Cours de Production de Froid PDF [PDF]

Zitiervorschau

Bachelor 2017

Dr. Ing. Sayon SIDIBE

Dr. Ing. Kokouvi Edem N’TSOUKPOE

Plusieurs images de ce cours proviennent du site: internet www.energieplus-lesite.be

INTRODUCTION

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01. INTRODUCTION 1.1 – COURS DE TECHNIQUES FRIGORIFIQUES: DÉFINITION

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01. INTRODUCTION 1.1 – Acquis de l’apprentissage attendus Ce cours de production de froid aborde le principe des machines frigorifiques à compression ou à absorption. L'analyse qui en résulte se base sur l'étude des cycles thermodynamiques dans différents diagrammes. Cette présentation n'aborde donc pas le point de vue technologique des différentes machines. A la fin de ce cours, l’étudiant doit être capable de : • Comprendre le principe de fonctionnement des machines frigorifiques (mono et bi-étagée) à compression mécanique de vapeur et à absorption • Déterminer les paramètres d’un cycle de réfrigération • Assurer le dimensionnement d'une installation frigorifique mono et bi étagée • Mesurer et analyser les performances d’une installation frigorifique • Evaluer l’impact du fluide frigorigène sur la performance de la machine frigorifique et sur l’environnement INTRODUCTION | LOW TEMP. TES | HIGH TEMP. TES | CONCLUSION 06.04.17

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01. INTRODUCTION 1.1 – COURS DE TECHNIQUES FRIGORIFIQUES: DIVERS Volume horaire

CM: 13 h TP: 6 h; TD: 12 h Projet: 9 h Examen: 3 h Support de cours

Techniques frigorifiques, Jean Francis SEMPORE, v. octobre 2006 Pré-requis

Connaissance de base de la thermodynamique Connaissance du transfert de chaleur

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01. INTRODUCTION Evaluation Nature de l’évaluation Contrôle continu Travaux pratiques Examen final

Commentaire 1 évaluation formative pendant les cours 2 évaluations sous forme de travaux pratiques 1 évaluation certificative à la fin des cours (hors quota horaire)

Durée Coef. 2h

20%

6h

20%

3h

60%

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01. INTRODUCTION 1.1 – COURS DE TECHNIQUES FRIGORIFIQUES: CONTENU (1/2) I. NOTIONS DE BASE Température, pression, chaleur, enthalpie, puissance, changement d’état. II. LE FLUIDE FRIGORIGENE ET AUTRES LIQUIDES FRIGORIFIQUES Fluides frigorigènes, huiles frigorifiques, fluides caloporteurs. III. CIRCUIT DE FLUIDE FRIGORIGENE Diagrammes frigorifiques, Evaporateur, Compresseur, Condenseur, Détendeur, Surchauffe et sous-refroidissement, Tracé du cycle frigorifique IV. CALCUL D’UNE INSTALLATION FRIGORIFIQUE Régime de fonctionnement, Le cycle frigorifique de référence, Calcul des caractéristiques (thermiques, mécaniques, géométriques, qualitatives)

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01. INTRODUCTION 1.1 – COURS DE TECHNIQUES FRIGORIFIQUES: CONTENU (2/2) V. FONCTION ET TECHNOLOGIE DES ELEMENTS PRINCIPAUX DU CIRCUIT DE FLUIDE FRIGORIGENE Les évaporateurs, Les condenseurs, Les compresseurs, Les détendeurs, Les tuyauteries frigorifiques (généralités, dimensionnement), Bouteille anti-coup de liquide, séparateur de liquide, pompes, ventilateurs, filtres déshydrateurs, voyants, éliminateurs de vibration, électrovannes, robinets. VI. LES ORGANES DE PROTECTION ET DE SECURITE Thermostats, pressostats, soupape de sûreté VII. ENTREPOSAGE FRIGORIFIQUE

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01. INTRODUCTION 1.2 – RAPPELS SUR LES UNITÉS

Température thermodynamique: T [K] = t [°C] + 273,15 Attention, lorsqu’il y a une différence de température, la valeur est la même en Kelvin qu’en degré Celsius !!! Exemple: 1 kg d’eau portée de 5 °C à 95 °C a reçu comme énergie: Q = 1 kg x (95 °C – 5 °C) x 4,2 kJ·kg-1·°C-1 = 378 kJ = 0,105 kWh Q = 1 kg x (95 + 275,13 (– 5 + 273,15)) K x 4,2 kJ·kg-1·K-1 = 378 kJ = 0,105 kWh En l’occurrence, 4,2 kJ·kg-1·°C-1 = 4,2 kJ·kg-1·K-1 Pour les unités dérivées des noms propres de scientifiques, le symbole de l’unité est majuscule. Ex: Joule [J], Kelvin [K], Watt [W], Ampère [A], Volt [V], etc. mJ = millijoule, MJ = mégajoule, kVA = kilovolt-ampère, KVA = Kelvin-VoltAmpère : respectez les minuscules et les majuscules! Il existe un espace insécable entre le chiffre et le symbole de l’unité. 06.04.17

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01. INTRODUCTION 1.2 – RAPPELS SUR LES UNITÉS Analyse dimensionnelle « Ne jamais faire de calcul avant d'en connaître le résultat. » (John A. Wheeler) Assurez-vous que vos équations sont « homogènes »; l’analyse dimensionnelle permet de détecter les erreurs. Les 7 dimensions de base sont: M: la masse [kg]

I: l'intensité électrique [A]

ϴ: la température thermodynamique [K]

L: la longueur [m] J: l'intensité lumineuse [cd] T: le temps [s]

N: la quantité de matière [mol]

De ces unités fondamentales, on obtient les unités dérivées, par exemple: Énergie: [E] = ML2T-2 soit J = kg·m2·s-2 Puissance: [Q] = ML2T-3 soit J = kg·m2·s-3 Pression: [p] = ML-1T-2 soit Pa = kg·m-1·s-2 Masse volumique: [ρ] = ML-3 soit J = kg·m-3 06.04.17

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01. INTRODUCTION 1.2 – RAPPELS SUR LES UNITÉS

La température La température est une grandeur physique caractérisant l'agitation moyenne des molécules dans un corps physique; elle caractérise le niveau auquel la chaleur se trouve dans un corps permettant ainsi de dire qu’un corps est plus ou moins chaud qu’un autre. L’unité du système international est le : °C L’échelle Celsius: 0°C: Fusion de la glace; 100 °C: Ébullition de l’eau L’échelle Fahrenheit: 0° Fahrenheit : mélange glace +sel; 100° F: Température du corps humain L’échelle thermodynamique (absolue ou Kelvin): 0 K: 0 absolue Conversion: [K] = [°C] + 273,15: c’est la température thermodynamique [°F] =

[°C] + 32: degré Fahrenheit, utilisé surtout par les Américains

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01. INTRODUCTION 1.2 – RAPPELS SUR LES UNITÉS

La pression L’unité légale de la pression est le Pascal (Pa) qui est égal à la pression uniforme exercée par une force de 1 N (Newton) sur une surface de 1 m2. L’unité de pression couramment utilisée par les frigoristes est le bar et il faut distinguer : - les appareils de mesure des pressions (appelés manomètres) sur les systèmes frigorifiques qui sont gradués généralement en pression relative (par rapport à la pression atmosphérique) - les appareils de mesures du vide (appelés vacuomètres) sur les systèmes frigorifiques qui sont gradués en pression absolue (par rapport au vide absolu). Conversion: 1 bar = 105 Pa = 1,02 kg·m2 = 14,54 psi 1 atm = 1,01325 Pa = 760 mm Hg = 10,33 mCE (mètre de colonnes d’eau) psi : pound per square inch (livre par pouce carré) 06.04.17

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01. INTRODUCTION 1.2 – RAPPELS SUR LES UNITÉS

La chaleur La chaleur est une forme d’énergie (énergie de mouvement des molécules) qui va d’un point chaud (température plus élevée) vers un point froid (température moins élevée). C’est la sensation perçue par nos organes de sens lorsque nous sommes placés devant un corps incandescent par exemple (chaleur sensible). Chaleur massique: c’est la quantité de chaleur nécessaire à l’élévation (ou à l’abaissement) de 1°C de la température d’un corps Chaleur latente: la chaleur latente de congélation ou chaleur latente de fusion suivant qu’on passe de la phase liquide vers la phase solide ou vice versa ; pour l’eau cette chaleur latente est de 334,8 kJ/kg (80 kcal/kg) à la pression atmosphérique, la température de congélation étant de 0°C à cette pression

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01. INTRODUCTION 1.2 – RAPPELS SUR LES UNITÉS

La chaleur La chaleur latente de vaporisation ou de condensation suivant qu’on passe de la phase liquide à la phase vapeur ou vice versa ; pour l’eau cette chaleur latente est de 2254,7 kJ/kg (539 kcal/kg) à la pression atmosphérique, la température d’évaporation étant de 100°C à cette pression. Le changement d’état, notamment l’évaporation et la condensation sont partout présentes dans la production du froid car les chaleurs en jeu lors de ces phénomènes sont très élevées. Conversion: 1 kcal = 4,185 kJ = -1 fg (frigorie) = 10-3 th (thermie) 1 Btu = 1,055 kJ (Btu: British thermal unit: il en existe plusieurs, de 1,054 à 1,060 kJ!) 06.04.17

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01. INTRODUCTION 1.2 – RAPPELS SUR LES UNITÉS

L’enthalpie L’enthalpie indique combien de chaleur renferme une substance (par rapport à une température définie). Pour des raisons pratiques, la valeur “zéro“ de l’enthalpie est la plupart du temps adaptée à l’échelle de températures Celsius. Elle se rapporte en général pour la vapeur d’eau à la température de 0 °C (273,15 K). L’enthalpie spécifique h se rapporte à 1 kg d’une substance définie.

