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Zitiervorschau

1 SOMMAIRE 1ERE PARTIE : I.

PRODUCTION DU FROID ....................................................... 2

Etude théorique des phénomènes de production du froid. ................................................. 2

FUSION

CONDENSATION ............................................................................................................................ 3

Explication du déroulement des phénomènes dans le circuit frigorifique de base .......................................... 5 Modélisation d'un système frigorifique ................................................................................................. 6 Définition de la chaleur sensible et chaleur latente ....................................................................... 7 II.

Les fluides frigorigènes : qualités attendues. ......................................................................... 16 1. Définition ............................................................................................................................................. 16 2. Propriétés et qualités attendues ................................................................................................... 16 3. Rôle du fluide frigorigène................................................................................................................ 17 4. Les différentes catégories de fluide frigorigène ........................................................................ 17 5. Les fluides frigorigènes utiliser avant 1929.............................................................................. 17 6. Les fluides frigorigènes utiliser entre 1929 et le protocole de Montréal .......................... 17 7. Restriction d’utilisation depuis le Protocole de Montréal ..................................................... 17 8. Traitements des fluides ................................................................................................................... 18 9. Nomenclature ..................................................................................................................................... 19 10. Propretés thermodynamiques : ................................................................................................ 20 11. Contraintes techniques .............................................................................................................. 20 12. La sécurité. ..................................................................................................................................... 22

III. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.

Technologie des machines frigorifiques ............................................................................... 23 Distribution du froid ........................................................................................................................ 23 Débit du fluide frigorigène.............................................................................................................. 27 Les compresseurs ............................................................................................................................. 28 Les évaporateurs et détendeurs. .................................................................................................. 34 Les condenseurs ................................................................................................................................ 38 Cycle avec échangeur intermédiaire (simple étage)................................................................ 43 Cycle en cascade ............................................................................................................................... 44

2EME PARTIE : UTILISATION DU FROID.......................................................... 46 I.

Pourquoi le froid .................................................................................................................................. 46

II. 1. 2.

Comportement des produits ........................................................................................................... 47 Réfrigération ....................................................................................................................................... 47 Congélation :....................................................................................................................................... 51

3EME PARTIE TECHNIQUE DE CONGELATION .............................................. 58 I. 1. 2. 3. 4. 5. 6.

Tunnel de congélation ....................................................................................................................... 58 Congélation à l’air. ............................................................................................................................ 58 Congélation à N2 ou CO2. ............................................................................................................... 59 Lit fluidisé. .......................................................................................................................................... 60 Congélation au contact d’un fluide frigorigène : R12 ............................................................ 60 Congélation par immersion. .......................................................................................................... 60 Congélation par contact.................................................................................................................. 61

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1ère partie :

PRODUCTION DU FROID I.

Etude théorique des phénomènes de production du froid.

Les procédés de production du froid sont assez peu nombreux. Industriellement, seuls ceux qui sont basés sur un changement d’état sont utilisés. Solide Solide Effet calorifiquerejet de chaleur

Liquide

Liquide

vapeur

Fusion

Sublimation

Solidification

Evaporation

Effet frigorifiqueabsorption de chaleur

gel Vapeur

Condensation

Fusion Sublimation Evaporation

Phénomènes endothermique, effet frigorifique. absorbent de la chaleur.

Solidification Condensation

Phénomènes exothermique, effet calorifique rejet de la chaleur.

Deux notions interviennent : – quantité de chaleur - température.

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3 Représentation de ces phénomènes dans un diagramme permettant d’indiquer les niveaux de température. P (Pa)

ZONE GLACE

ZONE LIQUIDE GEL

100 000

FUSION

CONDENSATION

10 000 EVAPORATION 1 000 CONDENSATION 100

Point triple SUBLIMATION

10

1

ZONE VAPEUR

- 40

- 20

0

20

40

60

80

100

T (°C)

Effet frigorifique : fusion de la glace : 0°C, 335 kJ/kg Evaporation de l’eau : P = 1 atm : 100°C ; 2225 kJ/kg P = 4,6 mm Hg : 0°C, 2500kJ/kg Si on prend une substance quelconque à une température et une pression assez basse, on pourra avoir passage de l’état solide à l’état gazeux, son passage à l’état liquide, On aura toujours une température ou la pression de vapeur saturante est nulle, cette température étant toujours supérieur au zéro absolu (température très variable suivant les corps considérés). Quantités de chaleur mises en jeu par des changements d’états. Lorsque l’évaporation ayant lieu à la pression atmosphérique, on aura à : Température Fluide Quantité de chaleur mise en jeu 100°C eau 2225 kJ/kg -30°C R12 146 kJ/kg -33°C NH3 1460 kJ/kg -196°C N2 liquide 198 kJ/kg Construction d’une machine frigorifique à ammoniac Hypothèse : on a de l’ammoniac liquide. En le laissant à la pression atmosphérique, il absorbe de la chaleur et se vaporise.

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Si on rejette la vapeur NH3 dans l’atmosphère, on aura une machine frigorifique en circuit ouvert. Si on veut éviter le gaspillage, ne pas polluer l’environnement, il faut condenser cette vapeur dans une enceinte hermétique et le reliquéfier. Pour cela il faut une source froide naturelle afin de refroidir et condenser le fluide vaporisé. Le circuit frigorifique standard

Une installation comprend :
Deux échangeurs de chaleur o Un évaporateur du fluide frigorigène (NH3) o Un condenseur
Une élévation de pression (compresseur) permettant de passer de la Po à la Pc.
Un détendeur.

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Explication du déroulement des phénomènes dans le circuit frigorifique de base

Circuit frigorifique de base Tout système frigorifique à compression comprend au moins 6 éléments : • • • • • •

compresseur (1) ; condenseur (2) ; détendeur (3) ; évaporateur (4) ; réfrigérant ou fluide frigorigène (5) ; et enfin, l'huile du compresseur (6).

Ces 6 éléments constituent le strict minimum pour assurer le fonctionnement du système frigorifique. Aussi un circuit frigorifique doit être parfaitement anhydre. En effet le fluor contenu dans les principaux réfrigérants actuels risquerait de se dissoudre dans l'eau et ainsi de former de l'acide. L’eau est donc l'ennemi fondamental n°1 du circuit frigorifique. Comme dessiné sur le schéma, le compresseur met en circulation le réfrigérant. Il sort de l’orifice HP (haute pression) du compresseur à l’état gazeux et très chaud. Il traverse alors le côté HP en commençant par le condenseur.

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6 Lors de son passage dans le condenseur, le réfrigérant perd beaucoup de calories et se condense. On observe donc un changement d’état. La tuyauterie située entre le condenseur et le détendeur s’appelle à juste titre : ligne liquide. Le détendeur est donc alimenté en réfrigérant à l’état liquide. Celui-ci crée une restriction, c'est-à-dire une chute de pression du réfrigérant pour alimenter le coté BP (basse pression). À la sortie du détendeur, on observe une chute de pression importante ainsi qu’une chute de température du réfrigérant. Le réfrigérant devient alors un mélange gazeux, (par exemple 15 % en gaz et 85 % en liquide). Le fluide en mélange traverse l’évaporateur. Dans ce dernier, on observe à nouveau un changement d’état. En effet la partie liquide du fluide rentre en ébullition et absorbe les calories qui sont au voisinage de l’évaporateur. Le fluide à l’état gazeux est alors aspiré par l’orifice BP du compresseur et le cycle se renouvelle. Du refoulement du compresseur au détendeur, la pression HP est constante. Seule la température varie. De la sortie du détendeur à l'aspiration du compresseur, la pression BP et la température restent constantes en zone mélange. En dehors de la zone mélange, seule la BP reste constante, la température varie.

Modélisation d'un système frigorifique Tout système frigorifique sert à véhiculer des calories d’une zone à une autre. En effet, les calories absorbées par l’évaporateur sont ensuite évacuées par le condenseur. On a donc un transfert de calories (ou d’énergie) qui s’effectue de l’évaporateur vers le condenseur. On peut ainsi modéliser un système frigorifique ainsi :

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Tout système frigorifique peut donc se définir comme : Pompe à chaleur. Cette modélisation n’est qu’une modélisation partielle du fonctionnement frigorifique. En effet, dans un système frigorifique il y a deux sources de calories : • •

les calories absorbées à l’évaporateur ; les calories générées par le compresseur.

