Le transport frigorifique utilise un système de réfrigération mécanique dans une caisse isotherme pour abaisser et maintenir la température en fonction des marchandises. La thermodynamique, partie essentielle de la physique, analyse les échanges d’énergie dans ces systèmes. Les lois de conservation de l’énergie sont fondamentales pour le fonctionnement des systèmes frigorifiques. Cet article aborde les types de réfrigération, les cycles frigorifiques et les innovations, telles que l’azote liquide, de plus en plus efficaces.
La thermodynamique est une branche de la physique qui traite des systèmes macroscopiques et de leurs transformations. Elle repose sur des concepts fondamentaux tels que l’énergie, la chaleur, le travail, et les lois de la thermodynamique. Parmi ces lois, on retrouve le premier principe de la thermodynamique, qui énonce la conservation de l’énergie, et le deuxième principe, qui définit le sens des échanges de chaleur. Ces principes sont essentiels pour comprendre le fonctionnement des systèmes frigorifiques, car ils permettent de déterminer les performances et les limites de ces systèmes dans la production de froid.
1. Types d'unités de réfrigération
Sur le marché, plusieurs types d’unités s’adaptent aux besoins variés de la réfrigération mobile. Ces unités incluent des petites camionnettes de livraison, des camions de distribution urbaine et des remorques. On distingue également les systèmes à température unique, qui sont idéaux pour le transport de produits congelés ou réfrigérés nécessitant un contrôle de température minimal. Les systèmes multi-températures, en pleine expansion, permettent de transporter simultanément des produits surgelés, réfrigérés et même à température ambiante.
2. Comprendre la température ambiante
La température ambiante désigne la température de l’air dans un environnement donné. Elle représente la plage de confort, généralement comprise entre 15 °C et 30 °C, où l’air ne semble ni trop chaud ni trop froid. Cette plage est fondamentale pour le fonctionnement des systèmes de chauffage et de climatisation.
Principes fondamentaux du froid
Le froid, perçu comme l’opposé de la chaleur, est associé à des températures basses qui ralentissent les processus physiologiques, biochimiques et microscopiques. Contrairement à la chaleur, le froid ne stérilise pas; il ne détruit pas totalement les agents microbiologiques présents. Le froid artificiel peut être créé par le vide ou grâce à des systèmes réfrigérants tels que réfrigérateurs et congélateurs.
1. Froid positif : la réfrigération
Ce processus consiste à refroidir et à conserver des denrées à une température positive, généralement autour de 0 °C, empêchant ainsi l’eau contenue dans ces denrées de se transformer en glace.
2. Froid négatif : la congélation
Ce traitement implique de refroidir et de conserver des denrées à des températures bien inférieures à 0 °C, entraînant la transformation d’une grande partie de l’eau en glace. Les températures de conservation par congélation varient généralement entre -10 °C et -35 °C.
Les différents types de cycles frigorifiques
La production de froid utilise divers cycles frigorifiques, chacun ayant ses caractéristiques. Parmi ceux-ci, on trouve le cycle de compression de vapeur, le cycle d’absorption et le cycle de réfrigération magnétique. Chaque cycle a des applications spécifiques et des avantages, ce qui rend essentiel de comprendre leur fonctionnement pour choisir la méthode la plus adaptée aux besoins de refroidissement.
1. Le cycle de compression de vapeur
Le cycle de compression de vapeur est l’un des types les plus courants de cycles frigorifiques. Il consiste à comprimer un réfrigérant sous forme de vapeur, puis à le condenser en liquide. Ensuite, le fluide passe par un détendeur pour abaisser sa pression et sa température, puis se vaporise dans l’évaporateur, absorbant la chaleur de l’environnement à refroidir. Ce processus permet de maintenir des températures basses, ce qui en fait un choix populaire pour de nombreuses applications de réfrigération.
2. Le cycle d'absorption
Le cycle d’absorption repose sur le phénomène de l’absorption, où un réfrigérant est absorbé par un absorbeur. Ce cycle utilise un mélange de réfrigérant et d’absorbant pour produire du froid. Il est souvent utilisé dans les systèmes de climatisation et de réfrigération industrielle, offrant une alternative efficace au cycle de compression de vapeur. Comprendre le fonctionnement de ce cycle est crucial pour tirer parti de ses avantages et optimiser sa performance.
