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Comment fonctionne un réfrigérateur ... Et la climatisation des maisons et des voitures, par la même occasion ?

Qu'il s'agisse de produire du froid dans l'enceinte d"un frigo, d'une voiture ou d'une maison, le problème est le même : prendre de la chaleur à l'endroit que l'on veut refroidir et l'évacuer vers un endroit qu'il nous importe peu de réchauffer ...

Principe général

Dans tous ces appareils, un liquide circule dans un circuit de tuyaux qui passent à l'intérieur puis à l'extérieur de l'enceinte froide. Ce liquide subit continuellement des transformations : on le force à devenir gazeux (à s'évaporer) puis à devenir liquide (à se liquifier) puis à s'évaporer à nouveau etc ...


Pourquoi et comment ça fonctionne ...

Quand il passe juste à l'intérieur du compartiment froid, on force le liquide frigorigène à s'évaporer. Or, pour s'évaporer, tout liquide a besoin de chaleur.

Mais, ça, vous le savez déjà : c'est ce qui se passe quand vous mettez de l'eau sur votre peau ! Pour s'évaporer, elle doit passer de l'état liquide à l'état gazeux (ce qui est la définition même de l'évaporation). Il lui faut donc trouver la chaleur correspondante (que l'on appelle chaleur latente) ... et c'est à votre corps qu'elle la prend : votre peau s'assèche et vous ressentez du froid : ce froid c'est l'énergie que l'eau vous a prise pour s'évaporer. D'ailleurs, votre corps utilise naturellement ce phénomène pour vous refroidir : en produisant de la sueur !

Dans les appareils de refroidissement, c'est exactement ce principe qui est utilisé : on force le liquide à s'évaporer pour qu'il absorbe de la chaleur (et fasse ainsi baisser la température) autour de lui. Cela se passe donc au moment où il circule dans l'enceinte à refroidir.
   
Le liquide, sous forme gazeuse, poursuit sa route et sort de la "partie froide" et arrive dans les tuyaux à l'arrière de l'appareil. Là, on le force à devenir liquide. En passant de l'état gazeux à l'état liquide, il restitue la chaleur qu'il avait absorbé lors de sa précédente transformation.
Vous pouvez tester : la tuyauterie à l'arrière d'un frigo est très chaude !

Comme vous l'avez compris, ce dispositif est une pompe à chaleur chargée de transporter de la chaleur d'un endroit vers un autre. Et, forcément, en refroidissant un endroit, on en réchauffe un autre ...

Selon l'enceinte que l'on refroidit (armoire isolée, pièce d'habitation ou habitacle de voiture) et l'emplacement du circuit "chaud" du dispositif, la pompe à chaleur s'appelle réfrigérateur, climatiseur ou climatisation de voiture ... Mais il s'agit strictement du même principe !

Les différentes machines de ce cycle

En terme d'échanges de chaleur, ce cycle d'évaporation-liquéfaction du liquide de refroidissement porte un nom : le cycle de Carnot.
A -> B : le détendeur diminue la pression du frigorigène (liquide).
B -> C : l'évaporateur fait passer le frigorigène de l'état liquide à l'état gazeux en absorbant de la chaleur (il est donc placé dans l’enceinte à refroidir).
C -> D : le compresseur aspire le frigorigène gazeux et augmente sa pression.
D -> A : le condenseur fait passer le frigorigène de l'état gazeux à l'état liquide en évacuant de la chaleur.
   

Des liquides élaborés pour refroidir mieux

Ce liquide est très élaboré, il ne s'agit pas simplement d'eau mais d'un fluide que l'on qualifie de frigorigène c'est-à-dire un fluide capable de produire du froid très efficacement : il a besoin d'un maximum de chaleur pour s'évaporer (pour qu'il "pompe" un maximum de chaleur). On a longtemps utilisé des composés fluoro-chlorés (CFC, Chloro-Fluoro-Carbone) dans ces systèmes de refroidissement, mais depuis 1997, ils sont strictement interdits car ils sont très néfastes pour l'environnement.Depuis, on utlise donc d'autres fluides, essentiellement des HFC (Hydro Fluoro Carbones).

Selon les constructeurs, les fluides frigorigènes sont plus ou moins efficaces, les détendeurs et compresseurs sont plus ou moins performants, les enceintes sont plus ou moins bien isolées.

Tout ceci se traduit par une consommation d'électricité plus ou moins élevée, indiquée sur l'étiquette de consommation qui est devenue obligatoire sur les appareils de froid (réfrigérateurs, congélateurs, combinés) en Europe depuis 1995.

Mais, la consommation de votre réfrigérateur ou congélateur dépend aussi de vous : réflechissez avant de les ouvrir, ne les laissez pas ouvert trop longtemps, n'y mettez pas de plat encore chaud ou tiède et dégivrez-les régulièrement !

Peut-on refroidir la cuisine en ouvrant la porte du réfrigérateur ?

Non, bien sûr ! La chaleur prise à l'intérieur est restituée à l'extérieur ... et, en plus, le frigo consomme de l'électricité pour fonctionner. Cela veut dire que son moteur chauffe et que cette chaleur s'évacue dans la pièce. Voilà qui est étonnant : globalement, un réfrigérateur chauffe plus qu'il ne refroidit ! Son "seul" intérêt est d'obtenir dans un endroit confiné une température plus basse ...

"Et les mini-climatiseurs mobiles qui se placent dans la pièce à refroidir ?!"

Et, bien, à part ceux qui ont deux unités reliées (l'une soufflant de l'air froid dans la pièce et l'autre soufflant de l'air chaud dans une autre pièce ou à l'extérieur de la maison), ils ne font que réchauffer la pièce où ils sont installés ! Il n'y a pas de miracle : ils doivent évacuer la chaleur prélevée du côté froid (plus la chaleur de leur moteur !).

Sans évacuation de chaleur vers l'extérieur, ce ne sont en fait que des ventilateurs "améliorés" puisque l'air qu'ils soufflent est effectivement refroidi. Mais, comme un ventilateur de base, ils n'apportent qu'une impression de froid si on se place dans la zone où l'air soufflé est perceptible, donc quand on est placé juste devant. Hors de cette zone, la pièce s'échauffe au fil des heures ...

Pour que le remède ne soit pas pire que le mal et pour éviter des dépenses d'électricité inutiles, il est donc préférable de les éteindre dès qu'on s'en éloigne !