En effet, tous les compresseurs ont un rendement < 1 (cf. chapitre technologie des machines frigorifiques) et par conséquent une partie non négligeable de l’énergie mécanique qui leur est fournie est restituée sous forme de chaleur et doit donc être évacuée sous peine de provoquer un serrage du compresseur. Sur la plaque signalétique d’une climatisation réversible, on mentionne : • •

Puissance frigorifique (ex. Pf = 3000 W) Puissance calorifique (ex. Pch= 3200 W)

Définition de la chaleur sensible et chaleur latente 1. La chaleur sensible est la quantité de chaleur à absorber ou à fournir pour provoquer une chute ou une élévation de température. 2. La chaleur latente est la quantité de chaleur à absorber ou à fournir pour provoquer un changement d’état.

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8 Exemple : temps nécessaire à une résistance donnée pour faire fondre de la glace : • • • •

4 kg de glace à – 10 °C ; 1 kW de résistances ; chaleur massique de la glace : 2.09 kJ·kg− 1·K− 1 ; chaleur latente de la glace : 335 kJ·kg− 1.

Dans un premier temps, la résistance va chauffer la glace de manière à porter la température de la glace à 0 °C. (Chaleur massique) 2.09 x 4 x 10 = 83.6 kJ (formule : Q = m x C x écart de température) Dans un deuxième temps, la résistance va chauffer cette glace à 0 °C pour lui faire subir un changement d’état. (Chaleur latente) 335 x 4 = 1340 kJ (formule : Q' = m x ∆h où ∆h = 335 kJ·kg− 1·K− 1) 1 kJ/s = 1 kW Donc il faut 1340 kJ + 83.6 kJ soit 1423.6 s soit environ 24 min pour faire fondre cette glace. Cette expérience met en évidence le fait que la chaleur la plus importante à fournir est la chaleur latente. De ce fait il est plus intéressant de travailler sur les changements d’état plutôt que sur les différences de température. C’est sur ce principe que fonctionnent les systèmes frigorifiques. Lors d’un cycle de fonctionnement d’un système frigorifique, on observe une expérience similaire au niveau des deux échangeurs que sont le condenseur et l’évaporateur : •

•

un changement d’état du réfrigérant au niveau du condenseur gaz → liquide (Restitution importante de calories) + une diminution relative de la température du réfrigérant (Restitution moindre de calories). un changement d’état du réfrigérant au niveau de l’évaporateur : liquide → gaz (Absorption importante de calories) + une élévation relative de la température du réfrigérant (Absorption moindre de calories).

Ces changements d’état sont donc impératifs au bon fonctionnement du système frigorifique. La machine sera une machine frigorifique si on la construit pour utiliser sa puissance frigorifique (Qo à Po et θo) Par contre, si l’objectif est d’utiliser la quantité de chaleur rejetée par le condenseur (sa puissance calorifique), on a une pompe à chaleur (PAC).

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Dans l’industrie, on peut également prélever de la chaleur à un autre fluide ; dans l’exemple ci-dessous, cela permet de récupérer de la chaleur à l’air extrait et de la communiquer à l’air neuf.

Notation : l’enthalpie massique est symbolisée par h (kJ/kg). Pour dimensionner un compresseur, on a besoin de connaître le volume massique à l’aspiration. Dans les nouveaux diagrammes, on fait une échelle linéaire de température, on a déduit une échelle pour la pression qui n’est pas une fonction logarithmique mais une fonction qui ressemble à une graduation de type logarithmique.

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Fonctionnement simple sans sous-refroidissement ni surchauffage

3 2

4 1

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x = 0,1 signifie qu’il y a 10 % de vapeur et 90% de liquide. Le point 4 est représenté par un mélange de x kg de vapeur Et (1 − x ) kg de liquide D’où (1 − x ) * h5 + xh1 = h4

(h1 − h4 ) + (h2 − h1 ) − (h2 − h3 ) = 0 Evaporateur

compresseur

condenseur

Lorsqu’une machine frigorifique dispose d’une puissance frigorifique (Qev), alors : Qev = d .(h1 − h4 ) (d est le débit) On ne connaît pas le point 4, or h4 = h3 → on remplace h4 par h3 → Qev = d .(h1 − h3 ) Travail que devra fournir le compresseur Q * (h2 − h1 ) Wc = d (h2 − h1 ) = ev h1 − h3 Quantité de chaleur échangée au condenseur ! Qco = d .(h2 − h3 ) = Qev. + Wc (Pour une machine parfaite : θ sf = θ 0 = θ cf = et Kθ sc = θ c = θ milieu Rendements : η =

gain dépense

Pour un moteur :

η moteur =

Qf Wc Qc − Q f = = 1− Qc Qc Qc

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Qc = Chaleur fournie à la source chaude Q f = Chaleur dégagée à la source froide Le rendement Carnot d’un moteur est de la formule suivante : T ηCarnot = 1 − f < 1 (Moteur parfait ou idéal) Tc Une machine parfaite a un rendement qui ne dépend que des niveaux de températures auxquelles sont effectués les échanges thermiques. Pour une machine frigorifique : Qf Le gain est : η mf = Qc − Q f

(

)

Dans le cas la machine frigorifique est parfaite, son rendement dépend des températures des deux sources d’échanges thermiques et on aura donc : Tf η mf = (Machine frigorifique parfaite ou idéale) Tc − T f

(

)

Par exemple : Tc = 50°C = 323°K et Tf = 0°C = 273°K

η mf =

273 = 5,46 50

Tc – Tf = 50°K Le rendement est supérieur à 1. On ne peut plus l’appeler rendement. On l’appelle plutôt : Coefficient de Performance : C.O.P. • Cas de la machine frigorifique : Elle va fonctionner entre deux sources (source froide SF et source chaude SC) Qev COPmf = (Machine frigorifique réelle) (Qco − Qev ) Q co − Q ev étant la définition même du travail, c'est-à-dire Wc . Le COP de Carnot pour une machine frigorifique est : Tev COPmfrigo = Tc − Tev Cas de la pompe à chaleur : Qco COPPAC = (Machine réelle) (Qco − Qev ) Le COP de Carnot pour une pompe à chaleur est : Tc Tev T − Tev Tev COPPAC = = + c = + 1 (Machine parfaite) Tc − Tev Tc − Tev Tc − Tev Tc − Tev Exemple : Tev = 300°k pour un moteur, ηCarnot = 50% Tc =600°k pour une machine frigorifique, COPmf = 300/300 =1 Pour une pompe à chaleur, COPPAC = 600/300 = 2 •

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Dans la majorité des cas, les températures de fonctionnement seront de l’ordre de : Tev = 250°K Tc = 300°K Pour une machine frigorifique, le COPmf est aux alentours de 5 Par conséquent la gamme de COPPAC sera aux alentours de 6 COPmachinefri gorifique = COPPAC − 1

250 5 = 1 − = 0,16 300 6 On aurait souhaité avoir à l’évaporateur, une température de la source froide (Tf) = à la température de la chambre froide (Tcf) = à la température de vaporisation du fluide frigorigène (Tev) De même au condenseur, on souhaitait que la température de la source chaude (Tc) = à la température ambiante (Ta) = à la température de condensation (Tc). Mais c’est un souhait impossible parce qu’on n’évapore pas le fluide frigorigène directement sur les denrées ou dans la chambre froide. Au condenseur, si la température de condensation est égale à la température ambiante, il n’y a pas d’échanges thermiques. En conclusion, il y aura toujours un écart de température (∆T) au condenseur et à l’évaporation pour que le circuit frigorifique fonctionne bien. Les frigorifiques cherchent le plus souvent à avoir des écarts de température les plus faibles possibles au niveau de la source froide et de la source chaude afin d’améliorer le COP du circuit frigorifique. • Pour les pompes à chaleur, ∆Τ ≤ 30°C autrement l’utilisation du travail primaire pour le chauffage est plus importante. Dans le cas réel, on a des écarts de température tels que : Τcondensation = Τc + ∆Τc Alors que pour un moteur : η Carnot = 1 −

