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TECHNIQUE GENERALE

TECHNIQUE DU FROID COURS DE BASE

Edition : juillet07 YSH04054

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Sommaire

1 GENERALITES

1.1 Introduction

1.2 Modes de production du froid et applications

1.3 Elments de physiques

1.3.1 Temprature

1.3.2 Chaleur

1.3.3 Puissance

1.3.4 Pression

1.3.5 Changement d'tat

2 LES FLUIDES FRIGORIGENES

2.1 GENERALITES 2.2 CLASSIFICATION

2.2.1 Les composs inorganiques 2.2.2 Les composs organiques

2.2.2.1 Les corps purs 2.2.2.2 Les mlanges 2.2.2.3 Les hydrocarbures

2.3 IMPACTS ENVIRONNEMENTAUX 2.3.1 Destruction de la couche dozone 2.3.2 Rchauffement de la plante 2.3.3 Caractrisation des impacts environnementaux 2.3.4 Rcupration des fluides frigorignes

2.3.4.1 Frigorigne rcupr 2.3.4.2 Rcupration 2.3.4.3 Recyclage 2.3.4.4 Rgnration

2.3.5 Les contaminants des fluides frigorignes 2.3.6 Choix dun fluide frigorigne

2.4 Les huiles frigorignes

3 ORGANES PRINCIPAUX DUNE MACHINE FRIGORIFIQUE

3.1 GENERALITES 3.2 LES COMPRESSEURS

3.2.1 Technologie des compresseurs 3.2.2 Les compresseurs volumtriques 3.2.3 Les compresseurs centrifuges 3.2.4 Association Moteur Compresseur

3.2.4.1 Les compresseurs hermtiques

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3.2.4.2 Les compresseurs ouverts 3.2.4.3 Les compresseurs semi hermtiques ou semi ouverts

3.2.5 Comparaison des principales caractristiques des compresseurs 3.3 COMPRESSEUR A PISTONS HERMETIQUE

3.3.1 Principe de fonctionnement 3.3.2 Dispositifs de transfert dnergie

3.3.2.1 Arbre excentrique et arbre vilebrequin 3.3.2.2 Les bielles 3.3.2.3 La garniture dtanchit 3.3.2.4 Le carter 3.3.2.5 Les dispositifs de lubrification 3.3.2.6 Le piston 3.3.2.7 Les soupapes ou clapets 3.3.2.8 Dispositifs de variation de puissance

3.4 LES CONDENSEURS 3.4.1 Technologie des condenseurs 3.4.2 Les condenseurs air

3.4.2.1 Les condenseurs air convection naturelle 3.4.2.2 Les condenseurs air convection force

3.4.2.2.1 Condenseurs air convection force verticaux 3.4.2.2.2 Condenseurs air convection force horizontaux

3.4.3 Les condenseurs eau 3.4.3.1 Les condenseurs double tube 3.4.3.2 Les condenseurs bouteilles 3.4.3.3 Les condenseurs multitubulaires 3.4.3.4 Les condenseurs plaques brases 3.4.3.5 Notion de groupe de condensation

3.4.4 Sous refroidissement des condenseurs 3.4.5 Systmes de refroidissement des condenseurs eau

3.4.5.1 Les Arorefroidisseurs 3.4.5.2 Les Tours de refroidissement

3.4.5.2.1 Les tours de refroidissement circuit ouvert 3.4.5.2.2 Les tours de refroidissement circuit ferm 3.4.5.2.3 La notion dapproche des tours de refroidissement

3.4.5.3 Les condensateurs vaporatifs 3.4.6 Echanges thermiques dans les condenseurs

3.5 LES DETENDEURS 3.5.1 Technologie des dtendeurs 3.5.2 Les tubes capillaires 3.5.3 Les dtendeurs thermostatiques

3.5.3.1 Les dtendeurs thermostatiques galisation de pression interne 3.5.3.2 Les dtendeurs thermostatiques galisation de pression externe

3.5.3.3 Les dtendeurs MOP 3.5.4 Les dtendeurs lectroniques

3.6 LES EVAPORATEURS 3.6.1 Technologie des vaporateurs 3.6.2 Evaporateurs dtente sche 3.6.3 Evaporateurs noys 3.6.4 Les vaporateurs eau

3.6.4.1 Les vaporateurs double tube 3.6.4.2 Les vaporateurs du type serpentin

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3.6.4.3 Les vaporateurs multitubulaires 3.6.4.3.1 Les vaporateurs multitubulaires noys 3.6.4.3.2 Les vaporateurs multitubulaires dtente sche

3.6.4.4 Les vaporateurs du type changeur plaques 3.6.5 Les vaporateurs air

3.6.5.1 Les vaporateurs convection naturelle 3.6.5.2 Les vaporateurs convection force

3.6.6 Surchauffe des vaporateurs 3.6.7 Echanges thermiques dans les vaporateurs 3.6.8 Dgivrage des vaporateurs

3.6.8.1 Dgivrage par circulation dair ambiant 3.6.8.2 Dgivrage leau 3.6.8.3 Dgivrage la saumure 3.6.8.4 Dgivrage par rsistances lectriques 3.6.8.5 Dgivrage par gaz chauds

4 ORGANES ANNEXES DUNE MACHINE FRIGORIFIQUE

4.1 LE RESERVOIR DE LIQUIDE 4.2 LA BOUTEILLE ANTI-COUPS DE LIQUIDE 4.3 LE SEPARATEUR DHUILE 4.4 LECHANGEUR DE CHALEUR LIQUIDE VAPEUR 4.5 LES POMPES 4.6 LES VENTILATEURS 4.7 LE FILTRE DESHYDRATEUR 4.8 LES VOYANTS 4.9 ELIMINATEUR DE VIBRATIONS 4.10 ELECTROVANNE 4.11 ORGANES DIVERS

4.11.1 Le dsurchauffeur 4.11.2 Le silencieux de refoulement 4.11.3 Les purgeurs dincondensables

4.12 REGULATEUR d EVAPORATION 4.13 REGULATEUR de CAPACITE 4.14 REGULATEUR de PRESSION DE CONDENSATION 4.15 REGULATEUR de DEMARRAGE 4.16 RDK 4.17 REGULATION PROTECTION MINIMUM

5 ORGANES DE COMMANDE ET DE SECURITE

5.1 LES ORGANES DE ROBINETTERIE 5.1.1 Les robinets manuels disolement 5.1.2 Les robinets 3 voies 5.1.3 Le clapet de non retour 5.1.4 Les robinets manuels de rglage 5.1.5 Les robinets manuels de purge dhuile 5.1.6 Le robinet 4 voies dinversion de cycle

5.2 LES THERMOSTATS 5.3 LES PRESSOSTATS 5.4 AUTRES DISPOSITIFS

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5.4.1 Contrleur de dbit 5.4.2 Soupapes de sret 5.4.3 Protections lectriques

6 REGULATIONS TYPES DES INSTALLATIONS FRIGORIFIQUES

6.1 SCHEMA TYPE DUNE INSTALLATION FRIGORIFIQUE 6.2 REGULATION PAR ACTION DIRECTE 6.3 REGULATION PAR TIRAGE AU VIDE AUTOMATIQUE

7 CALCUL DES MACHINES A COMPRESSION DE VAPEUR

7.1 REGIME DE FONCTIONNEMENT 7.2 LE CYCLE FRIGORIFIQUE

7.2.1 Le cycle frigorifique de rfrence 7.2.2 Le cycle thorique 7.2.3 Le cycle parfait 7.2.4 Le cycle rel

8 ENTREPOSAGE FRIGORIFIQUE

8.1 GENERALITES 8.1.1 Processus daltrations des aliments 8.1.2 Agents responsables de laltration des aliments

8.1.2.1 Les enzymes 8.1.2.2 Les microorganismes

8.1.3 Chane du froid 8.1.4 Rfrigration 8.1.5 Conglation 8.1.6 Surglation 8.1.7 Atmosphres contrles 8.1.8 Oprations prliminaires et complmentaires

