FAIRE FROID » et « PRESSION &TEMPERATURE »).

Une fois évaporé, le réfrigérant ne peut plus absorber des quantités considérables d’énergie, et par conséquent, il doit être ramené à l’état liquide par condensation.

Le problème se pose donc d’avoir un environnement suffisamment « froid » pour absorber l’énergie du réfrigérant, qui ne peut naturellement pas être le même compartiment de stockage qui vient d’être refroidi.

En exploitant la corrélation entre la pression et la température pour le changement d’état selon laquelle des pressions plus élevées correspondent à des températures plus élevées, un compresseur est utilisé pour comprimer le réfrigérant à une pression supérieure à celle de l’évaporateur (jusqu’à 8-10 fois !) afin que le processus de condensation puisse avoir lieu à une température compatible avec une source « froide » facilement disponible, typiquement l’air extérieur.

La condensation se produit donc à une température élevée (généralement 35-55°C) à l’intérieur d’un échangeur de chaleur où les deux fluides sont l’air extérieur et le réfrigérant. Ce dernier se condense et retourne à l’état liquide, tandis que l’air extérieur sera chauffé.

Le réfrigérant liquide est encore à haute pression lorsqu’il quitte le condenseur. Un dispositif d’expansion est donc nécessaire pour dilater le réfrigérant liquide et réduire sa pression à la valeur à laquelle l’évaporation se produit ; le réfrigérant est maintenant revenu à son état initial (liquide à basse pression et température) et peut à nouveau absorber l’énergie de l’air dans le compartiment de stockage des aliments.

Les principaux composants d’un circuit frigorifique sont donc :

Évaporateur : il s’agit d’un échangeur de chaleur semblable à un radiateur lorsqu’il est utilisé avec de l’air (serpentin à ailettes) ou plus compact lorsqu’il est utilisé avec de l’eau (échangeur à plaques, faisceau de tubes) ; il échange de l’énergie par conduction entre le réfrigérant qui s’évapore, changeant d’état de liquide à gaz, et l’air (ou l’eau) environnant qui est refroidi en conséquence. L’évaporation se fait à pression et température pratiquement constantes, à l’exception d’une légère chute de pression. Le réfrigérant sortant de l’évaporateur est un gaz surchauffé dont la température est légèrement supérieure à la température d’évaporation.

Compresseur : c’est un dispositif assurant une compression volumétrique, c’est-à-dire une réduction progressive du volume, à l’aide de systèmes rotatifs ou alternatifs. Le compresseur a pour fonction de faire circuler le réfrigérant à l’intérieur du circuit, plus précisément de l’aspirer sous forme de gaz à partir de l’évaporateur, puis de le comprimer et de le délivrer à une pression plus élevée au condenseur. Le travail mécanique effectué par le compresseur implique une augmentation significative de la température du gaz (parfois supérieure à 100°C) ainsi qu’une consommation d’énergie. La consommation d’énergie du compresseur dépend de la différence entre les deux pressions de fonctionnement. Le réfrigérant qui entre dans le compresseur doit être à l’état gazeux, les liquides étant notoirement incompressibles. Le compresseur commence à fonctionner lorsque l’unité doit fournir du froid, et il est généralement activé par les systèmes de contrôle de la température.

Condenseur : il s’agit d’un échangeur de chaleur similaire à un évaporateur mais légèrement plus grand, qui peut également être un serpentin à ailettes, un échangeur de chaleur à plaques ou un faisceau de tubes. Il échange de l’énergie entre l’air extérieur (ou l’eau) soufflé par les ventilateurs et le réfrigérant sous forme de gaz chaud refoulé par le compresseur. Le réfrigérant est refroidi puis se condense à une température et une pression pratiquement constantes, c’est-à-dire qu’il subit un léger sous-refroidissement. A la sortie du condenseur, le réfrigérant sera à l’état liquide à haute pression et avec une température légèrement inférieure à la température de condensation.

Dispositif d’expansion : il s’agit d’une ouverture calibrée, d’un tube capillaire fin ou d’une vanne de régulation mécanique ou motorisée avec contrôle par microprocesseur. L’étouffement produit par le dispositif d’expansion abaisse la pression du réfrigérant liquide qui quitte le condenseur sans échange d’énergie. On exploite ainsi le principe de Bernoulli selon lequel la vitesse d’un fluide à travers une restriction augmente de manière significative, ce qui entraîne une chute de pression et une baisse correspondante de la température. De cette façon, le réfrigérant liquide revient à une basse pression et une basse température et est prêt à s’évaporer à nouveau, répétant le cycle décrit ci-dessus.

Le dispositif d’expansion a également pour fonction de contrôler le débit de réfrigérant dans le circuit. Une quantité excessive risque d’endommager le compresseur car il ne s’évaporera pas complètement dans l’évaporateur, restant partiellement à l’état liquide. Une quantité insuffisante réduit sensiblement l’efficacité de l’unité, car l’évaporateur n’est pas pleinement exploité.