Τevaporatio n = Τ f − ∆Τ f

On aura par conséquent altération de la valeur du COP. Les écarts de température aux deux sources s’ajoutent au dénominateur tel que le COP devient : Tf − ∆Tf Tf − ∆Tf COP = = Tc + ∆Tc − Tf + ∆Tf Tc − Tf + (∆Tc + ∆Tf ) On aura donc intérêt à travailler sous des écarts de températures réduites à l’évaporateur et au condenseur. Ce COP est dit théorique ou COP de Carnot. La machine frigorifique fonctionne avec un fluide frigorigène (NH3 par exemple) et les qualités thermodynamiques de ce fluide vont intervenir et modifier ce résultat. (h − h4 ) gain COPcycle.mf = = 1 (h4 =h3) dépense (h2 − h1 ) (h − h3 ) Pour une pompe à chaleur, on a : COPcycle. PAC = 2 (h2 − h1 )

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COPmachinefrigo =

h1 − h3 1 Wc *

,

Wc = h2 − h1 ,

→

COPmachinefri go = η global *

h1 − h3 h2 − h1

η global η global = η moteur * η transmissi on * η compresseu r

η moteur = 0,8 ηtransmission = 0,9 η compresseu r = Rendement théorique du compresseur = 0,8 → η global de l’ordre de 0,6

Courant électrique

Effet utile

ηcentrale Dépense d’énergie On a donc en faite : COPmachinefri go = η global *

(h1 − h3 ) *η (h2 − h1 ) centrale

Critères de fonctionnement Qev = puissance de la machine frigorifique d = débit du fluide frigorigène Qev =d h1 − h3 Wcompresseu r = d .(h2 − h1 ) W comp = W moteur * η global

ηglobal varie entre 0,5 à 0,6.

kcal / h

1 kWh 860

≈ 2W comp = W moteur . Q cond = Q ev + Q comp

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• Température de refoulement du compresseur : lecture de l’isotherme passant par l’état 2. Qev (h2 − h3 ) Fonctionnement avec sous-refroidissement et surchauffage

N.B : Dans le cas d’une pompe à chaleur, on a : d =

L'ensemble du cycle peut être représenté dans le diagramme enthalpiepression. Sous la courbe en cloche se situent les états de mélange liquidevapeur; à gauche de la cloche, le fluide est à l'état liquide (il se "sousrefroidit"), à droite, le fluide est à l'état vapeur (il "surchauffe").

Dans les digrammes qu’on utilise, on supprime toute la partie centrale; on a donc une interruption dans les échelles des enthalpies. Lorsqu’on extrait de la chaleur à basse température et qu’on l’a obligé d’apporter du travail, alors :

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II.

Les fluides frigorigènes : qualités attendues.

1. Définition Un fluide frigorigène (ou réfrigérant) est un fluide pur ou un mélange de fluide pur, présent en phase liquide, gazeuse ou les deux à la fois en fonction de la température et de la pression de celui-ci. La principale propriété des fluides frigorigènes est de s’évaporer à une faible température à la pression atmosphérique. Les fluides frigorigènes sont utilisés dans les systèmes de production de froid (climatisation, congélation, congélation, réfrigération,….).

2. Propriétés et qualités attendues Les fluides frigorigènes ont deux caractéristiques thermodynamiques fondamentales : • le point triple : celui-ci doit être très nettement en dessous des conditions d’utilisation des machines. De même, les conditions critiques doivent se situer au dessus de ces dernières. • La chaleur latente de vaporisation : celle-ci doit permettre une production assez importante de frigories à partir de faibles quantités du fluide frigorigène. En théorie, l’air ou l’azote (des fluides courants sur notre planète…) pourraient servir de réfrigérant. En somme, tout fluide présente un potentiel en terme de réfrigération. Mais, en pratique, il en est tout autrement. Ces fluides doivent répondre aux critères suivants :  les fluides réfrigérants sont sélectionnés principalement pour leur grande propriété d’absorption de colories lorsqu’ils passent de leur phase liquide à leur phase gazeuse (la chaleur absorbe par le fluide lors du changement d’état est appelé : chaleur latente de vaporisation) les réfrigérants sont utiliser purs ou en mélange dans le métier du froid et de la climatisation.  Ces fluides doivent respecter l’environnement du faite du risque potentiel de fuite dans l’atmosphère.  Ils doivent aussi être inoffensifs pour la même raison que ci-dessus.  Ils sont également choisis en fonction des températures de fonctionnement des deux échangeurs du circuit frigorifique concerné (le condenseur et l’évaporateur). En effet les fluides utilisés pour obtenir des basses températures sont différents des fluides de climatisation par exemple.  Enfin, leurs pressions (qui sont fonction des températures de service des échangeurs citez ci-dessus (doivent permettre leur utilisation dans un circuit frigorifique avec un dimensionnement raisonnables des tuyauteries et du compresseur. En effet, il ne serait pas rentable d’utiliser de l’azote pour faire de la climatisation, les pressions étant trop importantes, il nécessiterait des tuyauteries très épaisses et un compresseur gigantesque. Dans les climatisations, leur capacité a absorbé une certaine quantité de chaleur par unité réfrigérante est encore exprimé en BTU (1 BTU = 1,0551*103 J). Cours de production du froid industriel

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Le fréon est le nom commercial de plusieurs des gaz réfrigérants.

3. Rôle du fluide frigorigène Dans un circuit frigorifique, le fluide frigorigène véhicule deux éléments : • Les calories. Celles-ci sont captées à l’évaporateur et au niveau du compresseur. Elles sont ensuite évacuées au niveau du condenseur. • L’huile du compresseur. Ceci est plutôt un inconvénient. En effet, l’huile du compresseur est complètement inutile pour les autres organes du circuit frigorifique.

4. Les différentes catégories de fluide frigorigène On distingue parmi les gaz réfrigérants différentes catégories de molécules : • Les chlorofluorocarbones (CFC), • Les hydrochlorofluorocarbones (HCFC), • Les hydrofluorocarbures (HFC), • Les hydrocarbures perfluoré ou perfluorocarbures (PFC), • Les hydrocarbures ou composés organiques ne faisant pas partie des catégories précédemment citées, • Les composés inorganiques comme l’ammoniac.

5. Les fluides frigorigènes utiliser avant 1929 Les principaux gaz utilisés avant 1929 pendant la première période du froid artificiel étaient : • Le dioxyde de soufre (SO2) • Le chlorure de méthyle (CH3Cl) • Le dioxyde de carbone (CO2) • Le chlorure d’éthyle (C2H5Cl) • L’ammoniac (NH3) Tous ces fluides avaient des propriétés thermodynamiques intéressantes mais ils présentaient tous un danger pour l’homme de par leur toxicité ou du fait qu’ils étaient combustibles.

6. Les fluides frigorigènes utiliser entre 1929 et le protocole de Montréal En 1929, un savant Américain, Thomas Migdley, et sont équipe produisaient les premières molécules de dichlodifluorométhane (CCl2F2) ou R12. Le R12 et les autres fluides frigorigènes de la même famille ont la propriété d’être relativement inoffensif pour l’homme et d’être intéressants du point de vue thermodynamique. Ils furent fabriqué industriellement par la société Dupont de Nemours à partir de 1932 (dichlodifluorométhane – R12 et trichlorofluorométhane – R11) sous le nom de Fréon. Ces fluides frigorigènes sont des dérivés du pétrole.