Conversion: 1 Btu·lb-1 = 2,326 kJ/kg =

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01. INTRODUCTION 1.2 – RAPPELS SUR LES UNITÉS

La puissance La puissance est le rapport de l’énergie fournie ou absorbée sur l’unité de temps. L’unité légale est le Watt (W).

Conversion: 1 kW = 860 kcal·h-1 1 kcal·h-1 = -1 fg·h-1 = 1.163 W 1 ch (cheval) = 736 W (attention au système) 06.04.17

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I. NOTIONS PRELIMINAIRES Changement d’état: Sublimation

Etat Solide

Fusion

Solidification

Etat liquide

Vaporisation

Condensation

Etat vapeur

Condensation solide ou sublimation inverse

La maîtrise des deux états de la matière que sont la phase liquide et la phase vapeur est primordiale en froid. 17

I. NOTIONS PRELIMINAIRES Ainsi sont définis les termes suivants : – la chaleur latente de congélation ou chaleur latente de fusion suivant qu’on passe de la phase liquide vers la phase solide ou vice versa ; pour l’eau cette chaleur latente est de 334.8 kJ/kg (80 kcal/kg) à la pression atmosphérique, la température de congélation étant de 0°C à cette pression – la chaleur latente de vaporisation ou de condensation suivant qu’on passe de la phase liquide à la phase vapeur ou vice versa ; pour l’eau cette chaleur latente est de 2254.7 kJ/kg (539 kcal/kg) à la pression atmosphérique, la température d’évaporation étant de 100°C à cette pression 18

I. NOTIONS PRELIMINAIRES En rappel, il existe pour tout corps pur, une relation pression température si et seulement si la vapeur est en contact avec le liquide qui lui a donné naissance. A

chaque corps correspond une courbe de changement d’état représenté dans le diagramme thermodynamique pression (Log P) – enthalpie (h) appelé diagramme enthalpique ou diagramme de Mollier des frigoristes. 19

I. NOTIONS PRELIMINAIRES Changement d’état de l’eau pure

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I. NOTIONS PRELIMINAIRES

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Fluides frigorigènes

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II.1 Les fluides frigorigènes Définition : substance chimique dont la température d’évaporation à la pression atmosphérique est inférieure à la température ambiante, autrement dit le fluide frigorigène devient liquide à cette ambiance. Encore appelé réfrigérant. Il est important pour un fluide frigorigène (réfrigérant) d’avoir une température d’évaporation peu élevée pour que le changement d’état (passage de la phase liquide à la phase vapeur) soit réalisable. 23

II.1 Les fluides frigorigènes Le changement d’étant s’effectue à température et pression constantes (stabilisation de l’effet de réfrigérant à une température donnée) et c’est durant cette phase que la quantité de chaleur absorbée (ou rejetée) est la plus importante. Fluide (Liquide)

Eau R12 R22

Chaleur sensible nécessaire pour chauffer le liquide de 1°C (kJ/kg°C) 4.18 0.98 1.40

Chaleur latente nécessaire pour évaporer le liquide à la pression atmosphérique (kJ/kg) 2250 169 231

Les valeurs de ce tableau permettent de conclure que la quantité de chaleur absorbée durant l’évaporation est équivalente au fait d’avoir élevé la température de : • 538°C environ pour l’eau • 170°C environ pour le R12 et le R22 C’est la raison pour laquelle l’évaporation et la condensation sont partout présentes dans la 24 production du froid.

II.1 Les fluides frigorigènes Il doit posséder les propriétés requises d’un bon fluide frigorigène que sont : • ne pas détruire la couche d’ozone • avoir un faible potentiel d’effet de serre • avoir une grande chaleur latente de vaporisation • avoir un point d’ébullition sous la pression atmosphérique suffisamment bas compte tenu des conditions de fonctionnement désirées (de sorte que la température d’évaporation soit toujours à un niveau plus élevé que la température correspondant à la pression atmosphérique) • avoir une température critique élevée (de sorte que la température de condensation dans les conditions d’utilisation soient bien inférieure à cette température critique) • avoir un faible rapport de compression, c’est à dire faible rapport entre les pressions de refoulement et d’aspiration 25

II.1 Les fluides frigorigènes • avoir un faible volume massique de la vapeur saturée rendant possible l’utilisation d’un compresseur et de tuyauteries de dimensions réduites • ne pas voir d’action sur le lubrifiant (huile) employé conjointement • être non toxique et sans effet sur la santé du personnel • être non inflammable et non explosif en mélange avec l’air, • être non corrosif, pas d’action sur les métaux constituants le circuit, pas d’action sur les joints • sans odeur ou n’ayant qu’une odeur non désagréable • sans action sur les denrées à conserver • être d’un coût peu élevé et d’un approvisionnement facile • fuites faciles à détecter et à localiser par méthode visuelle Il faut bien comprendre qu’aucun des fluides utilisés ne possède l’ensemble de ces qualités. 26

II.1 Les fluides frigorigènes Nom du fluide Famille Formule chimique Couleur Odeur Température critique Pression critique Température d’ébullition à la pression atmosphérique

Exemple du R22 R22 HCFC (hydrochlorofluoroacarbone) CHF2Cl Incolore Très légèrement éthérée 96°C 49.8 bar -40.9°C

Solubilité de l’eau dans le produit Potentiel d’appauvrissement de la couche d’ozone

0.13% en masse 0.05

Potentiel d’effet de serre global à 100 ans

1 700

Informations toxicologiques

Non nocif par inhalation Décomposition thermique à haute température en produits toxiques et corrosifs Gelures possibles par projection du gaz liquéfié Précautions individuelles Eviter le contact avec la peau (gants), les yeux (lunettes) Ne pas fumer Manipulation et stockage Eviter le contact avec les flammes Tenir à l’écart de la chaleur Stocker dans un endroit frais et ventilé Informations réglementaires Substance classée non dangereuse Fluide non inflammable et non toxique Groupe de sécurité A1 (A : faiblement toxique – 1 : pas de propagation de flamme à 18°C et 101300 Pa) Détection de fuites Lampe haloïde Mousse à savon Détecteur électronique adapté Précautions nécessaires au montage et à la mise en Propreté poussée lors du montage service Utiliser des raccords brasés Effectuer les brassages sous atmosphère neutre Effectuer un tirage au vide poussé : inférieur à 30 Pa 27 Utiliser un lubrifiant minéral ou de synthèse Domaines d’applications Conditionnement d’air résidentiel, commercial et industriel

II.1 Les fluides frigorigènes NOTIONS DE BASE SUR LES FLUIDES DIAGRAMME DE MOLLIER Pression [bar] Courbe de saturation liquide (courbe d’ébullition Liquide

Point critique

Vapeur humide (mélange diphasique : liquide + vapeur) Chaleur latente

Vapeur surchauffée Courbe de saturation vapeur (courbe de rosée) Enthalpie [kJ·kg-1]

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II.1 Les fluides frigorigènes Exemple de diagramme de Mollier de FF

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II.1 Les fluides frigorigènes Classification des fluides frigorigènes Les fluides frigorigènes obéissent à une classification qui permet une désignation précise de chaque fluide. Cette classification est effectuée sur la base de critères différents suivant la famille ou la sous famille de fluides considérés. Les fluides frigorigènes sont divisés en deux grandes familles que sont : les composés inorganiques les composés organiques

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II.1 Les fluides frigorigènes Les composés inorganiques Les fluides de cette famille sont les ceux de la série 700. Le fluide le plus utilisé de cette famille est l’ammoniac (NH3) et il est désigné par R717 R désigne Réfrigérant Le 7 des centaines désigne la série 700 Le 17 représentant les deux derniers chiffres désigne la masse molaire du corps (14 pour l’azote « N » et 3 pour l’hydrogène « H » Autres exemples de composés inorganiques : – l’eau (H20) : R718 – le dioxyde de carbone (CO2) : R744

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II.1 Les fluides frigorigènes Les composés organiques

Les composés organiques sont des dérivés du méthane (CH4) et de l’éthane (C2H6). Ils se divisent en trois sous familles : –les corps purs –les mélanges (de corps purs) –les hydrocarbures 32

II.1 Les fluides frigorigènes Les corps purs Les corps purs se regroupent en trois sous groupes suivant leur composition chimique : CFC (Chloro-fluoro-carbure)

HCFC (Hydro-Chloro-Fluoro- HFC (Hydro-Fluoro-carbure) carbure)

Cl Chlore F Fluore C Carbone

H Cl F C

Hydrogène H Hydrogène Chlore F Fluore Fluore C Carbone Carbone 33

II.1 Les fluides frigorigènes Les corps purs CFC (Chloro-fluoro-carbure)

R-11 R-12 R-113 R-114 R-115

HCFC (Hydro-Chloro-Fluoro- HFC (Hydro-Fluoro-carbure) carbure)

R-22 R-123

R134a R-125 R-139 HP-62 HP-80

Les molécules des CFC sont complètement halogénées. Ceux des HFC ne contiennent aucun atome de chlore. Quant aux molécules des HCFC, ils contiennent du chlore non complètement halogéné; autrement dit certains atomes de chlore ont été remplacés par des atomes 34 d’hydrogène.

