Réfrigérateurs et congélateurs

Introduction au chapitre

Ce chapitre couvre l'ensemble des connaissances théoriques et pratiques requises pour l'examen Sceau rouge concernant les réfrigérateurs et congélateurs domestiques et commerciaux légers. Vous devez maîtriser les cycles frigorifiques, les composants, les diagnostics, les réparations et les normes de sécurité applicables. Ce chapitre est structuré pour suivre la progression logique de l'analyse d'un système : principes physiques, composants, cycles, puis procédures d'intervention.

Principes thermodynamiques fondamentaux

Transfert de chaleur

Un réfrigérateur ne « crée » pas le froid ; il déplace la chaleur d'un espace clos vers l'extérieur. Les trois modes de transfert sont :

Conduction : transfert à travers un solide (parois, serpentins). La conductivité thermique (k) s'exprime en W/(m·K). L'isolation en polyuréthane a un k d'environ 0,022 W/(m·K).

Convection : transfert par mouvement d'un fluide (air dans la cavité, réfrigérant dans les tubes).

Rayonnement : transfert électromagnétique (pertes à travers les parois, condensation sur les surfaces).

La charge thermique d'une enceinte se calcule par la somme des apports : conduction à travers les parois (Q = U × A × ΔT), infiltration d'air lors de l'ouverture des portes, chaleur sensible et latente des aliments introduits, chaleur dégagée par le dégivrage électrique, et chaleur dissipée par le compresseur et le ventilateur.

Pression et température

La relation pression-température du réfrigérant est la base du diagnostic. Chaque réfrigérant possède une courbe de saturation unique. Pour le R-134a, à 0 °C, la pression absolue est d'environ 293 kPa (2,93 bar). Pour le R-600a (isobutane), à 0 °C, elle est d'environ 103 kPa. Cette différence explique pourquoi les systèmes au R-600a utilisent des compresseurs de plus petit volume et des tubes capillaires plus longs.

La pression absolue = pression manométrique + pression atmosphérique (101,3 kPa au niveau de la mer). Tous les calculs de surchauffe et de sous-refroidissement utilisent des pressions manométriques converties en températures de saturation via le tableau du réfrigérant.

Surchauffe et sous-refroidissement

Surchauffe (superheat) : différence entre la température réelle de la vapeur à la sortie de l'évaporateur et la température de saturation correspondant à la pression d'aspiration. Valeur typique : 5 à 8 °C pour les systèmes à détente directe.

Sous-refroidissement (subcooling) : différence entre la température de saturation du liquide à la pression de condensation et la température réelle du liquide à la sortie du condenseur. Valeur typique : 5 à 10 °C.

Formule de surchauffe : ΔT_surchauffe = T_vapeur_réelle − T_saturation(P_aspiration)

Composants du système frigorifique

Compresseur

Le compresseur est le cœur du système. Types rencontrés :

Type	Usage	Caractéristiques
Hermétique	Réfrigérateurs domestiques	Moteur et compresseur dans une même enveloppe soudée. Non réparable sur place.
Semi-hermétique	Commerciaux légers	Boulonné, accessible pour remplacement de soupapes ou joints.
Rotatif	Petits systèmes	Silencieux, efficace, sensible aux impuretés.
Alternatif (piston)	Domestique et commercial	Robustesse, couple de démarrage élevé.

Le relais de démarrage (potentiel ou à courant) et le protecteur thermique (klixon) sont des composants critiques. Le relais à potentiel utilise la force électromotrice (FEM) du bobinage de démarrage pour ouvrir le contact lorsque le moteur atteint environ 75 % de sa vitesse nominale. Le protecteur thermique ouvre le circuit si la température du bobinage dépasse environ 120 °C.

Condenseur

Le condenseur dissipe la chaleur. Types :

Statique (à plaques ou à fils) : refroidissement par convection naturelle. Nécessite un espace de ventilation minimal de 50 mm à l'arrière et sur les côtés.

Dynamique (à ventilateur) : ventilateur axial ou tangentiel force l'air à travers le serpentin. Le ventilateur du condenseur et celui de l'évaporateur sont souvent couplés sur un même moteur dans les petits appareils.

Le condenseur doit être maintenu propre. Une accumulation de poussière de 1 mm peut réduire l'efficacité de 15 à 20 %.

Évaporateur

L'évaporateur absorbe la chaleur de la cavité. Il fonctionne à une température de 5 à 8 °C inférieure à la température cible de l'enceinte. Pour un réfrigérateur à 4 °C, l'évaporateur est à environ −4 °C. Pour un congélateur à −18 °C, l'évaporateur est à environ −26 °C.

