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Réfrigération à bord

Introduction

La production de froid est un problème délicat à bord. Un groupe frigorifique est un engin bruyant, source de vibrations et gros consommateur d'énergie. Il faudra prendre un maximum de précautions pour minimiser les dégâts. Simplifions au maximum :

Sur nos bateaux, le matériel utilisé maintenant est du type à compression (compression isotherme, détente adiabatique). Il utilise un fluide frigorigène qui transportera la chaleur pendant le cycle. Ce fluide est un gaz, autrefois du fréon, maintenant divers nouveaux produits (voir liens).
Ce gaz est comprimé par un compresseur pompe, donc s'échauffe. Le produit de la pression par le volume est une température (facteur d'une constante).
Il faut ensuite le refroidir au mieux pour récupérer un maximum de calories lors de la détente finale dans l'évaporateur et produire le froid attendu dans l'évaporateur placé dans la glacière.

Rappel (voir innombrables liens). Les lois de thermodynamique pour un gaz parfait nous ont appris que :

Ce processus à compression pose divers problèmes spécifiques.
Le compresseur vibre chauffe et fait du bruit.
Le radiateur dissipe beaucoup de chaleur qu'il faudra évacuer par convection naturelle et ventilateurs bruyants ou par échange avec l'eau de mer.
Un chapitre parlera de l'isolation du bac et des tubes de liaison.
L'évaporateur, et l'apport du froid ventilé .

J'ai fait cette petite page, bien que totalement nul sur la pratique des problèmes de froid pour regrouper quelques informations. L'installation sur mon dernier bateau ayant des performances tellement médiocres, j'ai voulu en trouver les causes.

Autres principes

Juste pour la culture, il faut savoir qu'il existe bien d'autres façons de faire du froid, que nous n'exploitons pas à bord.

Systèmes à sorption

Dispositifs à adsorption ou à absorption. Ne confondons pas ces deux principes :
Adsorption = Propriété qu'ont certains corps à l'état liquide ou solide de retenir les molécules d'autres corps (à l'état gazeux ou liquide) à leur surface.
Absorption = Transfert de matière ou d'énergie, transformation d'une énergie en une autre forme d'énergie.

Un réfrigérateur à absorption utilise un fluide caloporteur (ammoniac) pompant l'énergie d'une enceinte (refroidissant) par sa chaleur latente de vaporisation. Un solvant (eau) absorbe le fluide caloporteur. Un générateur de vapeur le récupère. Il est séparé du solvant. Il est condensé. Il est refoulé à nouveau dans l'échangeur.
Ce cycle complexe fonctionne à la perfection, le système, sans aucune pièce mobile, ne fait aucun bruit. Il est performant et fiable. Il est utilisé dans les minibars d'hôtel pour le (silence absolu) et dans les camping-cars. Le chauffage se fait au gaz, en 12 V ou en 220 V (ou en ce que vous voulez !).
Il est peu répandu sur nos voiliers car le dispositif ne fonctionne que parfaitement vertical, il faut éviter les risques liés à la flamme à la gîte. Sous voile, un compromis peut être trouvé en passant sur batterie et en coupant le gaz réservé seulement au mouillage.
Ce système reste le meilleur et le plus fiable si l'on prend un maximum de précautions pour tous les risques majeurs liés au gaz et à une flamme nue dans les aménagements et si l'évacuation extérieure par cheminée est sécurisée. Il est très économique et l'autonomie est considérable avec une grosse bouteille de gaz.
Par facilité le montage très médiocre à compresseur sera souvent préféré.

Les pompes à chaleur

Par compression ou sorption. Vaste sujet non abordé ici car il ne concerne pas nos petits bateaux pour le moment.
C'est une solution à très bon rendement.

Effet Peltier (TEC : Thermo Electric Cooler)

Il fait l'objet du chapitre final, mais n'est pas adapté aux glacières du bord.

Moteur Stirling

Les extraordinaires moteurs Stirling. Suivre ce lien. Ils permettent de réaliser des réfrigérateurs pour atteindre des températures extrêmes, avec une seule source de chaleur quelconque, flamme, solaire, récupération chaleur d'échappement, nucléaire...