II.1 Les fluides frigorigènes Leur désignation est basée sur la règle suivante : – R : Réfrigérant – Chiffre des unités « u » : nombre d’atomes de fluor – Chiffre des dizaines «d» : nombre d’atomes d’hydrogène +1 – Chiffre des centaines «c» : nombre d’atomes de carbones –1 – La valence du carbone étant de 4, la molécule sera complétée par des atomes de chlore si nécessaire. – Les lettres minuscules en fin de numérotation désigne une asymétrie plus (b) ou moins (a) de la molécule. 35

II.1 Les fluides frigorigènes Les mélanges Les mélanges de corps purs se regroupent en deux sous groupes que sont : •les mélanges azéotropriques qui se comportent comme des corps purs •les mélanges zéotropiques qui ne sont pas des corps purs Les mélanges azéotropiques sont les fluides frigorigènes de la série 500. Les deux derniers chiffres indiquent le numéro d’ordre d’apparition du fluide considéré. Exemple : le R502 (mélange de 48.8% de R22 et de 51.2% de R115) Les mélanges zéotropiques sont les fluides frigorigènes de la série 400. Les deux derniers chiffres indiquent le numéro d’ordre d’apparition du fluide considéré. Exemple : le R404A (mélange de 52% de R143a, de 44% de R125 et de 4% de R134a) 36

II.1 Les fluides frigorigènes Les hydrocarbures Les fluides frigorigènes du type hydrocarbure proviennent essentiellement du raffinage du pétrole mais également du dégazolinage (récupération des hydrocarbures liquides) du gaz naturel. Ce sont essentiellement le R600 (butane), le R600a (isobutane) et le R290 (propane) qui est le plus utilisé. Contrairement aux autres fluides frigorigènes, les hydrocarbures sont hautement inflammables. 37

II.1 Les fluides frigorigènes Choix d’un fluide frigorigène Le choix d’un fluide frigorigène repose sur les critères suivants : – les propriétés thermo physiques du fluide frigorigène – les conditions d’utilisation (applications) du fluide frigorigène – le critère économique et la disponibilité du fluide frigorigène – le critère de réglementation (normes, recommandations, impacts environnementaux…)

En résumé, le choix d’un fluide frigorigène est basé sur des considérations technico-économiques. 38

LES AUTRES FLUIDES UTILISES EN FROID

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II.2 Les huiles frigorifiques II.2 Les huiles de graissage Dans les machines frigorifiques à compression de vapeur, l’huile assure les fonctions suivantes : – lubrification des organes mobiles du compresseur (rôle principal) – étanchéité entre les différentes pièces du compresseur – refroidissement du compresseur 40

II.2 Les huiles frigorifiques Caractéristiques physico-chimiques des huiles frigorifiques Une bonne huile frigorifique doit présenter les caractéristiques suivantes : – être non oxydable ; la pénétration d’air dans le circuit frigorifique peut provoquer l’oxydation de l’huile, ce qui entraîne la formation de produits corrosifs ou occasionner avec des agents halogénés, la formation de boues dues aux produits de polymérisation – avoir une acidité nulle – présenter de faibles propriétés émulsives – être sans actions sur le cuivre – avoir un point de goutte (ou point de trouble pour les huiles paraffiniques) très bas, dans tous les cas inférieur à la température d’évaporation – avoir un point éclair (point d’inflammabilité) élevé 41

II.2 Les huiles frigorifiques Familles

Origines

Sous-familles naphténique

Minérale

naturelles, issues de la distillation du pétrole brut

Semi synthétique

Types de fluides frigorigènes CFC, HCFC, R717

paraffiniques selon la nature et la provenance du pétrole

mélanges d’huiles minérales et synthétiques

CFC, HCFC, R717 alkylbenzènes (AB)

Synthétiques

Chimiques

CFC, HCFC, R717 hydrocarbures : polyalphaoléfines (PAO)

CFC, HCFC, R717

polyglycols : polyalkylèneglycols (PAG)

R134a en clim. auto R717 dans quelques cas

esters : polyolesters (POE)

HFC 42

II.3 Les fluides caloporteurs Dans les systèmes frigorifiques, il est fait appel en plus des fluides frigorigènes, d’autres fluides dits frigoporteurs ou caloporteurs pour transporter l’énergie (chaleur ou froid). Les principaux circuits caloporteurs sont les suivants : – les circuits à eau glacée (régime 7°C -12°C) – les circuits à eau glycolée (températures négatives) – les saumures (températures négatives) – les circuits à eau chaude (températures autour de 60°C) – les circuits de refroidissement des machines frigorifiques (régime 30°C - 35°C) – les circuits de récupération de chaleur (températures autour de 60°C). 43

Circuit de fluide frigorigène

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III. Le circuit de fluide frigorigène

La machine frigorifique à compression de vapeur est composée de 4 organes principaux que sont : – le compresseur – le condenseur – le détendeur – l’évaporateur

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III. Le circuit de fluide frigorigène Le fluide frigorigène décrit un cycle fermé en quatre phases à travers le circuit constitué des organes principaux : • la compression du fluide gazeux • la condensation du fluide gazeux • la détente du fluide liquide • la vaporisation du fluide liquide (production du froid) 46

03. VC MACHINES: MAIN 3.1 – REFRIGERANT CIRCUIT COMPONENTS 4

Condenseur

3 Haute pression

Détendeur

Compresseur Basse pression

1

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Evaporateur

2

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III. Le circuit de fluide frigorigène Pression [bar] Courbe de saturation liquide (courbe d’ébullition Liquide

Point critique

Vapeur humide (mélange diphasique : liquide + vapeur) Chaleur latente

Vapeur surchauffée Courbe de saturation vapeur (courbe de rosée) Enthalpie [kJ·kg-1]

Les étapes parcourues dans le cycle du fluide frigorigène sont clairement représentées sur le diagramme d’enthalpie de température (diagramme t, h). Les états du fluide frigorigène et les courbes limites formées par la ligne d’ébullition et la ligne de rosée sont indiqués à la figure 48

III. Le circuit de fluide frigorigène Présentation du diagramme

Isenthalpes

49

III. Le circuit de fluide frigorigène Présentation du diagramme

Isobare

50

III. Le circuit de fluide frigorigène Présentation du diagramme

Isotherme

51

III. Le circuit de fluide frigorigène Présentation du diagramme

Isochore

52

III. Le circuit de fluide frigorigène Présentation du diagramme

Isentrope

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III. Le circuit de fluide frigorigène L’évaporateur Le fluide frigorigène liquide entre en ébullition et s'évapore en absorbant la chaleur du fluide extérieur. Dans un deuxième temps, le gaz formé est encore légèrement réchauffé par le fluide extérieur, c'est ce qu'on appelle la phase de surchauffe (entre 7 et 1).

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III. Le circuit de fluide frigorigène Le compresseur aspire le fluide frigorigène gazeux (à bas niveau de température et de pression) issu de l’évaporateur, le comprime à un niveau plus haut de température et de pression puis le refoule vers le condenseur.

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III. Le circuit de fluide frigorigène • Le condenseur : Le gaz chaud provenant du compresseur va céder sa chaleur au fluide extérieur. Les vapeurs de fluide frigorigène se refroidissent ("désurchauffe"), avant l'apparition de la première goutte de liquide (point 3). Puis la condensation s'effectue jusqu'à la disparition de la dernière bulle de vapeur (point 4). Le fluide liquide peut alors se refroidir de quelques degrés (sous-refroidissement) avant de quitter le condenseur.

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III. Le circuit de fluide frigorigène Le détendeur: La différence de pression entre le condenseur et l'évaporateur nécessite d'insérer un dispositif "abaisseur de pression" dans le circuit. C'est le rôle du détendeur. Le fluide frigorigène se vaporise partiellement dans le détendeur pour abaisser sa température.

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III. Le circuit de fluide frigorigène

Le cycle est fermé, le fluide frigorigène évolue sous l'action du compresseur dans les quatre éléments constituant la machine frigorifique.

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III. Le circuit de fluide frigorigène L'ensemble du cycle peut être représenté dans le diagramme enthalpie-pression. Sous la courbe en cloche se situent les états de mélange liquide-vapeur; à gauche de la cloche, le fluide est à l'état liquide (il se "sous-refroidit"), à droite, le fluide est à l'état vapeur (il "surchauffe").

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III. Le circuit de fluide frigorigène • Surchauffe

Un compresseur de fluide frigorigène peut transporter, en raison de sa construction, que des gaz ou de la vapeur. Les liquides ne peuvent pas être comprimés et ne sauraient par conséquent figurer dans la chambre à compression du compresseur. 60

III. Le circuit de fluide frigorigène La surchauffe est calculée de la manière suivante

La valeur de la SH est comprise en général entre 4 et 8°C.

Comment obtenir une surchauffe? – Surchauffe dans l’évaporateur Une partie de la surface de l’évaporateur (env. 20 %) permet de réaliser la surchauffe. – Surchauffe dans la conduite d’aspiration Si de longues conduites d’aspiration parcourent des espaces présentant des températures élevées (tamb> to2h), l’absorption thermique issue de l’environnement entraîne une surchauffe supplémentaire. – Surchauffe dans le compresseur L’échauffement du compresseur entraine une surchauffe supplémentaire du 61 FF à l’entrer du compresseur.

III. Le circuit de fluide frigorigène Le sous-refroidissement Permet garantie une alimentation liquide à l’avant du détendeur et augmente dans une certaine mesure la puissance frigorifique.