8.1.8.1 Le refroidissement initial ou prrfrigration 8.1.8.2 La maturation complmentaire 8.1.8.3 Autres techniques

8.1.9 Incompatibilits dentreposage 8.1.9.1 Incompatibilits thermiques 8.1.9.2 Incompatibilits dues aux odeurs et lthylne

8.1.10 Vitesse de conglation et dconglation 8.2 CONCEPTION DES ENTREPOTS FRIGORIFIQUES

8.2.1 Classification des entrepts frigorifiques 8.2.2 Cahier des charges techniques dun entrept frigorifique

8.3 DISPOSITIONS CONSTRUCTIVES DES ENTREPOTS FRIGORIFIQUES 8.3.1 Gnie civil

8.3.1.1 Plancher 8.3.1.2 Sol 8.3.1.3 Murs 8.3.1.4 Toiture 8.3.1.5 Plafond

8.3.2 Isolation 8.3.2.1 Isolation traditionnelle

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8.3.2.2 Panneaux prfabriqus 8.3.2.3 Isolation du sol

8.3.3 Portes isothermes 8.3.4 Eclairage des chambres froides 8.3.5 Variation de pressions dans les chambres froides 8.3.6 Migration dhumidit 8.3.7 Dtermination des dimensions intrieures des chambres froides

8.4 BILAN FRIGORIFIQUE DUNE CHAMBRE FROIDE 8.4.1 Gnralits 8.4.2 Charges thermiques externes

8.4.2.1 Charge thermique par transmission travers les parois Qtr 8.4.2.2 Charge thermique due au renouvellement d'air Qre 8.4.2.3 Charge thermique par ouverture des portes Qop

8.4.3 Charges thermiques internes 8.4.3.1 Charges thermiques internes indpendantes des produits entreposs

8.4.3.1.1 Charge thermique due l'clairage 8.4.3.1.2 Charge thermique due aux personnes 8.4.3.1.3 Charge thermique due au matriel roulant 8.4.3.1.4 Charge thermique due des machines diverses

8.4.3.2 Charges thermiques internes dpendantes des denres entreposes 8.4.3.2.1 Charge thermique due aux denres entrantes Qde 8.4.3.2.2 Charge thermique due la respiration des denres Qres 8.4.3.2.3 Charge thermique due la fermentation des denres Qferm

8.4.4 Puissances frigorifiques de lvaporateur 8.4.5 Charge thermique due aux moteurs des ventilateurs des vaporateurs 8.4.6 Charge thermiques due aux rsistances de dgivrage 8.4.7 Puissance frigorifique effective de lvaporateur

8.5 CHOIX DES EQUIPEMENTS DE LINSTALLATION FRIGORIFIQUE 8.5.1 Choix de lvaporateur 8.5.2 Choix du compresseur ou du groupe de condensation 8.5.3 Choix du condenseur 8.5.4 Choix du dtendeur thermostatique 8.5.5 Choix de llectrovanne

9 OPERATIONS DE MISES EN SERVICE

9.1 MATERIEL DE MISE EN SERVICE 9.2 RECHERCHE DE FUITES 9.3 TIRAGE AU VIDE 9.4 CASSAGE DU VIDE 9.5 CHARGE EN FLUIDE FRIGORIGENE DUNE INSTALLATION 9.6 COMPLEMENT DE CHARGE EN FLUIDE FRIGORIGENE 9.7 VERIFICATION DU BON FONCTIONNEMENT 9.8 CUIVRE et BRASAGE 9.9 SOUTIRAGE ET COMPLEMENT DHUILE 9.10 RECUPERATION DE FLUIDE FRIGORIGENE 9.11 DEGIVRAGE

10 PANNES CLASSIQUES

10 PANNES CLASSIQUES

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10.1 PANNES FRIGORIFIQUES 10.1.1 Panne du dtendeur trop petit 10.1.2 Panne du manque de charge 10.1.3 Panne de la pr-dtente 10.1.4 Panne de lvaporateur trop petit 10.1.5 Panne du compresseur trop petit 10.1.6 Panne de lexcs de charge 10.1.7 Panne des incondensables 10.1.8 Panne du condenseur trop petit 10.1.9 Synthse des pannes frigorifiques

10.2 PANNES ELECTRIQUES 10.2.1 Moteurs monophass 10.2.2 Les condensateurs 10.2.3 Moteurs lectriques triphass

10.2.3.1 Enroulements des moteurs triphass 10.2.3.2 Dmarrage des moteurs lectriques triphass

10.2.3.2.1 Les moteurs dmarrage Part Winding 10.2.3.2.2 Dmarrage des moteurs 2 vitesses

11 CLIMATISATION

11.1 GENERALITES 11.2 LES DIFFERENTS SYSTEMES DE CLIMATISATION

11.2.1 Les systmes dtente directe 11.2.1.1 Les climatiseurs de fentre 11.2.1.2 Les splits system 11.2.1.3 Les armoires de climatisation 11.2.1.4 Les monoblocs

11.2.2 La climatisation centrale eau glace 11.2.2.1 Les groupes frigorifiques 11.2.2.2 La distribution de leau glace 11.2.2.3 Les ventilo-convecteurs 11.2.2.4 Les centrales de traitement dair

11.2.3 La diffusion de lair 11.2.3.1 Diffusion directe par lunit intrieure 11.2.3.2 Diffusion par rseau araulique 11.2.3.3 Les lments terminaux de diffusion

12 LE FROID DOMESTIQUE ET DE CAMPING

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1.1 INTRODUCTION

Le froid trouve de nombreuses applications dans des domaines trs varies (industries agro-alimentaires, mdecine, confort thermique, ptrolochimie) et cest dans le domaine alimentaire que le froid occupe une place prpondrante car il permet de limiter les gaspillages (pertes aprs rcolte) et de prolonger la dure de conservation des produits ce qui permet un largissement des changes.

On a pu estimer que dans certaines rgions du monde, 50% des denres alimentaires disponibles se perdent entre la priode qui scoule entre le moment de la production et celui de la consommation. Ainsi, dans le domaine alimentaire, lobjectif du froid est de maintenir la qualit originale des produit en limitant (ou en supprimant) les altrations lies au dveloppement des microorganismes, altrations trs rapides dans les pays chauds cause des conditions climatiques (temprature, humidit relative) qui sont favorables la prolifration des bactries, levures et moisissures.

Pour les produits fabriqus par lindustrie agroalimentaire (lait, fromage), le froid permet damliorer leur qualit en favorisant la matrise des conditions de fabrication par une optimisation des paramtres climatiques influenant le comportement des microorganismes.

Le froid permet aussi laugmentation du volume de production agricole par la modification du cycle vgtatif des plantes amliorant ainsi leur rendement (printanisation des crales).

En production animale, le froid permet la conservation longue dure du sperme destin linsmination artificielle ou encore la conservation des srums et des vaccins destins enrayer les pidmies frappant les animaux.

Lavance technologique de nos jours qui autorise un contrle plus prcis de la temprature et de lhumidit permet damliorer la production du froid.

Lutilisation des atmosphres artificielles permet daugmenter la dure de conservation de certains fruits et lgumes, de mme lutilisation dadjuvants permet de renforcer laction du froid mais leur utilisation doit tre conforme la lgislation nationale relative la protection des aliments.

Dans les pays chauds et humides, une temprature de lordre de +10C permet une bonne conservation du poisson fum, du lait concentr ou en poudre, des conserves de viandesce qui montre une bonne complmentarit entre le froid et les autres techniques de conservations (schage).