7. Restriction d’utilisation depuis le Protocole de Montréal Depuis le 16 septembre 1987, le Protocole de Montréal signer par 24 pays et par la communauté économique européenne et qui compte aujourd’hui 190 Cours de production du froid industriel

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pays signataires, est un accord international visant à réduire et, à terme, éliminer complètement les substances qui appauvrissent la couche d’ozone (HCFC, tétrachlorure de carbone, bromochlorométane, hydrobromofluorocarbone, méthylchloroforme), et cela dans un délais permettant la mise en place de substituts. Le Protocole de Montréal invite les intéressés à prendre les mesures nécessaires pour réduire l’émission de fluide frigorigène dans l’atmosphère ; il s’agit : • De ne plus utiliser ce produit comme propulseur (ils furent interdits dès 1978 aux USA pour cette utilisation.) • D’améliore l’étanchéité des circuits frigorifiques • De lutter contre les purges et les rejets dans l’atmosphère • De récupérer systématiquement les fluides frigorigènes De plus, il recommande de réduire puis d’arrêté la production des gaz les plus néfastes à la couche d’ozone et ceux ayant un impact important sur l’effet de serre. Ce sont les fluides frigorigènes dont la molécule est riche en chlore et dont la durée de vie est grande. Parmi ces gaz, on trouve : • Les chlorofluorocarbones (CFC : R11, R12, R502, R504…) : le chlore contenu dans leurs formules, détruit la couche d’ozone. Ils ont également un impact sur l’effet de serre. En cas de fuite, il est interdit de recharger avec fluide. • Les hydrochlorofluorocarbones (HCFC)* : le chlore contenu dans leurs formules, détruit la couche d’ozone. Ils ont également un impact sur l’effet de serre Pour le moment, la recharge est autorisée. Mais à partir de 2010, il sera interdit de recharger par des fluides neufs et à partir de 2015, par des fluides recyclés. * (R22, R123, R124, R142b, R401A, R401B, R402B, R408A, R409A, R409B…) • Les HFC* : le chlorure est absent de leurs formules. Ils ne détruisent donc pas la couche d’ozone mais ont un impact plus ou moins important sur l’effet de serre. Pas d’interdiction pour ces fluides. En cas d’investissement ou de remplacement d’un équipement frigorifique, privilégiez ceux fonctionnant avec des HFC contenant moins de 2kg de fluide. * (R14, R23, R125, R134a, R152a, R227, R407C, R404A, R410A, R413A, R417A, R507, R508B, Isceon 59, Isceon 89, Forane FX80…) Les conférences qui ont suivi ont accentué la tendance et écourté les échéances : à la conférence de Copenhague, il a été décidé d’arrêter la production des CFC le 31 décembre 1994 et celle des HCFC le 31 décembre 2014. Les CFC sont aujourd’hui définitivement supprimés à l’exception de quantités très minimes et indispensables (utilisation en médecine).

8. Traitements des fluides Rappel : une fuite d’un kilogramme de réfrigérant de synthèse dans l’atmosphère produit un effet de serre équivalant à celui généré par l’émission de 1500 jusqu’à 3000 kilogrammes de CO2. Cours de production du froid industriel

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Il est maintenant obligatoire de vérifier régulièrement les installations de production frigorifiques pour des applications de réfrigération ou de climatisation. Toute fuite détectée doit être localisée et faire l’objet d’un enregistrement, l’exploitant est tenu responsable de la quantité de réfrigérant de synthèse utilisée dans son installation. Si la préparation nécessite la vidange de l’équipement, le liquide frigorigène sera récupéré pour être recyclé.

9. Nomenclature Ce modèle de nomenclature peut s’appliquer pour fluorocarbure (FC) de type CFC, HCFC, et PFC. La nomenclature des gaz fluorés suit le modèle de type "XYZ-c0123b4a", où chacun des chiffres et lettres représentent : • XYZ : FC, CFC, HCFC, HFC ou PFC.* • c : composé cyclique. • 0 : Nombre de liaisons doubles (omis si zéro). • 1 : Nombre d’atomes de carbone – 1 (omis zéro). • 2 : Nombre d’atomes d’hydrogène + 1 • 3 : Nombre d’atomes de fluor. • b4 : Nombre d’atomes de chlore remplacés par des atomes de brome (omis si zéro) ; • a : lettre ajoutée pour identifier les isomères. Dans le cas où la molécule contient du brome, le gaz (toujours du CFC) s’appelle halon. Lorsque ces substances sont utilisées en tant que fluide frigorigène, les "XYZ" est remplacé par la lettre "R", comme Réfrigérant. La valeur du premier chiffre qui suit la lettre R peut prendre alors les valeurs spécifiques suivantes : • 4 ou 5, il s’agit d’un mélange • 6, il s’agit d’un composé organique autre que des CFC, HCFC, HFC et PFC (ex. R690 : propane) • 7, s’il s’agit d’un composé inorganique (ex. R717 : Ammoniac) Quelques exemples de HCFC : Le CFC-12 est un dérivé du méthane, sans hydrogène, avec deux • atomes de fluor et deux chlore. Il a donc pour formule : CF2Cl2. • Le CFC-113 est un dérivé de l’éthane, sans hydrogène, avec trois atomes de fluor et trois de chlorure. Il a donc formule : C2F3Cl3. • Le CFC-13b1 (ou halon 1301) est dérivé du méthane, sans hydrogène, avec trois atomes de fluor et un de brome. Il a donc pour formule : CF3Br Un exemple de HCFC : • Le HCFC-22 est un dérivé du méthane, avec un atome d’hydrogène et quatre de fluor et un de chlore. Il a donc pour formule : CHF2Cl Un exemple de HFC : • Le HFC-134 est un dérivé de l’éthane, avec deux atomes d’hydrogène, deux atomes de fluor. Donc pour formule C2H2F4 Règle du "90", exemple du R32 : 1. Ajoutez 90 au nombre : 32 devient 122, Cours de production du froid industriel

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20

2. 3. 4. 5.

Le premier chiffre donne le nombre d’atome de carbone: ici 1, Le dernier chiffre donne le nombre d’atome de fluor : ici 2. Le chiffre du milieu donne le nombre d’atome d’hydrogène : ici 2 Si le bilan est incomplet, les autres atomes sont généralement des atomes de chlore : R22 donne 112 donc CHClF2

10. Propretés thermodynamiques : NH3 = R 717

Composés halogénés R12 (CF2Cl2)

R22 (CHClf2)

Fluides purs

R502 (48% 52% R12) Mélange azéotropique

Vcritique

111

39

50

θcritique

132°C

111°C

96°C

θC(1atm)

- 33 ,3°C

-30°C

-41°C

-50°C

exposant γ (facteur de compressibilité)

1,31 (la θ refoulement risque de trop monter)

1,14

1,16

1,16

∆HV(à +25°C)

1460 kJ/kg

146 kJ/kg

167 kJ/kg

188 kJ/kg

Taux de compression

10,3

6,64

10

10

R22,

Définition du mélange azéotropique : la composition à toute température de la phase vapeur est la même que celle de la phase liquide. Les composés halogénés ont une faible chaleur latente de vaporisation ; dans les machines qui tournent très vite, comme les turbocompresseurs. Ce n’est pas un inconvénient : cela permet d’avoir de puissances non excessives.

11. Contraintes techniques • Risque de corrosion : Dans le cas des composés halogénés on peut utiliser sans problème le fer, le cuivre et l’aluminium ; mais dans le cas où le fluide frigorigène est NH3, on ne peut pas utiliser le cuivre, car il y a formation de pile, d’où des fuites. Il faudra faire attention également à l’emploi de certains plastiques, le contact des halogénés risquant de les faire gonfler.  Tension superficielle (risques de fuites) : NH3 :27 dynes/ cm → pas de problème (1dyne/cm =10-3N/m) R12 : 8 à 9 dynes / cm → problèmes de fuites (carters doit être en fonte compacte ou en aciers soudés) • Problème de l’eau : Avoir de l’eau dans le circuit du fluide frigorigène peut poser des problèmes suivant le fluide utilisé : NH3 : n’a pas de réaction avec H2O → la présence d’eau dans • le circuit n’est pas gênante. Cours de production du froid industriel

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21 •

Fluides Halogénés : il y a formation d’hydrates avec l’eau, et cela risque de boucher l’orifice du détendeur. Les constructeurs sont donc amener à prendre des précautions spéciales. P 500 kW) - on utilise relativement beaucoup d’huile, mais ces machines consomment moins d’huile que les compresseurs rotatifs. - taux de compression fixe, on ne peut pas le modifier. - pas de clapet d’aspiration → pas de problème de coup de liquide. - on peut régler la puissance de façon continue entre 10 à 100%. - Plus on rapprochera l’entrée et la sortie, plus on diminuera le taux de compression. ⇒ Machine à mono vis : -utilisation pour des puissances relativement faibles, à partir de 300 kW - faible coût de fabrication (1 seule vis) D) Turbocompresseurs ou ventilateur centrifuge








La force centrifuge projette le fluide vers la périphérie (Fluide comprimé par la force centrifuge). On peut monter plusieurs roues en séries, en branchant l’aspiration de la seconde roue sur le refoulement de la première. Variation de puissance assez facile : 300-5000 kW. Pas de clapet Pas de "coup de liquide" Pas d’huile Machines puissantes surtout utilisées en climatisation.