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III. Le circuit de fluide frigorigène Comment obtenir un sous-refroidissement? – Sous-refroidissement dans le condenseur – Condenseur avec dispositif de Sous-refroidissement – Sous-refroidissement dans la conduite liquide Le sous-refroidissement est ainsi calculé :

Sous-refroidissement

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CALCUL DES MACHINES A COMPRESSION DE VAPEUR

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CALCUL DES MACHINES A COMPRESSION DE VAPEUR REGIME DE FONCTIONNEMENT Le calcul d’une machine frigorifique s’effectue sur la base du tracé du cycle frigorifique de la dite machine. Les principaux paramètres permettant d’effectuer le tracé de ce cycle frigorifique sont les suivants : – la température de condensation (pression de condensation) – la température d’évaporation (pression d’évaporation) – la surchauffe des vapeurs de FF à la sortie de l’évaporateur – le sous refroidissement du FF liquide à la sortie du condenseur. 65

CALCUL DES MACHINES A COMPRESSION DE VAPEUR

Le régime de fonctionnement d’une machine frigorifique définit ses conditions de fonctionnement principalement : – la température de condensation – la température d’évaporation.

Ces températures sont déterminées à partir des températures des médiums à savoir : – la température de l’air extérieur pour les condenseurs à air – la température de l’eau disponible pour les condenseurs à eau – la température à obtenir dans l’enceinte à refroidir pour les évaporateurs à air – la température de refroidissement du fluide pour les évaporateurs à eau. 66

CALCUL DES MACHINES A COMPRESSION DE VAPEUR • Les différentes évolutions du FF de la machine frigorifique sont représentées sur le diagramme enthalpique, il s’agit du cycle frigorifique de la machine communément appelée cycle de référence ou cycle pratique par les frigoristes.

67

CALCUL DES MACHINES A COMPRESSION DE VAPEUR Le cycle frigorifique de référence (cycle pratique) est un compromis qui permet d’effectuer l’étude et le dimensionnement des machines frigorifiques avec une précision acceptable. En pratique, ce cycle est tracé sur les bases suivantes : – – – –

compression isentropique détente isenthalpe surchauffe de 5°C (pour étude de conception) ou SH mesurée sous-refroidissement de 5°C (pour étude de conception) ou SR mesuré

Le cycle frigorifique de référence (cycle pratique) permet de s’affranchir des cycles frigorifiques proposées par la théorie de la thermodynamique appliquée à savoir : – le cycle théorique – le cycle parfait – le cycle réel.

Néanmoins, ces cycles présentent un grand intérêt pour l’étude théorique des systèmes thermodynamiques. 68

CALCUL DES MACHINES A COMPRESSION DE VAPEUR La production frigorifique est à la base du dimensionnement (ou du choix) de la machine frigorifique, elle est déterminée à partir du bilan thermique du médium à refroidir (calcul du bilan thermique la charge d’une chambre froide). Le régime de fonctionnement permet de faire le choix ou le dimensionnement de la machine suivant les conditions de fonctionnement. Le tracé du cycle frigorifique de référence permet d’effectuer le calcul de différents paramètres de la machine (débit massique, débit volumique, débit volumique balayé, taux de compression, production frigorifique spécifique, production calorifique spécifique…). Le calcul des caractéristiques sera effectué sur la base du cycle frigorifique de référence de la machine frigorifique . Il est défini également des caractéristiques (relations à partir du cycle frigorifique) pour les échangeurs de chaleurs que sont les évaporateurs et les condenseurs. 69

CALCUL DES MACHINES A COMPRESSION DE VAPEUR La production frigorifique - massique:

Qm= h1 – h6 (kJ/kg) - La puissance frigorifique

Φ = mFF(h1 – h6 ) (kW) Φ : la puissance frigorifique de la machine mFF : débit massique de fluide frigorigène (kg/s) Production frigorifique volumique Qm= (h1 – h6)/v1 (kJ/m3)

70

V. CALCUL DES MACHINES A COMPRESSION DE VAPEUR

Caractéristiques mécaniques Travail massique de compression Pour le compresseur théorique, le travail massique de compression (isentropique) Wis (kJ/kg) s’obtient par la relation :

wis = h2 − h1

Impossible d’afficher l’image.

Les différents rendements à intégrer sont les suivants : le rendement indiqué ηi qui tient compte du fait que la compression est en réalité polytropique et non isentropique le rendement mécanique ηm qui tient compte des frottements sur l’arbrevilebrequin du compresseur le rendement de transmission ηt qui tient compte de la liaison mécanique entre le moteur électrique d’entraînement et le compresseur a proprement parlé le rendement électrique ηe qui tient compte des pertes (pertes fer et pertes Joule) 71 dans le moteur électriques d’entraînement

03. VC MACHINES: MAIN COMPONENTS 3.1 – COMPRESSEURS: RENDEMENTS = Cette valeur peut être inférieure, égale ou supérieure à 1. Pour une machine idéale (machine de Carnot), ,

=

−

En pratique, les COP obtenus avec des cycles réels ont des valeurs voisines de 50% du COP de Carnot.

06.04.17

72

03. VC MACHINES: MAIN COMPONENTS 3.1 – COMPRESSEURS: RENDEMENTS

Choix du compresseur Le choix d’un compresseur s’effectuera sur la base de : la puissance frigorifique de l’installation le type de FF la température d’évaporation la température de condensation 06.04.17

73

03. VC MACHINES: MAIN COMPONENTS 3.1 – COMPRESSEURS: RENDEMENTS Point mort haut = a = alésage !"

4

∙

∙ ∙

n: nombre de cylindre du compresseur [-]

=

∙#

l = course $% =

Point mort bas

C: cylindrée ou volume total de l’ensemble des cylindres du compresseur [m3] (généralement exprimée en cm3)

!&' !"

N: fréquence de rotation du compresseur ou vitesse de rotation de l’arbre-vilebrequin entraînant les pistons [tour·s-1] (généralement exprimée en tour·min-1; odg: 1500 tour·min-1) Vbal: volume balayé du compresseur [m3·s-1] Vasp: volume aspiré [m3·s-1]

Piston

Rendement volumétrique pour tenir compte de l’espace nuisible et des fuites, huile présente. Un bon compresseur a un rendement volumétrique de 70 à 80%. Application Calculer le volume balayé par un compresseur dont les caractéristiques sont les suivantes: Alésage = 34 mm; course = 30 mm; n = 2; N = 710 tour·min-1 (R: 2,3 m3·h-1) Alésage = course = 35 mm; n = 4; N = 710 tour·min-1 (R: 5,7 m3·h-1)

06.04.17

74

03. VC MACHINES: MAIN COMPONENTS 3.1 – COMPRESSEURS: RENDEMENTS COPth, obtenu sur le cycle, est un COP théorique correspondant à une evolution isentropique. Il faut en effet intégrer: le rendement indiqué ηi qui tient compte du fait que la compression est en réalité polytropique et non isentropique (compression non adiabatique, présence d’un PMH pour que le piston ne heurte pas le fond du cylindre et donc d’un volume mort ou nuisible, etc.) le rendement mécanique ηm qui tient compte des frottements sur l’arbrevilebrequin du compresseur éventuellement le rendement de transmission mécanique ηt qui tient compte de la liaison mécanique entre le moteur électrique d’entraînement et le compresseur à proprement parler le rendement du moteur électrique ηe qui tient compte des pertes (pertes fer et pertes Joule) dans le moteur électriques d’entraînement

06.04.17

75

03. VC MACHINES: MAIN COMPONENTS 3.1 – COMPRESSEURS: RENDEMENTS η) =

)

Wi est le travail fourni par unité de masse au fluide qui tient surtout compte du volume mort. En APS, prendre ηi = ηv =1 – a·Τc. (a = 0,04 - 0,07; souvent a = 0,05) Si Weff est le travail massique absorbé sur l’arbre du compresseur, η

**

= η) + η, =

**

Si Wréel est le travail massique réel, η- =

é /

Compresseur ouvert η- = η

**

Compresseur fermé ou motocompresseur, Wréel est l’énergie électrique consommé, par unite de masse η- = η) + η, + η + η Ordre de grandeur : ηm ≈ 0,9; ηel ≈ 0,4 – 0,95 06.04.17

76

03. VC MACHINES: MAIN COMPONENTS 3.1 – COMPRESSEURS: RENDEMENTS Autres η)0 =

− 1−

1)0

2 2

)

η, =

**

Si Wréel est le travail massique réel, é /

= é /

Le COP réel se rapporte donc soit à la puissance absorbée par le moteur électrique d’entraînement (compresseur fermé ou motocompresseur) ou à la puissance mécanique sur l’arbre (compresseur ouvert). Le degré de qualité ou le rendement du 2nd principe ou simplement le rendement du cycle frigorifique est: η33 = 06.04.17

é / 77

03. VC MACHINES: MAIN COMPONENTS 3.1 – COMPRESSEURS: TAUX DE COMPRESSION 45 = Généralement, on adopte Τc ≤ 6. Sinon, on a recours à des cycles à plusieurs étages de compression. « En fait, les taux de compression à partir desquels il faut cesser d’utiliser les cycles monoétagés dépendent : de la température atteinte au refoulement des compresseurs, donc de la nature du frigorigène et du mode de refroidissement des compresseurs ; ainsi, on abandonne les cycles monoétagés lorsque les températures que l’on pense atteindre au refoulement des compresseurs sont de l’ordre de 100 à 110 °C; de l’importance de la machine ; on a tendance à adopter plus vite un cycle biétagé, plus performant, quand la machine est puissante ; en revanche, pour des raisons de simplicité et de faible investissement, on accepte souvent des taux de compression plus élevés pour les petites machines. » M. Duminil

06.04.17

78

03. VC MACHINES: MAIN COMPONENTS 3.1 – ÉVAPORATEURS Les évaporateurs sont des échangeurs thermiques entre le fluide frigorigène (FF) et le fluide à refroidir. Le FF absorbe la chaleur du fluide à refroidir ; ce dernier se refroidit tandis que le FF se vaporise.

