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Production frigorifique. Partie 1 : Bases des systèmes frigorifiques à com pression mécanique. Production Frigorifique Michaël Thienpont Page 1 Objectifs Maîtriser les unités relatives aux grandeurs thermiques Connaître le principe de fonctionnement d'une machine frigorifique et d'une centrale de traitement d'air Tracer le cycle thermodynamique sur un diagramme adapté Calculer / Dimensionner / Concevoir une installation simple. Froid Industriel et Conditionnement Michaël Thienpont Page 2 Bibliographie Cours de l'IFFI 1999. Articles de le Revue Générale du Froid. Technologie du Froid (Rapin) Production de Chaud et de Froid (Bouteloup) CDRom Energie Plus Froid Industriel et Conditionnement Michaël Thienpont Page 3 Disciplines connexes Thermodynamique des machines Machines dithermes Cycle de Carnot Rendement de Carnot Notion de variance et relation pression/température Cours de thermique Notion de bilan thermique Calculs et Technologie des échangeurs Traitement de l'air Froid Industriel et Conditionnement Michaël Thienpont Page 4 Introduction Les bases du cycle thermodynamique Production Frigorifique Michaël Thienpont Page 5 Les unités de base en thermique Unités de base : Froid Industriel et Conditionnement Unités dérivées : Michaël Thienpont Page 6 Construisons une machine frigo Air Extérieur « Chaud » Comment transférer l'énergie de l'intérieur vers l'extérieur alors que spontanément elle va dans le sens inverse (cf. second principe) ? Enceinte T=4°C Il faut utiliser un fluide pour transférer l'énergie. ● On utilise la Chaleur latente plutôt que la Chaleur sensible →débit masse faible ● Froid Industriel et Conditionnement Michaël Thienpont produits Page 7 Construisons une machine frigo Air Extérieur « Chaud » Transfert d' énergie Il faut « boucler » pour faire un cycle. fluide frigorigène liquide chaud fluide frigorigène gaz froid fluide frigorigène liquide froid bouteille de fluide frigorigène liquide Enceinte T=4°C Air « Chaud » Transfert d' énergie Air Réchauffé fluide frigorigène gaz chaud Air Refroidi produits Froid Industriel et Conditionnement Michaël Thienpont Page 8 Construisons une machine frigo Transfert d' énergie Air Extérieur « Chaud » fluide frigorigène liquide chaud fluide frigorigène gaz froid fluide frigorigène liquide froid bouteille de fluide frigorigène liquide Enceinte T=4°C Air « Chaud » Transfert d' énergie Air Réchauffé fluide frigorigène gaz chaud Application numérique : R134a ou R410A Air Refroidi produits Froid Industriel et Conditionnement Michaël Thienpont Page 9 Étude du cycle frigorifique... Installation monoétagé simple Évolutions élémentaires Les différents états possibles : Liquide sousrefroidi Liquide saturant Saturé (Liquide/Vapeur) Vapeur saturante Vapeur surchauffée Tracé du cycle avec Utilisation du diagramme (log(P)/h Utilisation de logiciels (Solkane ==> démo) Michaël Thienpont Froid Industriel et Conditionnement Page 10 Le diagramme enthalpique point critique C Axe pression abs I sobare I sotherme I sochore I sotitre Courbe de saturation LI QUI DE VAPEUR LI QUI DE + VAPEUR Froid Industriel et Conditionnement Michaël Thienpont Page 11 Méthode de conception Principe Process => Température et Hygrométrie souhaitée Bilan thermique => Charge calorique à extraire Choix du principe de production de froid Choix du régime de fonctionnement Tracé du cycle Calculs