La surface d'échange et le pas des ailettes déterminent la capacité. Les évaporateurs à plaques (roll-bond) sont courants dans les petits appareils. Les évaporateurs à ailettes et tubes sont utilisés dans les congélateurs avec dégivrage automatique.

Tube capillaire et détendeur

Le tube capillaire est le dispositif de détente le plus courant dans les appareils domestiques. C'est un tube de cuivre de 0,6 à 2,0 mm de diamètre intérieur et de 1,5 à 4,5 m de longueur. Il maintient la différence de pression entre le condenseur et l'évaporateur par friction. Il est souvent soudé en échangeur de chaleur avec la ligne d'aspiration pour améliorer le sous-refroidissement.

Le détendeur thermostatique (TXV) est utilisé sur les appareils commerciaux légers. Il maintient une surchauffe constante. Le bulbe est fixé à la sortie de l'évaporateur. La pression du bulbe (P_bulbe) s'oppose à la somme de la pression d'évaporation (P_évap) et de la force du ressort (P_ressort). Équilibre : P_bulbe = P_évap + P_ressort.

Accumulateur et filtre déshydrateur

L'accumulateur (réservoir de liquide) est placé sur la ligne d'aspiration pour empêcher le liquide d'atteindre le compresseur. Le filtre déshydrateur est placé sur la ligne liquide. Il contient un tamis moléculaire (zéolithe) qui adsorbe l'humidité résiduelle (maximum 50 ppm après installation). Un filtre saturé provoque une augmentation de la pression différentielle et un givrage localisé.

Le cycle frigorifique complet

Les quatre étapes

42.Compression : le compresseur aspire la vapeur à basse pression (environ 100 à 200 kPa pour R-134a) et la comprime à haute pression (800 à 1 200 kPa). La température de décharge atteint 60 à 90 °C.

43.Condensation : la vapeur surchauffée cède sa chaleur au condenseur et se liquéfie. Le sous-refroidissement se produit dans la partie inférieure du condenseur.

44.Détente : le liquide sous-refroidi passe à travers le tube capillaire. La pression chute brusquement, une partie du liquide se vaporise (flash gaz), la température chute à la température d'évaporation.

45.Évaporation : le liquide bout en absorbant la chaleur de la cavité. La vapeur retourne au compresseur.

Cycle avec dégivrage

Les appareils à dégivrage automatique (no-frost) utilisent un cycle de dégivrage périodique. Le minuteur de dégivrage (électromécanique ou électronique) interrompt le cycle de refroidissement toutes les 6 à 12 heures pour une durée de 15 à 30 minutes. Pendant le dégivrage :

Le compresseur s'arrête.

La résistance de dégivrage (200 à 600 W) chauffe l'évaporateur.

Le thermostat de dégivrage (bilame) coupe la résistance lorsque la température de l'évaporateur atteint environ 10 à 15 °C.

Le clixon de sécurité (fusible thermique) coupe le circuit si la température dépasse 70 °C.

L'eau de dégivrage s'écoule par un drain vers le bac de récupération situé au-dessus du compresseur, où elle s'évapore grâce à la chaleur du compresseur.

Réfrigérants et huiles

Réfrigérants courants

Réfrigérant	Application	GWP	Pression à 25 °C (kPa)	Remarques
R-134a	Domestique et commercial	1 430	665	Interdit dans les nouveaux appareils domestiques au Canada depuis 2020
R-600a (isobutane)	Domestique (nouveaux)	3	350	Inflammable (A3), charge max 150 g
R-290 (propane)	Commercial léger	3	950	Inflammable (A3)
R-1234yf	Nouveaux systèmes	4	680	Légèrement inflammable (A2L)
R-12	Anciens appareils	10 900	650	Interdit, remplacé par R-134a

Le R-600a est désormais le standard pour les réfrigérateurs domestiques vendus au Canada. Il est inflammable : toute intervention nécessite des outils spécifiques (clés non étincelantes, ventilation forcée, détecteur de fuite calibré pour hydrocarbures). La charge maximale est de 150 g pour les appareils domestiques selon la norme CSA C22.2 No. 60335-2-24.

Huiles lubrifiantes

Huile minérale : pour R-12 et R-22 (anciens systèmes).

Huile POE (polyolester) : pour R-134a et R-1234yf. Hygroscopique : absorbe l'humidité de l'air. Un flacon ouvert doit être refermé immédiatement.

Huile PAG (polyalkylène glycol) : pour les systèmes automobiles, rare en électroménager.

Huile AB (alkylbenzène) : pour R-600a et R-290, compatible avec les hydrocarbures.

