Dimensionnement D'un Évaporateurdu Réfrigérateur 300D [PDF]

Zitiervorschau

REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIRE MINISTERE DE L’ENSEIGNEMENT SUPERIEUR ET DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE UNIVERSITE MOULOUD MAMMERI DE TIZI OUZOU Faculté de Génie de la construction Département Génie mécanique

Mémoire de fin d’études d’études En vue de de l’o l’obtention btention du diplôme diplôme d’I d’Ingénieur ’Ingénieur d’état en en Génie Mécanique

Option ENERGETIQUE

Dimensionnement d’un évaporateur du réfrigérateur 300D Proposé par : E.N.I.E.M

Réalisé par :

Dirigé par :

Mlle. MENGUELTI fariza

Mr.R.NEBBALI (promoteur) Mr.A.OUMEZZAOUCHE

(co-promoteur)

Promotion : 2010/2011

Remerciements

Je tiens à remercier Mr NEBBALI, pour son aide et les nombreux conseils qu'il a pu me donner. Ma reconnaissance va également à monsieur A.OUMEZZAOUCHE et tous les membres du département développement produit de l’ENIEM, pour leur aide et pour leur collaboration et leur soutient indéfectible durant mon stage. Je remercie MlleBELKAID Noura pour son aide et conseil pour la réalisation de ce travail. Je remercie également les membres de jury qui me feront l’honneur de juger ce modeste travail. Sans oublier d’exprimer ma reconnaissance au personnel de la bibliothèque et salle machine du département de Génie mécanique. Je tiens aussi à remercier sincèrement mes chers parents et ma grande mère, pour leurs soutiens moral et matériel pendant mon long cursus. Enfin, je dis merci à tous ceux qui mon aider de près ou de loin ont œuvré pour la réalisation de ce mémoire.

Dédicaces Je dédier ce modeste travail à :

Mes très chers parents. Mes frères et sœurs. Mes amis(es).

Notations Caractères latins : Cp D g h

L

Chaleur massique à pression constante
.     diamètre d’un tube [m]

accélération de la pesanteur
.   enthalpie massique
.  

Coefficient d’échange convectif
.  . 

longueur [m]

LV

chaleur latente de vaporisation
.  

Fch

terme correcteur de la pesanteur



débit massique
.  

Nu

nombre de Nusselt

P

périmètre [m]

Pr

nombre de Prandtl

Q

quantité de chaleur [J]

Re

nombre de Reynolds

S

section de passage ou surface [m2]

Sch

terme correcteur de la corrélation de Chen

T

température [°C]

x

titre de vapeur

Xtt

paramètre de Martinelli

Gr

nombre de Grachof

K

coefficient d’échange global

V G

vitesse
.  

débit volumique
.   Glissement

COP

coefficient de performance


.  . 

A

largeur de l’évaporateur [m]

B

hauteur de l’évaporateur [m]

C

profondeur de l’évaporateur [m]

E

épaisseur de la plaque [m]

e

épaisseur [m]

z

épaisseur de l’isolant [m]

y

longueur du méplat [m]

Alphabet Grec 









tension superficielle
.   

coefficient de dilatation
   masse volumique [.  

viscosité dynamique
.  .  

fraction du vide

∆

relatif à la variation d’un paramètre

Φ

flux de chaleur [W]

 



conductivité thermique
.  .  ] viscosité cinématique
.  .   efficacité de l’ailette

Indices evap

évaporation

i, int

intérieur

l

fluide frigorigène liquide

v

fluide frigorigène vapeur

m

grandeur moyenne

p

paroi du tube

sat

saturation

t

totale

f

film

e

extérieur

a

ailette

h

hydraulique

is

isolant

LISTE DES FIGURES Figure (I-1) : Schéma de principe d’une machine frigorifique

2

Figure (I-2) : Schéma de principe de fonctionnement d’une machine frigorifique à compression

4

Figure (I-3) : Cycle théorique d’une machine frigorifique

5

Figure (I-5) : Cycle réel d’une machine frigorifique sur un diagramme enthalpique

7

Figure (I-6) : Cycle réel d’une machine frigorifique sur un diagramme entropique

7

Figure (I-6) : Exemple d’un cycle a compression bi-étagée, a détente mono-étagée

10

Figure (II-1) : Représentation du processus d’ébullition forcée dans un tube vertical, établi

par Collier et Thom (1994)

17

Figure (II-2) : configurations d’écoulement dans un tube vertical uniformément Chauffé

19

Figure (II-2) : configuration d’écoulement dans un tube évaporateur horizontal

25

Figure (III-1) : Echangeurs à co-courant (à gauche) et à contre courant (à droite)

29

Figure (III-2) : exemple d’échangeur à courant croisés

29

Figure (III-3) : Echangeurs à tube et calandre (à gauche) et coaxial enspirale (à droite)

29

Figure (III-4) : Echangeur à plaques

30

Figure (III-5) : Schéma d’un échangeur co-courant

31

Figure (III-6) : Distribution des températures dans un échangeur co-courant

32

Figure (III-7) : Schéma d’un échangeur contre courant

32

Figure (III-8) : Distribution des températures dans un échangeur à contre courant lorsque le fluide chaud commande le transfert.