L'évaporation

N'oublions pas ce moyen connu depuis l'antiquité avec les jarres poreuses ou entourées de chiffons humides et ventilés. L'évaporation pompe des calories. Le phénomène est très sensible si l'air ambiant est sec. Il est utilisé en caravaning sous forme de "râfraichisseurs de toit " abaissant de quelques degrés la température intérieure. Sur un bateau, l'air étant humide, l'efficacité est totalement nulle. Attention à la légionellose, la pulvérisation de microbes proliférant dans l'eau chaude en milieu confiné étant redoutable.

Installation

L'installation d'un petit groupe frigorifique est simple maintenant que le raccordement de l'évaporateur et du groupe se fait avec des raccords étanches, sans nécessiter, en principe, de recharge de gaz.

Nous détaillerons divers problèmes dans les chapitres suivants.
Quel matériel choisir, en décrivant rapidement les produits classiques.
Comment diminuer la pollution sonore.
Comment économiser aux mieux l'énergie, car ce matériel est extrêmement vorace. Il ne faudra négliger aucun détail.
Je décrirai un petit gadget pour avoir le frigo prêt en arrivant au bateau.

Choix du matériel

Les variantes principales

Il existe divers moyens pour limiter la consommation.
La plaque eutectique est un accumulateur de froid, qui a pour effet de limiter les déclenchements et les cycles courts et utilise le maximum d'énergie possible quand elle est abondante (moteur ou secteur). Le principe est d'exploiter le changement de phase liquide - solide d'une solution saline qui absorbe (donc restitue) beaucoup d'énergie calorifique. Ce dispositif est très efficace.

Le système très connu "Frigoboat " utilise une pompe attelée au moteur et accumule 24 h de froid pour une heure de moteur, sans solliciter la batterie. Tous les grands chantiers français et tous les loueurs utilisent Frigoboat, c'est un gage de performance et de sérieux. Inconvénients : il un peu plus lourd qu'un système compressé Danfoss à cause de la plaque eutectique de gros volume, il est cher mais l'efficacité à un coût.

Les bas de gamme soufflent de l'air par un ventilateur bruyant sur le tube chaud monté en zigzags, faisant office de radiateur. Dans le petit espace mal ventilé d'un coffre sous une banquette, le résultat est très médiocre, le volume s'échauffe beaucoup et le rendement s'écroule.
Ce ventilateur fait parfois plus de bruit que le groupe lui-même.

Refroidissement à eau

D'autres systèmes économisent l'énergie grâce au refroidissement par l'eau de mer. C'est un système efficace mais onéreux. Il existe diverses variantes utilisant le transfert de calories vers la mer :
Passe-coque spécial avec serpentin noyé dans le corps.
Pompage et rejet avec un échangeur interne.
Radiateur sous la coque dans une sorte de plaque de masse bronze ou tubes protégés par un capot.
Tous ces systèmes sont bien meilleurs que le refroidissement basique par air qui dégage beaucoup de chaleur dans le coffre et dont le ventilateur est très bruyant.

Attention au piège ! Des distributeurs de groupes à pompe eau de mer vantent leur système très silencieux, mais sans parler de la médiocre pompe basique qui fait autant de bruit qu'une pompe à eau douce sous pression. Ils proposent en option une pompe plus silencieuse à entraînement magnétique, mais avec supplément non mentionné par défaut.
Il est tentant de monter la pompe dans le compartiment moteur insonorisé, bien que la température plus élevée fasse un peu baisser le rendement. La longueur du tuyau d'eau n'est pas un problème, le débit étant faible.

Évaporateur

Un tube cuivre fin soudé en zigzags sur une tôle peinte en blanc semble tout à fait trivial. C'est une erreur, les meilleurs frigoristes ont développé des technologies de freinage du fluide par des capillaires en spirale qui améliorent beaucoup le rendement. Cela ne se voit pas de l'extérieur, seul un vrai spécialiste saura vous conseiller.