Φ

=7+8+∆ =,+

:

+∆

)

=,+;

K: coefficient de transmission thermique globale de l’échangeur rapporté à la surface d’échange A qu’il convient d’ailleurs de préciser (surface interne ou externe de l’échangeur) ΔT: écart de température entre le FF et le fluide caloporteur (frigoporteur). Lorsque le frigoporteur est de l’air, on utilise la différence entre la température de l’air entrant à l’évaporateur et la température d’évaporation du FF. S’il s’agit d’un évaporateur à eau, on utilise le DTLM.

06.04.17

79

03. VC MACHINES: MAIN COMPONENTS 3.1 – ÉVAPORATEURS

06.04.17

80

03. VC MACHINES: MAIN COMPONENTS 3.2 – CYCLES POLYETAGES Cycles à un seul fluide pur ou azéotropique -20 à 25 °C: cycle monoétagé -25 à -45 °c: cycle biétagé En dessous de -45 °C ou -50 °C: cycle à plus de deux étages de compression Cycles à plusieurs fluides frigorigènes purs séparés ou en cascade On peut obtenir -90 à -150 °C avec ces cycles

06.04.17

81

03. VC MACHINES: MAIN COMPONENTS 3.2 – CYCLES POLYETAGES

Condenseur 5 Détendeur 6

4 Bouteille intermédiaire

7

Compresseur HP

3 2

Compresseur BP

Détendeur 8

06.04.17

Évaporateur

1

82

Cycle biétagé à injection totale Au cours du cycle (1, 2is, 3, 4is, 5, 6, 7, 8, 9, 10), le frigorigène subit les transformations suivantes . – 1 à 2is : compression des vapeurs de PF à Pi. Si la compression était idéale et s’effectuait isentropiquement, on atteindrait le point 2is . Connaissant le point 1, il est toujours possible d’obtenir, sans ambiguïté, le point 2is. Le compresseur réel ne se comportant pas de façon isentropique, on peut faire, au sujet du point 2 réel, les mêmes remarques que celles faites dans le cas du cycle à compression monoétagée . – 2is à 3 : désurchauffe de la vapeur par la mise en contact direct de la vapeur et du liquide dans la bouteille intermédiaire BI . On suppose que l’on atteint, en 3, les conditions de saturation, ce qui est, généralement, proche de la réalité.

Source : technique de l’ingénieur

– 3 à 4is : compression des vapeurs de Pi à PC. Le compresseur réel ne se comportant pas de façon isentropique, on peut faire, au sujet du point 4 réel, les mêmes remarques que celles faites dans le cas du cycle à compression monoétagée. 83

Cycle biétagé à injection totale Au cours du cycle (1, 2is, 3, 4is, 5, 6, 7, 8, 9, 10), le frigorigène subit les transformations suivantes . – 4is à 5 : désurchauffe, condensation et sousrefroidissement du liquide formé – 5 à 6 : refroidissement complémentaire (éventuel) du frigorigène dans la conduite de liquide. – 6 à 7 : détente isenthalpique de la totalité du liquide frigorigène en circulation de PC à Pi, dans le détendeur D1. Le mélange diphasique sortant de ce régleur est introduit dans la bouteille intermédiaire BI afin que le liquide se sépare de la vapeur. – 7 à 8 : séparation du liquide contenu dans le frigorigène détendu. On alimente le second détendeur D2 en prélevant le liquide frigorigène en bas de la bouteille. Ce liquide, en 8, est saturant. Il est, en effet, sous la pression Pi et à la température θi.

Source : technique de l’ingénieur

84

Cycle biétagé à injection totale Au cours du cycle (1, 2is, 3, 4is, 5, 6, 7, 8, 9, 10), le frigorigène subit les transformations suivantes . – 8 à 9 : détente isenthalpique du frigorigène de Pi à PF dans le détendeur D2. – 9 à 10 : production de froid utile dans l’évaporateur par vaporisation, à θF, du liquide frigorigène et surchauffe, éventuelle de la vapeur formée, sous la pression pF, de θF à θ10. – 10 à 1 : échauffement des vapeurs dans la conduite d’aspiration de θ10 à θ1

Source : technique de l’ingénieur

85

Cycle biétagé à injection totale

Source : technique de l’ingénieur

86

03. VC MACHINES: MAIN COMPONENTS 3.2 – CYCLES POLYÉTAGÉS: INJECTION TOTALE ṁBP· = Φev /(h2 –h1) Pressure [bar] 1er principe à la bouteille intermédiaire:

Condenseur

Pc

6

7

ṁHP· = ṁBP·(h3 –h4) / (h5 –h8)

HP

Pi

8

4

Bouteille 5 intermédiaire

3 BP

Pev

COP =

06.04.17

1

Evaporateur Φev PBP + PHP

ṁBP·(h4 –h3) + ṁHP·(h5 –h8) = 0

2

Débit massique d’injection:

ṁi = ṁHP - ṁBP ṁ [kg ·s-1], h [J ·kg-1], Φ [W]

Enthalpy [kJ·kg-1]

PBP : Puissance absorbée par le compresseur BP [W] PHP : Puissance absorbée par le compresseur HP [W] Φev : Puissance frigorifique W] 87

Cycle biétagé à injection partielle Pour résoudre le problème posé par le détendeur D2 qui précède l’évaporateur et par l’alimentation propre de cet appareil, on utilise : – un détendeur principal DP qui a la charge d’alimenter l’évaporateur ; – un détendeur, ou régleur auxiliaire DA, dont le rôle est de maintenir le niveau de liquide frigorigène dans la bouteille intermédiaire en y injectant une partie seulement du débit de frigorigène en circulation : c’est de cette injection partielle que vient le nom de ce cycle.

Source : technique de l’ingénieur

88

Cycle biétagé à injection partielle Les transformations 10-1, 1-2is, 2is-3, 3-4is, 4is-5 et 5-6 sont exactement semblables à celles mises en œuvre dans le cycle à injection totale. Les autres en diffèrent sensiblement. – 6 à 7 : détente dans DA, de pC à pi, du frigorigène destiné à alimenter la bouteille intermédiaire BI. Le débit qui subit cette détente est - 6 à 8 : sous-refroidissement du débit de liquide frigorigène. Il s’effectue dans l’échangeur E immergé dans le liquide à θi contenu dans la bouteille intermédiaire BI. Ce sous-refroidissement s’effectue sous la haute pression pC, de 6 à 8 . Du fait de l’utilisation d’un échangeur de chaleur, la température du point 8 n’atteint pas θi mais lui reste supérieure d’une valeur δθ qui caractérise le pincement de cet échangeur : Source : technique de l’ingénieur

89

Cycle biétagé à injection partielle – 8 à 9 : détente du débit de frigorigène dans le détendeur principal DP, de PC à PF. – 9 à 10 : production de froid dans l’évaporateur par vaporisation, à θF, du liquide frigorigène et surchauffe éventuelle (utile) de la vapeur formée, sous la pression PF de θF à θ10. Les deux inconvénients du cycle à injection totale se trouvent ainsi évités : – les deux détendeurs fonctionnent sous des différences de pression suffisantes ;

Source : technique de l’ingénieur

– le liquide, dans l’état 8, est fortement sousrefroidi. Même si la conduite de liquide est longue et si DP est éloigné de BI, on ne risque plus l’apparition de phase gazeuse à l’entrée de ce détendeur. 90

IV. Fonction des éléments principaux du circuit de fluide frigorigène

91

IV. Fonction des éléments principaux du circuit de fluide frigorigène

1. LES EVAPORATEURS Les évaporateurs sont des échangeurs thermiques entre le fluide frigorigène (FF) et le fluide à refroidir. Le FF absorbe la chaleur du fluide à refroidir ; ce dernier se refroidit tandis que le FF se vaporise.

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IV. Fonction des éléments principaux du circuit de fluide frigorigène

Puissance de l’évaporateur La puissance de l’évaporateur dépend en premier lieu des conditions suivantes : Surface A Plus la surface thermo-conductrice est importante, plus la puissance transmise est grande. Gradient thermique efficace ∆t1 Le gradient thermique efficace est déterminé par la différence de température d’entrée = Température d’entrée de l’air - température de l’évaporation. Valeur k La valeur k (coefficient de transmission de chaleur) quantifie la qualité du transfert thermique. Elle indique la capacité de la 93 chaleur à passer du milieu à refroidir vers le fluide frigorigène.