33

Figure(III-9) : Distribution des températures dans un échangeur à contre courant lorsque le fluide froid commande le transfert. Figure (III-10) : Distribution des températures dans un échangeur à contre courant

33

34

lorsque
  
  Figure (III-11) : Distribution des températures dans un condenseur et dans un évaporateur 34 Figure (III-12) : Exemple d’un évaporateur plaque à circuit intégré

37

Figure (IV-1) : évaporateur à tube et plaque

47

Figure (IV-2) : Photo du réfrigérateur 300D

49

Figure (IV-3) : Cycle théorique du réfrigérateur

52

figure (IV-4) dimensions de l’armoire frigorifique

53

Figure (IV-5) : Le groupe frigorifique du réfrigérateur

55

Figure (VI-6): Evaporateur « Roll Bond»

56

Figure (VI-7) : évaporateur avec méplat à gauche évaporateur à section circulaire à droite

57

figure (VI-8) : Disposition du tube sur la feuille en Aluminium

58

Figure (VI-9) : représentation des flux échangé par le tube à section circulaire

59

Figure (IV-10) : représentation de l’ailette

61

Figure (VI-11) : représentation des flux échangé par le tube avec méplat

65

Liste des tableaux Tableau (IV-1) : caractéristiques de l’isolant

48

Tableau (IV-2) : paramètres thermodynamiques aux sommes du cycle du réfrigérateur

51

Tableau (VI-3) : Résultat de calcul de l’évaporateur a tube à section circulaire

77

Sommaire INTRODUCTION GENERALE ........................................................................................... 1 CHAPITRE (I) : Introduction au froid et aux machines frigorifiques I-1) Introduction ....................................................................................................................... 2 I-2) Définition d’une machine frigorifique ............................................................................... 2 I-3) Classification des machines frigorifiques .......................................................................... 3 I-3-1) Machines à compression ......................................................................................... 3 I-3-2) Machines à absorptions ........................................................................................... 3 I-3-3) Machines à éjections ............................................................................................... 3 I-4) Les principaux composants d’une machine frigorifique .................................................... 3 I-5) Principe de fonctionnement d’une machine frigorifique à compression d’une vapeur avec changement de phase ................................................................................................................. 5 I-5-1) Le cycle théorique d’une MF .................................................................................. 5 I-5-2) Le cycle réel d’un MF ............................................................................................. 5 I-6) Les configurations des systèmes frigorifiques .................................................................... 8 I-6-1) Les système directs ................................................................................................. 8 I-6-2) Les systèmes indirectes .......................................................................................... 8 I-7) Le COP d’une machine frigorifique ................................................................................... 8 I-8) Cycles frigorifique étagés ................................................................................................... 9 I-9) Le fluide frigorigène ......................................................................................................... 10 I-9-1) Critères de choix d’un frigorigène ........................................................................ 10 I-9-2) Classification des fluides frigorigènes ................................................................. 11 I-9-2-1) Les composés inorganiques ......................................................................... 11 I-9-2-2) Les composés organiques ........................................................................... 11 I-9-3) La désignation numérique des fluides frigorigènes ............................................. 13 I-9-4) Caractéristiques du R 134a (HFC) ......................................................................... 13 CHAPITRE (II) : Etude de l’échange de chaleur avec changement de phase II-1) Introduction ..................................................................................................................... 14 II-2) Grandeurs caractéristique d’un écoulement diphasique .................................................. 14 II-3) La condensation .............................................................................................................. 15

II-4) Evaporation .................................................................................................................... 16 II-4-1) Définition ..................................................................................................................... 16 II-4-2) Ebullition en convection forcée ................................................................................... 16 II-4-2-1) Ebullition en convection forcée dans un tube vertical Uniformément chauffé ........ 16 II-4-2-2) Transfert de chaleur lors de l’ébullition diphasique ................................................. 18 II-4-2-3) Régime d’écoulement pour un tube horizontal ........................................................ 24 II-5) Le phénomène de la crise d’ébullition ............................................................................ 25

CHAPITRE (III) : Présentation des échangeurs de chaleur

III-1) Généralités ..................................................................................................................... 26 III-1-1) Définition ......................................................................................................... 26 III-1-2) Critères de classement des échangeurs de chaleur .......................................... 26 III-1-2-1) Classification selon les écoulements ................................................ 26 III-1-2-2) Classification suivant le mode de transfert de chaleur ..................... 27 III-1-2-3) Classiffication technologique ........................................................... 27 III-1-2-4) Classiffication fonctionnel ............................................................... 28 III-1-3) Distribution des températures dans un échangeur de chaleur à courant parallèles parallèles ........................................................................................................................ 29 III-1-4) Efficacité d’un échangeur ................................................................................. 34 III-2) Les évaporateurs ............................................................................................................ 34 III-2-1) Définition ......................................................................................................... 34 III-2-2) Classification des évaporateurs ........................................................................ 34 III-2-2-1) Classification d’après le milieu à refroidir ....................................... 35 III-2-2-2) Classification d’après le mode de fonctionnement .......................... 37 III-2-2-3) Classification d’après le type d’appareil ......................................... 37 III-3) Etude des ailettes ........................................................................................................... 38 III-3-1) Etude de la répartition de la température dans les ailettes ............................... 39 III-3-2) Efficacité de l’ailette ........................................................................................ 44 III-3-3) Efficacité d’une surface ailettée ....................................................................... 45 CHAPITRE (IV) : Dimensionnement de l’évaporateur IV-1) Introduction ................................................................................................................... 46