Optimiser l'isolation thermique

Quel que soit le système choisi, il faut avant tout améliorer l'isolation du bac qui est toujours insuffisante d'origine.
Après montage et passage des tubes, il faut éliminer toute convection en empêchant l'air de circuler. Les espaces seront remplis au mieux de mousse expansible. Des évents en partie haute permettront l'évacuation de la mousse en excès (pour éviter l'éclatement). Il est fondamental d'obtenir une mousse à grosses cellules fermées, cela ne peut se produire qu'en présence d'eau, il faut donc avant d'injecter la mousse, saturer le volume à la vapeur d'eau, par exemple en utilisant une décolleuse à tapisserie.
Il est évident que le long tube cuivre reliant le groupe à l'évaporateur sera très soigneusement enrobé de manchon isolant fendu entouré d'adhésif. Le papier collant large utilisé en peinture convient très bien. Une fois tout emmailloté, un coup de peinture blanche le rendra imperméable et indestructible.
Il ne doit exister aucun point froid produisant givrage est condensation. Au départ du groupe, les raccords sont fixés sur une plaque métallique. Pour isoler tout l'ensemble, il suffît de confectionner un cache en carton englobant les raccords et remplir de mousse.

Ces efforts valent la peine et diminuent de manière très importante la consommation électrique et les nuisances.

Froid ventilé

Il faut absolument éviter le contact des aliments avec les parois, cela provoque des ponts thermiques et des points chauds. L’idéal est de disposer de bacs en grillage, séparés de la paroi d’un centimètre.

Un ventilateur interne soufflant sur la plaque eutectique permet un bon brassage de l’air, une absence de points chauds et évite les mauvaises odeurs. Cela évite le givrage de l'évaporateur et répartit mieux le froid dans le bac. Il suffit de monter un petit ventilateur de PC, dont la consommation en 12 V de 0.2 A sera négligeable devant les 5 A du groupe. Il sera mis en parallèle sur le déclenchement par thermostat. Un trou de passage de fil sera percé à l'endroit le plus favorable puis bouché au silicone. Le ventilateur doit souffler sur l'évaporateur et sera protégé par une grille métallique. Il ne fait aucun bruit à l'extérieur. Attention de bien le protéger par un fusible calibré, ces matériels médiocres grillent.

Pertes à l'ouverture de la porte

Il faut minimiser les entrées d'air chaud lors de l'ouverture de la porte.
Cela passe par le rangement à l'intérieur du compartiment en utilisant un maximum des boîtes étanches plastique à couvercles. La taille des boites est optimisée pour remplir tout l'espace, tout en laissant des espaces pour la circulation de l'air interne. De petits rouleaux en grillage de deux centimètre de diamètre constituent de bons séparateurs aérés.
De grosses étiquettes identifient clairement les contenus, ce qui permet d'accéder rapidement aux bons aliments avec des pertes minimales.

Congélateur

Sur un bateau qui navigue, un congélateur est indispensable. La consommation dépend essentiellement de la qualité de l’isolation.
Pour fixer les idées, en exploitation sur Itzamma, la consommation du congélateur est de 40 Ahj en 24 V.

Pour le grand monocoque successeur d’Itzamma, la conception des bacs froids a été très soigneusement étudiée avec une approche novatrice.
Le bac isolant du congélateur est entouré par le bac ventilé du réfrigérateur ce qui diminue considérablement les pertes thermiques donc la dépense énergétique. L’écart de température entre les parois externes et internes du congélateur de sera plus de :
(température ambiante Antilles 35°C) – (température congélation -28 °C) soit un différentiel énorme de 63 °C, mais de :
(température bac réfrigérateur ventilé 4°C) – (température congélation -28 °C) soit un différentiel plus acceptable de 32 °C.
Cela rédut à la fois la consommation du congélateur et du réfrigérateur, pour celui-ci l’augmentation de la surface externe des parois est compensée par l’apport des fuites du congélateur. Les plans et photos seront joints ultérieurement.

