Chambres de refroidissement : types et systèmes de réfrigération

La plupart des tests climatiques consistent à augmenter la température et l'humidité relative afin de déterminer la réaction du produit ou du matériau testé.

Mais qu’en est-il de l’autre extrémité du spectre climatique ?

quoi les systèmes de réfrigération et combien existe-t-il de types de chambres de refroidissement ?

Aujourd'hui, nous allons aborder ce sujet.

Types de chambres de refroidissement

Dans le secteur, « chambre de refroidissement » désigne l'ensemble des chambres capables d'amener et de maintenir la température interne à au moins 0°C.

C’est pourquoi la fonction d’une chambre de refroidissement peut être assurée par au moins trois types différents d’instruments de laboratoire.

• Chambres climatiques et enceintes environnementales : Les chambres climatiques et environnementales, qui permettent également de réaliser des essais climatiques nécessitant des températures très élevées, peuvent même atteindre des températures bien inférieures à zéro. Cependant, elles sont davantage adaptées aux essais climatiques en milieu confiné, qui ne constituent pas la fonction première des chambres froides, comme nous le verrons.

• Réfrigérateurs de laboratoire : Spécialisés dans l’obtention et le maintien de très basses températures, les réfrigérateurs de laboratoire remplissent la même fonction que les chambres froides et sont souvent synonymes.

• Chambres froides de plain-pied: le terme « chambre froide » n’est utilisé que dans le cas exclusif des grandes pièces, dites de plain-pied, qui ne sont pas comparables à un réfrigérateur de laboratoire. 

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Types de systèmes de réfrigération

Les chambres froides fonctionnent grâce à deux principaux systèmes de refroidissement : les systèmes à fluide frigorigène et les systèmes de réfrigération mécanique. Examinons-les en détail.

Les fluides frigorigènes jetables, comme leur nom l'indique, sont utilisés une seule fois lors du processus de refroidissement, puis éliminés. La glace et l'azote liquide. Ils servent principalement pour des expériences ponctuelles nécessitant un refroidissement de courte durée ou lorsque la facilité d'utilisation et la sécurité sont primordiales.

Les systèmes de réfrigération mécanique, quant à eux, ressemblent davantage à ceux utilisés dans les réfrigérateurs domestiques courants. Ce sont les plus répandus. Le cycle thermodynamique utilise un fluide frigorigène pour extraire la chaleur d'un environnement et le refroidir. Les principaux composants d'un système de réfrigération mécanique sont le compresseur, le condenseur, l'évaporateur et le détendeur. Le fluide frigorigène est comprimé, refroidi, vaporisé, puis détendu pour créer le cycle de refroidissement.

Utilisations des chambres de refroidissement

L'utilisation principale des chambres froides est le stockage de produits et de matériaux qui doivent être conservés à des températures très basses.

Trois secteurs sont particulièrement concernés : l'agroalimentaire, l'industrie pharmaceutique et la recherche scientifique.

Les chambres froides sont principalement utilisées dans l' industrie alimentaire pour stocker un grand nombre de produits, tandis que les réfrigérateurs de laboratoire, plus pratiques et compacts, sont utilisés dans l' industrie pharmaceutique les instituts de recherche scientifique.

La principale norme internationale qui régit la question est l'ISO 23953, qui fournit des lignes directrices sur la classification, les exigences et les conditions d'essai des réfrigérateurs de comptoir et non de comptoir utilisés à des fins professionnelles.

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Normes de référence

• EN 378 (séries 1 à 4) — Systèmes frigorifiques et pompes à chaleur — Exigences de sécurité et environnementales
• Norme ASHRAE 34 — Désignation et classification de sécurité des fluides frigorigènes
• ISO 817 — Fluides frigorigènes — Désignation et classification de sécurité
• Règlement (UE) n° 517/2014 (Gaz fluorés) — Gaz à effet de serre fluorés
• Règlement (UE) 2024/573 — Révision relative à la réduction progressive des gaz fluorés pour les HFC
• CEI 60335-2-89 — Sécurité des appareils frigorifiques commerciaux

Sources faisant autorité

• Commission européenne — Règlement sur les gaz fluorés.
• ASHRAE — Société américaine des ingénieurs en chauffage, réfrigération et climatisation.
• AiCARR — Association italienne de la climatisation, du chauffage et de la réfrigération.

Questions fréquentes sur les systèmes de réfrigération

Quels sont les gaz réfrigérants utilisés aujourd'hui dans les chambres climatiques ?

La directive F-Gas 2024/573 relative à l'élimination progressive des gaz à fort potentiel de réchauffement global (PRG) vise à supprimer les gaz actuellement utilisés : R-449A, R-452A (mélange HFC/HFO, PRG d'environ 1 400 à 1 900, en voie d'abandon) ; R-454C, R-455A (mélange HFO, faible PRG d'environ 150 à 250, nouvelle norme) ; propane R-290 (PRG 3, gaz naturel, inflammable, classe A3 2 ATEX) ; CO₂ R-744 (PRG 1, haute pression supérieure à 80 bars, pour les congélateurs ultra-compacts et la réfrigération commerciale) ; éthane R-170 et R-508B en cascade pour les très basses températures (-80 °C et moins).

Comment atteindre -80°C dans une chambre ?

Un système en cascade à deux étages comprend un premier étage utilisant le R-449A/R-404A pour refroidir jusqu'à -40 °C, et un second étage utilisant le R-508B (PRG 13 400 à la sortie) ou le R-170 (éthane naturel) pour refroidir jusqu'à -80 °C. Les systèmes modernes utilisent des cascades écologiques R-290/R-170 ou R-744/R-170 . Trois étages en cascade avec du R-14 (tétrafluorométhane) ou une détente Joule-Thomson avec de l'hélium sont nécessaires pour atteindre -150 °C . Parmi les alternatives émergentes figure un cryorefroidisseur Stirling sans fluide frigorigène pour -186 °C

Réfrigération directe ou indirecte : laquelle choisir ?

Direct : évaporateur à l’intérieur de l’enceinte, échange thermique maximal, coût réduit, mais risque de fuites de gaz et d’hétérogénéité locale. Indirect (avec glycol ou saumure) : échangeur externe et circuit de fluide caloporteur dans l’enceinte, meilleure uniformité (±0,3 °C) et sécurité accrue (absence de réfrigérant), surcoût de 20 à 30 %. Pour les enceintes de stabilité ICH et les applications pharmaceutiques, le refroidissement indirect est toujours privilégié.

Quels sont les contrôles obligatoires pour les chambres froides à gaz fluorés ?

Pour les systèmes contenant ≥ 5 tonnes d'équivalent CO₂ (environ 1,3 kg de R-404A ou 2,3 ​​kg de R-134a) : (1) Contrôle annuel d'étanchéité par un technicien certifié F-Gas ; (2) Registre des équipements avec traçabilité des chargements/recharges ; (3) Récupération obligatoire en fin de vie ; (4) Installateur certifié F-Gas (Règlement UE 517/2014). Au-delà de 500 t CO₂eq, un système de détection automatique des fuites est requis.