IV-2) Description de l’appareil ............................................................................................... 46 IV-2-1) La cuve intérieure ........................................................................................... 47 IV-2-2) La cuve extérieure .......................................................................................... 47 IV-2-3) L’isolant ......................................................................................................... 47 IV-3) Description des principaux composants du réfrigérateur 300D .................................... 48 IV-4) Cycle théorique du réfrigérateur 300D ......................................................................... 49 IV-5) Besoin frigorifiques du réfrigérateur 300D ................................................................... 52 IV-5-1) Les dimensions de l’armoire frigorifique ......................................................... 52 IV-5-2) Conditions de fonctionnement ........................................................................ 52 IV-5-3) Déperdition de chaque compartiment ............................................................ 52 IV-5-4) Débit massique du fluide frigorigène ............................................................... 54 IV-5-5) Le groupe frigorifique du réfrigérateur ............................................................ 54 IV-6) Calcul de l’évaporateur ................................................................................................ 56 IV-6-1) Procédé de fabrication ..................................................................................... 56 IV-6-2) Présentation des deux modèles ........................................................................ 57 IV-6-3) Méthode de calcul de l’évaporateur ................................................................. 57 IV-6-3-1) Mode de transmission de chaleur .................................................... 58 IV-6-3-2) Les variables d’entrée et de sortie de l’évaporateur ....................... 59 IV-7) Bilan thermique de l’évaporateur .................................................................................. 59 IV-7-1) Premier cas : tube à section circulaire .............................................................. 59 IV-7-2) Deuxième cas : tube avec méplat .................................................................... 69 IV-8) Coefficient d’échange convectif côté milieu intérieur ................................................. 74 IV-9) Evaluation du coefficient d’échange convectif
 côté R134a .................................... 75 IV-10) Procédure de calcul de l’évaporateur .......................................................................... 76 IV-11) Calcul de perte de charge ............................................................................................ 78 IV-12) Interprétation des résultats ........................................................................................... 79 CONCLUSION GENERALE .............................................................................................. 87

Introduction générale

Introduction générale Le froid trouve de nombreuses applications dans des domaines très variées à savoir : industries agroalimentaires, médecine, confort thermique, pétrochimie… etc ; c’est dans le domaine alimentaire que le froid occupe une place prépondérante car il permet de limiter les gaspillages et de prolonger la durée de conservation des produits ce qui permet un élargissement des échanges. Ainsi, dans le domaine alimentaire, l’objectif du froid est de maintenir la qualité originale des produit en limitant les altérations liées au développement des microorganismes, altérations très rapides dans les pays chauds à cause des conditions climatiques (température, humidité relative) qui sont favorables à la prolifération des bactéries, levures et moisissures. Le présent travail consiste à étudier le remplacement d’un évaporateur de type « Roll Bond » importé par l’E.N.I.E.M. (Entreprise National des Industries Electroménager) à l’état semi-fini pour la fabrication du congélateur du réfrigérateur 300D, par un évaporateur à tube et plaque adapté aux possibilités de la réalisation de l’entreprise cité. L’objectif de ce travail est de contribuer à la part d’intégration dans le produit et donc de réduire le coût de production du réfrigérateur en monnaie étrangère. Pour mener à bien cette étude, on a adopté la démarche suivante : Dans le premier chapitre, on évoquera les généralités sur les machines frigorifiques. Le second chapitre est consacré à une présentation générale du phénomène d’ébullition en convection naturelle et forcée dans les tubes lisses horizontaux et verticaux. Nous allons présenter dans le chapitre trois, les différents types d’échangeurs de chaleur et méthodes de dimensionnement. Le dernier chapitre porte sur le dimensionnement des deux l’évaporateurs, et comparaison des résultats. On terminera par une conclusion générale et des suggestions pour des futures études dans ce sens.

1

Chapitre I

Introduction au froid et aux machines frigorifiques

I-1) Introduction Fournir du froid à un corps, à un milieu, c’est lui extraire de la chaleur ce qui se traduit par un abaissement de sa température et aussi, bien souvent, par des changements d’états : condensation, solidification, etc. L’échange de la chaleur s’effectue spontanément dans un sens parfaitement déterminé, de la source chaude vers la source froide ; c’est la transformation irréversible. « La chaleur ne peut passer spontanément d’un corps froid vers un corps chaud » ;c’est l’énoncé de CLAUSIUS du second principe de la thermodynamique. Lorsque le but recherché est l’extraction de la chaleur à un corps, ou à un milieu, pour le refroidir ou le maintenir à une température inférieure à celle de l’ambiance, c’est -à-dire lorsqu’il s’agit de produire du froid, le système thermodynamique qui effectue cette opération prend naturellement le nom de machine frigorifique.