de dimmensionnement Sélection de matériel Application numérique : Tproduits = +4°C Froid Industriel et Conditionnement Michaël Thienpont Page 12 Cycle d'une installation mono étagée simple SCHEMA DE PRINCIPE FLUIDIQUE Chambre Froide Local technique M fluide frigo 1 Extérieur 7 6 2 3 5 4 Froid Industriel et Conditionnement Michaël Thienpont Page 13 Application Numérique Tproduits = +4°C et HR = 80% DeltaT = ? Tévaporation = ? Tcondensation = ? Surchauffe = ? Sousrefroidissement = ? ... Hypothèses = ? Froid Industriel et Conditionnement Michaël Thienpont Page 14 Choix du régime HR dans la chambre 100% 90% 80% 70% 60% 50% 4 6 8 Delta T à l'évaporateur Froid Industriel et Conditionnement Michaël Thienpont 10 Page 15 Tracé du cycle Froid Industriel et Conditionnement Michaël Thienpont Page 16 Cycle d'une installation mono étagée simple SCHEMA DE PRINCIPE FLUIDIQUE Chambre Froide Local technique M fluide frigo 1 Extérieur 7 6 2 3 5 4 Questions : Qu'estce qu'on a où ? Froid Industriel et Conditionnement Michaël Thienpont Page 17 Cycle de référence / cycle réel Condenseur surpuissant Ne peut en aucun cas si situer en zone saturée Distributeur de liquide Même pression si mano HP au refoulement Pour information seulement ! Même HP = BP Même enthalpie Point commun car le manomètre BP est à l'aspi. Froid Industriel et Conditionnement Michaël Thienpont Suivant type de refroidissement et point de mesure Page 18 Les calculs de dimmensionnement Du bilan thermique aux caractéristiques des matériels Production Frigorifique Michaël Thienpont Page 19 Le bilan thermique Evolution de la charge dans le temps Traitement de l'air avec fortes variations Traitement de l'air avec faibles variations Principe fondamental du bilan thermique Applications Exemple : climatiastion de confort Exemple et A.N. : entrepôt frigorifique Froid Industriel et Conditionnement Michaël Thienpont Page 20 Le bilan thermique À noter Bilan journalier moyen : terme de stockage = 0 A.N. Chambre de fruitts et légumes, 4 à 6°C,90%. Dimensions : l*L*h = 4,4 * 8,8 * 2,43 Parois : 8 W/m² Froid Industriel et Conditionnement Michaël Thienpont Page 21 Froid Industriel et Conditionnement Michaël Thienpont Page 22 Evaluation des Charges (+) Froid Industriel et Conditionnement Michaël Thienpont Page 23 Evaluation des Charges () Froid Industriel et Conditionnement Michaël Thienpont Page 24 La puissance frigorifique Suivant : Temps de fonctionnement des compresseurs (14 à 18h) Coefficient de sécurité (suivant CCTP) s× f ×Charges×24h Coefficient de foisonnement (=1 en général) Pf= D'où : Froid Industriel et Conditionnement tf Michaël Thienpont Page 25 Calculs (suite) Débit masse = qm= Pcondenseur = En tout point qvol(x) = v'(x) qm. Calculs du compresseur (cf. suite) Tau de compression τ= Volume aspiré et volume balayé (théorique) Différents rendemnets Puissances absorbées Michaël Thienpont Froid Industriel et Conditionnement Page 26 Rendements compresseurs qm.haspiration qm.hrefoulement Wréel Qfl Qcompresseur ambiance Wréel Wfl Qfrottements Eélectrique Weff Wmoteur Froid Industriel et Conditionnement Michaël Thienpont M Qmoteur Page 27 ambiance Rendements des compresseurs Les habitudes diffèrent suivant les écoles : hisentropique P abs=qm hréel =qm isentropique hisentropique P abs=qm indiqué mécanique Froid Industriel et Conditionnement Michaël Thienpont Page 28 Rendements des compresseurs Définition : volumétrique= Débit