Il faut retenir que lalimentation dune population mondiale sans cesse croissante exige que des efforts raliss pour accrotre les productions alimentaires soient accompagns dinitiatives destines rduire sinon liminer les pertes qui autrement resteraient considrables toutes les tapes de la distribution et de la transformation des aliments.

Dans le contexte des pays africains en voie de dveloppement, ces initiatives de conservation des aliments doivent couvrir un vaste champ de techniques (abaissement de lactivit de leau, traitements thermiques haute temprature, traitement thermique basse temprature, abaissement du pH, utilisation dadditifs alimentaires, prparation stockage condition des aliments, sparation ou fractionnement).

Les traitements thermiques basse temprature (le froid) seront tudis dans le cadre de ce cours.

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1.2 MODES DE PRODUCTION DU FROID ET APPLICATIONS

La production du froid qui consiste absorber la chaleur contenue dans un milieu peut tre obtenue suivant plusieurs modes. De mme, les applications du froid sont trs varies.

Parmi les diffrentes modes de production du froid, il faut retenir :

la sublimation dun solide (cas du CO2)

la dtente dun gaz comprim

la fusion dun corps solide

le refroidissement thermolectrique

la dissolution de certains sels

la dsaimantation adiabatique

la vaporisation dun liquide en circuit ferm

La sublimation dun solide consiste le faire passer de ltat solide ltat vapeur par absorption de chaleur, le cas le plus courant est celui du CO2 qui la pression atmosphrique a une temprature de sublimation de 78.9C.

La dtente dun gaz comprim repose sur le principe de labaissement de la temprature dun fluide lors de sa dtente (avec ou sans travail extrieur). Cependant, cet abaissement est plus important lors de la dtente sans travail extrieur (dtente Joule -Thomson : tranglement travers une vanne) mais il ne faut pas perdre de vue que le refroidissement du gaz dtendu aura lieu seulement dans le cas o sa temprature avant la dtente serait infrieure la temprature dinversion de leffet Joule - Thomson.

La fusion dun corps solide se fait temprature constante par absorption de la chaleur latente de fusion du corps considr, ce procd discontinu bien que simple prsente linconvnient de ncessiter une conglation pralable moins que cet tat ne soit disponible ltat naturel.

Le refroidissement thermolectrique (effet Peltier) est utilis pour produire de trs petites quantits de froid. Il consiste faire passer un courant continu dans un thermocouple constitu de conducteurs de natures diffrentes relis alternativement par des ponts de cuivre.

La dissolution dun sel dans leau provoque un abaissement de la temprature de la solution. Ce net pas un phnomne trs utilis dans lindustrie frigorifique cause de la ncessit de vaporisation ultrieure de leau (rcupration du sel). Par exemple, le mlange de neige (4 parties) et de potasse (3 parties) fait baisser la temprature de la solution de 0C 40C.

La dsaimantation adiabatique consiste en une rorganisation du cortge lectronique dun corps, ce qui permet lobtention de trs basses tempratures (10-2 10-6 K).

La vaporisation dun liquide permet de produire du froid par labsorption de la chaleur travers un changeur (vaporateur), la vapeur produite tant ultrieurement liqufie dans un

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autre changeur (condenseur), le fluide dcrit ainsi un cycle au sein dune machine fonctionnant de manire continue.

Les machines utilisant ce principe peuvent tre regroupes en deux grandes familles que sont les machines compression mcanique et les machines absorption.

La vaporisation dun liquide en circuit ferm reste la mthode la plus utilise pour la production du froid.

La production de froid pour les besoins domestiques, commerciaux et industriels ncessitent lutilisation dun dispositif capable dextraire de la chaleur dans le milieu refroidir pour la rejeter dans un milieu dit extrieur, ce dispositif qui obit ncessairement au second principe de la thermodynamique est appel machine frigorifique .

La conception, la ralisation et lexploitation et/ou le suivi dune telle machine ncessitent de bonnes connaissances en thermodynamique, en mcanique des fluides, en transfert thermique et en lectrotechnique.

Ces connaissances thoriques devront tre compltes par une bonne familiarisation la technologie des composants ainsi qu llaboration et la lecture de schmas lectriques ou de rgulation.

Dans le cadre de ce cours, il sera tudi les machines utilisant la vaporisation dun fluide en circuit ferm.

Le froid peut tre produit directement ou indirectement.

On parle de refroidissement direct lorsque la substance refroidir (par exemple lair) est en contact avec le fluide circulant en circuit ferm dans la machine (par lintermdiaire de lchangeur).

Le refroidissement est dit indirect lorsquon utilise un fluide intermdiaire (par exemple leau) entre la substance refroidir (lair) et le fluide circulant en circuit ferm dans la machine. Le fluide intermdiaire est appel fluide frigoporteur.

Le tableau ci-dessous fait un point des diffrentes applications du froid.

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Tableau 1.0 : Principales applications du froid.

REFRIGERATION CLASSIQUE

GAMME DE TEMPERATURES (C)

APPLICATIONS

Conditionnement dair +16 +26 Confort humain Rfrigration des denres 0 +10 Conservation des aliments

court/moyen terme Conglations des denres -35 0 Conservation des aliments

long terme Lyophilisation -80 -30 Dessiccation basse

temprature Traitements divers -200 0 Applications chimiques

Essais thermiques des matriaux

CRYOGENIE GAMME DE TEMPERATURES (K)

APPLICATIONS

Liqufaction du gaz naturel 93 113 Transport en phase liquide (mthanier)

Liqufaction de lair

70 80 Distillation

Liqufaction de lhydrogne

14 30 Recherche nuclaire

Liqufaction de lhlium

1 5 Supraconductivit

Mthodes magntiques

10-3 10-2 Recherche fondamentale

La cryognie est la branche du froid qui soccupe de la production des trs basses tempratures.

1.3 ELEMENTS DE PHYSIQUE

1.3.1 La temprature

Le chaud et le froid sont apprcis par des sensations do une valuation irrationnelle de ces grandeurs.

Aussi, il a t dfinit la temprature qui permet une objectivit des mesures. La temprature caractrise le niveau auquel la chaleur se trouve dans un corps permettant ainsi de dire quun corps est plus ou moins chaud quun autre.

Les tempratures dans le S.I. sont exprimes en C (degrs Celsius) mais dans la littrature, on rencontre les degrs Fahrenheit (F) et les degr s Kelvin (K)

Conversion entre les diffrentes units de tempratures

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1.3.2 La chaleur

La chaleur est une forme dnergie (nergie de mouvement des molcules) qui va dun point chaud (temprature plus leve) vers un point froid (temprature moins leve).

Cest la sensation perue par nos organes de sens lorsque nous sommes placs devant un corps incandescent par exemple.

Lunit lgale est le Joule (J) mais la kCal (kiloCalorie) est galement utilise.

Une kCal est la quantit de chaleur quil faut fournir un kG deau pour augmenter sa temprature de 1C.

Conversion dunits :

1 kCal = 4,185 kJ = -1 Fg (frigorie)

1 thermie (Th) = 1000 kCal = 4,185 kJ

1 BTU = 1,053 kJ (BTU : British Thermal Unit)

1.3.3 La puissance

La puissance est le rapport de lnergie fournie ou absorbe sur lunit de temps.

Lunit lgale est le Watt (W).

Conversion dunits :

1 kW = 860 kCal/h

1 kCal/h = -1 Fg/h = 1,163 W

1 cv (cheval) = 736 W

1.3.4 La pression

Lunit lgale de la pression est le Pascal (Pa) qui est gal la pression uniforme exerce par une force de 1 N (Newton) sur une surface de 1 m2.