I-2) Définition d’une machine frigorifique (M F)

Une machine frigorifique est un système thermodynamique qui permet le transfert d’une quantité de chaleur (Qf) , soustraite d’une source froide(Sf), à une source chaude (Sc), moyennant une dépense d’énergie mécanique (W). le transfert de chaleur entre les deux sources est assuré grâce au changement d’état d’un fluide frigorigène qui circule en circuit fermé dans ce système. [1][13] Le schéma du principe de son fonctionnement est représenté par la (figure I-1)

Source chaude TC

QC Machine Frigorifique

W

Qf Source froide Tf

Figure (I-1) : Schéma de principe d’une machine frigorifique 2

Chapitre I

Introduction au froid et aux machines frigorifiques

I-3) Classification des machines frigorifiques La manière dont les vapeurs, formées dans l’évaporateur sont extraites de celui-ci permet de distinguer deux grandes catégories de machines.

I-3-1) Machines à compression Les vapeurs issues de l’évaporateur sont aspirées par un compresseur. Ces machines se différencient selon le nombre d’étage de compression ou qu’elle met en œuvre un ou plusieurs frigorigènes. [1]

I-3-2) Machines à absorption La vapeur de frigorigène est aspirée par l’intermédiaire d’un liquide absorbant qui présente une forte affinité pour ce frigorigène. La vapeur est absorbée par tout le volume du liquide absorbant. [1]

I-3-3) Machines à éjection

Les vapeurs du cycle frigorifique sont aspirées mécaniquement par un éjecteur. Celui-ci fonctionne grâce à l’énergie cinétique de la vapeur motrice (généralement de même nature que la vapeur de frigorigène) .La compression du mélange des vapeurs motrice et du frigorigène s’effectue dans la partie divergente de l’éjecteur où l’énergie cinétique du flux de vapeur se transforme en énergie de pression. [5]

I-4) Les principaux composants d’une machine frigorifique

La machine à un étage de compression se compose de quatre éléments essentiels (Figure I-2) -Un évaporateur : vaporise le frigorigène en prélevant de la chaleur au milieu à refroidir, il en doit maintenir sa température Tf. La vapeur sortant de cet évaporateur est saturée. L’évaporation s’effectue à la température de vaporisation Tf, correspondant à la pression d’évaporation Pf. -Un compresseur : le compresseur aspire, la vapeur de frigorigène issue de l’évaporateur sous la pression Pf, et la comprime jusqu'à la pression Pc pour la rejeter dans le condenseur. 3

Chapitre I

Introduction au froid et aux machines frigorifiques

C’est le principal consommateur en énergie de l’installation, de sa performance dépend donc en partie l’efficacité énergétique de l’installation.

-Un condenseur : le condenseur condense le frigorigène en cédant la chaleur au milieu extérieur. Le liquide frigorigène quittant cet échangeur est saturé, la condensation s’effectue à la température de condensation Tc correspondant à la pression de condensation Pc. -Un détendeur : le détendeur permet de ramener le fluide à son état initial, à l’entrée de l’évaporateur. Il s’agit d’une simple détente par laminage, sans récupération de travail de détente, et pratiquement adiabatique. La restriction de la section de passage pour le frigorigène provoque une diminution brusque de sa pression, jusqu'à Pf. Dans la réalité technique, on dispose en général d’une bouteille accumulatrice de liquide à la sortie du condenseur. Cette bouteille joue le rôle d’un volant qui permet d’alimenter le détendeur toujours en phase liquide malgré les fluctuations des volumes de liquide frigorigène retenus, à un moment donné, dans les échangeurs. [13][3][1]

Figure (I-2) : Schéma de principe de fonctionnement d’une machine frigorifique à compression

4

Chapitre I

Introduction au froid et aux machines frigorifiques

I-5) Principe de fonctionnement d’une machine frigorifique à compression d’une vapeur avec changement de phase. I-5-1) Le cycle théorique d’une MF

On appelle cycle, l’ensemble des changements d’état que subit un milieu donné (fluide frigorigène). Au cours des changements d’état, il y a variation des grandeurs d’états tels que la température, la pression et l’enthalpie. Supposant que les pertes de charges et les pertes thermiques sont négligeables dans le circuit, le fluide frigorigène de la machine frigorifique à compression, subit les transformations suivantes (figure I-3) :

P(bar)

4

3

5

2

1

0 h (Kj/Hg)

Figure (I-3) : Cycle théorique d’une machine frigorifique

-

Une compression isentropique de l’état 1à l’état 2

-

Une désurchauffe à pression constante de l’état 2 à l’état 3.

-

Une condensation à pression et à température constante de l’état 3à l’état 4.

-

Une détente isenthalpique avec une chute de pression de l’état 4à l’état 5.

-

Une vaporisation à pression et température constantes. [5]

I-5-2) Le cycle réel d’une MF

Suite aux diverses irréversibilités, les cycles réels s’écartent de cycles théoriques (figure I-5).