Optimiser l'isolation phonique

Il est évidement impossible d'enfermer le compresseur dans un caisson antibruit efficace sans bloquer les échanges thermiques. Les tuyaux sont trop courts et la place manque généralement pour l'installer dans le compartiment moteur, par ailleurs beaucoup trop chaud.
Il faut casser la transmission des vibrations du groupe à la coque.
Pour cela, le groupe ne sera jamais vissé directement sur une planche stratifiée à la coque, mais sur une planche intermédiaire. Les deux forment un sandwich avec une plaque de mousse néoprène épaisse, fortement collée, ou mieux, plusieurs bandes séparées et perpendiculaires, avec une feuille mince de contreplaqué. Toutes les précautions seront prises pour que le collage ne s'arrache pas, des bouts ou sangles de sécurité sont indispensables en cas de rupture.
Une plaque montée sur quatre petits silentblocs s'avère bien moins efficace que les sandwiches faits de plusieurs plaques de mousses de caractéristiques différentes.

Il faut alterner des mousses de densités différentes. Pour la pompe d’un déssalinisateur lourd, les tampons amortisseurs sont un sandwich de quinze centimètres d’épaisseur, fait de cinq mousses différentes, séparés par de fines planchettes découpées en blocs de 10 cm de cotés, séparés de quelques centimètres
J’utilise des mousses et du néoprène de récupération, ce sont des matériaux très banals dans l’industrie !
N’oubliez pas une cale de sécurité pour bloquer le haut, de même structure, afin d’éviter l’arrachement.

Cette astuce s'applique aussi au montage de la pompe à eau sous pression.

Il faut ventiler le local avec un ventilateur lent très silencieux en parallèle sur le moteur, le gain en puissance consommé par le groupe est très supérieur à la puissance consommée par le ventilateur. Attention aux tuyaux annelés des prises d’air, ils se comportent parfois comme des tuyaux d’orgue !

Causes possibles d'un rendement déplorable

Diagnostic

Vous ne voyez pas d'anomalie dans votre isolation, et pourtant le rendement est désastreux. Considérez cela comme une panne.

En tout premier lieu, faites vérifier par un frigoriste la pression et éventuellement recharger en gaz. Tous les groupes ont un embout de test et de remplissage. Une perte de gaz est fatale pour le rendement.
Les embouts actuels à clapet sont très bien faits, ils sont réputés ne pas fuir au branchement ou en fonctionnement, mais vous avez peut-être eu la malchance de tomber sur un élément vide (groupe ou évaporateur), donc en panne.

Vérifier les points chauds sur le groupe, si nécessaire ajoutez un ventilateur de PC.

Aérez au maximum le coffre contenant le groupe, quitte à installer un ventilateur supplémentaire d'aspiration et un de refoulement pour limiter au maximum l'échauffement du volume. Plus le courant d'air sera fort, meilleur sera le rendement, mais le bruit peut devenir insupportable.

Traitement

Si tout échoue, prenez les grands moyens. Il faut savoir admettre avoir fait une erreur, ne pas s'obstiner et tout remettre à plat.

Commencez par jeter ces groupe et évaporateur à la décharge. Il y a maintenant une alternative.

Fuite et abandon

Ce n'est pas une retraite, mais un repli stratégique habilement élaboré dans l'honneur et la dignité. Vous renoncez définitivement au froid et aux soucis liés. Adoptez des conserves

Obstination paranoïaque

Dégarnissez tout l'isolant médiocre autour du bac de la glacière. Installez des sandwiches isolants, feuilles aluminium sur mousse. Le montage doit être extrêmement soigné, avec une épaisseur partout d'au moins 10 cm, en multicouches et recouvrements parfaitement étanches sur les tranches. Les bons panneaux sont chers. Comblez le moindre espace à la mousse. L'isolation sera très supérieure à celle de l'installation originale.
Contactez un bon frigoriste, il en existe quelques-uns, et demandez conseil pour le choix d'un matériel adapté, avec refroidissement par eau. Choisissez un haut de gamme, à plaque eutectique.
Montez-le tout à la perfection.
Maintenant vous devriez avoir du froid avec un temps de fonctionnement du groupe faible...