IV. Fonction des éléments principaux du circuit de fluide frigorigène

Nous appliquerons pour la puissance d’évaporation (puissance frigorifique) Qo la formule suivante :

La puissance frigorifique peut être calculée à partir de l’air ou du fluide frigorigène. La puissance frigorifique calculée à partir de l’air peut être calculée à partir de l’équation suivante :

94

IV. Fonction des éléments principaux du circuit de fluide frigorigène

la puissance frigorifique déterminée à partir du fluide frigorigène :

95

IV. Fonction des éléments principaux du circuit de fluide frigorigène Technologie des évaporateurs On distingue deux familles d’évaporateurs suivant le fluide à refroidir : •les évaporateurs à eau -les évaporateurs double tube (évaporateurs coaxiaux) -les évaporateurs du type serpentin -les évaporateurs multitubulaires -les évaporateurs du type échangeur à plaques •les évaporateurs à air -les évaporateurs à air à convection naturelle -les évaporateurs à air à convection forcée

96

IV. Fonction des éléments principaux du circuit de fluide frigorigène Les évaporateurs à eau

Les évaporateurs double tube Cet évaporateur convient pour les petites et moyennes puissances et le coefficient global d’échange est compris entre 500 et 800 W/m²°C.

Les évaporateurs multitubulaires Le coefficient global d’échange de ces évaporateurs est compris entre 800 et 1200 W/m²°C. 97

IV. Fonction des éléments principaux du circuit de fluide frigorigène Les évaporateurs du type échangeur à plaques Le coefficient global d’échange est élevé (> à 5000 W/m²°C) cependant sont étanchéité n’est pas suffisante pour être utilisé avec du FF.

98

IV. Fonction des éléments principaux du circuit de fluide frigorigène

Les évaporateurs à air Les évaporateurs à convection naturelle Leurs coefficients globaux d’échanges thermiques sont généralement faibles (inférieurs à 15 W/m².°C) Ils sont utilisés pour des puissances frigorifiques relativement faibles (froid ménager : réfrigérateurs, congélateurs).

99

IV. Fonction des éléments principaux du circuit de fluide frigorigène

Les évaporateurs à convection forcée C’est le type d’évaporateur le plus rencontré dans plusieurs applications (conservation des denrées « chambres froides », climatisation).

100

IV. Fonction des éléments principaux du circuit de fluide frigorigène Dégivrage des évaporateurs Lorsque la température superficielle de la section d’échange (tubes à ailettes) des évaporateurs est inférieure ou égale à 0°C, il y’a formation de givre qui va entraîner une diminution importantes des échanges thermiques d’où la nécessité des opérations de dégivrage. Il existe plusieurs techniques de dégivrage : •dégivrage par circulation d’air ambiant •dégivrage à l’eau •dégivrage à la saumure •dégivrage par résistances électriques •dégivrage par gaz chauds 101

IV. Fonction des éléments principaux du circuit de fluide frigorigène LES CONDENSEURS Technologie des condenseurs Les condenseurs sont des échangeurs thermiques entre le fluide frigorigène et un fluide de refroidissement. Le fluide frigorigène cède la chaleur acquise dans l’évaporateur et lors de la compression au fluide de refroidissement. Lors de son passage dans le condenseur, le fluide frigorigène passe de l’état vapeur à l’état liquide.

102

IV. Fonction des éléments principaux du circuit de fluide frigorigène

On distingue deux familles de condenseurs suivant le fluide de refroidissement : -

les condenseurs à air o les condenseurs à air à convection naturelle o les condenseurs à air à convection forcée

-

les condenseurs à eau o o o o

les condenseurs à double tube (condenseurs coaxiaux) les condenseurs bouteilles (condenseurs à serpentin) les condenseurs multitubulaires les condenseurs à plaques brasées (échangeur à plaques) 103

IV. Fonction des éléments principaux du circuit de fluide frigorigène Avantages et inconvénients des condenseurs à air et à eau. Avantages •Air disponible en quantité illimitée Condenseurs •Entretien simple et réduit à air

Inconvénients •Coefficients globaux d’échange thermique relativement faibles •Plus imposants et plus lourds •Températures de condensation élevées dans les pays chauds

•Coefficients globaux d’échange Condenseurs thermique plus élevés à eau •Plus compacts et moins encombrants à puissance égale •Températures de condensation stables et de bas niveau •Fonctionnement moins bruyant •Possibilité de récupération d’énergie

•Gaspillage d’eau pour les condenseurs à eau perdue •Nécessité de mise en place d’un système de refroidissement de l’eau

104

IV. Fonction des éléments principaux du circuit de fluide frigorigène

1. Condenseurs à air a. Les condenseurs à air à convection naturelle On distingue •les condenseurs à tubes lisses •les condenseurs constitués de tubes à ailettes. Fonctionnement : L’air au contact du faisceau ailetté (ou du faisceau de tubes) s’échauffe et s’élève laissant la place à de l’air plus frais. Ils ne nécessitent aucune énergie pour la circulation de l’air mais le coefficient global d’échange thermique est faible (inférieur à 15 W/m².°C et même inférieur à 10 W/m².°C pour les condenseurs à tubes lisses). Application Ils ne sont utilisés que pour des puissances à échanger très faibles froid ménager : •réfrigérateurs •congélateurs.

105

IV. Fonction des éléments principaux du circuit de fluide frigorigène Les condenseurs à air à convection forcée Le coefficient global d’échange des condenseurs à air à convection forcée est compris entre 20 et 30 W/m².°C. Deux types de dispositions sont utilisées à savoir : − le faisceau vertical − le faisceau horizontal

Application : •Production de froid •Climatisation •Chambre froide 106

IV. Fonction des éléments principaux du circuit de fluide frigorigène

107

IV. Fonction des éléments principaux du circuit de fluide frigorigène Les condenseurs à eau oles condenseurs à eau perdue oles condenseurs à eau recyclée Pour les condenseurs à eau perdue, l’eau chaude issue du refroidissement des vapeurs de fluide frigorigène est rejetée soit à l’égout (procédé très coûteux et ayant pratiquement disparu) , soit dans une réserve d’eau considérée infinie (barrage, retenue d’eau, rivière, mer, fleuve…). Pour les condenseurs à eau recyclée, à savoir que l’eau issue chaude issue du refroidissement est refroidi pour être à nouveau utilisée, il est fait appel à des dispositifs appelés « Tours de refroidissement ». 108

IV. Fonction des éléments principaux du circuit de fluide frigorigène

• Echanges thermiques dans les condenseurs Les évolutions de FF dans les condenseurs sont considérées sans perte de charge et seuls les changements d’état sont pris en compte. Des valeurs usuelles d’écarts de températures sont utilisés pour caractériser (conditions de fonctionnement, diagnostic…) les condenseurs. En désignant par : – T1 : la température d’entrée au condenseur du fluide (air ou eau) de refroidissement des vapeurs de FF – T2 : la température de sortie du condenseur du fluide (air ou eau) de refroidissement des vapeurs de FF – Tc : la température de condensation des vapeurs de FF dans le condenseur 109

IV. Fonction des éléments principaux du circuit de fluide frigorigène

110

IV. Fonction des éléments principaux du circuit de fluide frigorigène

Les valeurs de référence des températures sont les suivantes : • pour les condenseurs à air

écarts

de

– Ecart de température sur l’air : 3 à 8°C – Ecart de température entre la condensation et l’entrée d’air : 12 à 15°C

• pour les condenseurs à eau perdue (l’eau sortant du condenseur est rejetée) – Ecart de température sur l’eau : 10 à 15°C – Ecart de température entre la condensation et la sortie d’eau : 5°C 111

IV. Fonction des éléments principaux du circuit de fluide frigorigène

• pour les condenseurs à eau recyclée (tour ouverte) – Ecart de température sur l’eau : 5°C – Ecart de température entre la condensation et la sortie d’eau : 5°C – Ecart de température entre l’entrée d’eau au condenseur et la température humide de l’air extérieur (approche) : 3 à 7°C

• pour les condenseurs à eau recyclée (tour fermée) – Ecart de température sur l’eau : 5°C – Ecart de température entre la condensation et la sortie d’eau : 5°C – Ecart de température entre l’entrée d’eau au condenseur et la température humide de l’air extérieur : 112 7 à 15°C

IV. Fonction des éléments principaux du circuit de fluide frigorigène

La puissance thermique échangée entre le FF et le fluide de refroidissement s’écrit :

113

IV. Fonction des éléments principaux du circuit de fluide frigorigène

• LES DETENDEURS Technologie des détendeurs Les détendeurs sont destinés à l’alimentation des évaporateurs en fluide frigorigène. Suivant le principe de fonctionnement des évaporateurs, on distinguera : les dispositifs alimentant les évaporateurs à détente sèche les dispositifs alimentant les évaporateurs noyés

Les dispositifs alimentant les évaporateurs à détente sèche communément appelés détendeurs seront abordés dans cette partie. 114

IV. Fonction des éléments principaux du circuit de fluide frigorigène

Les détendeurs pour évaporateurs à détente sèche se regroupent en trois types : les tubes capillaires ou détendeurs capillaires les détendeurs thermostatiques les détendeurs électroniques

115

IV. Fonction des éléments principaux du circuit de fluide frigorigène

Les tubes capillaires Ce sont des tubes de cuivre de longueur variable (de 1 à 7 m environ) et dont le diamètre intérieur varie entre de 0.6 à 2 mm. C’est un restricteur non réglable dont la résistance d’écoulement représente la perte de charge désirée entre le condenseur et l’évaporateur, ses dimensions sont déterminées expérimentalement Application Ils conviennent pour des installations de faible puissance thermiques et peu variables. 116

IV. Fonction des éléments principaux du circuit de fluide frigorigène

• Les détendeurs thermostatiques Ce sont les organes d’alimentation des évaporateurs les plus utilisés. Ils assurent à la sortie de l’évaporateur une surchauffe des vapeurs de fluide frigorigène (FF). La surchauffe des vapeurs de FF à la sortie de l’évaporateur est la différence entre la température des vapeurs sortant de l’évaporateur et la température d’ébullition du fluide frigorigène (correspondant à la pression d’évaporation) à la sortie de l’évaporateur. On distingue deux types de détendeurs thermostatiques : les détendeurs thermostatiques à égalisation de pression interne les détendeurs thermostatiques à égalisation de 117 pression externe