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4.

Les évaporateurs et détendeurs. a) Dans l'évaporateur

Tout d’abord, le fluide frigorigène liquide se met en ébullition et s'évapore sous l’action de la température élevée du milieu dans lequel l’évaporateur est implanté. Cette évaporation s’accompagne par une absorption de la chaleur de l’air ambiant. Ensuite, le gaz issu du fluide évaporé et qui est toujours à une basse température que l’air ambiant va continuer à absorber la chaleur du milieu et être légèrement surchauffé par rapport à la température d’évaporation. C'est ce qu'on appelle la phase de surchauffe (entre 7 et 1 sur la figure).

Fonctionnement de l'évaporateur. b) Alimentation des détendeurs et évaporateurs Dans les installations industrielles, on a souvent l’insertion du détendeur suivant le schéma ci-dessous :

Si le détendeur de type automatique tombe en panne, on ferme les robinets manuels 1 et 2 et on ouvre progressivement le point 3, qui est un régleur manuel. • Le détendeur automatique est l’un des 5 détendeurs à fonctionnement automatique : • Détendeur automatique → Pévap. constante • Détendeur thermostatique → surchauffe constante • Détendeur à flotteur basse pression utiliser pour les • Détendeur électronique installation à regorgement • Détendeur thermostatique à surchauffe artificielle ⇒ Il y a également des détendeurs manuels. Cours de production du froid industriel

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c) Fonctionnement du 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.

d) Les détendeurs manuels ou régleurs. Ces détendeurs sont des robinets particuliers dont le fonctionnement respecte une plage de réglage. La plage de réglage est donc réduite à la portion linéaire de la courbe. On cherchera à avoir un réglage proportionnel sur toute la longueur de courses du robinet. (Voir fig.2)

Ouverture du robinet

e) Les détendeurs à fonctionnement automatique. On caractérise l’installation par le débit massique, mais surtout par sa puissance frigorifique conventionnelle.

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Détendeur électronique Lorsque la charge thermique de l’évaporateur augmente, la sonde (3) détectera une montée de température, agira sur la membrane (4) et le détendeur s'ouvrira (le pointeau est renversé : plus on l'enfonce, plus il s'ouvre) afin d'augmenter le débit de réfrigérant (1). f) Détendeur automatique pressostatique. Il maintient une pression d'évaporation constante, indépendante de la charge. La totalité de la surface d'échange de l'évaporateur n'est utilisée qu'une fois en régime. C'est pourquoi il n'est utilisé que dans le cas d'installations dans lesquelles la charge ne varie pas beaucoup (par ex : machines à glace).

Ressort de réglage Arrivée du FF

Clapet

Vers évaporateur On a équilibre entre Pévap et Pressort. Une machine frigorifique a trois éléments qui peuvent limiter son débit de façon notable :
L’évaporateur
Le détendeur
Le compresseur. Lorsque l’installation fonctionne bien, les trois débits de ces trois éléments sont égaux. g) Détendeur thermostatique. Cours de production du froid industriel

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On va utiliser un système thermostatique qui règle le débit de façon à ce que le fluide sortant de l’évaporateur soit toujours légèrement surchauffé.

Manomètre

Thermomètre

Soufflet

A

PB = Po + PR

Soufflet, capillaire et bulbe forment le "train thermostatique". Il est hermétique, et est rempli avec un fluide liquide en équilibre avec sa vapeur. Le manomètre permet de déterminer θo, il donne la pression des vapeurs saturantes sèches, on a déduit donc facilement leur température. (Pc, θo ). Le thermomètre indique θs (Température de sortie). La surchauffe s = θs - θo. On a alors des vapeurs sèches. Si dévapo augmente, alors V avance et A augment ; la surface (A) de surchauffe ε –A diminue, alors θs et PR diminuent → le détendeur se ferme. Le détendeur permet donc de maintenir la surchauffe constante : Ps –Po = PR. La surchauffe empêche l’arrivée de gouttes de liquide au compresseur et évite les coups de liquide. Cours de production du froid industriel

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Avant le détendeur il faut placer un robinet solénoïde qui se referme sitôt à l’arrêt du compresseur. Ainsi, on aura pas de fuites de fluide pendant les 30 à 40 seconde suivant l’arrêt ↔ équilibre avec le pressostat. Il empêche tout remplissage intempestif de l’évaporateur occasionné par un retard de fermeture du détendeur.
Si on modifie les conditions de fonctionnement de l’installation, c'est-à-dire θs à très basse température, le compresseur est moins efficace (moins de remplissage par de vapeurs). Quand on descend en température, il faudra réduire Pc – Po (en diminuent PR) et maintenir θs - θo à peu près constant La surchauffe diminue, quand on monte en température. La surchauffe augmente quand on baisse en température. La surchauffe protège le compresseur contre les coups de liquide lors du démarrage de l’installation.

5.

Les condenseurs

Le fonctionnement du condenseur s'intègre dans un fonctionnement global de la machine frigorifique. En théorie, la condensation se déroule en 3 phases : • Phase 1, la désurchauffe du fluide frigorigène, qui, sortant du compresseur sous forme de gaz très chauds (parfois jusqu'à 70 °C), va se refroidir et donner sa chaleur sensible. • Phase 2, la condensation du fluide, moment où l'essentiel de la chaleur est donné sous forme de chaleur latente. • Phase 3, le sous-refroidissement du liquide, communiquant encore de la chaleur sensible au fluide refroidisseur.

•

Soit on refroidit le fluide frigorigène directement : c'est le condenseur de l'installation frigorifique.

•

Soit on refroidit de l'eau, qui elle-même sert à refroidir le fluide frigorigène : c'est la tour de refroidissement (plus souvent utilisé en climatisation).

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⊕ Dans 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 (Etat 3). Puis la condensation s'effectue jusqu'à la disparition de la dernière bulle de vapeur (Etat 4). Le fluide liquide peut alors se refroidir de quelques degrés (sousrefroidissement) avant de quitter le condenseur.

Fonctionnement du condenseur.

On distingue plusieurs types de condenseurs :

a) Condenseurs à air ⇒ Convection naturelle : installation de petite puissance Système de condensation utilisé pour les installations de petites dimensions. Il n’y a pas de ventilation ou autre système permettant d’évacuer ou de renouveler l’air de refroidissement autour du condenseur. ⇒ Convection forcée : installation de grande puissance Ce système utilise la ventilation pour l’évacuation de l’air chaud auprès du condenseur.

Un ventilateur force le passage de l'air extérieur entre les ailettes du condenseur assurant un échange de chaleur du fluide frigorigène circulant dans les tuyaux vers l'air. La chaleur de condensation des fluides frigorigènes étant importante, les débits d'air peuvent être conséquent et les consommations des ventilateurs non négligeables Cours de production du froid industriel

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* Ce système permet d’obtenir de puissances importantes. * Le fonctionnement des ventilateurs peut être programmé selon la température de condensation (liée à la température ambiante). * Le débit de ventilation est considérable. ⇒ Condenseur adiabatique Il se différencie du condenseur évaporatif par sa fonction de pré-refroidissement adiabatique de l'air entrant (on s'arrange pour que toute l'eau imbibée dans les "matelas" s'évapore en refroidissant l'air. Cet air, à son tour, vient refroidir le fluide frigorigène par chaleur sensible.

Avantage des condenseurs à air : • entretien commode car on n’a pas d’entartrage. • Nettoyage rapide (mais attention, ces machines sont placés à l’extérieur : prendre garde aux feuilles et à la poussière). Ces appareils seront de plus en plus utilisés dans l’avenir.

b) Condenseur à eau ⇒ Condenseur à eau perdue o Condenseur à double tube. FF

FF

L’eau circule à l’intérieur des tubes ; le détartrage est donc facile (il suffit d’enlever les brides relient deux tubes et goupillonner). Mais ce condenseur est coûteux et encombrant, est utilisé pour de petites puissances.