Réflexions sur la consommation

Un réfrigérateur est un véritable tueur (= réfrigératueur) de batteries sur un petit bateau, et le bilan énergétique devra être réfléchi.
Il faut compter avec un bac classique mal isolé et un fonctionnement quasi permanent du groupe, soit une vingtaine d'heures par jour à 5 A, donc 100 Ah. A ce rythme, une batterie bien chargée de 135 Ah s'écroulera en 24 h de mouillage forain en considérant les autres consommations comme négligeables. Le réfrigérateur se coupera par sécurité à 11.5 V pour ne pas détruira la batterie.
C'est un problème majeur qui impose en pratique de doubler ses batteries. Si l'on fait de la voile, le quart d'heure de moteur pour appareiller ou mouiller ne rechargera pas. Il est donc préférable d'affecter une grosse batterie au seul réfrigérateur, tout le reste du bord étant pris sur une troisième (on ne touche pas à la batterie moteur). Le réfrigérateur s'arrêtera quand la batterie sera vide sans autre conséquence.

Il faudra aussi s'intéresser aux charges par aérogénérateurs et panneaux solaires. Voir les chapitres sur l'énergie du bord qui détaillent ces problèmes.

Il faudra évidement en tout premier s'assurer que son installation est correcte, bien isolée avec le gaz à la bonne pression, un dépannage peut provoquer une baisse considérable de l'énergie perdue.

Il ne faut pas s'attendre à des miracles avec les modèles d'entrée de gamme de shipchandlers. L'appel à un vrai professionnel peut s'avérer judicieux pour limiter les désillusions futures.

Du froid pour le week-end

Hormis la période de croisière, quand vous venez naviguer le week-end, il est souhaitable que le réfrigérateur soit en température pour accueillir les provisions. Il ne sert à rien de l'allumer en arrivant, il faut 24 h pour stabiliser la température. Si vous venez au bateau le dimanche matin, il faut allumer le frigo bien avant. Il serait ridicule de le laisser tourner 24h/24 hors navigation, pour une utilisation aussi courte.

Il suffit donc de le déclencher avec une petite horloge, suivant vos habitudes, 24 h avant d'embarquer.

Les perfectionnistes s'inspireront de la page "alarme GSM et GPS " et adapteront un simple vieux gsm sans abonnement pour une télécommande par téléphone depuis la maison.

Dans tous les cas, il faudra évidement n'allumer que si l'énergie est abondante pour ne pas arriver au bateau avec des batteries servitude épuisées. Le principe est de détecter si l'énergie est suffisante pour allumer ou non.

C'est très simple !
Si votre bateau est à quai, relié au secteur avec chargeur flottant, l'horloge mettra en service un relais alimenté via le secteur. Si vous êtes bien branché, le disjoncteur n'ayant pas sauté, le frigo se déclenchera, le contact sec du relais alimentant directement le réfrigérateur par le positif, même batterie coupée. Toutes les précautions seront prises avec un fusible de sécurité bien calibré.
Si vous êtes en mouillage plus sauvage, sans secteur, mais avec panneaux solaires ou aérogénérateur, le principe est un peu différent. L'horloge alimentera directement le réfrigérateur, mais au travers d'un comparateur de tension qui empêchera la batterie de se décharger de plus d'un tiers.
Si l'apport d'énergie dans la semaine a été suffisant, l'alimentation devrait tenir 24 h, sinon le frigo restera coupé.

Si vous ne venez pas un ou plusieurs week-ends, aucun problème, le frigo tournera un jour sur sept pour rien, mais cela est sans importance.

Il faut évidement laisser une charge dans le frigo, par exemple quelques bouteilles d'eau dans l'évaporateur (mieux blocs à changement de phase), pour obtenir un tampon de froid lors du chargement du bac après 24 heures de fonctionnement.

L'horloge utilisée peut être de plusieurs types :
Prise programmable secteur (en supermarchés pour moins de 30 €), en vérifiant évidement qu'elle possède une pile de maintient indépendante du secteur.
Centrale bas de gamme d'arrosage automatique (moins de 50 €), en vérifiant sur la documentation qu'il est possible de programmer des temps longs, les arrosages classiques dépassant rarement une heure par voie.
Eviter les coucous suisses, car il vaut venir remonter les poids tous les jours.