Lunit de pression couramment utilise par les frigoristes est le Bar et il faut distinguer :

Les appareils de mesure des pressions (appels manomtres) sur les systmes frigorifiques qui sont gradus gnralement en pression relative (par rapport la pression atmosphrique)

les appareils de mesures du vide (appels vacuomtres) sur les systmes frigorifiques qui sont gradus en pression absolue (par rapport au vide absolu).

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Conversion dunits

1 Bar = 105 Pa = 1.02 kG/m2 = 0.986 atm = 750 mmHg

1 Bar = 14.54 PSI = 10.2 mCE (mtre de colonnes deau)

PSI : Pound per Square Inch (Livre par Pouce carr)

1.3.5 Le changement dtat

La matrise des deux tats de la matire que sont la phase liquide et la phase vapeur est primordiale en froid.

Le changement dtat se dfinit comme la phase de transformation dune phase vers une autre phase.

La figure 1.1 donne les diffrents changements dtat possibles de la matire.

Figure 1.0 Changements dtats de la matire.

A titre dexemple, il sera rappel les changements dtat pour leau (cf. figure 1.1) :

Ces changements sont les suivants :

le passage de ltat solide (glace) ltat liquide, appel la fusion

le passage de ltat liquide ltat solide (glace), appel la conglation (ou solidification)

le passage de ltat liquide ltat liquide ltat vapeur, appel la vaporisation (ou lbullition ou encore lvaporation)

le passage de ltat vapeur ltat liquide, appel la liqufaction (ou condensation)

Ainsi sont dfinis les termes suivants :

Dsublimation

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la chaleur latente de conglation ou chaleur latente de fusion suivant quon passe de la phase liquide vers la phase solide ou vice versa ; pour leau cette chaleur latente est de 334.8 kJ/kG (80 kCal/kG) la pression atmosphrique, la temprature de conglation tant de 0C cette pression

la chaleur latente de vaporisation ou de condensation suivant quon passe de la phase liquide la phase vapeur ou vice versa ; pour leau cette chaleur latente est de 2254.7 kJ/kG (539 kCal/kG) la pression atmosphrique, la temprature dvaporation tant de 100C cette pression

Comme autres changements dtat, il faut citer :

la sublimation (passage de ltat solide ltat vapeur)

la dsublimation (passage de ltat vapeur ltat solide)

En rappel, il existe pour tout corps pur, une relation pression temprature si et seulement si la vapeur est contact avec le liquide qui lui a donn naissance.

A chaque corps correspond une courbe de changement dtat reprsent dans le diagramme thermodynamique pression (Log P) enthalpie (h) appel diagramme enthalpique ou diagramme de Mollier des frigoristes.

Ce diagramme est utilis pour ltude des cycles de rfrigration.

Les autres diagrammes thermodynamiques ne sont pratiquement pas utiliss par les frigoristes.

Le diagramme Temprature (T) entropie (s) est utilis des fins pdagogiques ou lorsquon veut concevoir un procd (applications aux machines thermiques).

Le diagramme enthalpie (h) entropie (s) aussi appel diagramme de Mollier des motoristes est utilis pour ltude des cycles moteurs vapeur.

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Figure 1.1 Changement dtat de leau.

De A B : La temprature de la glace augmente rgulirement pour atteindre 0C. La chaleur apporte et ncessaire cette tape est de 41,8 kJ. C'est de la chaleur sensible (la temprature augmente). En B : On a un bloc de glace de 1kg 0C. De B C : A 0C, la 1re goutte de liquide apparat et la glace commence fondre. Pendant toute la fonte de la glace, le mlange liquide/solide aura une temprature rigoureusement gale 0C. La chaleur apporte est de 335 kJ, c'est de la chaleur latente (la temprature reste constante). En C : On a 1kg d'eau entirement liquide 0C. De C D : La temprature de l'eau s'lve progressivement jusqu' atteindre 100C. Pour raliser cette augmentation de temprature, nous devons apporter 419 kJ. C'est de la chaleur sensible. En D : On a 1kg d'eau entirement liquide 100C, c'est du liquide satur. De D E : A 100C, comme nous continuons apporter de la chaleur, l'eau se met bouillir et la premire molcule de vapeur apparat. C'est le dbut de l'vaporation. La temprature reste constante pendant tout le changement d'tat. Quand la dernire goutte de liquide s'vapore, le changement d'tat sera termin, nous aurons apport 2257 kJ de chaleur latente.

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En E : Nous avons 1kg de vapeur 100C, c'est de la vapeur sature. Aprs E : Si on continue chauffer la vapeur, la temprature continue d'augmenter ncessitant 1,9 kJ/kg.K. Evolution des tempratures de changements d'tat en fonction de la pression :

Point dbullition de leau par rapport la pression atmosphrique Plus la pression est leve et plus la temprature du changement d'tat augmente. Exemple : 1,5 bars l'eau bout 110C .Pour quil y est bullition il faut la force interne du liquide > la force externe. Le rapport Pr T est correct seulement et seulement si ,il y a prsence de liquide ET de gaz.

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Notion d'enthalpie:

Nous avons vu qu'il fallait apporter 2257 kJ de chaleur l'eau pour l'vaporer et donc la convertir en 1kg de vapeur 100C. Si nous ajoutons les 419 kJ ncessaires pour chauffer 1kg d'eau de 0 100C, on obtient alors 2676 kJ, la teneur en chaleur ou en enthalpie d'1 kg de vapeur sature 100C. (Le point 0 de l'chelle d'enthalpie est fix une temprature de matire de 0C). Notion de surchauffe :

Si nous ajoutons de la chaleur la vapeur sature sche 100C, il se produit une augmentation de temprature appele surchauffe. La chaleur de surchauffe est de la chaleur sensible. Pour augmenter 1kg de vapeur sche 100C de 15K, on doit fournir 28,3 kJ. L'enthalpie de cette vapeur d'eau 115C est de2676+28,3=2704,3 kJ.

Notion de sous-refroidissement : De mme si on extrait de la chaleur de l'eau qui vient de se condenser, on la sous-refroidit. Ainsi sous pression atmosphrique, de l'eau 80C est sous-refroidit de 20C. L'enthalpie de l'eau 80C est de : h = 419-20x419/100 = 335,2 kJ/kg.

Relation pression-temprature

Analyse des forces mises en jeu dans une bouteille de fluide frigorigne :

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Dans une bouteille de R22, la surface du fluide frigorigne est soumise l'action de deux forces : Fe = force externe exerce par la vapeur de fluide frigorigne sur la surface du liquide. Fi = force interne exerce par le liquide sur sa surface. Naturellement, le fluide frigorigne tablit un quilibre entre ses 2 forces. C'est dire qu'il essaie de maintenir Fe=Fi. La bouteille tant ferme, la quantit de vapeurs contenue dans celle-ci engendre une force Fe qui compense celle interne au liquide... Rien ne se passe dans la bouteille.

En ouvrant la vanne de la bouteille, des vapeurs s'chappent. La pression exerce par ces vapeurs sur la surface du liquide diminue. La force Fe qu'elles engendrent diminue aussi. Elle devient alors infrieure Fi. Le fluide frigorigne se met bouillir afin de fournir des vapeurs pour rtablir l'quilibre naturel. Malheureusement, comme les vapeurs s'chappent de la bouteille, l'bullition du liquide ne permet pas de rtablir l'quilibre... Ainsi, nous pouvons conclure que le fluide frigorigne bout si Fe devient infrieur Fi.