IV. Fonction des éléments principaux du circuit de fluide frigorigène

• Les détendeurs thermostatiques à égalisation de pression interne Ils régulent la surchauffe des vapeurs de FF à la sortie de l’évaporateur en réglant le débit de FF admis à l’évaporateur quelque soit sa charge thermique. La valeur de la surchauffe généralement admise pour assurer un remplissage correct de l’évaporateur et la protection du compresseur (vapeurs surchauffées) est comprise entre 4 et 8°C. 118

IV. Fonction des éléments principaux du circuit de fluide frigorigène

A partir d’une position d’équilibre donnée correspondant à une position précise du pointeau : • lorsque la charge thermique au niveau de l’évaporateur augmente, la zone de surchauffe va augmenter puisque le FF liquide présent dans l’évaporateur va s’évaporer plus rapidement ce qui va entraîner une pression exercée sur la membrane plus grande (force descendante) et par suite la descente du pointeau autorisant une alimentation en FF liquide plus important dans l’évaporateur • de même lorsque la charge thermique baisse, la zone de surchauffe diminue, la pression exercée sur la membrane (descendante) baisse, ce qui entraîne une montée du pointeau et par suite une réduction de l’alimentation en fluide frigorigène de l’évaporateur. 119

IV. Fonction des éléments principaux du circuit de fluide frigorigène

• Les détendeurs thermostatiques à égalisation de pression externe Lorsque les pertes de charge de l’évaporateur sont élevées, le détenteur thermostatique à égalisation de pression interne (DTEPE) ne peut plus bien régler la surchauffe des vapeurs à la sortie de l’évaporateur (surchauffe élevée), on utilise alors des détendeurs thermostatiques à égalisation de pression externe. Pour ce type de détendeur, ce n’est plus la pression régnant à l’entrée de l’évaporateur qui appuie sous la membrane donc participe à l’équilibre des forces agissant sous le pointeau mais plutôt la pression disponible à la sortie de l’évaporateur. 120

IV. Fonction des éléments principaux du circuit de fluide frigorigène

• Avec cet artifice, l’effet des pertes de charge élevées de l’évaporateur est neutralisé 121

IV. Fonction des éléments principaux du circuit de fluide frigorigène

• Les détendeurs électroniques Il s’agit de dispositifs qui régulent la différence de température entre la température des vapeurs à la sortie de l’évaporateur et la température du fluide frigorigène à l’entrée de l’évaporateur en réglant le débit de FF en fonction de la charge thermique à l’évaporateur. Un détendeur électronique comportent trois parties principales : d’un régulateur d’une électrovanne (vanne électromagnétique ou commandée par un servomoteur) de sondes de températures (ou capteurs de 122 température)

IV. Fonction des éléments principaux du circuit de fluide frigorigène

L’électrovanne est placée juste à l’entrée de l’évaporateur et elle est commandée (ouvertures et fermetures) par le régulateur (calculateur) en fonction : des écarts de températures mesurées par les sondes de températures placées sur les tuyauteries de FF à l’entrée et à la sortie de l’évaporateur de la valeur de consigne préréglée (température de consigne) de la température du milieu à refroidir mesurée par une sonde 123

IV. Fonction des éléments principaux du circuit de fluide frigorigène

Le détendeur électronique permet des économies d’énergie électrique sur la consommation du compresseur avec un remplissage optimal de l’évaporateur et le maintien d’une surchauffe minimale stable. Certains modèles intègrent d’autres fonctions telles que : – – – – –

le contrôle du dégivrage le report des informations (températures) fonctions intégrées d’électrovanne et de thermostat fonction d’alarme fonction de diagnostic et d’auto surveillance du système frigorifique 124

IV. Fonction des éléments principaux du circuit de fluide frigorigène

LES TUYAUTERIES FRIGORIFIQUES

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IV. Fonction des éléments principaux du circuit de fluide frigorigène

• GENERALITES Le matériau couramment utilisé comme tuyauterie frigorifique dans les installations frigorifique pour la circulation du FF est le cuivre, dans certains cas on utilise de l’acier notamment lorsque : – le FF est le R717 (l’ammoniac attaque le cuivre) – la puissance frigorifique de l’installation est telle que le diamètre des tuyauteries est supérieure à 54 mm (2’’), en effet à partir de cette taille, le prix des tuyauteries en cuivre est élevé et les accessoires en cuivre (coudes, tés…) ne sont pas toujours disponibles. 126

IV. Fonction des éléments principaux du circuit de fluide frigorigène

Suivant le tronçon de tuyauterie de FF dans le circuit frigorifique, on distingue : la tuyauterie de refoulement : c’est le tronçon entre le compresseur et le condenseur qui acheminent les vapeurs chaudes de FF la tuyauterie liquide : c’est le tronçon entre le condenseur et le détendeur qui véhicule le FF liquide venant du condenseur la tuyauterie d’aspiration : c’est le tronçon entre l’évaporateur et le compresseur qui véhicule les vapeurs de FF issues de l’évaporateur 127

IV. Fonction des éléments principaux du circuit de fluide frigorigène

• DIMENSIONNEMENT DES TUYAUTERIES La détermination du diamètre des tuyauteries véhiculant les FF est fonction de : la nature du FF la perte de charge admissible dans le tronçon considéré la vitesse d’écoulement du FF la possibilité de retour d’huile vers le compresseur la nature du matériau utilisé (cuivre ou acier) pour la tuyauterie la partie de tuyauterie considérée (aspiration, refoulement, liquide…) 128

Organes annexes du circuit frigorifique

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Les organes annexes du circuit frigorifique

5. LES POMPES Dans les installations frigorifiques, les pompes (ou circulateurs) sont utilisées pour : – assurer la circulation de l’eau de refroidissement des condenseurs – assurer la circulation d’un médium frigoporteur (eau glacée, eau glycolée…) – assurer la circulation du FF; il s’agit alors de pompes à FF

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Les organes annexes du circuit frigorifique • ORGANES ANNEXES D’UNE MACHINE FRIGORIFIQUE 1. LE RESERVOIR DE LIQUIDE Il est placé à la sortie du condenseur et sert à stocker le FF liquide à la mise en d’arrêt de l’appareil ou lors des opérations de maintenance. Il joue également un rôle important dans la régulation du système frigorifique lorsque les variations de charges thermiques sont importantes. Le réservoir de liquide aussi bouteille liquide, bouteille accumulatrice ou « receiver » peut être quelque fois dimensionnée pour stocker toute la charge en FF de l’installation. Son utilisation est préconisée sur les installations frigorifiques ; dans le cas de grandes installations avec condenseurs à air, il est fortement recommandé de le placer dans le circuit frigorifique.

Placé à la sortie du condenseur 131

Les organes annexes du circuit frigorifique 6. LES VENTILATEURS Dans les installations frigorifiques, les ventilateurs se rencontrent sur : – les évaporateurs à air à convection forcée – les condenseurs à air à convection forcée – les tours de refroidissement, les aérorefroidisseurs et les condenseurs évaporatifs.

Deux types de ventilateurs sont généralement rencontrés : – les ventilateurs hélicoïdes, surtout utilisés pour les gros débits sous de faibles pertes de charge (PDC) – les ventilateurs centrifuges utilisés lorsque les PDC sont importantes.

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Les organes annexes du circuit frigorifique 7. LE FILTRE DESHYDRATEUR Il convient de distinguer : – le filtre qui sert à piéger les impuretés contenues dans le circuit frigorifique – le déshydrateur qui permet l’élimination de l’humidité contenue dans le circuit frigorifique – le filtre déshydrateur qui rassemble dans le même appareil les fonction de filtre et de déshydrateur. Les filtres de FF se retrouvent à l’entrée des compresseurs (généralement intégrés aux compresseurs), en amont des pompes de circulation de FF et des pompes à huile et l’entré des organes d’alimentation des évaporateurs (détendeurs). 133

Les organes annexes du circuit frigorifique 8. LES VOYANTS Il faut distinguer parmi les voyants : – les voyants simples – les voyants indicateurs d’humidité Le voyant simple (verre épais serti dans une embase métallique) est un organe placé juste avant le détendeur et après le filtre déshydrateur. Il permet de contrôler la présence éventuelle de bulles donc de FF à l’état vapeur, indice d’anomalie (filtre déshydrateur bouché, SR insuffisant…). Le voyant indicateur d’humidité est un voyant simple avec une double fonction, celle de l’indication de l’état de saturation (humidité) du circuit frigorifique. Il s’agit d’un voyant avec une couronne indicatrice (sel chimique) qui change de couleur en fonction de la quantité d’eau contenue dans le FF. Le vert indique généralement un circuit sec (parfaitement déshydraté) et le jaune un circuit humide ; le vert clair indique que le filtre déshydrateur est en train de se saturer.

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Les organes annexes du circuit frigorifique 10. ELIMINATEUR DE VIBRATIONS Il permet de réduire les vibrations transmises au circuit frigorifique par une machine en mouvement (compresseur) et d’absorber les tensions dues aux dilatations et aux contractions des conduits. Il se monte le plus près possible de l’organe qui produit ces vibrations (refoulement compresseur, aspiration compresseur…). Il est constitué d’un tuyau flexible ondulé réalisé en inox ou en cuivre et revêtu d’une tresse en fil d’acier galvanisé ou en cuivre.