5

Chapitre I

Introduction au froid et aux machines frigorifiques

Les diverses transformations qui jalonnent le cycle frigorifique à compression, appellent les commentaires suivants : - 1à 2, la vapeur de frigorigène est comprimée de Pf à Pc. Si le compresseur était parfait et fonctionnait

isentropiquement,

c'est-à-dire

adiabatiquement

et

réversiblement,

la

transformation suivrait l’isentrope s=cst .

- 2 à 3, la vapeur de frigorigène est désurchauffée de T2 à T3, du point 3 appariassent les premières gouttes liquides.

- 3 à 4, le fluide frigorigène se condense; sa température continue, généralement, à s’abaisser, de T3 à T4 . - 4 à 5, le fluide frigorigène subit un sous refroidissement dans les conduites. - 5 à 6, le liquide frigorigène se détend dans le détendeur de Pc à Pf en n’échangeant, avec le milieu extérieur, ni énergie mécanique ni chaleur. L’enthalpie du frigorigène reste constante, la détente est isenthalpique. Le liquide se refroidit de T5 à T6 , une partie de sa masse se vaporise. Après la détente, le titre en vapeur du mélange liquide-vapeur est x6. 6 à7, le frigorigène se vaporise, sous la pression Pf, à la température T6, en produisant du froid utile dans l’évaporateur. La vapeur se surchauffe ensuite légèrement de T6 à T7. , - 7 à 1, le frigorigène se réchauffe, dans la conduite d’aspiration, de T7 à T1 ,pour un nouveau cycle. [3]

6

Chapitre I

Introduction au froid et aux machines frigorifiques

LogP (bar) 2

3 4

5 6 7

QF

1

W

QC h (Kj/Kg)

Figure (I-5) : Cycle réel d’une machine frigorifique sur un diagramme enthalpique

T (K)

Condensation nnnn

Refroidissement

Désurchauffe 2 PCst Compression

3

Détente

4

5 6

7

Evaporation

1

Surchauffe S (Kj/Kg.K)

Figure (I-6) : Cycle réel d’une machine frigorifique sur un diagramme entropique 7

Chapitre I

Introduction au froid et aux machines frigorifiques

I-6) Les configurations des systèmes frigorifiques I-6-1) Les systèmes directs

Un système direct est une installation dont le transfert de chaleur est réalisé par le réfrigérant, on le prévoit généralement pour une petite machine frigorifique dont le condenseur et le compresseur sont placés à l’extérieur du milieu à refroidir et dont l’évaporateur est placé dans ce même milieu. L’air est alors directement refroidi par le fluide frigorigène en circulation dans l’évaporateur. [5]

I-6-2) les systèmes indirects

Les systèmes indirects sont utilisés dans les installations de grandes tailles. Le transport de froid s’effectuent par un frigoporteur (exemple eau glycolée) et la quantité de réfrigérant nécessaire s’en trouve fortement réduite. [5]

I-7) Le COP d’une machine frigorifique

La machine frigorifique est énergétiquement efficace si elle demande peu d’énergie pour atteindre les performances souhaitées. Son efficacité est quantifiée par le COP « Coefficient of Performance » .Ce coefficient est défini comme le rapport entre la quantité de chaleur Qf absorbée par l’évaporateur et l’équivalence calorifique d’énergie totale absorbée par cette machine (W). [5]


P 

  é é à       



 

(I-1)

Le principe de la thermodynamique, permet d’écrire

W + Qf − Qc= 0

(I-2)

D’où : W = QC – Qf Nous pouvons écrire :

8

Chapitre I

CO =

Introduction au froid et aux machines frigorifiques

 

(I-3)

D’après l’énoncé du principe de Carnot-Clausius pour une machine frigorifique fonctionnant réversiblement on aurait : 







0

(I-4)

d’où : COP 



(I-5)

 "

I-8) Cycles frigorifiques étagés

Pour certaines utilisations telles que la production de froid à basse température, on peut être amené à adopter des températures d'évaporation et de condensation très éloignées. Le taux de compression de la machine frigorifique est alors très élevés d’où la nécessité de fractionner la compression. On se limite en général à deux étages de compression ; au-delà, la complexité de 1'installation et son prix deviennent rédhibitoires vis-à-vis de l'amélioration des performances. Le simple fait de fractionner la compression ne permet pas de limiter la température des vapeurs

refoulées .Il faut, de plus, mettre en œuvre un système de refroidissement des

vapeurs pendant la compression. Ce refroidissement s'effectue entre les deux compresseurs, à la pression intermédiaire Pi. Le cycle bi-étagé le plus simple serait celui présenté sur la (figure I-6). Dans un tel cycle, les inconvénients, liés à un taux de compression élevé, seront bien évités, mais la production frigorifique massique restera faible, notamment à cause du titre en vapeur important.[3]

9

Chapitre I

Introduction au froid et aux machines frigorifiques

Figure (I-6) : Exemple d’un cycle à compression bi-étagée, à détente mono-étagée

I-9) Le fluide frigorigène

Un fluide frigorigène est une substance qui évolue dans le circuit d’une machine frigorifique et qui, grâce à un phénomène endothermique constant en un changement d’état faisant passer la substance de l’état liquide à l’état gazeux dans un évaporateur, permet de produire du froid par retrait de chaleur, celle-ci étant évacuée hors de la machine par un phénomène exothermique consistant en un changement d’état inverse du précédent ; c’est -à-dire faisant passer la substance de l’état gazeux à l’état liquide dans un condenseur.