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Relation pression-temprature :

Un mlange liquide-gaz de R134a 20C a une pression de 4,7 bars. C'est la relation pression-temprature pour le mlange liquide-gaz de R134a. Chaque fluide possde sa propre relation pression-temprature. Ainsi, un mlange liquide-gaz de R22 20C aura une pression de 8,1bar qui est diffrente de celle du mlange liquide-gaz de R134a. Connaissant la temprature d'un mlange liquide-gaz d'un fluide, on peut connatre sa pression et vis-versa. C'est pourquoi sur les manomtres utiliss par les frigoristes, il y a une chelle de pression et des chelles de temprature pour des fluides donns. Il est aussi possible de faire la correspondance pression-temprature pour un mlange liquide-gaz l'aide d'une rglette de conversion.

Rglette de conversion

20

Si la temprature augmente de 10C, l'agitation molculaire va augmenter dans le liquide. La force interne Fi deviendra suprieure la force externe Fe. Le fluide frigorigne va donc essayer de rtablir l'quilibre entre son liquide et sa vapeur. Pour cela, une faible quantit de liquide va s'vaporer pour fournir des vapeurs. Cette quantit de vapeurs supplmentaire permet Fe de crotre aussi, et dans la mme proportion de Fi. Grce l'vaporation de la faible quantit de liquide, le fluide frigorigne a russit rtablir l'quilibre entre la force exerce par sa vapeur et celle exerce par son liquide. On retrouve alors Fe=Fi. Comme on retrouve plus de vapeurs, la pression augmente... 6,6 bars, c'est la pression d'un mlange liquide-gaz de R134a 30C.

Il suffit d'une goutte de liquide pour que la relation pression-temprature soit applicable. Ici la condition est ralise. Nous pouvons donc dire : 6,6 bars, c'est la pression d'un mlange liquide-gaz de R134a 30C.

21

Vapeurs surchauffes :

Si nous plaons la bouteille prcdente dans une ambiance + 40C. L'agitation molculaire augmente dans la goutte de liquide qui s'vapore. Malheureusement, elle ne fournit plus suffisamment de vapeurs pour faire augmenter la pression. Celle-ci reste gale 6,6 bars. La force exerce par la pression de vapeur Fe ne peut donc plus augmenter. L'lvation de la temprature ambiante 40C fait vaporer tout le liquide. Il n'y a donc plus relation pression-temprature. 6,6 bars tait la pression d'un mlange liquide-gaz de R134a 30C. Ici nous avons des vapeurs 40C. Elles sont donc surchauffes de 40C - 30C= 10C.

GENERALITES Le fluide frigorigne permet les changes de chaleur dans un systme frigorifique par ses changements dtat que sont lvaporation et la condensation.

Il peut se dfinir comme une substance chimique dont la temprature dvaporation la pression atmosphrique est infrieure la temprature ambiante, autrement dit le fluide frigorigne doit tre liquide cette ambiance.

Par temprature ambiante, il faut comprendre lambiance ou le milieu a refroidir.

Le tableau 2.0 donne les tempratures dvaporation (dbullition) de certains fluides frigorignes la pression atmosphrique.

22

Tableau 2.0 : Tempratures dbullition

de quelques fluides la pression atmosphrique.

Fluide (rfrigrant) Temprature dbullition (C) Eau H20 R718

R11

R12

R22

R502

Ammoniac - NH3 R717

100

23.3

-29.8

-40.7

-45.6

-33.3

Il est important pour un fluide frigorigne (rfrigrant) davoir une temprature dvaporation peu leve pour que le changement dtat (passage de la phase liquide la phase vapeur) soit ralisable.

Le changement dtat seffectue temprature et pression constantes (stabilisation de leffet de rfrigrant une temprature donne) et cest durant cette phase que la quantit de chaleur absorbe (ou rejete) est la plus importante.

Le tableau 2.1 donne les chaleurs sensibles et les chaleurs latentes dvaporation de quelques fluides (liquides).

Tableau 2.1 : Chaleurs sensibles et chaleurs latentes dvaporation

de quelques fluides.

Fluide (Liquide) Chaleur sensible ncessaire pour chauffer le liquide de

1C

(kJ/kgC)

Chaleur latente ncessaire pour vaporer le liquide la

pression atmosphrique

(kJ/kgC) Eau

R12

R22

4.18

0.98

1.40

2250

169

231

Les valeurs du tableau ci-dessus permettent de conclure que la quantit de chaleur absorbe durant lvaporation est quivalente au fait davoir lev la temprature de :

538C environ pour leau

170C environ pour le R12 et le R22

23

Cest la raison pour laquelle lvaporation et la condensation sont partout prsentes dans la production du froid.

Le fluide frigorigne, tant un medium qui sert vacuer de la chaleur, possde des caractristiques propres (physiques, thermodynamiques et chimiques).

Il doit possder les proprits requises dun bon fluide frigorigne que sont :

ne pas dtruire la couche dozone

avoir un faible potentiel deffet de serre

avoir une grande chaleur latente de vaporisation

avoir un point dbullition sous la pression atmosphrique suffisamment bas compte tenu des conditions de fonctionnement dsires (de sorte que la temprature dvaporation soit toujours un niveau plus lev que la temprature correspondant la pression atmosphrique)

avoir une temprature critique leve (de sorte que la temprature de condensation dans les conditions dutilisation soient bien infrieure cette temprature critique)

avoir un faible rapport de compression, cest dire faible rapport entre les pressions de refoulement et daspiration

avoir un faible volume massique de la vapeur sature rendant possible lutilisation dun compresseur et de tuyauteries de dimensions rduites

ne pas voir daction sur le lubrifiant (huile) employ conjointement

tre non toxique et sans effet sur la sant du personnel

tre non inflammable et non explosif en mlange avec lair,

tre non corrosif, pas daction sur les mtaux constituants le circuit, pas daction sur les joints

sans odeur ou nayant quune odeur non dsagrable

sans action sur les denres conserver

tre dun cot peu lev et dun approvisionnement facile

fuites faciles dtecter et localiser par mthode visuelle

Il faut bien comprendre quaucun des fluides utiliss ne possde lensemble de ces qualits.

Le tableau 2.2 donne un exemple de caractrisation dun fluide frigorigne.

24

Tableau 2.2 : Caractristiques du fluide frigorigne R22.

Exemple du R22 Nom du fluide R22 Famille HCFC (hydrochlorofluoroacarbone) Formule chimique CHF2Cl Couleur Incolore Odeur Trs lgrement thre Temprature critique 96C Pression critique 49.8 bar Temprature dbullition la pression atmosphrique

-40.9C

Solubilit de leau dans le produit 0.13% en masse Potentiel dappauvrissement de la couche dozone

0.05

Potentiel deffet de serre global 100 ans

1 700

Informations toxicologiques Non nocif par inhalation

Dcomposition thermique haute temprature en produits toxiques et corrosifs

Gelures possibles par projection du gaz liqufi Prcautions individuelles Eviter le contact avec la peau (gants), les yeux (lunettes)

Ne pas fumer Manipulation et stockage Eviter le contact avec les flammes

Tenir lcart de la chaleur

Stocker dans un endroit frais et ventil Informations rglementaires Substance classe non dangereuse

Fluide non inflammable et non toxique

Groupe de scurit A1 (A : faiblement toxique 1 : pas de propagation de flamme 18C et 101300 Pa)

Dtection de fuites Lampe halode

Mousse savon

Dtecteur lectronique adapt Prcautions ncessaires au montage et la mise en service

Propret pousse lors du montage

Utiliser des raccords brass

Effectuer les brassages sous atmosphre neutre

Effectuer un tirage au vide pouss : infrieur 30 Pa

Utiliser un lubrifiant minral ou de synthse Domaines dapplications Conditionnement dair rsidentiel, commercial et industriel

Refroidisseur de liquide

Installations temprature ngative

25

Courbe de saturation

Table de saturation Voir tableau 2.3 Diagramme enthalpique Voir figure 2.0

Tableau 2.3 : Table de saturation du fluide frigorigne R22.

