MAGHIJSES A DÉTENTE DE GAZ COMPRIMÉ

1150. Dans ces machines frigorifiques, on utilise la détente adiabatique d'une masse gazeuse pour produire un abaissement de température. On commence par comprimer la masse gazeuse à température constante pour que, l'évolution s'efiectuant suivant une ligne isotherme, la dépense de travail moteur soit la plus réduite possible ; puis, afin d'obtenir le refroidissement le plus grand possible, on laisse le gaz se dilater à chaleur constante, c'est-à-dire suivant une courbe adiabatique, et on lui fait effectuer un travail qui. peut venir en déduction du travail moteur à dépenser pour la compression ; enfin on laisse le gaz se réchauffer en lui faisant emprunter de la chaleur au corps qu'on refroidit.

On peut, dans ces machines, utiliser tout gaz éloigné de son point de liquéfaction, pourvu que le fluide choisi n'attaque pas les appareils dans lesquels il circule. Le gaz à préférer est l'air atmosphérique, qui n'altère pas les métaux usuels, ne coûte rien ni comme achat, ni comme préparation, et qu'on trouve partout en quantité illimitée.

Les appareils frigorifiques de cette catégorie sont à cycle ouvert ou à cycle fermé. Dans le premier cas, on se sert toujours de la même masse de fluide qu'on reprend après la détente et qu'on ramène à son état initial en lui faisant subir une nouvelle compression. Lorsqu'on opère à cycle ouvert, la machine comprime toujours du fluide neuf et l'abandonne ensuite dans latmosphère après qu'il s'est détendu. Seul, l'air atmosphérique permet pratiquement de travailler ainsi. La marche à cycle ouvert donne lieu à une perte de froid due à ce que l'air détendu s'échappe à très basse température ; afin d'atténuer le plus possible cette perte, on fait passer cet air froid dans un récupérateur à surface, oii il se réchauffe en refroidissant l'air comprimé qui va se détendre. Les machines à cycle ouvert sont utilisées de préférence, lorsqu'on a en vue la production directe de l'air à très basse température.

La comparaison entre une machine frigorifique et une machine thermique, montre que dans cette dernière on fournit de la

chaleur à une masse gazeuse pour lui faire produire un travail, tandis que dans la machine frigorifique on dépense d'abord du travail pour permettre ensuite au gaz d'absorber de la chaleur. La machine à froid fonctionne donc à Tinverse de la machine thermique. Celle-ci, pour produire un certain travail, exige d'autant moins de calories que sa détente est plus étendue; inversement, dans une machine où Ton transforme du travail en chaleur, le fonctionnement sera d autant plus économique que la détente sera plus réduite. Le rendement des machines frigorifiques sera donc d'autant meilleur qu'on fera usage de détentes moins prolongées.

Toutefois la détente ne doit pas être trop petite, car il ne se produirait alors que peu de refroidissement. De plus, si la détente avait une valeur trop faible, on serait entraîné à construire des machines encombrantes, d'un prix d'achat élevé et donnant lieu à des résistances passives importantes. Ces inconvénients compenseraient et au delà l'avantage résultant de la supériorité de rendement; aussi, en pratique, limite-t-on assez généralement la compression de 2 à 5 atmosphères. Les considérations qui précèdent expliquent et justifient en partie cette limite.

Les machines frigorifiques à air sont en général employées dans les pays chauds et à bord des navires. Cette préférence parait tenir surtout à ce qu'avec ces appareils on n'a pas à se préoccuper de l'approvisionnement d'un composé chimique qui peut faire défaut au moment où on en a le plus besoin.

1151. Machine frigorifique à air. — Cette machine représentée (fig. 648) d'après les indications de M. Josse, comprend les organes suivants :

Un compresseur P ;

Un réfrigérant R ;

Un appareil de détente E ;

Un congélateur ou frigorifère.

Le compresseur est formé d'une pompe de compression P actionnée par une machine à vapeur A et servant à comprimer à une pression de plusieurs atmosphères l'air dont on utilisera ensuite la détente.

La pompe de compression peut être k double ou à simple effet. Elle est généralement à double effet sur les navires, où Ion a besoin de réduire le plus possible l'espace occupé par la . machine.