volume vapeur aspiré Volume Balayé Généralement on prend : indiqué=1−0,04×=volumétrique Froid Industriel et Conditionnement Michaël Thienpont Page 29 Coefficient de Performance Les COP : Fluide ou thermo Frigoriste Machine Système ou exploitation Par ailleurs distinguer le COPchaud du COPfroid. Application Numérique. Froid Industriel et Conditionnement Michaël Thienpont Page 30 Effet calorifique Pertes m écaniques log(P ) Isentrope a b Consommation à l'arbre Accessoires Pertes m écaniques et électriques Fluide frigorigène h ou qm×h c Consommation moteur E.F.N. Froid Industriel et Conditionnement EFFET FRIGORIFIQUE NET d Michaël Thienpont CONSOMMATION TOTALE Page 31 Application Numérique : Bilan Pour le compresseur Pour le détendeur Volume balayé Débit masse de fluide Pabsorbée Chute de pression Pour l'évaporateur Pour le cycle Ecart de Température Puissance échangée COPmachine Pour le condenseur Ecart de Température Puissance échangée Froid Industriel et Conditionnement Michaël Thienpont Page 32 Compléments Production Frigorifique Michaël Thienpont Page 33 Les fluides frigorigènes Nouvelles règlementations = nouveaux fluides Moins performants Moins polluants Apparition des fluides avec glissement : ex 407C T(x) dans l'évaporateur et dans le condenseur. Apparition de pressions plus élevées Certaines optimisations « re » deviennent rentables Froid Industriel et Conditionnement Michaël Thienpont Page 34 Volume massique en vapeur saturée suivant la température 200 Volume massique dm3/kg 180 160 140 R134a R404A R407C R410A R22 120 100 80 60 40 20 0 25 20 15 10 Froid Industriel et Conditionnement 5 0 Tsat (°C) 5 Michaël Thienpont 10 15 20 25 Page 35 Pression en fonction de Tsat Pression (bar absolus) 100 Courbes tracées de la pression atmoshpérique à la pression critique. 10 R22 R404A R407C R410A R134a 1 55 35 15 Froid Industriel et Conditionnement 5 25 Tsat (°C) Michaël Thienpont 45 65 85 Page 36 105 Courbe de saturation Ph Pression 100 R134a R404A R407C R410A R22 10 1 150 200 Froid Industriel et Conditionnement 250 300 Enthalpie Michaël Thienpont 350 400 450 Page 37 courbe de saturation Tsat h 100 90 80 é rature de Saturation (K) 70 60 50 R134a R404A R407C R410A R22 40 30 Temp 20 10 0 10 20 150 200 Froid Industriel et Conditionnement 250 300 350 Enthalpie (kJ/kg) Michaël Thienpont 400 450 Page 38 L'optimisation d'un cycle mono étagé Variations des grandeurs caractéristiques d'un cycle en fonction du régime. Exemple : examinons le cas où BP chute (au R404A) Froid Industriel et Conditionnement Michaël Thienpont Page 39 ηvol en fonction de Tévap 1 0,9 0,8 0,7 0,6 'ηvol 0,5 0,4 0,3 Vbal en fonction de Tévap pour Pf=10 kW 0,2 700 0,1 0 650 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 600 550 500 450 400 Vbal 350 300 250 200 150 100 50 Pabs en fonction de Tévap pour Pf=10 kW 80 75 70 65 60 55 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 0 45 40 35 30 25 20 15 10 5 Pf Pabs 45 Froid Industriel et Conditionnement 40 35 30 25 20 15 10 5 Michaël Thienpont 0 Page 40 0 COP en fonction de Tévap 5 5 2 5 5 COP 5 1 5 5 5 0 45 Froid Industriel et Conditionnement 40 35 30 Michaël Thienpont 25 20 15 10 Page 41 5 On cherche Côté HP : HP le plus faible possible Sousrefroidissement maximal Mais condenseur pas trop cher Côté BP : BP le plus haut possible SRC faible Sécurité du compresseur Froid Industriel et Conditionnement Michaël Thienpont Page 42