T(C)

P (bar)

-60

0.375

-59

0.397

-58

0.420

-57

0.444

-56

0.469

-55

0.496

-54

0.523

-53

0.552

-52

0.582

-51

0.613 T(C)

P (bar)

-50

0.645

-49

0.679

-48

0.714

-47

0.751

-46

0.789

-45

0.829

-44

0.870

-43

0.913

-42

0.958

-41

1.00 T(C)

P (bar)

-40

1.05

-39

1.10

-38

1.15

-37

1.21

-36

1.26

-35

1.32

-34

1.38

-33

1.44

-32

1.50

-31

1.57 T(C)

P (bar)

-30

1.64

-29

1.71

-28

1.76

-27

1.86

-26

1.93

-25

2.01

-24

2.10

-23

2.18

-22

2.27

-21

2.36 T(C)

P (bar)

-20

2.45

-19

2.55

-18

2.65

-17

2.75

-16

2.85

-15

2.96

-14

3.07

-13

3.19

-12

3.30

-11

3.42 T(C)

P (bar)

-10

3.55

-9

3.67

-8

3.81

-7

3.94

-6

4.08

-5

4.22

-4

4.36

-3

4.51

-2

4.66

-1

4.82 T(C)

P (bar)

0

4.98

1

5.14

2

5.31

3

5.48

4

5.66

5

5.84

6

6.03

7

6.22

8

6.41

9

6.61 T(C)

P (bar)

10

6.81

11

7.02

12

7.23

13

7.45

14

7.67

15

7.89

16

8.12

17

8.36

18

8.60

19

8.85 T(C)

P (bar)

20

9.10

21

9.36

22

9.62

23

9.89

24

10.2

25

10.4

26

10.7

27

11.0

28

11.3

29

11.6 T(C)

P (bar)

30

11.9

31

12.2

32

12.6

33

12.9

34

13.2

35

13.5

36

13.9

37

14.2

38

14.6

39

15.0 T(C)

P (bar)

40

15.3

41

15.7

42

16.1

43

16.5

44

16.9

45

17.3

46

17.7

47

18.1

48

18.6

49

19.0 T(C)

P (bar)

50

19.4

51

19.9

52

20.3

53

20.8

54

21.3

55

21.8

56

22.2

57

22.7

58

23.2

59

23.8 T(C)

P (bar)

60

24.3

61

24.8

62

25.3

63

25.9

64

26.4

65

27

66

27.6

67

28.2

68

28.7

69

29.3

P (en pression absolue)

26

Figure 2.0 Diagramme enthalpique du R22.

2.2 CLASSIFICATION Les fluides frigorignes obissent une classification qui permet une dsignation prcise de chaque fluide.

Cette classification est effectu sur la base de critres diffrents suivant la famille ou la sous famille de fluides considrs.

Les fluides frigorignes sont divises en deux grandes familles que sont :

les composs inorganiques

les composs organiques

2.2.1 Les composs inorganiques

Les fluides de cette famille sont ceux de la srie 700.

Le fluide le plus utilis de cette famille est lammoniac (NH3) et il est dsign par R717

R dsigne Rfrigrant

Le 7 des centaines dsigne la srie 700

Le 17 reprsentant les deux derniers chiffres dsigne la masse molaire du corps (14 pour lazote N et 3 pour lhydrogne H

27

Autres exemples de composs inorganiques :

leau (H20) : R718

le dioxyde de carbone (CO2) : R744

2.2.2 Les composs organiques

Les composs organiques sont des drivs du mthane (CH4) et de lthane (C2H6).

Ils se divisent en trois sous familles :

les corps purs

les mlanges (de corps purs)

les hydrocarbures

2.2.2.1 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

La caractristique principale dun corps pur est quil se condense et svapore temprature et pression constante.

Les molcules des CFC sont compltement halognes.

Ceux des HFC ne contiennent aucun atome de chlore.

Quant aux molcules des HCFC, ils contiennent du chlore non compltement halogn; autrement dit certains atomes de chlore ont t remplacs par des atomes dhydrogne.

28

Leur dsignation est base sur la rgle suivante :

R : Rfrigrant

Chiffre des units u : nombre datomes de fluor

Chiffre des dizaines d : nombre datomes dhydrogne + 1

Chiffre des centaines c : nombre datomes de carbones 1

La valence du carbone tant de 4, la molcule sera complte par des atomes de chlore si ncessaire.

Les lettres minuscules en fin de numrotation dsigne une asymtrie plus (b) ou moins (a) de la molcule.

Le tableau 2.4 est une illustration de la dsignation des corps purs.

Tableau 2.4 : Exemples de dsignation des corps purs R12 R22 R134a.

Dsignation Chiffres des units

Chiffres des dizaines

Chiffres des centaines

Nombre datomes de

chlore

Formule chimique

R12 2

2 fluor

1

0 hydrogne

0

1 carbone

2 chlore CCl2F2

R22 2

2 fluor

2

1 hydrogne

0

1 carbone

1 chlore CHClF2

R134a 2

2 fluor

3

2 hydrogne

1

2 carbone

0 chlore CH2FCF3

A partir de la formule chimique des fluides frigorignes ci-dessus, les dnominations de ces fluides sont les suivantes :

le Dichlorodifluoromthane (CCl2F2) pour le R12

le Monochlorodifluoromthane (CHClF2) pour le R22

le Ttrafluorothane (CH2FCF3) pour le R134a

Ces appellations ne sont pratiquement pas utilises en froid.

2.2.2.2 Les mlanges

Les mlanges de corps purs se regroupent en deux sous groupes que sont :

les mlanges azotropiques qui se comportent comme des corps purs

les mlanges zotropiques qui ne sont pas des corps purs

Les mlanges azotropiques sont les fluides frigorignes de la srie 500.

29

Les deux derniers chiffres indiquent le numro dordre dapparition du fluide considr.

Exemple : le R502 (mlange de 48.8% de R22 et de 51.2% de R115)

Les mlanges zotropiques sont les fluides frigorignes de la srie 400.

Les deux derniers chiffres indiquent le numro dordre dapparition du fluide considr.

Exemple : le R404A (mlange de 52% de R143a, de 44% de R125 et de 4% de R134a)

Dans le cas de mlanges de corps purs identiques mais dans des proportions diffrentes (isotopes), on associe une lettre majuscule (A,B,C) en fin de numrotation dans lordre chronologique dapparition.

Exemple : R407A, R407B, R407C

R407A (mlange de 20% de R32, de 40% de R125 et de 40% de R134a)

R407B (mlange de 10% de R32, de 70% de R125 et de 20% de R134a)

R407C (mlange de 23% de R32, de 25% de R125 et de 52% de R134a)

Les mlanges zotropiques se vaporisent et se condensent non pas une temprature constante mais sur une plage de tempratures (glissement dans les zones de changement dtat).

30

2.2.2.3 Les hydrocarbures

Les fluides frigorignes du type hydrocarbure proviennent essentiellement du raffinage du ptrole mais galement du dgazolinage (rcupration des hydrocarbures liquides) du gaz naturel.

Ce sont essentiellement le R600 (butane), le R600a (isobutane) et le R290 (propane) qui est le plus utilis.

Contrairement aux autres fluides frigorignes, les hydrocarbures sont hautement inflammables.

Dans certaines classifications, les fluides frigorignes du type HC (hydrocarbures) sont regroups avec les fluides de la srie 700 comme le R717 (ammoniac), le R718 (eau) ou le R744 (dioxyde de carbone) sous la famille des fluides dits naturels , les autres fluides tant regroups dans la famille des fluides dits de synthse.