La compression ayant pour effet d'élever la température do

Fig. 618.

l'air, on refroidit ce fluide d'abord pendant ta compression, et ensuite en le faisant passer dans un réfrigérant, soit à eau, soit à air, où il abandonne l'excès de chaleur qu'il a pu conserver et où il se trouve ramené à sa température initiale. On ne change pas le volume de l'air comprimé, mais sa pression se trouve un peu diminuée. Afin de réduire le plus possible l'élévation de température résultant de la compression, et par suite Sn. 11. — 39

«iO REFROIDISSEMENT.

le travail à dépenser pour cette opération, on peut même inlroduire un peu d'eau dans la pompe de compression. D'après M. Richard, cette quantité doit être d'un centième environ de la capacité utile du corps de pompe. L'air sortant du compresseur parcourt en montant, puis en descendant, les deux compartiments d'une tourelle T au sommet de laquelle on injecte encore de l'eau. L'air comprimé passe ensuite dans le réfrigérant à eau ou à air et se trouve ramené, ou h peu près, à la température qu'il possédait avant d'être soumis à la compression.

En même temps, une partie de la vapeur d'eau que Tair a absorbée se condense et est extraite par un puiçeur spécial S.

L'air comprimé et refroidi se rend dans un cylindre détendeur E, oii il peut se dilater en agissant sur un piston relié à l'arbre moteur de la machine. On récupère ainsi une partie du travail moteur dépensé pour la compression.

L'air dilaté sortant du détendeur est à une température très basse, il se rend au frigorifère ou congélateur, qu'il parcourt dans toute sa longueur. Pendant son passage, cet air tend à se réchauffer en empruntant de la chaleur aux corps qui l'entourent.

Lorsqu'on a en vue le refroidissement d'une enceinte quelconque dont il est nécessaire d'opérer la ventilation, on intrc^duit dans cette enceinte de l'air dilaté froid destiné à remplacer l'air en partie réchauffé qu'on évacue dans l'atmosphère, (.et air expulsé est encore à une basse température, et, pour diminuer la perte de calories négatives résultant de son é>^cuation, on l'envoie, au sortir du frigorifère, dans le réfrigérant R, où il circule au contact du faisceau tubulaire. Il se réchauffe en empruntant de la chaleur à l'air comprimé qui vient du compresseur et qui passe dans les tubes du réfrigérant.

L'échange de chaleur qui s'effectue dans R permet d'abaisser la température de l'air comprimé, d'utiliser des frigories qui, sans cela, seraient complètement perdues, et de réaliser par suite une économie de force motrice.

1162. Lorsqu'on veut abaisser la température normalement obtenue dans le frigorifère, il devient nécessaire de

refroidir davantage Tair comprimé qui traverse le réfrigérant.

Pour cela, on ne fait passer qu'une partie de Tair froid du détendeur dans le frigorifère, et le reste se rend directement dans le réfrigérant, où il se mélange à Tair qui revient du frigorifère. On peut faire varier à volonté les proportions de ce mélange et refroidir au degré convenable Tair comprimé avant sa détente. On obtient dans le frigorifère une température d'autant plus basse que Tair comprimé a été plus refroidi avant sa détente.

Le refroidissement de Tair comprimé passant dans le réfrigérant peut encore être obtenu de la manière suivante : On fait circuler un courant d'eau froide autour des parois du réfrigérant, et on envoie ensuite Tair comprimé dans un accumulateur composé de deux caisses adjacentes remplies de toiles métalliques ou de corps solides. La première caisse est parcourue par Tair comprimé à refroidir, la seconde par l'air froid ou inversement, à volonté.

Lorsque la marche normale est établie, l'air comprimé sortant du réfrigérant à eau passe dans la première caisse qui a été préalablement refroidie, et abandonne une nouvelle partie (le sa chaleur aux matières solides froides qu'il rencontre.

L'air détendu à basse température sortant du congélateur à — lo', par exemple, traverse la seconde caisse et se réchauffe en empruntant delà chaleur aux corps solides qu'elle renferme. Lorsque cette seconde caisse est suffisamment refroidie, on change le sens du passage de l'air, on envoie l'air froid dans la première caisse et l'air à refroidir dans la seconde. Cette manœuvre s'effectue chaque fois que les températures de Tair comprimé observées à l'entrée et à la sortie de la caisse diffèrent peu Tune de Tautre. A la sortie de l'accumulateur, l'air détendu est généralement encore à une température inférieure à celle de l'air ambiant, on peut le reprendre pour le comprimer de nouveau ; on opère alors à cycle fermé, et on obtient dans le compresseur une température moins élevée qu'en marchant à cycle ouvert.

