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Titre: 16-Session-6-Auracher-Français
Auteur: jacques.guilpart

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Le froid : perspectives

Hein Auracher
Technische Universität Berlin, Institut für Energietechnik

100 ans au service du développement du froid et de ses applications - Paris -

12 Juin 2008

1

Déclaration 1
Une révolution aura lieu dans le secteur du froid est peu
probable.
Les technologies classiques utilisées dans nos
réfrigérateurs domestiques et dans nos supermarchés
pour le refroidissement des produits alimentaires, dans le
conditionnement d'air, pour la liquéfaction du gaz
naturel, etc., continueront à jouer un rôle important et
même croissant.
100 ans au service du développement du froid et de ses applications - Paris -

12 Juin 2008

2

100 ans au service du développement du froid et de ses applications - Paris -

12 Juin 2008

Condenser

Evaporator

Le classique cycle à compression
de vapeur

3

Déclaration 2
Malgré la Déclaration 1, la technologie n'est pas au point
mort. L'amélioration des procédés classiques afin de
réaliser des économies d'énergie et de protéger
l'environnement sera le moteur de l'innovation au cours
des décennies à venir.

A l'échelle mondiale, les équipements de refroidissement
consomment 15 % de l'électricité produite !
100 ans au service du développement du froid et de ses applications - Paris -

12 Juin 2008

4

Declaration 3
Le réchauffement planétaire nous oblige à éliminer les
fluides (frigorigènes) synthétiques utilisés dans la
technologie classique actuelle et de les remplacer par des
frigorigènes qui ont peu ou pas d'effet de serre. Mais
les nouveaux frigorigènes ont des propriétés différentes.
Par conséquent, nous devons adapter ou changer les
composants de nos cycles actuels.

100 ans au service du développement du froid et de ses applications - Paris -

12 Juin 2008

5

Déclaration 4

Depuis toujours, l'homme cherche à améliorer ses
conditions de vie. Le froid répond à ses besoins, par
exemple par la conservation des produits alimentaires et
des vaccins, par le conditionnement d'air, etc.

Dans les pays émergeants, la demande
est particulièrement forte.

100 ans au service du développement du froid et de ses applications - Paris -

12 Juin 2008

6

Perspectives
Déclarations 2 à 4 :
Une forte croissance de
l'industrie du froid est
prévisible à moyen et
long terme.

Déclaration 1:
Pas de révolution dans le

Les technologies de
rupture pourraient
radicalement transformer
toute ou partie du monde
du froid de demain:
a. La technologie du froid
solaire à absorption
(adsorption)
b. Le froid magnétique
c. Le froid acoustique (tube à
gaz pulsé)
d. Le froid thermoélectrique
(effet Peltier)

secteur du froid ?
100 ans au service du développement du froid et de ses applications - Paris -

12 Juin 2008

7

Le froid solaire
Refroidir grâce à la chaleur du soleil ?
Le procédé répond aux 1ere et 2nde lois de la
thermodynamique.
1ere loi :
L'énergie se conserve. Elle ne se crée pas, elle ne
disparaît pas : elle se transforme.
2eme loi :
Tout processus de transformation d'énergie doit
répondre à une contrainte : l'Entropie d'un système
fermé ne peut que croître.
100 ans au service du développement du froid et de ses applications - Paris -

12 Juin 2008

8

1-Tu/T

Transformation réversible de la
chaleur solaire en Froid
0.2

En dessous de la
température
ambiante

0.15
0.1

0.05

Tambient
Tu = 25 °C

Au dessus de la
température
ambiante
Entropie constante
dans le système
fermé

Tcold =
- 15.2 °C

Tsolar =
+80 °C

0
-20

0

+20

+40

100 ans au service du développement du froid et de ses applications - Paris -

+60

+80

12 Juin 2008

T,°C
+100
9

Le froid solaire et la technologie à
absorption
Transformation de l'énergie :
Chaleur (du soleil)
Froid
Meilleure option probable: l'absorption.
Jusqu'à présent, le chaud était produit au moyen
d'énergies conventionnelles (électricité, gaz, pétrole, …)
Plus l'énergie conventionnelle est chère, plus l'énergie
solaire est intéressante ...