L'huile POE ne doit jamais être mélangée avec de l'huile minérale. Un rinçage complet du système est nécessaire lors d'un changement de réfrigérant.

Systèmes électriques

Circuits de puissance et de commande

Le circuit de puissance comprend : le cordon d'alimentation, le thermostat, le relais de démarrage, le protecteur thermique, le compresseur, les ventilateurs et les résistances de dégivrage. Le circuit de commande (sur les modèles électroniques) comprend : la carte électronique, les capteurs de température (thermistances NTC), le capteur de porte, le panneau de commande.

Thermostats

Thermostat à bulbe (mécanique) : le bulbe capillaire est fixé sur l'évaporateur. Le soufflet actionne un contact électrique. Différentiel typique : 3 à 5 °C.

Thermostat électronique : une thermistance NTC (coefficient de température négatif) mesure la température. La carte compare la valeur à la consigne et commande le compresseur. Les thermistances ont une résistance d'environ 10 kΩ à 25 °C et 30 kΩ à 0 °C.

Mesures électriques

Résistance du bobinage : mesurée entre les bornes du compresseur. Pour un compresseur monophasé : R_commune-démarrage ≈ 2 à 4 Ω, R_commune-marche ≈ 1 à 2 Ω. La résistance de démarrage est toujours supérieure à celle de marche.

Courant de démarrage : 5 à 8 fois le courant nominal pendant 0,1 à 0,5 seconde.

Courant de fonctionnement : 0,8 à 1,5 A pour un réfrigérateur domestique.

Le condensateur de démarrage (si présent) est de 10 à 100 µF. Le condensateur permanent est de 2 à 5 µF. Un condensateur défectueux provoque un démarrage difficile ou un bourdonnement du compresseur.

Diagnostic et dépannage

Symptômes et causes probables

Symptôme	Causes possibles	Vérification
Compresseur ne démarre pas	Relais défectueux, protecteur ouvert, thermostat, câblage	Tester la continuité du relais, mesurer la résistance du bobinage
Compresseur bourdonne	Condensateur de démarrage HS, bobinage de démarrage ouvert, tension basse	Mesurer le condensateur, vérifier la tension (120 V ± 10 %)
Refroidissement insuffisant	Charge de réfrigérant faible, condenseur sale, ventilateur HS, joint de porte	Contrôler les pressions, nettoyer le condenseur, tester le joint
Givrage excessif	Thermostat défectueux, porte mal fermée, résistance de dégivrage HS	Vérifier le cycle de dégivrage, mesurer la résistance
Fuite d'eau	Drain de dégivrage bouché, bac de récupération fissuré	Nettoyer le drain, inspecter le bac
Bruit anormal	Compresseur usé, ventilateur qui frotte, tube capillaire qui vibre	Localiser la source, remplacer la pièce

Procédure de diagnostic systématique

81.Vérification visuelle : état du cordon, de la prise, du condenseur, des joints de porte.

82.Vérification électrique : tension d'alimentation, continuité des composants, résistance des bobinages.

83.Vérification thermique : température de la cavité, température de l'évaporateur, température du condenseur (doit être chaude, 40 à 50 °C).

84.Vérification des pressions : à l'aide d'un manifold, uniquement si le système est accessible (raccords de service). Pour les systèmes hermétiques sans raccords, le diagnostic se fait par les températures et les courants.

85.Vérification du dégivrage : avancer le minuteur, vérifier la résistance, le thermostat de dégivrage et le clixon.

Test de fuite

La méthode de détection dépend du réfrigérant :

Détecteur électronique : pour tous les réfrigérants, sensibilité minimale de 5 g/an.

Solution savonneuse : pour les raccords accessibles, efficace pour les fuites importantes.

Lampe UV : avec colorant injecté, pour localiser les fuites lentes.

Azote sec : pour la mise en pression d'épreuve (maximum 2 500 kPa pour les systèmes R-134a, 1 500 kPa pour R-600a).

La mise en vide doit atteindre 500 microns (0,5 Torr) ou moins, maintenue pendant 30 minutes. Un vide insuffisant laisse de l'humidité qui forme des acides et des boues dans le système.

Normes et codes applicables

Code canadien de l'électricité

Le Code canadien de l'électricité, Chapitre V (C22.1) s'applique à l'installation électrique des appareils. Points clés :

Règle 2-024 : les appareils doivent être installés conformément aux instructions du fabricant.

Règle 26-700 : les appareils électroménagers doivent être branchés sur un circuit dédié de 15 A ou 20 A, avec mise à la terre.