I-9-1) Critères de choix d’un frigorigène

Un fluide frigorigène parfait devrait présenter les qualités suivantes : - Chaleur latente de vaporisation très élevée ; - Point d’ébullition, sous la pression atmosphérique, suffisamment bas compte tenu des conditions de fonctionnement désirées (température d’évaporation) ; - Faible rapport de compression ; - Faible volume massique de la vapeur saturée ; - Température critique très élevée ; - Composition chimique stable dans les conditions de fonctionnement de la machine frigorifique ; 10

Chapitre I

Introduction au froid et aux machines frigorifiques

- Non inflammable et non explosif en mélange avec l’air ; - Pas d’impact sur l’environnement ;

I-9-2) 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. [9] Les fluides frigorigènes sont divisés en deux grandes familles: -Les composés inorganiques -Les composés organiques

I-9-2-1) Les composés inorganiques Les fluides de cette famille sont ceux de la série 700. Le fluide le plus utilisé de cette famille est l’ammoniac (NH3) et il est désigné par R717 Autres exemples de composés inorganiques : L’eau (H20) : R718 Le dioxyde de carbone (CO2) : R744 Pour obtenir le numéro d’identification du fluide frigorigène, on ajoute 700 à sa masse moléculaire, pour l’ammoniac par exemple de formule NH3. [5][9] 14(N) + 3× 1(H) +700 = 717

d’où le R717

I-9-2-2) Les composés organiques Les composés organiques sont des dérivés du méthane (CH4) et de l’éthane (C3H6). Ils se divisent en trois sous familles : -

Les corps purs

-

Les mélanges (de corps purs)

-

Les hydrocarbures

a-Les corps purs Les corps purs se regroupent en trois sous groupes suivant leur composition chimique : Les CFC (chlorofluorocarbone), exemple le R12 Les HCFC (hydrochlorofluorocarbone), exemple le R22 Les HFC (hydrofluorocarbone), exemple le R134a 11

Chapitre I

Introduction au froid et aux machines frigorifiques

La caractéristique principale d’un corps pur est qu’il se condense et s’évapore à température et pression constante. Les molécules des CFC sont complètement halogénées ; celles des HFC ne contiennent aucun atome de chlore. Les molécules des HCFC, contiennent du chlore non complètement halogéné; autrement dit certains atomes de chlore ont été remplacés par des atomes d’hydrogène.

b- Les mélanges Les mélanges de corps purs se regroupent en deux sous groupes: Les mélanges zéotropiques, qui ne sont pas des corps purs ; ces mélanges se vaporisent et se condensent non pas à une température constante mais sur une plage de températures (glissement dans les zones de changement d’état), sont 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) Les mélanges azéotropiques, sont les fluides frigorigènes de la série 500 ; ils se comportent comme des corps purs. 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)

c- 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.

Dans certaines classifications, les fluides frigorigènes du type HC (hydrocarbures) sont regroupés avec les fluides de la série 700 comme le R717 (ammoniac), le R718 (eau) ou le R744 (dioxyde de carbone) sous la famille des fluides dits « naturels ».Les autres fluides étant regroupés dans la famille des fluides dits «de synthèse».

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Chapitre I

Introduction au froid et aux machines frigorifiques

I-9-3) La désignation numérique des fluides frigorigènes

Ils sont désignés par la lettre R suivie de trois chiffres, donc sur le principe Rcdu, pour les hydrocarbures de la série des alcanes et leurs dérivés halogénés. Le « c » représente le nombre d’atomes de carbone moins 1 ; Le « d » représente le nombre d’atomes d’hydrogènes plus 1 ; Le « u » représente le nombre d’atomes de fluor. Lorsqu’il y a présence de brome, on fait suivre le numéro du fluide frigorigène de la lettre B. Lorsqu’il y a asymétrie d’importance croissante est repérée par l’adjonction des lettres a, puis b, puis c au numéro, c’est le cas par exemple du R134a. -Alcènes et dérivés halogénés des alcènes Le mode de désignation numérique est le même que précédemment, mais on ajoute un « 1 » pour le chiffre des milles comme par exemple R1150. -Les hydrocarbures cyclés et leur dérivés La lettre «c » est utilisée devant le numéro d’identification du fluide frigorigène(Rc270). Dans notre étude, on s’intéresse au R 134a, car c’est le frigorigène choisi par l’ENIEM pour équiper ses appareils frigorifiques. [3]

I-9-4) Caractéristiques du R134a (HFC)

Le R134a est un corps pur de la famille des hydrocarbures halogénés de formule chimique CH2F-CF3. C’est un liquide incolore, ininflammable et inexplosible, très stable aux températures d’utilisation, son odeur est légèrement éthérée, sa température critique et sa pression critique sont respectivement 101°C et 40,7 bars. Sa température d’ébullition, sous pression atmosphérique, est de -26°C. Les propriétés thermodynamiques du R134a sont consignées en annexe I. [3]