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o condenseur multitubulaire horizontal. C’est le seul condenseur à eau perdue utilisé industriellement et commercialement. L’eau circule à l’intérieur des tubes, le fluide frigorigène à l’extérieur. La mise en place des chicanes améliore le système : elle accroissant le temps de passage de l’eau, transformant la circulation croisée en circulation pratiquement à contre-courant, plus performante. Remarque : le fluide frigorigène sort du condenseur à l’état légèrement sous refroidi. Avantage :  Appareil compact  Eau bien utilisée (sa température s’élève de 5 à 10°C) Entretien : les tubes ont un faible diamètre, il faut donc les nettoyer assez fréquemment pour éviter qu’il ne se bouche à cause de l’entartrage et des boues qui apparaissent. Le nettoyage se fait par goupillage. Remarque : pour les petites installations (installation commerciale), le condenseur est livré hermétique (entièrement soudé et à fond non démontable). Le nettoyage peut alors poser des problèmes. On ne peu pas vérifier l’état des tubes Appareil à fonds soudés : condenseur tubulaires

Parties servant d’accumulateur de liquide

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o Condenseur à eau perdue + économiseur

Son fonctionnement est presque identique à celui du condenseur à eau perdue. Mais on associe à l’aspersion de l’eau sur la conduite frigorigène par une ventilation. En plus l’eau d’aspersion est récupérée et réinjectée dans le refroidissement. La quantité d’eau perdue dans ce type de condenseur est seulement l’eau évaporée par ventilation d’où son nom condenseur à eau perdue + economie.

o Condenseur évaporatif.

Ce type de condenseur, est basé sur le principe des tours de refroidissement fermées, à la différence près que le fluide frigorigène est directement refroidi sans passer par l'intermédiaire d'un circuit d'eau secondaire. Dans le condenseur évaporatif, une seule partie de l'eau pulvérisée est évaporée. Il combine donc l'échange thermique par chaleur sensible et chaleur latente.

Avantage : • Coût moindre que l’ensemble condenseur + économiseur (2 appareils). • Quand la température de l’eau diminue, a partie d’un certain seuil, s’arrête les ventilateurs.

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Si la température de l’eau baisse encore, on vidange l’eau, et on met les ventilateurs en marche → condenseur à air. Remarque : Il faut vérifier que ces modifications des conditions d’échanges air–eau peuvent effectivement se faire. Inconvénient : • Nécessiter de bien protéger les tubes contre la corrosion. • Difficulté pour réparer une fuite qui se produirait dans le condenseur. • Nécessité de bien prévoir l’emplacement du condenseur évaporatif (2 à 3 m de hauteur). • À proximité de la salle des machines. Remarque : Pour lutter contre le bruit, on utilisera des ventilateurs lents ou centrifuges, on mettra des murs anti-bruit pour rendre inaudible l’eau qui tombe. •

6.

Cycle avec échangeur intermédiaire (simple étage)

Une modification courante du cycle standard consiste à refroidir le liquide sortant du condenseur en utilisent la vapeur sortant de l’évaporateur. Cette récupération de chaleur qui permet d’améliorer la performance nécessite néanmoins l’installation d’un échangeur intermédiaire. La figure 6.2 montre le fonctionnement d’un cycle de réfrigération avec échangeur intermédiaire. En se référant à cette figure et en négligent les pertes, le bilant énergétique de échangeur s’écrit : h1 − h6 = h4 − h3

Condenseur 3 2

1

Figure 6.2

Compresseur

4

Echangeur Détendeur 6 5

Evaporateur

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T

2 3 4

1 5

6

Entropie (s) La figure 6.2 présente un exemple illustrant l’effet de l’échangeur intermédiaire sur le COP et la capacité frigorifique

7.

Cycle en cascade

Il est parfois efficace de monter plusieurs cycles de compression "en cascade". Le condenseur d’un cycle joue en même temps le rôle d’évaporateur pour le cycle supérieur qui travaille à des températures plus élevées. Il est alors possible d’utiliser différents fluides frigorifiques. La figure 5.8 montre le principe d’un système à deux cycles en cascade. En se référent à cette figure, le bilan énergique du "condenseur / évaporateur" s’écrit : m1 * (h2.1 − h3.1 ) = m2 * (h2.2 − h3.2 ) Les valeurs 1 et 2 du deuxième indice désignent respectivement l’étage inférieur et l’étage supérieur du système en cascade. a) Exemple de cycle à deux étages en cascade Les cycles à pressions multiples se présentent sous plusieurs configurations. L’analyse énergique de tels systèmes est illustrée dans la figure ci-dessous. Le cycle comprend une évaporation flats et en refroidissement intermédiaire.

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Qco Cond. 3,2

2,2

1,2

Wc.2

4,2

Com2

3,1

2,1

Evapo/Cond.

1,1 Wc.1

4,1

Qev Evapo

Com1

T 2,2 3,2

2,1

3,1 1,2 4,2 1,1 4,1 Entropie (s) Schéma de principe d’un système à deux cycles en cascade

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2ème PARTIE : UTILISATION DU FROID I.

Pourquoi le froid

Les denrées ainsi conservées : • Sont des denrées périssables, elles sont le siège de réactions biochimiques qui sont considérablement ralenties par le froid ; • Ont l’eau comme élément dominent (60 à 90% en masse) • Ont besoin d’un certain délai pour être vendu, ce temps étant plus ou mois long. Le froid permet de rallonger les délais de distribution, ou de présenter les denrées en meilleur état au bout du même temps de stockage. Soit une réaction biochimique : A+B → AB Si sa vitesse à la température θ est v, sa vitesse à la température θ+10 sera multipliée par un certain facteur Q10 Q10 : facteur multiplicatif de la vitesse de réaction quand la température augmente de 10°C. Q10 est caractéristique de la réaction. En général, Q10 est compris entre 2 et 30 pour les produits alimentaires. Si à θ la réaction se fait durant tθ t A θ +10, la réaction se fera durant : θ Q10 Si à tθ on obtient une masse mθ. Pendant tθ+10, on aura une masse : mθ * Q10

mθ Q10 A θ –10, pour un même résultat, on aura un temps de réaction = tθ * Q10 .

De même à tθ-10, on aura une masse :

Remarque et définition : a) La pasteurisation, la stérilisation ne sont pas définies uniquement par une température mais par un temps : t et une température : θ. b) Congélation : À partir une certaine température, quelque soit le procédé et la vitesse de refroidissement, on observe le début de congélation. Cette température est la température de congélation commençante. Quelque exemple :  Eau : 0°C  Lait : - 0,5°C  Viande et poisson : – 1°C  Fruits et légume : – 1,5 à – 5°C  Liquide concentré : –10 à -20°C selon la concentration atteinte

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La température de congélation commençant défini deux domaine bien séparé. θcc

-18°C

Réfrigération "Chilling"

Congélation "freezing"

II.

Comportement des produits

1. Réfrigération La qualité des produits s’évaluée suivant trois axes : • Hygiénique • Nutritionnel • Organoleptique A) Aspect Hygiène : absence de :
Germes toxiques
Toxines
Additifs toxiques (trace d’insecticide…) Courbe de croissance des bactéries lactiques dans le lait en fonction de la température :

A 4°C ou en dessous, la population microbienne en nombre ne se développe plus. • Mais après un certain temps, le lait devient inconsommable. Ceci est dû au faite que l’on favorise par le refroidissement, le développement des populations psychrotrophes et psychrophiles (supportant ou préférant le froid). Ces organismes s’attaquent aux protéines : le lait reste liquide mais il est aigre et ne peut plus être utilisée en beurrerie, fromagerie (accident de fabrication). Néanmoins, le refroidissement permet de ne collecter le lait que tout les deux jours, étant donner que les populations psychrotrophes et psychrophiles sont relativement et facilement éliminées par la pasteurisation. Mais il est essentiel de respecter une stricte hygiène à la traite. •

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B) Aspect nutritionnel et organoleptique : a) Cas des tissus morts * Poisson Etat initial à maintenir : pour cela, on éviscère les poissons, ce qui évite la protéolyse par les enzymes du tube digestif. Refroidissement précoce : ce refroidissement doit intervenir le plus rapidement possible après la capture. Ce qui ralentit l’altération, et donc permet une meilleur conservation des produits. Cette conservation est d’autant plus prolongée que la température est proche de θcc.

