Du Frigo à la Cryo

Un de mes collègues et amis (Alexandre) m'a fait la remarque que je n'avais jamais parlé de la réfrigération et de la cryogénie dans mon blog alors que je travaille sur ce sujet depuis presque 3 ans... Voici chose réparée dans ce billet écrit pour l'occasion à 4 mains avec Alexandre !

Pour refroidir vos aliments dans votre réfrigérateur à 5°C ou pour refroidir un accélérateur de particules de 27 km de circonférence à -271°C, il n'y a qu'un pas ! Les principes de bases restent les mêmes mais les techniques et les fluides sont différents. Je vais donc essayer de vous présenter le principe général de la réfrigération et ses applications.

Un peu de sémantique et d'histoire

Avant toute chose, je rappelle que l'appareil permettant de « faire du froid » s'appelle un réfrigérateur et non un Frigidaire, souvent appelé « frigo », qui est une marque commerciale de réfrigérateurs déposée par le groupe General Motors en 1918 et qui appartient désormais au groupe Electrolux. En cuisine, un réfrigérateur permet de conserver des aliments autour des 5°C alors que le congélateur permet de congeler des aliments à -18°C.

On parle généralement de réfrigération pour refroidir à des températures comprises entre la température ambiante et -150°C. En dessous de cette limite, on parle alors de cryogénie car en dessous de cette température les gaz contenus dans l'air commencent à se liquéfier.

On attribue souvent la paternité du réfrigérateur à l'ingénieur allemand Carl Von Linde qui a inventé un réfrigérateur en 1876. Il est le fondateur de la célèbre compagnie Linde AG qui a fournit certains réfrigérateurs cryogéniques à hélium au CERN pour le refroidissement de l'accélérateur de particule LHC. Ci dessous, photo du transport d'une partie d'un réfrigérateur Linde pour le LHC :

Principe général du réfrigérateur

La réfrigération consiste à abaisser la température d'un objet que l'on souhaite refroidir. Cet objet peut être une banane ou un yaourt dans un réfrigérateur de cuisine pour conserver un aliment plus longtemps ou bien un aimant supraconducteur dans le cadre d'un accélérateur de particules pour maintenir la supraconductivité.

Le principe général d'un réfrigérateur est d'extraire de la chaleur à basse température (dans l'enceinte du réfrigérateur) pour la rejeter à haute température (à l'extérieur). Plus simplement, « faire du froid » consiste en fait à « retirer du chaud ». C'est pour cette raison qu'un réfrigérateur n'est rien d'autre qu'une pompe à chaleur, ce qui signifie que pour faire du froid quelque part il faut faire du chaud ailleurs !

Cette chaleur doit donc être transportée de la partie froide vers la partie chaude et pour cela, on utilise généralement un fluide, que l'on appelle fluide caloporteur (il transporte la chaleur) ou encore fluide réfrigérant, voire fluide frigorigène. Dans le cas des très basses températures en cryogénie, ce fluide peut être appelé fluide cryogène.

Pour « produire du froid », il existe différentes possibilités :

- Mélanger un liquide avec un solide approprié comme de l'eau avec du sel: le mélange des deux créant une réaction chimique abaissant la température de fusion de la glace

- Diminuer brutalement la pression d'un gaz (détente ou expansion) : par exemple lors du passage dans une vanne (effet Joule-Thomson : fonctionne sous une certaine température dite d'inversion) ou lors du passage dans une turbine à gaz (on extrait de l'énergie au gaz en énergie mécanique de rotation).

-  Echanger de la chaleur entre une source chaude et une source froide : échangeur de chaleur.

Un peu de thermodynamique

Le réfrigérateur va venir faire subir des transformations à ce fluide réfrigérant dans un circuit fermé. Le but étant de faire une boucle de manière à ce que le fluide circule en circuit fermé. Dans ce cas l'état initial du fluide est égal à l'état final du fluide et on fait subir à notre fluide réfrigérant un cycle thermodynamique.

Théoriquement, les réfrigérateurs de cuisine sont basés sur un cycle appelé cycle de Carnot qui est constitué d'un ensemble de 4 transformations idéales, voir billet précédent La Thermodynamique : Principes et Applications où le cycle de Carnot est détaillé.

Le cycle de Carnot est théorique et n'est pas réalisable. En réalité, dans les réfrigérateurs domestiques, une des transformations adiabatiques (sans échange de chaleur) du cycle de Carnot est remplacée par une transformation isenthalpique (l'enthalpie est conservée). Vous pouvez allez voir le billet précédent intitulé La Thermodynamique : les Bases pour mieux comprendre les notions de transformations et d'enthalpie.

Si l'on regarde le diagramme de P-h (la pression en fonction de l'enthalpie) et le schéma du réfrigérateur on peut décomposer chaque transformation:

-  De 1 à 2, le fluide est compressé d'une pression basse à une pression haute, via un compresseur, ce qui provoque une élévation de la température du fluide.

- La transformation 2-3 permet d'extraire une partie de l'énergie du fluide (Q_H), le fluide passe dans un échangeur, c'est celui qui se trouve derrière votre réfrigérateur. Dans beaucoup de système, cette étape vise à recondenser le fluide. Comme le passage d'une phase à une autre se fait à température et pression constante, ce transfert d'énergie du fluide vers la pièce où se trouve le réfrigérateur se matérialise par la liquéfaction du fluide.