Règle 8-200 : le calcul des charges minimales pour les circuits de dérivation. Pour les résidences, un circuit de 15 A peut alimenter plusieurs prises, mais un réfrigérateur doit idéalement être sur un circuit dédié.

Règle 26-720 : les prises de courant dans les cuisines doivent être protégées par un disjoncteur de fuite à la terre (GFCI) si elles sont à moins de 1,5 m d'un évier.

Normes CSA pour les appareils

CSA C22.2 No. 60335-2-24 : sécurité des réfrigérateurs, congélateurs et machines à glace. Exigences pour les systèmes au R-600a : compartiment de compresseur ventilé, interrupteur de sécurité, marquage « inflammable ».

CSA C22.2 No. 0 : exigences générales pour les appareils électriques.

CSA B52 : norme pour les systèmes mécaniques de réfrigération (installations commerciales). Exigences de ventilation, de dégagement et de protection contre les surpressions.

Règlement sur les halocarbures

Le Règlement sur les substances appauvrissant la couche d'ozone et les halocarbures (Environnement et Changement climatique Canada) exige :

Récupération obligatoire des réfrigérants lors de toute intervention.

Certification des techniciens (examen de la section environnement).

Tenue de registres pour les quantités de réfrigérant récupérées, recyclées ou détruites.

Interdiction de rejet volontaire dans l'atmosphère.

CSA B149.1

Le Code CSA B149.1 (gaz naturel et propane) s'applique si l'appareil utilise un réfrigérant inflammable (R-600a, R-290) et que la pièce doit être ventilée en cas de fuite. Les exigences incluent : détecteur de fuite de gaz, ventilation mécanique, et distance minimale entre les sources d'inflammation et les points de fuite potentiels.

Procédures d'intervention

Remplacement d'un compresseur

116.Débrancher l'appareil et vérifier l'absence de tension.

117.Récupérer le réfrigérant dans un cylindre certifié.

118.Couper les lignes au chalumeau (oxy-acétylène ou azote) en purgeant à l'azote pour éviter l'oxydation.

119.Retirer le compresseur et le remplacer par un modèle identique (puissance, type de réfrigérant, huile).

120.Braser les raccords avec un alliage cuivre-phosphore (15 % de phosphore) pour cuivre-cuivre, ou avec un alliage argent (30 à 45 %) pour cuivre-acier.

121.Mettre sous pression d'azote (1 500 kPa) pour vérifier l'étanchéité.

122.Tirer le vide à 500 microns pendant 30 minutes.

123.Charger le réfrigérant selon la plaque signalétique (masse exacte ± 5 g).

124.Vérifier les températures et le courant après 30 minutes de fonctionnement.

Remplacement d'un tube capillaire

Le tube capillaire est dimensionné selon la charge et le réfrigérant. Un tube trop long augmente la pression de condensation et réduit le débit. Un tube trop court provoque une surchauffe du compresseur et un mauvais rendement. La longueur standard est indiquée dans les manuels du fabricant. Le tube doit être inséré dans la ligne d'aspiration sur au moins 300 mm pour l'échangeur de chaleur.

Manipulation du R-600a

Travailler dans un local ventilé (au moins 6 renouvellements d'air par heure).

Utiliser des outils non étincelants (clés en alliage cuivre-béryllium).

Débrancher l'appareil et attendre 5 minutes avant toute intervention (pression et température stabilisées).

Récupérer le réfrigérant dans un cylindre spécifique (pression maximale 1 500 kPa).

Ne jamais utiliser d'oxygène pour la mise en pression.

Vérifier l'absence de fuite avec un détecteur calibré pour propane.

Calculs pratiques

Calcul de la charge thermique

Q_total = Q_parois + Q_infiltration + Q_aliments + Q_dégivrage + Q_ventilateurs

Exemple : un réfrigérateur de 400 L avec des parois de 2 m², coefficient U = 0,3 W/(m²·K), ΔT = 25 °C entre l'intérieur (4 °C) et l'extérieur (29 °C).

Q_parois = 0,3 × 2 × 25 = 15 W

L'infiltration par ouverture de porte est estimée à 20 % de la charge des parois. Les aliments introduits (5 kg à 20 °C refroidis à 4 °C) : Q = m × c × ΔT = 5 × 3,5 × 16 = 280 kJ, soit environ 8 W sur une heure de fonctionnement.

La charge totale est d'environ 25 à 30 W. Le compresseur doit avoir une puissance frigorifique de 60 à 80 W pour un taux de fonctionnement de 40 à 50 %.