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Chapitre II

Etude de l’échange de chaleur avec changement de phases

II-1) Introduction

Par définition, en physique et en chimie, une phase représente un état de la matière et correspond à un gaz, un liquide ou un solide. Un écoulement diphasique est donc constitué d’une seule substance mais où coexistent des états thermodynamiques différents. Par abus de langage, le terme diphasique est également employé lorsque l’écoulement comporte deux constituants de natures différentes, quels que soient leurs états. En ébullition convective interne, les phases vapeur et liquide sont simultanément en mouvement. La physique de l’écoulement diphasique résultant est plus complexe que celle d’un écoulement monophasique car en plus des effets d’inertie, de viscosité et de pression s’ajoutent les effets d’interfaces (mouillabilité, tension superficielle, vitesses relatives). La description des écoulements diphasiques est fondamentale dans de très vastes domaines (nucléaire, électronique, transfert de produits pétroliers, etc..) c’est pourquoi ils sont l’objet de nombreuses recherches depuis les années 50. Martinelli et al, proposent des modèles d’écoulements diphasiques partant du principe que les propriétés du mélange des deux constituants peuvent être obtenues par une combinaison linéaire des propriétés de chacun.

II-2) Grandeur caractéristique d’un écoulement diphasique

Débit spécifique : C’est le rapport du débit masse total à la section de passage de l’écoulement.


 

 

(II-1)

Température de saturation : Si l’on fixe la valeur de la pression (à condition que celle-ci reste inférieure à la pression critique), l’équilibre entre les phases liquides et la vapeur a lieu pour une valeur de la température, notée Tsat, et qu’on appelle température de saturation. Surchauffe : Elle représente la quantité positive entre une température T et la température de saturation

Δ    

(II-2)

Sous refroidissement : Elle représente la quantité positive entre la température de saturation Tsat et la température T.

Δ    

(II-3) 14

Chapitre II

Etude de l’échange de chaleur avec changement de phases

Titre de la vapeur x : Il est défini à partir d’un rapport de débits massiques des phases 

 

 



 

(II-4)

Avec  ,    respectivement les débits massiques de la vapeur, du liquide et le débit total.

Fraction du vide : c’est le rapport, dans une section plane perpendiculaire à l’écoulement, entre la surface occupée par la vapeur et la surface totale de la section



 

(II-5)

    

Avec

Le glissement est le rapport des vitesses moyennes de la vapeur et du liquide, Le titre, le taux de vide et le glissement sont liés par la relation [15] : 

 

  !   

!



II-3) La condensation

" "

(II-6)

Par définition, la condensation désigne la transformation par changement d’état d’une vapeur saturée en liquide au contact d’un milieu froid. La condensation se produit lorsqu’une vapeur saturée se trouve au contact d’une surface à une température inférieure ou égale à la température de saturation ; elle se déroule de façon isotherme et isobare. La chaleur latente de la vapeur est libérée, cette chaleur est transmise à la paroi, un condensat se forme. Si la surface est grasse ou oxydée, le condensat se dépose sous forme d’un film liquide (pelliculaire) qui forme écran entre la vapeur à condenser et la surface froide, le coefficient de convection n’est pas très élevé dans ce cas. En revanche, sur une surface parfaitement propre et lisse, le condensat se dépose sous forme de gouttelettes qui ne recouvrent que très partiellement la surface d’échange, permettant à la vapeur d’être en contact direct avec la surface froide ; dans ce cas, le coefficient de convection peut être jusqu’à dix fois plus grand que dans le cas précédent. [11]

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Chapitre II

Etude de l’échange de chaleur avec changement de phases

II-4) Evaporation II-4-1) Définition La vaporisation, phénomène thermodynamique, caractérise la transition de l’état liquide à l’état gazeux d’un corps. Il existe deux formes particulières de vaporisation : l’´ebullition et la cavitation. Ces deux procédés de vaporisation se distinguent par les phénomènes qui contrôlent leur apparition : l’ébullition est contrôlée par les phénomènes thermiques et la cavitation est contrôlée par les phénomènes dynamiques. L’ébullition est employée dans de nombreuses applications, industrielles (centrales nucléaires) ou grand public (réfrigérateurs), lorsque les flux thermiques à évacuer sont importants ; Car ce phénomène favorise les échanges de chaleur. La cavitation est généralement à éviter ou à retarder du fait de ses conséquences néfastes : érosion de cavitation, pertes de performances et bruit de cavitation.[13]

II-4-2) Ebullition en convection forcée On utilise en industrie le transfert de chaleur lors de l’ébullition dans les générateurs de vapeur (chaudières, réacteurs thermo-nucléaires, etc…) où elle s’effectue dans les tubes à convection forcée. Les écoulements où se produit l’ébullition sont appelés diphasiques. Ces phénomènes sont trop complexes, car, aux nombreuse variables régissant l’ébullition en vase, il faut ajouter des paramètres hydrodynamique dépendant du débit, des pertes de charge, de la vitesse, etc… Aucune solution théorique n’étant satisfaisante, il faut établir des corrélations empiriques, à partir de données expérimentales réalisées chaque fois dans des conditions bien déterminées de vitesse, de pression, la géométrie de l’écoulement, etc. [10]

II-4-2-1) Ebullition en convection forcée dans un tube vertical uniformément Chauffé.