100 ans au service du développement du froid et de ses applications - Paris -

12 Juin 2008

10

Le froid magnétique à température
ambiante
Effet magnétocalorique découvert par Warburg 1881.

Pendant longtemps cantonné aux très basses températures
et très faibles puissances.
En 1997 : découverte de « matériaux à effet
magnétocalorique géant » à température ambiante.
Il est aujourd'hui possible d'atteindre des niveaux de
puissance et de température intéressants pour la
réfrigération.
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12 Juin 2008

11

Analogie entre le froid classique et le
froid magnétique
Q
Thot

Q

Magnetization

T
High pressure

Low pressure

Evaporator

Qo

Compressor

Throttling Device

Condenser

Q

Magnetic field
Magnetic material

T
Tcold

Qo

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Qo

12 Juin 2008

Demagnetization

12

Perspectives du froid magnétique

« Dans un avenir plus ou moins proche, le froid

magnétique remplacera peu à peu les systèmes à
compression de vapeur et dominera le marché des
technologies du froid. »
(Pecharsky and Gschneidner ,

Revue Internationale du Froid,
numéro spécial sur le froid magnétique à température ambiante)

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13

Les fluides actifs I
Milieu du 19e siècle
Les frigorigènes étaient d'origine naturelle : eau (H2O),
air, ammoniac (NH3), dioxyde de carbone (CO2), dioxyde
de soufre (SO2), hydrocarbures, etc.
Un bon nombre de ces substances sont toxiques et/ou
inflammables, et certaines ont un une plage de
température d'utilisation restreinte ou présentent de
faibles efficacité pour certaines conditions d'utilisation.

Après 1930
Les frigorigènes synthétiques ont été mis en œuvre pour
éviter ces inconvénients : les CFC, les HCFC.
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14

Les fluides actifs II
Protocole de Montréal, 1987
Les CFC et les HCFC sont éliminés
Les HFC sont introduits

Réchauffement planétaire
Les HFC (tout comme les CFC et les HCFC) ont un potentiel de
réchauffement planétaire (GWP) très élevé.
L'industrie doit développer des frigorigènes à faible GWP.
Les frigorigènes naturels reviennent en force.

L'avenir
D'avantage de fluides naturels ou d'avantage de fluides
synthétiques ?

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12 Juin 2008

15

L'Institut International du Froid (IIF)

… est L'Institution qui guidera la communauté
internationale à travers tous ces développements
qui façonneront l'avenir grâce aux conférences,
aux ateliers, aux séminaires, aux guides, aux
communiqués destinés aux décideurs, etc.

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16

Le froid acoustique (à tube à pulsation)
Technologie récente:
Gifford and Longsworth ~1960
Avantage :
Pas de frigorigène à risque
Utilisé principalement à basse
température:
4 K
1 K: gamme de l’He liquide;
1W à 4 K
à 80 K : p.e pour le refroidissement
de supraconducteurs haute
température; quelques Ww W
A température ambiante; reste du
domaine du laboratoire:
Efficacité théorique de Carnot :
PTR
: 10-20 %
Valeur classique : 35-50 %
Schéma d’un a pulse-tube refrigerator (PTR)
(d'après Wenzel/ Herman, 1997, IJR 20, 1, 3-21)

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12 Juin 2008

17

Le froid thermoélectrique
(effet Peltier)
Q
I
n
+
Chaud Q

o

p
Q

Froid

I
-

• Deux éléments en (p. e.) Tellure
de Bismuth (éléments semi
conducteurs de type n & p)
forment un couple. L'application
d'une DDP aux bornes du couple
oblige les électrons à passer de
l'élément p à l'élément n.
L'énergie nécessaire au passage
des électrons dans l'élément n
se fait par prélèvement de
chaleur dans l'élément (analogie
avec l'évaporation).
• L'utilisation d'éléments à
plusieurs étages est possible

Peltier (1834)
Avantages
Pas de fluide à risque
Pas d'élément mobile
Encombrement réduit
Inversion chaud / froid par inversion de
polarité
Inconvénients
Faible efficacité (COP < 0.8)
Petites surfaces (< 60 mm x 60 mm)
Faibles puissances (0 – 500 W)
Diagramme des performances limites

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