2.3 IMPACTS ENVIRONNEMENTAUX Les impacts environnementaux lis aux fluides frigorignes reposent sur deux phnomnes :

la destruction de la couche dozone

le rchauffement de la plante

2.3.1 Destruction de la couche dozone

Lozone est une forme doxygne constitue de trois atomes au lieu de deux. Cest un gaz instable et il est particulirement vulnrable aux attaques des composs naturels contenant de lhydrogne, de lazote et du chlore.

Lozone situ dans la stratosphre (rgion situe entre 11 et 48 km au dessus de la surface de la terre) est aussi indispensable la vie que loxygne.

Il forme en effet un bouclier certes dune extrme minceur mais dune remarquable efficacit car il parvient filtrer la quasi totalit de tous les rayons ultra-violets nuisibles du soleil (absorption de la plupart des rayons UV B).

La formation et la destruction de la couche dozone est un processus cyclique et naturel suivant les ractions suivantes :

UV + O3 O2 + O (Destruction de la couche dozone) UV: ultra-violets O3 : ozone

O2 + O O3 (Formation Ozone)

Cependant cet quilibre est rompu par leffet nfaste de certains fluides frigorignes qui rejets dans latmosphre (molcules contenant du chlore) vont dtruire les molcules dozone et par consquent endommagera la couche dozone avec comme consquence une augmentation des rayons UV B arrivant la surface de la Terre.

31

En effet, les UV agissent sur les molcules de certains fluides (principalement les CFC et dans une moindre mesure les HCFC) pour librer les atomes de chlore et ce sont ces atomes qui vont ragir avec lozone pour la dtruire suivant une raction en chane :

Cas du CFC R12 (CF2Cl2)

UV + CF2Cl2 Cl + CF2Cl+ O

(libration atome de chlore du CFC R12)

Cl + O3 ClO + O2

(Raction du chlore libr avec lOzone : Destruction Ozone)

Cl + O Cl + O2

(Raction du ClO avec O et libration dun atome de chlore nouveau...)

Figure 2.2 : Phnomne de la destruction de la couche dozone.

Figure 2.3 : Effet de la destruction de la couche dozone.

Il faut noter que les CFC ont une dure de vie importante dans latmosphre (un demi sicle en moyenne pour le R11, 102 ans en moyenne pour le R12, et 85 ans en moyenne pour le R113), par consquent une fois ces produits rejets, ils influencerons le processus dappauvrissement de la couche dozone pendants maintes annes venir.

Cest pour caractriser la capacit de destruction de la couche dozone par les fluides frigorignes qua t dfini le Potentiel dAction sur la couche dOzone (PAO) ou Ozone Depletion Potential (PAO) avec comme valeur de rfrence le PAO du CFC R11 qui est de 1, ce fluide tant considr comme celui ayant leffet le plus destructeur sur la couche dozone. Un PAO de 0 signifierait que le fluide frigorigne considr na aucun effet sur la destruction de la couche dozone.

Le tableau ci-dessous donne le PAO de quelques fluides frigorignes.

( Voir galement le guide de la bonne pratique )

32

Tableau 2.5 : Valeurs de PAO de quelques fluides frigorignes.

FF R11 R12 R22 R134a R717 R507 R404A R600 Famille CFC CFC HCFC HFC inorganique Azotropique zotropique hydrocarbure PAO 1 0.9 0.05 0 0 0 0 0

Les consquences de la destruction de la couche dozone (augmentation des rayons UV B la surface de la Terre) sont les suivantes :

laugmentation des cancers de la peau

laugmentation des cas de cataractes et autres lsions oculaires

la diminution du systme immunitaire

la baisse des rendements agricoles et la destruction des forts

la dtrioration de la vie maritime.

2.3.2 Rchauffement de la plante

La temprature de la terre est maintenue par un quilibre entre leffet rchauffant manant du rayonnement solaire venant de lespace et leffet refroidissant des rayons infrarouges mis par la surface chaude de lcorce terrestre et latmosphre qui remontent vers lespace.

Le rayonnement solaire sous forme de lumire visible qui atteint la terre se divise en plusieurs parties :

une partie est absorbe par latmosphre

une partie est rflchie par les nuages et le sol (tout particulirement le dsert et la neige)

le reste est absorbe par la surface qui est rchauffe et qui son tour rchauffe latmosphre, la surface rchauffe et latmosphre de la terre mettent des rayons infrarouges (IR) de grandes longueurs donde.

Une partie des rayons IR de grande longueur donde renvoyes est absorbe dans latmosphre par certains gaz ralentissant ainsi les dgagements des rayonnements refroidissant et rchauffant ainsi la surface de la terre, il sagit de leffet de serre qui un phnomne naturel sans lequel la vie sur terre serait invivable avec une temprature moyenne de -18C contre +15C actuellement la surface du globe terrestre.

Les gaz prsents dans latmosphre et qui absorbent une partie de ce rayonnement IR sont appels gaz effet de serre. Il sagit principalement du CO2, de la vapeur deau, du mthane (CH4) et de loxyde nitreux (N2O) et des fluides frigorignes rejets dans latmosphre (principalement les CFC).

33

Cependant, les activits humaines contribuent une concentration importante de ces gaz effet de serre. Ces gaz sont issus pour la plus part de la combustion des carburants fossiles par le secteur industriel, le secteur tertiaire et les transports et des rejets de fluides frigorignes dans latmosphre.

Cette concentration des gaz effet de serre va augmenter le pouvoir dabsorption des rayonnements IR et par suite augmenter la temprature moyenne autour de la surface de la plante : cest le rchauffement de la plante.

Figure 2.4 : Phnomne de

leffet de serre.

Pour caractriser leffet des fluides frigorignes sur le rchauffement de la plante, il a t dfini le Potentiel dAction sur lEffet de Serre (PAES) ou GWP (Global Warning Potential) qui est un index qui compare leffet de rchauffement des diffrents gaz au fil du temps par rapport des missions quivalentes de CO2 (exprim en masse).

Etant donn la dure de vie du CO2 qui est de lordre de 500 ans, il est dfini plusieurs GWP en fonction de la dure dintgration en annes (10, 20, 50, 100, 200, 500) mais en pratique il est adopt le GWP pour une dure dintgration de 100 ans : GWP100

Par consquent le GWP100du CO2 (dioxyde de carbone R744) est de 1.

Le tableau suivant donne le GWP100 de quelques fluides frigorignes.

Tableau 2.6 : Valeurs de GWP100 de quelques fluides frigorignes.

FF R11 R12 R22 R134a R717 R507 R404A R600 Famille CFC CFC HCFC HFC inorganique Azotropique zotropique hydrocarbure GWP100

3500 7300 1500 1200

34

2.3.3 Caractrisation des impacts environnementaux

De nos jours, deux proprits des fluides frigorignes font lobjet dune attention particulire, il sagit :

du potentiel dapprauvissement de la couche dozone (PAO) ou ODP (Ozone Depletion Potential)

du potentiel daction global sur leffet de serre 100 ans (PAES100) ou GWP100 (Global Warning Potential)

En effet, des tudes de laboratoire avaient confirm les constations faites en 1972/1974 sur la diminution de la couche dozone protgeant la Terre des rayonnements ultra-violets dangereux pour notre environnement et qui impliquaient les CFC (Chlorofluorocarbone) et les BrFC (Bromofluorocarbone) ex : R13B1, R12B1 appels aussi Hallon 1301 et 1211 lorsquils sont utiliss comme agents dextinction.

Le Protocole de Montral de 1987 fait suite la Convention de Vienne de 1985 par laquelle 189 pays se sont engags prendre des mesures appropries pour protger la sant humaine et lenvironnement contre les effets nfastes rsultant ou susceptibles de rsulter des activits humaines qui modifient ou sont susceptibles de modifier la couche d'ozone."