* Viande de bœuf et de mouton Si on applique le traitement précédent à la viande, on aboutit à un produit dur (manque de tendreté). Les viandes doivent être maturé. En effet, les muscles se contractent sous l’effet de l’acide lactique. Si on refroidit alors l’animal trop vite (θ < à 10°C et t < 10h), on a une viande très dure (cold shortening). Il faut donc que le refroidissement se produise assez lentement pour que la maturation se produise (élimination de l’acide lactique). Mais il ne faut pas que le refroidissement soit trop lent sinon l’infestation microbienne entraîne la putréfaction de la viande (ces micro-organismes envahissent le cadavre lors de la saignée).

Remarque : Maturation = élimination de l’acide lactique. A l’abatage, le glycogène des muscles est oxydé en acide lactique (glycolyse anaérobique) puis l’oxygène de l’air passe dans les muscles. Pour des raisons d’hygiène, la maturation se fait θ < 7 °C (généralement on opère 4°C) Cours de production du froid industriel

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Conservation : 2 à 4 semaines b) Cas des tissus vivants : Exemple : légumes, fruits sont vivants, donc respirent, d’où une consommation d’énergie (des réactions biochimiques coordonnées). Les fruits cueillis présentent un coefficient respiratoire de 1. C’est à dire qu’ils consomment leurs sucres pour former de l’énergie : C6 H12O6 + 6O2 → 6CO 2 +6 H 2O + E

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CO Coeff.. 2 =1 O2

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Quand la température diminue, la période climatérique est retardée. D’où des possibilités de stockages sans que la maturation soit trop rapide. Pour les tissus vivants, la température minimale de stockage est :
A θcc pour certains fruits et légumes ex : golden
A +4°C : ex : cox ‘s’orange (varié de pomme). Remarque : si on conserve à des températures < 4°C, on a un brunissement interne
A +12°C : la banane. A des températures inférieures, on a des phénomènes de "frisure" (sorte de filaments qui apparaissent dans le fruit). Conservation : fraise : à 0°C, la durée de conservation < à une semaine. Pomme : presqu’un an à 0°C pour certaines variétés La température et la durée de conservation sont très différentes suivant les espèces et variété. Remarque : la conservation pour les fruits est cependant limitée par la maturation. En effet, passé un certain temps de conservation, la maturation peu ne plus se produire. Exemple1 : la poire passe-crassane - conservée +18°C : pas de maturation - conservée +5°C : maturation complète au deuxième mois. - conservée à 0°C : maturation repérée par la mesure de CO2, mais pas d’apparition de couleur ni d’arôme. La vraie maturation peut être déclenchée en entreposant les poires +18°C avant cette maturation. On le fait après, rien ne se passe.

Maturation complémentaire = entreposage à +18°C. Ce qui déclenche la maturation si la poire a été stockée au froid pendant quelque temps : cela permet l’apparition du goût, de la couleur et de l’odeur. La maturation a pu être accélérée par contrôle de l’atmosphère de l’entrepôt de maturation : éthylène. Pour allonger le temps de vente, on a essayé de stocker les fruits en atmosphère confinée. La teneure en CO2 varie de 0 à 15%. Celle de l’oxygène réduit de 20 à 5% à somme constante. Lorsque le rapport CO2 /O2 de l’atmosphère atteigne une certain valeur, la respiration cesse et on a à faire à la fermentation. On s’arrange alors pour avoir une teneur en oxygène égale à 4 ou 5%. Si la teneur en CO2 est nulle il y a risque d’échaudure des fruits (brunissement externe). Cours de production du froid industriel

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Remarque : jusqu’à présent ces techniques de conservation en atmosphère contrôlée n’ont été utilisées industriellement que pour les pommes. Avant l’expédition, pour les fruits et les légumes fragiles doivent être refroidis le plus vite possible après la récolte. On les refroidit : • à l’air • à l’eau glacée (= hydrocooling) • à la glace (= glaçage) : on asperge le produit avec de la glace pilés. • au vide : on évapore l’eau du produit par le vide. (légumes, foliarés). L’emballage ne doit pas être étanche sous peine de fermentation.

2. Congélation : Elle se fait toujours à des températures inférieures à -10°C. θcc = température à laquelle apparaît le premier cristal au sein du produit. En pratique, on stock très en dessous de θcc.

Pour une solution diluée de NaCl, ce qui se solidifie est eau. La phase restante s’enrichit en sel.

Cristaux de glace + cristaux de sel La solution résiduelle reste en même concentration = point authentique.

θcc -1°C -2°C -18°C -20°C

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%NaCl 1,5 2,9 20 21

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Masse de glace formée 1,5 A -1°C 1,5% = 1,5 + 98,5 1,5 A -2°C , y = 50,2% d’eau résiduaire ; donc : 98,5-50,2=48,3% 2,9% = 1,5 + y de glace. Ainsi entre -1°C et -2°C, on a congelé la moitié de l’eau de la solution. Entre 1°C et -2°C, il faudra échanger 160kJ/kg de produit. Alors que de θ à 0°C, il fallait échanger 4,18kJ/kg.°C de produit. Cela explique le changement de pente du graphe θ = f(t). En effet, il faut plus de temps pour échanger 160kJ/kg que pour échanger 4,18kJ/kg. A -20°C, y = 5,6g ; glace formée : 92,9g

En résumé : la température de congélation commençante dépend de la concentration molaire de la solution. Pour une solution donnée, la température de congélation commençante est bien définie. c) Cas des denrées : Les denrées alimentaires contiennent de l’eau sous plusieurs formes :
Libre (de 5 à 20%).
Liée
Hydrate

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Entre -1°C et -5°C, plus de 50% de l’eau est transformée en glace. La glace à un volume supérieur de 8% par rapport à la même masse d’eau. Ceci provoque la destruction des organites cellulaires par augmentation du volume de 2 à 3% de la cellule (pour 80% d’eau initiale, 40% gelé, donc 36% de la cellule verra son volume augmenté de 8%). De plus, la concentration de la solution résiduaire augmente considérablement, ce qui participe aussi à la destruction de la vie cellulaire. Jean OSTAND a montré que si l’on ajoute des "cryoprotecteurs" aux cellules, on peut les congeler sans les tuer (elles reprennent vie au réchauffement). • Il a ajouté de la glycérine, bien tolérée par les cellules, et les a congelé lentement. • On ajouté du glycérol de façon que la température de congélation commençante soit de l’ordre de – 18°C. 20 = 20% • A -18°C : 20 + 80 20 • A -20°C : = 21 % → y = 75 → glace formée = 5%. 20 + y Donc, au lieu de congeler 50% de l’eau de -1°C à -18°C, on congèlera 5% de 18 à -20°C. La vie cellulaire ne sera pas détruite. Application : +conservation du sperme de taureau + Conservation de cellules, tissus, embryons et organites Le glycérol présente l’avantage de retarder la progression du front de congélation. Toute l’eau n’est pas congelable. Pour les denrées, on peut donc considérer qu’à -18°C (température où 94% de l’eau est sous forme de glace), la congélation est pratiquement terminé. En effet, lorsque l’on sait qu’il y a 4 ou 5 % d’eau incongelable, quand on a   90  congelé 90% de l’eau, il reste 1 −   % d’eau congelable non congelée.   95  Le produit congelé est dans l’état d’un produit déshydraté dont l’eau est immobilisée mais restée sur place. Toute variation de température engendrera donc : • une décongélation (remontée de température) • une recongélation (abaissement de température). Plus la remontée de température sera forte, plus la masse d’eau décongelée sera d’autant plus importante que la température du produit sera plus élevée. • Ex : -10°C→ -9°C → 9% d’eau se décongelé. • -24°C→ -23°C→ 0,1% d’eau se décongèle. • •

d) Rapidité de la congélation. ⇒ Congélation lente Il se formera des cristaux dans les méats (espaces intercellulaires). Puis la congélation intracellulaire débute. Il se forme des masses de glace assez importantes, certains cristaux formés auront une forme en aiguille (dendrites) → qu’elles perceront la paroi. Cours de production du froid industriel

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Dendrite

⇒ congélation rapide On a la formation de petits cristaux de forme globuleuse dispersés dans les méats ainsi que dans toute la cellule.