1163. Lorsque la machine frigorifique est destinée à produire de la glace, on conserve ses différents organes, mais le frigorifère est remplacé par un congélateur formé d'un serpen-

tin OU d'un appareil tubulaire plongé dans une bâche remplie d'un liquide incongelable qui, le plus communément, est une dissolution concentrée de chlorure de calcium. On peut également composer un bain incongelable avec du chlorure de magnésium, de la glycérine ou de Talcool, etc.

L'air détendu et froid circulant dans les tubes du congélateur emprunte de la chaleur à la solution incongelable dont la température peut être abaissée à — 15* et même à — ao".

L'eau à congeler est versée dans des vases ou mouleaux qu on plonge dans la solution réfrigérante. Afin de rendre la température du bain aussi uniforme que possible, et, en même temps, pour augmenter l'effet utile de l'appareil frigorifique, le liquide incongelable circule constamment des serpentins congélateurs aux mouleaux et vice versa. Le mouvement est obtenu à Taide d'une hélice immergée, actionnée parle moteur du compresseur.

1 164. Calcul du refroidissement que peut théoriquement produire la détente d'un kilogramme d'air comprimé. — Les lois de Mariotte et de Gay-Lussac établissent la relation qui existe entre le poids, le volume et la température d'un gaz parfait, c'est-à-dire d'un gaz qui se trouve suffisamment éloigné de son point de liquéfaction.

Au lieu de considérer les températures données par le thermomètre centigrade et comptées à partir de la glace fondante, nous considérerons les températures absolues.

La température absolue T = « 4-273% /étant le degré de température fourni par le thermomètre centigrade et 273*= — ^

représentant le degré de température de la glace fondante compté à partir du zéro absolu.

En appelant Poj «'o, T^, la pression absolue, le volume et la température absolue du gaz à l'état initial, />, ç', T les mêmes éléments à l'état final, on a l'égalité (ft9a)

D un autre côté, on a vu (ff89) que lorsqu'un gaz parfait se comprime où se dilate k chaleur constante, c'est-à-dire sans gain ni perte de chaleur sous Faction des causes extérieures, l'évolution se fait suivant une courbe dite adiabatique et on a :

p(>*= constante. (2)

k étant le rapport des chaleurs spécifiques à pression constante et à volume constant. D'après les déterminations les plus autorisées, X:= 1,4 !•

En combinant les équations (i) et (2), afin d'obtenir une relation entre la pression et la température, on trouve :

Cette dernière relation permet de calculer les températures correspondant aux différentes pressions.

Appliquons ces formules aux diverses phases d'une opération : 1^ On comprime de i à 3 atmosphères un gaz pris à la température ambiante, soit 17*^0. par exemple. Il s'échauffe et, si on suppose qu'il n'y ait de chaleur cédée ni au cylindre ni à l'extérieur, la température après la compression sera :

T __ T /3\ mT

doù

T = 4oi et ï=T — 273=i28\

2* On refroidit cet air par de l'eau et on ramène sa température à 17*, par exemple. Si on fait en sorte que le volume ne change pas

3*' X ** pv 401 273+17 d'où

3" Enfin on fait dilater cet air de manière à faire tomber sa

6t4 REFROIDISSEMENT.

pression à i atmosphère sans rien céder ni prendre aux corps extérieurs

d'où

T = 23o,7 etf^ = --42,3.

On trouve donc que, si on comprime jusqu'à 3 atmosphèresde Taira 17°, la température s'élève à 128"*. En le refroidissant à 17' sans changer son volume, la pression descend à a'^i; et en le laissant se détendre jusqu'à la pression atmosphérique la température s'abaisse de 59®,3 et tombe à — 42%3.

Si l'air était pris à — 10** la compression à 3 atmosphères élèverait sa température à loi**. Le refroidissement à — 10" abaisserait la pression à 2*^17 et la détente consécutive à I atmosphère ferait descendre la température à — 63®,8.

Dans la pratique, on refroidit Tair pendant la compression, afin de diminuer le travail dépensé par le moteur. La pression de Tair comprimé reste le plus souvent limitée à 2'*", 5. On peut aller au delà et on le fait dans certains cas, lorsqu'on veut obtenir un abaissement de température plus considérable; mais et résultat ne s'obtient qu'au prix d'une diminution de rendement.