Le relais utilisé sera en basse tension, avec un petit bloc si alimentation secteur.
Grâce à Voilelec, je bois mon Coca-Cola frais en arrivant au bateau...

L'effet Peltier

De nombreux plaisanciers rêvent en voyant les promotions des supermarchés qui proposent une glacière camping 12 V pour quelques dizaines d'euros. Quelle tentation d'adapter le petit module réfrigérant pour le bateau, et éliminer le bruit pénible du compresseur pour dix fois moins cher. C'est malheureusement impossible car ces petits modules Peltier délivrent des dizaines de fois moins de frigories (équivalent négatif des calories) en consommant beaucoup plus qu'un compresseur bas de gamme. Il faut attendre 24 heurs de fonctionnement continu, sans ouvrir la glacière basique, pour espérer une baisse de 20°C de l'enceinte, dans le meilleur des cas.
Ce rendement très faible est acceptable quand le moteur tourne, l'énergie étant surabondante, mais totalement inacceptable moteur coupé, les batteries ne résisteraient pas.
Un module Peltier produit beaucoup plus de chaleur par effet Joule que de froid utile, il faut refroidir le radiateur par un puissant ventilateur si l'on veut espérer obtenir une vingtaine de degrés sur la plaque froide, en dessous de la température ambiante. Le rendement s'écroule pour des écarts supérieurs.
On peut empiler plusieurs modules en série pour augmenter l'écart thermique, mais au prix d'une consommation électrique et d'une dissipation thermique considérable avec un rendement catastrophique.

Les applications d'un module Peltier sont inadaptées pour une glacière de bateau, mais ont des créneaux très spécifiques :
Refroidissement d'un module capteur d'image, par exemple un CCD pour diminuer le bruit thermique. Il est irremplaçable pour cette application, par exemple en astronomie.
Refroidissement d'un CPU pour overclocking. Il faut un radiateur et un ventilateur surdimensionnés mais le résultat est très satisfaisant si l'on maîtrise le phénomène de givrage, car l'eau coulant dans le support du cpu est ravageuse.
Le contrôle de température de cuve d'échantillons pour analyses, en exploitant la réversibilité, car l'inversion du courant inverse les faces froides et chaudes.

La glacière de camping Vous voyez sur la photo comment est réalisée une glacière de camping. Tout est placé dans le couvercle. L'isolation sommaire est en polystyrène expansé. La face froide du module s'adapte exactement dans le trou central. Un radiateur aluminium, comme celui montré est dans la glacière coté froid. Le module est serré par collage entre les deux radiateurs, avec de la graisse thermique indispensable. Le ventilateur crée un courant d'air important sur le radiateur chaud externe. Très astucieusement, l'axe est prolongé coté intérieur et un autre petit ventilateur souffle sur le radiateur froid pour augmenter le rendement et éviter le givrage.

Résume de l'effet Peltier

Un module à effet Peltier (TEC : Thermo Electric Cooler) se présente comme un petit bloc alimenté en basse tension (12 V) dont l'une des faces s'échauffe pendant que l'autre se refroidit.
Les avantages sont la grande simplicité, le prix réduit, l'absence de toute partie mobile, la petite taille.
Les inconvénients sont le rendement énergétique faible et l'impossibilité pratique d'obtenir des écarts de plus de 20 °C par rapport à la température ambiante.
En pratique, le rendement d'un module Peltier ne peut permettre de refroidir le volume d'une glacière avec l'énergie disponible sur un bateau.

Liens réfrigération

Liens généraux

Principe de fonctionnement d’une installation frigorifique : ism.asso.fr/kiosque/publications
Machines thermodynamiques : ipst.u-strasbg.fr/jld/machth
La climatisation automobile : club-internet.fr/pboursin/pdgclima
Adsorption : Du froid en chauffant, et sans pièce mobile : lien mort

Liens réfrigération Peltier

Cellules Effet Peltier : seem-semrac.fr

* Liens vérifiés le 15/06/09

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Merci aux journalistes qui pillent sans vergogne mon site,
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        Dernière retouche le 15 Juin 2009 à 23 h