On considère le cas d’un écoulement vertical ascendant dans un tube circulaire lisse et dont la paroi est chauffée de manière uniforme. On y distingue un certain nombre de zones dont la longueur dépendra de l’importance du flux et de débit. (figure II-1) [11]

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Chapitre II

Etude de l’échange de chaleur avec changement de phases

Figure (II-1) : Représentation du processus d’ébullition forcée dans un tube vertical, établi par Collier et Thom (1994)

Région A : C’est la première région à l’entrée du canal, où l’échange de chaleur entre la paroi et le fluide se fait par convection forcée en simple phase liquide, et éventuellement la production des bulles de dégazage. Le coefficient d’échange (hf) évolue peu. Région B : Ebullition locale ; les bulles de vapeur se forment sur la paroi chauffante dont la température est inférieur à celle de saturation ; C’est- à- dire sous-saturation. On constate que les bulles quittent la paroi et se condensent au sein du liquide, tant que l’ensemble de celui-ci n’a pas atteint la température de saturation, la température moyenne du fluide Tmf augmente progressivement, ainsi que le coefficient d’échange s’accroit de manière significative par rapport à la première région.

Région C : Le liquide étant à la température de saturation, l’ébullition nucléée est dite saturée. Les bulles de vapeur se dispersent à présent dans toute la section droite du canal. Le coefficient de transfert thermique est meilleur à cause de l’effet d’arrachement des bulles par la vitesse. Dans cette zone, si le flux de chaleur est très important, l’apparition des bulles favorise la formation des poches de vapeur au centre du canal par le regroupement d’un nombre important de bulles, c’est l’écoulement à bouchons.

Région D : Les bouchons qui étaient à la queue se rejoignent les uns les autres et forment un manchon de vapeur au centre du tube, la paroi est baignée par un mince film liquide. 17

Chapitre II

Etude de l’échange de chaleur avec changement de phases

(Écoulement annulaire). La surface du film liquide en contact avec le noyau central de vapeur est extrement agitée, il s’y produit une évaporation intense ainsi qu’un arrachement de gouttelettes liquides. Région E : Le film liquide annulaire s’épuise peu à peu, laissant à présent un contact direct entre la vapeur et la paroi chauffante. De fines gouttelettes liquides en suspension dans la vapeur, viennent se déposer sur la paroi où elles s’évaporent. Le mouillage de tube n’étant plus assuré de manière permanente, l’écoulement est dit déficitaire en liquide. L’évaporation des gouttelettes provoque un accroissement de la vitesse massique vapeur et donc une amélioration de l’échange paroi-fluide. On appelle ce phénomène échauffement critique par assèchement.

Région F : Le film liquide disparaît complètement, il ne reste plus qu’un brouillard formé de microscopiques gouttelettes en suspension dans la vapeur (écoulement à brouillard). La température du fluide dépasse celle de saturation.

Région G : C’est la région d’écoulement simple phase vapeur sèche où s’appliquent les lois de la convection forcée en gaz. [8] [2]

II-4-2-2) Transfert de chaleur lors de l’ébullition diphasique

On peut rencontrer plusieurs configurations d'écoulement différentes dans un tube vertical chauffé uniformément par une faible densité de flux thermique. Ces configurations sont basées sur la répartition spatiale et la quantité de vapeur présente dans l'écoulement qui évoluent en fonction .des fonctions thermohydrauliques de l'écoulement et thermiques à la paroi. Dans l'exemple ci-après (figure II-2), le tube est alimenté en liquide très sous-saturé à l'entrée et est de longueur suffisante pour autoriser un écoulement en vapeur surchauffée en sortie.[8]

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Chapitre II

Etude de l’échange de chaleur avec changement de phases

Figure (II-2) : configurations d’écoulement dans un tube vertical uniformément Chauffé

II-4-2-2-1) La convection forcée monophasique en liquide Dans la zone à simple phase liquide, l’échange de chaleur entre la paroi et le fluide se fait par convection, et l’écart de température correspondant peut être calculé en utilisant des corrélations de la forme :

#$  #$ %&' , () *

(II-7)

Où #$ , &'  () désignent respectivement les nombres de Nusselt, de Reynolds et de Prandtl de l’écoulement liquide, à savoir [10]: #  

+ ,.

(II-8) 19

Chapitre II &'  (1 

Etude de l’échange de chaleur avec changement de phases

! / ,0

(II-9)

0 23 .

(II-10)

hl représente le coefficient d’échange par convection entre l’écoulement liquide et la paroi. On peut par exemple utiliser la corrélation de Dittus-Boelter. 8.9 8.: #   0.023&' (1

(II-11)

L’écart de température entre la paroi et le liquide est alors donné par ;