Dans une machine à cycle fermé, la quantité minima de travail à dépenser pour produire une frigorie est donnée par la relation tirée de la théorie mécanique de la chaleur (593]

Il 2704-/1

% nombre de kilogrammètres à dépenser; E = 424, équivalent mécanique de la chaleur; Tq et T| températures absolues dans le compresseur et le frigorifère ;

ûq température en degrés centigrades atteinte dans le compresseur; t^ température en degrés centigrades atteinte dans le frigorirere:

273 = — j , température absolue du o* du tFlermom^tre

centigrade.

Admettons que la température de Tair ne s'élève pas dans le compresseur au-dessus de aS"* et que, dans le frigorifère, elle ne descende pas au-dessous de — i5*, le travail théoriquement dépensé pour obtenir une frigorie, sera

En pratique, ce nombre se trouve toujours largement dépassé, même lorsqu'on comprime aux faibles pressions en usage.

D'après M. Richard, on peut dire qu'en opérant avec une pression de 4 atmosphères, on ne doit guère espérer atteindre un rendement supérieur à 1000 frigories par cheval-heure dépensé au compresseur, ni plus de à a5 frigories par mètre cube d air traversant la machine.

1156. Nous venons de voir, dans le calcul précédent, qu'en aspirant avec la pompe de l'air extérieur à 17° la température dans le frigorifère pouvait descendre à — 42". Si on abandonnait l'air froid à — lo* dans l'atmosphère, on n'utiliserait en degrés que la différence 42 — 10 = Sa*; le reste serait perdu. Si, au contraire, on aspire cet air à — 10" pour le comprimer, rabaissement de température sera d'environ 63,8 au-dessous de o et on utilisera 63%8 — io''=53%8.

Il résulte de là que chaque mètre cube d'air, entrant dans le congélateur à — 63*, 8 et sortant à — 10*, absorbe en calories par mètre cube d'air mesuré à o*

i,a9X 0,^378(63,8- io)=:i6^'',ao.

Supposons que le cylindre soufflant comprime 100 litres par seconde, soit 36o mètres cubes par heure, la chaleur absorbée

i6,2ox36o = 5832'^*».

permettra de fabriquer 58 kilogr. de glace environ, car ainsi qu'il a été dit précédemment, il faut absorber environ loo calo-

ries par kilogramme de glace produit. Pour comprimer ce volume d'air de i à 3 atmosphères, il faut théoriquement i5 chevaux environ et, en pratique, 3o chevaux consommant environ 3ox 1, 20=37, okilogr.decharbon qui coûtent37,5xo,27=:iVK

Le prix du kilogramme de glace revient donc à -ir?- =o'',oi8.

En ajoutant à ce chiffre les frais accessoires, on arrive à un prix encore plus élevé.

Ajoutons qu'il y a des difficultés pratiques considérables. Ainsi, Tair renfermant toujours de la vapeur d'eau, il se produit, à l'intérieur des vases ou des serpentins, des couches de givre qui arrêtent la transmission du froid. L'humidité de l'air est très accrue, lorsqu'on le refroidit par une injection d'eau froide, afin de diminuer le travail de la compression; aussi, une des principales préoccupations des constructeurs a-t-elle été de se débarrasser de la vapeur d'eau que l'air comprimé renferme. On y arrive à l'aide des boites à neige ou snow-boxes, qui consistent essentiellement en une ou plusieurs capacités faisant suite au détendeur et dans lesquelles l'air détendu et froid dépose sur des surfaces rugueuses, pourvues de pointes et disposées en chicanes, la neige qui se forme pendant la détente.

Les appareils à air froid sont surtout employés à bord des navires destinés au transport des viandes ou du poisson. Dans ce cas, on envoie directement au dehors Tair détendu dans les chambres de conservation, et on opère constamment sur des quantités d'air nouvelles ; mais, dans le but de diminuer la perte de froid, on se sert, comme nous l'avons dit, de Fair détendu qui s'échappe du frigorifère à basse température pour refroidir l'air comprimé qui s'est échauffé dans le compresseur.

Plusieurs machines à air fonctionnaient à l'Exposition Universelle de 1889, mais à part quelques dispositions de détails sur lesquelles nous ne saurions insister, leurs organes essentiels étaient analogues à ceux de l'appareil que nous venons de décrire.