Comment obtenir l'évaporation ?

Plaçons une bouteille de R134a dans une ambiance à 20°C. En sortie de cette bouteille, montons un manomètre BP ainsi qu'une vanne qui permet de régler le débit de fuite. Si nous ouvrons et bridons cette vanne à 3,3bar, du fluide s'échappe de la bouteille sous forme de vapeurs. Dans ce cas, la pression exercée par la vapeur sur la surface du liquide diminue. La force Fe qu'elle engendre diminue et devient inférieure à Fi la force interne au liquide. Le fluide se met à bouillir dans la bouteille formant ainsi des vapeurs pour essayer de rétablir l'équilibre naturel. Dans la bouteille, nous avons un mélange liquide-gaz de R134a à 3,3bar. Il y a donc relation pression-température. Ce mélange liquide-gaz de R134a a donc une température de 10°C.

En bridant la vanne de débit de fuite à 1 bar, la quantité de vapeurs qui quitte la bouteille est plus importante. L'ébullition du liquide est plus intense afin de fournir plus de vapeurs. Nous avons toujours un mélange liquide-gaz dans la bouteille, alors nous pouvons encore appliquer la relation pression-température : 1 bar, c'est la pression d'un mélange liquide-gaz de R134a à -10°C. Le thermomètre qui mesure la température de l'enveloppe du réservoir indique alors -10°C et du givre commence à se former sur le réservoir.

Si nous plaçons cette bouteille dans une enceinte isolée, la température ce cette enceinte va diminuer. Nous aurons une production de froid. Cette production de froid s'arrêtera dès qu'il n'y aura plus de liquide dans la bouteille.
Le fluide frigorigène est onéreux, il faut trouver une solution pour le récupérer…

Comment récupérer le fluide frigorigène ?

En plaçant une seconde bouteille à l'extérieur de l'enceinte et en reliant l'ensemble par un compresseur, le problème est résolut :
Le fluide qui s'évapore est aspiré par le compresseur et refoulé dans la seconde bouteille. Dans cette deuxième bouteille, le fluide se condense grâce à la pression élevée. La condensation du fluide frigorigène dissipe la chaleur qui a été absorbée dans l'enceinte à refroidir. 8 bar, c'est la pression d'un mélange liquide-gaz de R134a à 35°C. C'est la pression à laquelle se condense le fluide frigorigène, c'est donc la pression de condensation Pk. Notre système produit du froid, il nécessite l'apport d'énergie pour le travail mécanique du compresseur.

Après un certain temps de fonctionnement, la bouteille de l'enceinte à réfrigérer est vide. Tandis que celle à l'extérieur est pleine. La production de froid devient alors nulle puisqu'il n'y a plus évaporation. A ce moment, il faut intervertir les deux bouteilles pour continuer à produire du froid. Il serait bon de pouvoir recycler automatiquement le fluide de la bouteille pleine à la bouteille vide…

Comment recycler le fluide frigorigène ?

En raccordant les deux bouteilles par une tuyauterie sur laquelle on ajoute une vanne pour le réglage du débit de liquide, le système devient autonome. L'ajout de cette vanne permet en effet de réintroduire le liquide produit dans la bouteille extérieure vers la bouteille de l'enceinte réfrigérée.
A présent, il ne reste plus qu'à réguler la température de l'enceinte réfrigérée en y plaçant un thermostat qui commande les démarrages et arrêts du compresseur…

Terminologie :

La bouteille intérieure s'appelle évaporateur.
La bouteille extérieure s'appelle condenseur.
La vanne de réglage de débit sur la conduite de liquide s'appelle détendeur.
Avec le compresseur, ils forment les 4 éléments principaux et nécessaires d'un circuit frigorifique à compression.