Comment fonctionne un réfrigérateur

Un réfrigérateur utilise le cycle de réfrigération par compression de vapeur pour extraire la chaleur de l'intérieur de l'appareil et la transférer vers l'environnement extérieur. En déplaçant efficacement l'énergie thermique vers l'extérieur, ce transfert refroidit l'espace intérieur. Ce processus repose sur les principes de la thermodynamique et les propriétés des fluides frigorigènes pour transférer efficacement la chaleur dans le système.

Pour vous aider à passer des schémas théoriques que vous allez voir au réfrigérateur de votre maison, voici trois schémas de configurations courantes de réfrigérateurs. Cliquez sur chaque schéma pour obtenir une vue agrandie.

Le modèle classique : le réfrigérateur avec congélateur en haut

L'évolution suivante : le réfrigérateur américain. Certains peuvent être équipés de deux évaporateurs.

Le réfrigérateur multi-portes, très courant sur les modèles haut de gamme ; fréquemment équipé de deux évaporateurs. Vous pouvez trouver d'autres configurations avec deux évaporateurs, notamment sur les modèles américains.

Le cycle de réfrigération comprend quatre composants principaux : le compresseur, le condenseur, la vanne de détente ou capillaire et l' évaporateur. Tous manipulent la pression et l'état (liquide ou gazeux) du fluide frigorigène pour absorber la chaleur à l'intérieur du compartiment et la rejeter à l'extérieur. Vous pouvez voir ces composants dans les schémas ci-dessus, tels qu'ils sont situés dans trois réfrigérateurs différents. Ils utilisent tous les mêmes principes de fonctionnement expliqués ci-dessous.

• Le cycle commence par le compresseur, qui est essentiellement une pompe entraînée par un moteur électrique.
• La fonction première du compresseur est de comprimer le gaz réfrigérant, augmentant ainsi sa température et sa pression.

• Le gaz réfrigérant chaud à haute pression sort du compresseur et entre dans le condenseur, une série de serpentins ou de tubes situés à l'arrière ou sous le réfrigérateur.
• Le gaz libère de la chaleur dans l'environnement extérieur (air), tandis que le ventilateur du condenseur souffle de l'air sur les tubes du condenseur.
• À mesure que le gaz réfrigérant refroidit dans le condenseur, il se condense, libérant plus de chaleur et devenant un liquide chaud, toujours sous haute pression.

• Le réfrigérant liquide chaud à haute pression circule dans un tube de petit diamètre appelé tube capillaire, qui limite le débit du réfrigérant liquide.
• Ce capillaire provoque une perte de pression du liquide réfrigérant lors de son passage.
• À l'extrémité du capillaire, là où il rejoint l'évaporateur, la pression plus basse dans l'évaporateur permet au réfrigérant liquide de se détendre, et une petite quantité repasse à l'état de vapeur.
• Pour passer à l'état de vapeur, cette petite portion de liquide absorbe la chaleur du réfrigérant liquide chaud, refroidissant le reste du liquide et devenant un mélange à basse température de liquide froid à basse pression et d'un peu de gaz.
• Notre schéma montre une vanne de détente, le capillaire effectue la même opération de base.

• Le mélange froid de liquide et de gaz réfrigérant à basse pression circule dans l'évaporateur, un ensemble de serpentins ou de tubes situés à l'intérieur du compartiment réfrigérateur ou congélateur.
• Le liquide réfrigérant contenu dans le mélange se vaporise et, pour ce faire, absorbe la chaleur de l'air à l'intérieur du réfrigérateur, ce qui provoque le refroidissement de cet air.
• Le ventilateur de l'évaporateur fait circuler l'air à l'intérieur du réfrigérateur pour lui permettre de passer devant l'évaporateur froid et de refroidir l'intérieur du réfrigérateur.
• Ce processus de refroidissement de l'air se poursuit jusqu'à ce que la température souhaitée soit atteinte. Lorsque le compresseur est arrêté, le flux de réfrigérant s'arrête, et le refroidissement cesse.

• Le réfrigérant, désormais réchauffé et entièrement transformé en gaz froid à basse pression, retourne au compresseur, où le cycle recommence.

• La température du réfrigérateur est maintenue grâce à un système de contrôle en boucle fermée impliquant des sondes thermiques et des thermostats.
• Lorsque la température à l'intérieur des compartiments dépasse un point de consigne, le thermostat signale au compresseur de démarrer le cycle de réfrigération.
• Une fois la température souhaitée atteinte, le thermostat signale au compresseur de s'arrêter. Lorsque le compresseur s'arrête, le refroidissement s'arrête.

Vous pouvez considérer le réfrigérant comme une éponge à chaleur. Une éponge bien serrée (c'est-à-dire comprimée) est plongée dans une bassine remplie d'eau (l'intérieur du réfrigérateur). Relâcher l'éponge (réduction de la pression/détente) lui permet d'absorber l'eau (la chaleur) de la bassine. L'éponge gorgée d'eau est retirée de la bassine et pressée (compression), ce qui fait couler l'eau dans la cuisine. Répétez ce processus plusieurs fois et vous pourrez extraire une grande partie de l'eau de la bassine d'origine.

Une autre comparaison est le mécanisme de refroidissement du corps humain : la sueur. Votre corps utilise un changement d'état (l'évaporation de l'eau) pour vous refroidir. Votre corps fournit la chaleur nécessaire à ce processus, ce qui vous rafraîchit. Lorsque l'air est sec, l'évaporation se produit rapidement et l'effet rafraîchissant est élevé. Lorsque l'air est humide, la sueur ne s'évapore pas aussi bien et vous vous sentez chaud et moite.

Les bons fluides frigorigènes ont un point d'ébullition bas pour pouvoir absorber la chaleur en bouillant, même dans des conditions froides comme à l'intérieur d'un réfrigérateur ou d'un congélateur. Ils ont également un point critique élevé, qui détermine la température maximale à laquelle ils peuvent exister sous forme liquide et gazeuse, et une chaleur latente élevée, ce qui signifie qu'ils peuvent absorber (ou libérer) plus de chaleur lors des changements d'état (comme du liquide au gaz). Enfin, ils doivent avoir une faible viscosité pour pouvoir circuler dans tout le système avec une perte de charge minimale (sauf dans le tube capillaire), afin que la pression puisse être manipulée pour faciliter le transfert de chaleur, ainsi qu'une densité élevée (pour maximiser la quantité d'énergie stockée dans le composé et augmenter encore son efficacité). Les fluides frigorigènes sont choisis pour leurs structures chimiques qui possèdent ces propriétés, ainsi que d'autres comme une faible toxicité et un coût avantageux.

Un réfrigérateur fonctionne selon les principes de la thermodynamique, en pompant un fluide frigorigène à travers un cycle de tubes qui absorbe la chaleur à l'intérieur du réfrigérateur et la dissipe à l'extérieur.