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Les organes annexes du circuit frigorifique • ELECTROVANNE Aussi appelé vanne électromagnétique ou vanne solénoïde, il permet d’ouvrir ou de fermer le circuit frigorifique. Il est commandé électriquement au moyen d’une bobine électromagnétique (utilisation de l’effet magnétique du courant électrique). Il est généralement placé sur les conduites de FF liquide. Une utilisation courante est son installation sur la ligne liquide en amont du détendeur, son rôle est alors d’éviter la migration du FF liquide vers l’évaporateur à l’arrêt du compresseur. Les électrovannes généralement utilisés sont du type NF (normalement fermé) mais il peut arriver que pour certaines applications, elles soient du type NO (normalement ouvert). 136

Les organes annexes du circuit frigorifique

11. Le robinet 4 voies d’inversion de cycle Il est utilisé pour effectuer un changement du sens de passage du FF. Il peut être utilisé pour : – le dégivrage d’un évaporateur en envoyant les vapeurs chaudes du refoulement non plus dans le condenseur mais dans l’évaporateur – le fonctionnement en pompe de chaleur (chauffage) d’un appareil de climatisation C’est un organe bidirectionnel à 2 positions comportant un cylindre à 4 compartiments qui permet une inversion des 4 voies à l’aide d’un clapet pilote. 137

Les organes annexes du circuit frigorifique

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LES ORGANES DE PROTECTION ET DE SECURITE

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• Il convient de noter que dans les installations frigorifiques, les organes dédiées à la commande et à la régulation sont quelques fois les mêmes utilisés pour la protection et la sécurité de l’installation (par exemple on parle de thermostats de régulation et de thermostat de sécurité, idem pour les pressostats). • Il ne faut pas perdre de vue que les fonctions de régulation et de sécurité dans les systèmes frigorifiques sont intiment liées. 140

LES THERMOSTATS Un thermostat est un organe capable de placer un contact dans une certaine position (rôle d’interrupteur électrique) sous l’effet d’une détection de température. Le thermostat le plus rencontré est le thermostat mécanique qui comprend : – d’un bulbe qui plonge dans le milieu à refroidir ou qui est placé dans ce milieu – d’un train thermostatique composé d’un tube capillaire et d’un soufflet

Cet ensemble est rempli d’un gaz et d’une petite quantité de liquide en équilibre avec sa vapeur, la variation de température se traduit par une variation de pression qui est transmise au soufflet puis au mécanisme. 141

LES THERMOSTATS

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LES THERMOSTATS Les thermostats peuvent assurer des fonctions – de régulation (par exemple, l’arrêt du compresseur d’une installation lorsque la température désirée dans l’enceinte est atteinte) – de sécurité (par exemple, l’arrêt de l’alimentation des résistances électriques de dégivrage d’un évaporateur lorsque la température d’évaporation est trop élevée ou l’arrêt du compresseur lorsque la température de refoulement est élevée)

Le

réglage des thermostats s’effectue sur deux paramètres par l’intermédiaire de vis de réglage : – la température de consigne (T_CONS) – le différentiel de température (DIFF) 143

LES THERMOSTATS Suivant les constructeurs et le type de thermostat, la température de consigne réglable sur le thermostat peut être : – la température en dessous de laquelle le contact électrique s’ouvre (cas 1) – la température au dessus de laquelle le contact électrique s’ouvre (cas 2) – la température moyenne désirée dans l’enceinte à contrôler (cas 3)

Le tableau suivant donne les conditions d’ouverture et de fermeture du contact (normal) des thermostats ainsi que les fonctions assurées. Cas 1 Cas 2 Cas 3 Fonction assurée Régulation Sécurité Régulation Ouverture du contact Lorsque la température Lorsque la température Lorsque la température électrique du thermostat descend à T_CONS monte à T_CONS descend à T_CONS – DIFF Fermeture du contact Lorsque la température Lorsque la température Lorsque la température électrique du thermostat remonte à T_CONS + redescend à T_CONS - remonte à T_CONS + DIFF DIFF DIFF

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LES PRESSOSTATS Un pressostat est un organe capable de placer un contact dans une certaine position (rôle d’interrupteur électrique) sous l’effet d’une détection de pression de FF. Le pressostat est un organe mécanique qui comprend un tube capillaire et un soufflet, le tube capillaire étant raccordé à un piquage de prise de pression placée sur la tuyauterie. Il existe plusieurs types de pressostat : – – – –

les pressostats basse pression (PBP) les pressostats haute pression (PHP) les pressostats combinés les pressostats différentiels d’huile 145

LES PRESSOSTATS Les pressostats basse pression (PBP) Ces pressostats (tubes capillaires) sont raccordés à l’aspiration du compresseur et ils assurent généralement : – la protection du compresseur contre toute baisse anormale de la pression d’aspiration : c’est une fonction de sécurité – le contrôle du fonctionnement de l’évaporateur par l’arrêt du compresseur lorsque la pression d’évaporation descend à une valeur de consigne préréglée : c’est une fonction de régulation

Les pressostats haute pression (PHP) Ces pressostats (tubes capillaires) sont raccordés au refoulement du compresseur et ils assurent généralement une fonction de sécurité : par exemple l’arrêt du compresseur en cas de pression de refoulement trop élevée. 146

LES PRESSOSTATS Les pressostats combinés (PCO) Ces pressostats renferment dans le même boîtier les fonctions dévolues à chacun des pressostats séparés (PBP et PHP). Les fonctions jouées par les différents pressostats sont obtenues par le (les) contact (s) électrique (s) qui insérés dans un circuit électrique de commande va commander l’arrêt ou la marche des différents appareils (par exemple : insertion du contact électrique du pressostat dans la ligne d’alimentation d’un compresseur). Les PBP, les PHP et les PCO peuvent être utilisées soit en régulation, soit en sécurité. Ils diffèrent alors par le réglage et par le type de réarmement. D’une manière générale, les pressostats utilisés en sécurité sont à réarmement manuel et ceux utilisés en régulation sont à réarmement automatique. 147

LES PRESSOSTATS

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LES PRESSOSTATS En désignant par : – CUT_IN : la pression d’enclenchement (fermeture du contact électrique) – CUT_OUT : la pression de déclenchement (ouverture du contact électrique) – DIFF : le différentiel réglé sur le pressostat

Les pressostats sont en général munis de deux contacts : – un contact normal (ouverture et fermeture suivant le fonctionnement du pressostat) – un contact inverseur (pouvant être utilisé pour la signalisation) Pressostat BP de régulation

Pressostat HP de sécurité

Valeur de consigne réglable sur le CUT_IN CUT_OUT pressostat Ouverture du contact Lorsque la pression Lorsque la pression électrique du atteint le CUT_OUT soit atteint le CUT_OUT pressostat CUT_IN - DIFF De manière automatique Lorsque la pression Fermeture du contact lorsque la pression retombe à CUT_IN soit électrique du remonte à la valeur de CUT_OUT – DIFF et pressostat CUT_IN que l’opérateur effectue le réarmement

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AUTRES DISPOSITIFS Soupapes de sûreté La norme NF E29-410 définit une soupape de sûreté comme suit : Un organe de sûreté de pression qui s’ouvre automatiquement à une valeur prédéterminée supérieure à la pression atmosphérique sous la pression du fluide sans intervention d’aucune autre source d’énergie et qui évacue un débit de fluide suffisant pour empêcher de dépasser la valeur maximale en service d’une quantité déterminée. Les soupapes de sûreté se montent généralement sur les récipients sous pression (bouteille liquide par exemple). Elles sont contrôlées, tarées et plombées en usine à la pression de tarage souhaité. 151

AUTRES DISPOSITIFS Protections électriques

Les protections électriques (fusibles, relais thermiques, disjoncteurs magnéto-thermiques…) occupent une grande place dans la protection des équipements électriques (moteurs des compresseurs, des ventilateurs et des pompes) des installations frigorifiques.

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IV. Fonction des éléments principaux du circuit de fluide frigorigène 2. LA BOUTEILLE ANTI-COUPS DE LIQUIDE Il est placé entre l’évaporateur et le compresseur (à proximité du compresseur) et son rôle est d’éviter l’aspiration éventuelle de FF liquide par le compresseur : prévention des coups de liquide. Elle également appelée bouteille d’aspiration, bouteille de surchauffe ou séparateur de liquide. Le principe de fonctionnement est basé sur la séparation des phases vapeur et liquide du FF. Placée à la sortie de l’évaporateur

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IV. Fonction des éléments principaux du circuit de fluide frigorigène 3. LE SEPARATEUR D’HUILE Il est placé juste après le compresseur et permet de recueillir les gouttelettes d’huile entraînées par les vapeurs de FF comprimés, d’évaporer le FF éventuellement présent et de renvoyer l’huile au niveau du carter du compresseur.

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Machine frigorifique par absorption

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Machines à absorption Parmi les machines utilisant les changements de phase, il y a les machines utilisant les solutions binaires, essentiellement NH3H2O et H2O-LiBr. Le fluide cyclé (NH3; H2O) est selon les conditions thermodynamiques imposées absorbé ou désorbé en fonction de son affinité chimique. Il faut noter que ces machines utilisent des fluides frigorigènes naturels, très peu d’énergie mécanique (circulation de la solution) et ont peu de pièces en mouvement.

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Machines à absorption

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Machines particulières: étages ou cascade? Régulations: multicompresseurs Bilans thermiques

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