Taux de fonctionnement

Taux = (temps de marche) / (temps de marche + temps d'arrêt) × 100 %

Un taux normal est de 30 à 50 % pour un réfrigérateur, 60 à 80 % pour un congélateur. Un taux supérieur à 80 % indique un problème (charge faible, condenseur sale, joint défectueux).

Conversion de pression

1 kPa = 0,145 psi

1 psi = 6,895 kPa

1 bar = 100 kPa

1 micron = 0,001 Torr = 0,133 Pa

Pièges à éviter

Confondre pression manométrique et absolue : les tableaux de saturation utilisent la pression absolue. À 0 °C, le R-134a est à 293 kPa absolus, soit environ 192 kPa manométriques au niveau de la mer.

Oublier le différentiel du thermostat : un thermostat ne commute pas à la température exacte de consigne. Le compresseur s'arrête à la consigne et redémarre à consigne + différentiel (3 à 5 °C).

Négliger la propreté du condenseur : un condenseur encrassé provoque une haute pression, une surchauffe du compresseur et une consommation accrue.

Utiliser un manifold sur un système hermétique sans raccords : percer la ligne est interdit. Utiliser les méthodes indirectes (températures, courants).

Charger un système au R-600a avec un manifold standard : les flexibles doivent être spécifiques aux hydrocarbures (sans huile minérale résiduelle).

Ne pas attendre la stabilisation des pressions : après une intervention, attendre au moins 30 minutes avant de mesurer les pressions.

Confondre le clixon de dégivrage et le thermostat de dégivrage : le premier est un fusible thermique (70 °C), le second est un bilame (10 à 15 °C).

Oublier la vérification du joint de porte : un joint usé provoque une infiltration d'air humide, un givrage excessif et une surconsommation.

Ne pas respecter les délais de mise en vide : un vide de 500 microns doit être maintenu 30 minutes. Une remontée rapide de pression indique une fuite ou de l'humidité.

Utiliser un détecteur de fuite non calibré : le détecteur doit être calibré pour le réfrigérant recherché. Un détecteur R-134a ne détecte pas le R-600a.

Résumé

Le réfrigérateur déplace la chaleur de l'intérieur vers l'extérieur par un cycle de compression de vapeur.

Les quatre composants essentiels sont : compresseur, condenseur, détendeur (tube capillaire ou TXV), évaporateur.

La surchauffe (5 à 8 °C) et le sous-refroidissement (5 à 10 °C) sont les deux paramètres de diagnostic clés.

Le R-600a (isobutane) est le réfrigérant standard des nouveaux appareils domestiques ; il est inflammable et nécessite des précautions spécifiques.

Le dégivrage automatique utilise un minuteur, une résistance, un thermostat de dégivrage et un clixon de sécurité.

Les mesures électriques (résistance des bobinages, courant, condensateurs) permettent de diagnostiquer les pannes sans ouvrir le circuit frigorifique.

Le Code canadien de l'électricité (C22.1), la norme CSA C22.2 No. 60335-2-24 et le Règlement sur les halocarbures encadrent les installations et les interventions.

La récupération des réfrigérants est obligatoire ; la certification environnementale est requise pour manipuler les réfrigérants.

Le taux de fonctionnement normal est de 30 à 50 % pour un réfrigérateur et de 60 à 80 % pour un congélateur.

Un diagnostic systématique (visuel, électrique, thermique, pressions) évite les erreurs et les remplacements inutiles.

Questions d'auto-évaluation

176.Quelle est la surchauffe typique à la sortie d'un évaporateur à détente directe ?

177.Quel est le rôle du clixon de sécurité dans un système de dégivrage ?

178.Pourquoi le R-600a nécessite-t-il des précautions particulières ?

179.Quelle est la résistance typique du bobinage de démarrage d'un compresseur hermétique ?

180.Quel est le taux de fonctionnement normal d'un congélateur ?

181.Quelle norme CSA couvre la sécurité des réfrigérateurs domestiques ?

182.Quelle est la pression maximale de mise en épreuve à l'azote pour un système R-134a ?

183.Que signifie un vide de 500 microns ?

184.Quel est le rôle de l'accumulateur dans le circuit frigorifique ?

185.Quelle règle du Code canadien de l'électricité concerne les circuits de dérivation des appareils électroménagers ?

Ce chapitre couvre les connaissances essentielles pour l'examen Sceau rouge en électroménager. Les valeurs numériques sont des ordres de grandeur typiques ; les valeurs exactes dépendent du fabricant et du modèle. Consultez toujours les manuels techniques et les fiches de données des réfrigérants pour les valeurs précises.

Réfrigérateurs et congélateurs