3. Le cycle de réfrigération magnétique
Le cycle de réfrigération magnétique repose sur l’utilisation de matériaux magnétiques pour créer un système de refroidissement. Ce type de cycle offre des avantages tels qu’une consommation d’énergie réduite, un fonctionnement silencieux et une absence de fluide frigorigène nocif pour l’environnement. La compréhension de ce cycle est essentielle pour explorer les possibilités de cette technologie prometteuse et ses applications potentielles dans divers secteurs de l’industrie du froid.
Composants essentiels du circuit frigorifique
Pour comprendre le fonctionnement du cycle de réfrigération, il est essentiel de connaître ses principaux composants :
1. Le compresseur
Le compresseur aspire le fluide à basse pression et à basse température, permettant ainsi de commencer le processus de refroidissement. Grâce à l’énergie mécanique fournie par la compression, il va provoquer une élévation significative de la pression et de la température du fluide. Cette augmentation de pression rend possible la circulation du fluide à travers tout le circuit frigorifique. À ce stade précis, le fluide est présent sous forme gazeuse, prêt à continuer son parcours dans le système de réfrigération pour effectuer son travail.
3. Le condenseur
Le fluide à haute pression, chargé de calories de l’évaporateur, est incliné à céder sa chaleur. Il passe par un condenseur où il libère ses calories en se condensant en liquide. Ce milieu représente la source chaude du cycle. Pour la production de froid, la chaleur peut être perdue ou récupérée avec un dispositif approprié. En production de chaleur, l’énergie relâchée par le condenseur est utilisée pour chauffer les locaux, nécessitant une optimisation maximale.
3. Détente
Au niveau de la détente, le fluide frigorigène déchargé de ses calories est ramené d’une haute pression vers une basse pression. Cette diminution est nécessaire pour que le fluide puisse capter de la chaleur de manière optimale, un processus fondamental pour le système. Le détendeur, en plus de sa fonction essentielle, régule le débit au sein de l’installation. Il est connecté à la sortie de l’évaporateur, mesurant la température du fluide, pour moduler le débit en fonction de cette mesure et garantir l’efficacité du système.
4. L'évaporateur
L’évaporateur agit comme un échangeur de chaleur, où le fluide du détendeur s’évapore en absorbant de la chaleur d’un milieu extérieur, tel que l’eau ou l’air. Ce processus d’évaporation change le fluide de l’état liquide à vapeur. Après cette étape, le fluide est aspiré par le compresseur pour recommencer le cycle.
Innovations en transport frigorifié : L'utilisation de l'azote liquide
L’azote liquide dans le transport frigorifié améliore la logistique alimentaire. Ce réfrigérant non polluant préserve la qualité des produits. Les groupes froid diesel produisent bruit et CO₂. Le système cryogénique, à -196 °C, refroidit l’air du camion via un échangeur de chaleur.
1. Mécanisme du transport réfrigéré à l'azote liquide
Le transport réfrigéré à l’azote liquide fonctionne grâce à sa capacité à maintenir des températures très basses, jusqu’à -196 degrés Celsius. L’azote est injecté dans des réservoirs conçus pour un contrôle exact de la température, permettant la conservation des denrées périssables sur de longues distances et préservant ainsi leur fraîcheur et qualité.
Le camion frigorifique dispose d’un réservoir isolé pour l’azote liquide. Ce dernier passe dans un échangeur de chaleur, refroidissant l’air de la remorque. Ce transfert provoque le changement d’état de l’azote, qui passe du liquide au gaz. Des ventilateurs font circuler l’air, maintenant la charge à la température souhaitée. L’azote est ensuite expulsé sous forme de gaz.
2. La cryogénie : une science aux multiples applications
La cryogénie concerne la production de températures inférieures à -150 °C, avec des applications variées dans les secteurs alimentaire, médical, industriel et scientifique. Elle permet, entre autres, la conservation des aliments, l’étude de la supraconductivité et la réduction des émissions de gaz destructeurs de la couche d’ozone.
3. Avantages du transport frigorifique cryogénique
Le transport frigorifique cryogénique présente de nombreux avantages, notamment en termes de sécurité alimentaire, de respect de l’environnement et d’efficacité énergétique. En maintenant les produits à des températures ultra-basses, ce mode de transport garantit leur fraîcheur et leur qualité à l’arrivée, offrant ainsi une plus longue durée de conservation. De plus, la réduction des émissions de gaz à effet de serre associe la cryogénie à une approche respectueuse de l’environnement, ce qui en fait une solution prometteuse pour l’avenir du transport frigorifique.