A la décongélation * Congélation lente → exsudation importante. * Congélation rapide → exsudation faible. Remarque : en littérature anglaise exsudation se dit drip. L’exsudation est un critère de jugement de la qualité de congélation. e) Variation de température. * Congélation rapide : A tout réchauffage, des petits cristaux disparaissent, mais lorsque la température redescend, on a une recongélation lente (car les fluctuations sont lentes). L’eau, précédemment libérée, recongèle autour des petits cristaux préalablement formés. Le produit congelé rapidement évolue donc vers la structure du produit congelé lentement. * Congélation lente : D’après ce qui précède, il est évident que de faible variation de température ont peu d’influence sur la congélation-décongélation. f) Choc osmotique Lorsqu’on décongèle un produit on libère une certaine masse d’eau. Ceci entraîne une exsudation du produit congelé. • Expérimentalement, on constate que l’exsudation est faible lorsque la décongélation est rapide. Congélation Décongélation Rapide Lente

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Rapide

Lente

Peu d’exsudation +

+++ Ce sont les pires conditions + + + +

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g) Aspect hygiénique. A des températures de -10°C à -11°C, tout développement bactérien est stoppé, et à -18°C tout développement fongique l’est, mais le produit n’est pas stérile. → Un respect scrupuleux de l’hygiène pour les produits décongelé. → La décongélation à température ambiante est à bannir (prolifération microbienne en surface). h) Aspect organoleptique et nutritionnel. Les réactions biochimiques sont très ralenties mais elles ne sont pas stoppées. • Viande : un an de stockage à -18°C équivaut approximativement à un stockage d’une semaine à +1°C. • Les viandes destinées à la congélation seront maturé que celle destiner à la consommation immédiate. Cette maturation préalable à la congélation sera conduite en fonction de la durée prévue de congélation. Certaines des réactions sont indésirables : on cherche à les éliminer. Exemple : goût de foin et couleur grise des pois, haricot, beurre rance,… Les caractéristiques indésirables varient beaucoup d’un produit à l’autre ; elles sont dues à des réactions d’oxydation. Pour supprimer ces réactions, on dispose de plusieurs moyens :
Elimination de l’oxygène de l’air. En emballant le produit : emballage étanche à l’air et stérile. En ajoutant un antioxydant au produit (acide ascorbique).
Elimination des enzymes par blanchiment (chauffage bref à 100°C). Mais le blanchiment est efficace si toutefois on atteint 100°C au point critique du produit. → Un bon calibrage des quartiers de la viandes. i) Durée de stockage. On mesure par des tests sensoriels le temps à partir duquel apparait un défaut du goût.

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56 Résultat de recherche faite à Albanie – USA.

Diagramme T.T.T. (temps, température, tolérance) En réalité, les courbes θ = f (logt) ne sont pas des droites, quand on descend en température, on améliore beaucoup la durée de conservation.

On établie grâce à ces droites, des courbes de limites d’altération, en admettent que l’altération est proportionnel au temps.

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On peut ainsi prévoir l’altération du produit lorsqu’il est soumis à un régime variable de stockage. Exemple : -18°C 12 mois -10°C 6 mois conservation maxi. -20°C 18 mois Exemple : à-24°C pendant 6 mois, puis -10°C pendant 15 jours, puis -18°C pendant 6 mois.

→ Altération final : 0,9. On peut le conserver encore un mois à -18°C. Remarque : il existe des intégrateurs temps-température. Ils sont basés sur un changement de couleur dont la vitesse est fonction de la température. Mais ces intégrateurs sont chers et leur évolution n’est pas nécessairement représentative de celle des denrées. Il existe également des indicateurs de changement de température. Solution eutectique gelée et colorée Buvard

La solution "fond" à une température définie, souvent de l’ordre de -5 à 10°C. Dès que le réchauffement atteint cette température, la solution gelée fond et imbibe le Buvard. Quand il y a fusion de la glace eutectique, il n’est pas certain que le produit ait été véritablement chauffé ; un bref réchauffage suffit à faire fondre la solution alors que seule la surface du produit est atteinte. • Casier congélateur : * - - 6°C * * - - 12°C * * * - - 18°C • * * * - - 18°C + aptitude à la congélation. Le nombre d’* n’indique pas le nombre de mois de conservation. On peut recongeler un produit décongelé jusqu’à une température voisine de 0°C à condition que la récongélation soit rapide, pour des raisons organoleptique et de présentation quand il n’y a pas de risque de toxicité.

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3ème partie technique de congélation I.

Tunnel de congélation

1. Congélation à l’air. Elle convient pour tous les produits, notamment les carcasses.

Coupe On peut aussi placer des palettes, mais les paquets doivent être disposés de façon peu dense.

Les tunnels peuvent aussi avoir une ventilation au niveau du plafond :

Batteries transversales

Coupe

Le tunnel à batterie transversale peut avoir une capacité supérieure à celles des tunnels à ventilation longitudinale. Mais il est souvent plus pratique d’avoir plusieurs petits tunnels qu’un seul grand. Ce type de tunnel est polyvalent mais la rapidité de la congélation varie avec le produit. Il est gros consommateur d’énergie : on termine vers -50°C, donc le rendement de la machine baisse progressivement. Cours de production du froid industriel

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2. Congélation à N2 ou CO2. On ne congèle pas en immergeant le produit dans l’azote liquide sinon le "coût de froid" le ferait craquer et il deviendrait non présentable. La chaleur latente de changement d’état est faible : 198kJ/kg. La température d’évaporation à la pression atmosphérique est trop basse pour beaucoup de produit : elle est de –196°C (N2). La plus part des produits agricoles et alimentaires ont une variation d’enthalpie pour la congélation de l’ordre de 400 kJ/kg.

L’azote se réchauffe de -196°C à une température voisine de -30°C. La chaleur massique est de 1,05kJ/kg.°C. La quantité de chaleur sensible disponible est de l’ordre de 175kJ/kg. Au total, il faut employer 1kg de N2/kg de produit.

La congélation à l’azote est coûteuse, mais les charges d’amortissement sont réduites.

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3. Lit fluidisé. La température de congélation est comprise entre -33°C et -35°C, ce qui entraîne une économie d’énergie. Cette méthode est utilisable pour les petits produits (petit pois, haricot, etc.) 1

hD 2 = cons tan te h : coefficient d’échange en surface D : diamètre des particules. L’échange est d’autant plus intéressent que le produit est plus petit.

4. Congélation au contact d’un fluide frigorigène : R12 On vaporise le fluide frigorigène directement sur le produit. Système interdit en raison du risque de résidus halogènes fixés au produit.

Evaporateur servant à condenser les vapeurs R12

Enceinte à vide Produit pâteux Tapis d’évacuation des gouttelettes congelées

Emploi de R12, congélation à -20°C.

5. Congélation par immersion. On immerge le produit dans une solution eutectique de NaCl (20%, θcc = 18°C) On ne l’utilise que pour le poisson, car le produit est rendu salé par cette technique. → Méthode utilisée pour la conservation du poisson. Cours de production du froid industriel

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6. Congélation par contact. a. Plaques verticales. Evaporateurs

Produit

Trappe

Lorsque le produit est pris en masse, on ouvre la trappe, on injecte du fluide frigorigène chaud dans l’évaporateur pour décoller le bloc. Utilisation dans les chalutiers congélateurs, car l’appareil est rustique et peu encombrant. Cet appareil est utilisé également dans les industries de la compote et de la confiture. b. Plaques horizontales Plaques évaporatrices

Après la charge, les plateaux viennent en contact l’un de l’autre. On a donc contact par le dessus et par le dessous. Utilisation : congélation des produits en paquets rectangulaires, compacts. (Poissons, filets de poissons, épinards, etc.).

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c. Saumure incongelable. Produit

Evaporateurs

Bac à saumure

Le tapis en feuillard d’acier "flotte" en quelque sorte sur les bacs à saumure. Utilisation : Café avant lyophilisation. Stocks et produit plats (truite par ex.)

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