- Entre les points 3 et 4, le liquide passe à travers un organe de détente, typiquement un capillaire dans les réfrigérateurs domestiques car il est peu coûteux et ne nécessite pas d'entretien particulier ou de maintenance. Le but de ce capillaire est d'avoir un diamètre suffisamment petit afin de créer une forte friction entre le fluide et les parois, et ainsi d'obtenir une pression plus basse à sa sortie. En subissant une chute de pression, le fluide sort alors à une température plus basse que celle de l'intérieur du réfrigérateur. 

- Lors de la transformation 4-1 le fluide passe dans un échangeur qui se trouve dans les parois du réfrigérateur. Il extrait alors la chaleur de l'intérieur du réfrigérateur en se vaporisant. L'avantage du processus de vaporisation réside dans le fait que tout au long de l'échangeur, le fluide est à la même température, ce qui permet d'avoir la même température à chaque niveau du réfrigérateur.

Schéma de fonctionnement d'un réfrigérateur et son diagramme P-h associé (cliquez pour agrandir)

Le processus est finalement relativement simple et lorsque l'on souhaite chauffer sa maison avec une pompe à chaleur, le principe est le même, il suffit de remplacer l'intérieur du réfrigérateur par l'extérieur de la maison, et d'évacuer la chaleur du fluide en servant de source chaude au circuit de chauffage : le cycle « tourne » ainsi dans l'autre sens.

Cryogénie

La cryogénie est définie comme la branche de la physique qui traite de la production des très basses températures et de leurs effets sur la matière mais plus communément, la cryogénie est la science et ses applications qui traite des phénomènes physiques inférieurs à -153°C. Cette température représente la limite en dessous de laquelle les principaux gaz atmosphériques se liquéfient. En cryogénie, on ne parle plus en degrés Celsius mais en degré kelvin pour des raisons de commodités. Le zéro degré kelvin correspond au zéro absolu et est égal à -273,15°C (cf. article sur la température pour plus de précisions). La cryogénie est souvent confondue avec la « cryonie » et donc perçu par le grand public comme une technique de congélation des êtres vivants. Pour l'instant il s'agit plus de science-fiction, même si la préservation de tissus organiques est aujourd'hui possible : c'est que l'on appelle la cryobiologie.

Les principaux fluides cryogéniques sont les suivants (les températures représentés sont les températures d'ébullition à pression atmosphérique ce qui veut dire que sous cette température, ces gaz atmosphériques sont liquides) :

- Méthane : 111 K (-162,15°C)

- Oxygène : 90 K (-189,15°C)
- Argon : 87 K (-186,15°C)
- Azote : 77,3 K (-195,85°C)
- Néon : 27,2 K (-245,95°C)
- Hydrogène : 20,27 K (-252,88°C)
- Hélium: 4,21 K (-268,94°C)

Tous ces éléments sont principalement utilisés sous forme liquide en médecine, dans l'industrie chimique, en métallurgie, pour l'industrie spatiale ou dans les transports mais aussi en physique des particules. Aujourd'hui l'hydrogène liquide est beaucoup moins utilisé en physique des particules depuis la diminution du nombre de chambres à bulles, et l'oxygène ne sert plus de réfrigérant à cause des risques d'accidents potentiels. Les accélérateurs ont besoin de la cryogénie appliquée à la supraconductivité et certains instruments utilisent des gaz lourds liquéfiés (comme l'argon ou le krypton) à basse température pour créer un milieu actif propice à la détection de certaines particules.

Les réfrigérateurs cryogéniques sont généralement constitués de 2 principales parties :

- Une station de compression qui permet de compresser le fluide cryogène.
- Une boîte froide permettant de refroidir le fluide par détentes successives à travers des turbines, des pistons ou des vannes jusqu'à sa liquéfaction.

Afin de liquéfier ces gaz cryogéniques, on utilise la méthode de détente de Joule-Thomson, non pas qu'elle soit plus efficace mais parce qu'elle est peu coûteuse. En comparaison au réfrigérateur domestique, le capillaire est remplacé par une vanne, bien isolée thermiquement, dont l'ouverture est réglable et permet de séparer le gaz à haute pression de celui à basse pression. Cette détente a quand même une particularité. Si la température du fluide avant de passer la vanne est inférieure à la « température d'inversion de Joule Thomson », alors le fluide sort à une température plus basse. Ceci est très pratique pour des gaz qui ont des températures d'inversion supérieure à la température ambiante, ce qui est le cas de l'azote et de l'oxygène. Malheureusement ce n'est pas le cas de l'hélium, qui a besoin d'être refroidi au préalable grâce à des turbines car sa température d'inversion se situe autour de 40 kelvins : l'effet Joule-Thomson est donc effectif sous cette température uniquement. Les turbines fonctionnement sur le même principe que celles qui produisent l'électricité dans les centrales nucléaires. Le gaz arrive à haute pression et transforme son énergie en énergie mécanique en faisant tourner des pâles, mais dans le cas d'une turbine cryogénique, le travail fournit par l'hélium ne fournit pas d'énergie électrique. L'hélium est alors détendu est sa température abaissée.

Pour plus de précisions sur l'hélium liquide et sa découverte faite en 1908 par Heike Kamerlingh Onnes, voir mon analyse sur la bibliothèque numérique Bibnum faite il y a quelques mois : L'hélium Liquide.

Par Benjamin Bradu - Publié dans : Thermo/Energie
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