Ce protocole prvoyait linterdiction des CFC dans lindustrie frigorifique en rglementant lutilisation de fluides de transition que sont les HCFC (hydrochlorofluorocarbone), lobjectif terme tant lutilisation de fluides sans action sur la couche dozone parmi lesquels sont classs les HFC (hydrofluorocarbone).

Ce protocole a fait lobjet de plusieurs amendements soumis la ratification des diffrentes Parties la Convention de Vienne.

La chronologie des accords successifs est la suivante :

Accord Date signature Date entre en vigueur Convention de Vienne 22 mars 1985 22 septembre 1988 Protocole de Montral 16 septembre 1987 1 janvier 1989 Amendement de Londres 29 juin 1990 10 aot 1992 Amendement de Copenhague 25 novembre 1992 14 juin 1994 Amendement de Montral 17 septembre 1997 10 novembre 1999 Amendement de Pkin 3 dcembre 1999 25 fvrier 2002

La rglementaire communautaire (europenne) en la matire stipule :

pour les CFC : larrt de la production depuis 1994, linterdiction de leur commercialisation et de leur utilisation depuis 1999 et une drogation pour la maintenance jusquen 2000

pour les HCFC : linterdiction de lutilisation dans les quipements neufs (depuis 1996 pour les rfrigrateurs, conglateurs, vhicules de transport,t depuis 1998 dans les trains, depuis 2001 dans tous les quipements frigorifiques et de climatisation sauf les pompes chaleur rversibles), linterdiction de lutilisation en maintenance partir de 2015

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Le protocole de Montral prvoyait pour les pays en dveloppement un dlai de grce de 10 ans pour lapplication des mesures prises avec lassurance dun soutien technique.

Il a t galement dmontr que lutilisation des fluides frigorignes pouvait avoir une incidence sur le rchauffement terrestre (effet de serre).

Les rencontres internationales en commenant par la convention de RIO en 1992 taient focaliser sur le problme du rchauffement de la plante avec comme principale recommandation pour les pays dvelopps : ramener leur missions de gaz effet de serre leur niveau de 1990.

Le sommet de la Terre RIO marquait la prise de conscience internationale du risque de changement climatique de la plante.

Par la suite, les rencontres suivantes (Berlin en avril 1995, Genve en juillet en 1995 et surtout Kyoto en 1997) se sont galement penches sur cette problmatique.

Le protocole de Kyoto a t sign en dcembre 1997 au Japon par environ 180 pays.

Dans ce Protocole, 38 pays industrialiss s'obligent abaisser leurs missions de gaz effet de serre entre 2008 et 2012 des niveaux infrieurs de 5,2 % ceux de 1990.

Le Protocole de Kyoto traduisit en engagements quantitatifs juridiquement contraignants la volont de stabilisation des missions des gaz effet de serre.

Les gaz effet de serre concerns sont :

le gaz carbonique ou dioxyde de carbone (CO2) provenant essentiellement de la combustion des nergies fossiles et de la dforestation,

le mthane (CH4) qui a pour origine principale l'levage des ruminants, la culture du riz, les dcharges d'ordures mnagres, les exploitations ptrolires et gazires,

les halo carbures (CFC, HCFC, HFC et PFC PerFluoroCarbure ) sont les gaz rfrigrants utiliss dans les systmes de climatisation et la production de froid, les gaz propulseurs des arosols,

le protoxyde d'azote ou oxyde nitreux ( N2O) provient de l'utilisation des engrais azots et de certains procds chimiques,

l'hexafluorure de soufre (SF6) utilis par exemple dans les transformateurs lectriques.

Les engagements souscrits par les pays dvelopps tant ambitieux et pour faciliter leur ralisation, le protocole de Kyoto prvoit, pour ces pays, la possibilit de recourir des mcanismes dits " de flexibilit " en complment des politiques et mesures qu'ils devront mettre en uvre au plan national. Ces mcanismes sont au nombre de trois :

les " permis d'mission ", cette disposition permet de vendre ou d'acheter des droits mettre entre pays industrialiss ;

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la " mise en uvre conjointe " (MOC) qui permet, entre pays dvelopps de procder des investissements visant rduire les missions de gaz effet de serre en dehors de leur territoire national et de bnficier des crdits d'mission gnrs par les rductions ainsi obtenues ;

le " mcanisme de dveloppement propre " (MDP), proche du dispositif prcdent, la diffrence que les investissements sont effectus par un pays dvelopp dans un pays en dveloppement.

La ratification officielle du Protocole de Kyoto est intervenue le 16 juillet 2005.

2.3.4 Rcupration des fluides frigorignes

Les enjeux environnementaux des fluides frigorignes ont conduit lintroduction de nouvelles techniques qui sont entre autres la rcupration des fluides frigorignes.

Le Protocole de Montral introduisait dj des recommandations pour la rcupration de certains fluides frigorignes (CFC en particulier) et quelques pays (surtout les pays dvelopps) ont introduit une rglementation en la matire.

En France par exemple, le Dcret ministriel n92-1271 du 07/12/92 modifi par le dcret du 30/06/98 rend obligatoire la rcupration des CFC, HCFC et mme des HFC lorsque linstallation contient une charge en fluide de plus de 2 kg.

Il existe une terminologie pour prciser les oprations lies la rcupration des fluides frigorignes (frigorigne rcupr, rcupration, recyclage, rgnration).

2.3.4.1 Frigorigne rcupr

Il sagit dun frigorigne ayant t rcupr dun systme frigorifique des fins dentreposage, de recyclage, de rgnration ou de transport.

2.3.4.2 Rcupration

Cest lopration qui consiste rcuprer le fluide frigorigne contenu dans un systme frigorifique pour le stocker dans un cylindre prvu cet effet en vue de son remploi ou de sa destruction.

2.3.4.3 Recyclage

Cest lopration qui consiste rduire les polluants prsents dans le fluide frigorigne rcupr par une sparation de lhuile, lextraction des incondensables et par lusage de filtres dshydrateurs qui rduisent lhumidit, lacidit et les particules.

Le terme de Filtration conviendrait bien la dfinition ci-dessus, le terme Recyclage tant traduit de langlais Recycling qui signifie recycler et qui introduit une notion de transformation du produit.

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2.3.4.4 Rgnration

Cest lopration qui consiste au traitement du fluide frigorigne usag en vue de le rendre conforme aux spcifications dun fluide frigorigne neuf par des mthodes qui peuvent comprendre un processus de distillation.

Ce cycle extrmement complet et obtenu par diffrents procds industriels ne peut tre effectu que par les producteurs de fluides ou leurs mandants.

Un contrle rigoureux permet de remettre le produit aux normes de commercialisation avec toutes les garanties dy attachant.

( Voir galement le guide de la bonne pratique )

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2.3.5 Les contaminants des fluides frigorignes

Le fluide frigorigne circule travers le circuit frigorifique qui est compos de tuyauteries et dorganes (principaux, annexes) qui doit tre tanche cest dire sans possibilit pour le fluide frigorigne de schapper ou sans possibilit aux constituants de lambiance (air, vapeur deau, poussires) dy pntrer.

Pour viter les contaminants, la premire opration est de sassurer de ltanchit du circuit frigorifique.

Cette vrification est obtenue par le test dtanchit (cf page). Il sagit dune opration effectue avant la mise en route dun nouveau systme frigorifique ou dun systme ayant subi une rparation ou une maintenance.

Aprs ce test, il faut effectuer le vide du systme frigorifique, ce test permet de sassurer de labsence de contaminants (air, azote utilis pour le test dtanchit) dans le circuit

Les principaux contaminants des fluides frigorignes (FF) sont lair et leau (plus prcisment la vapeur deau).

Les principales sources de contamination sont les suivantes :

les fausses manuvres (mauvais serrage ou mauvais brasage)

le vide insuffisant (prsence dair et dazote aprs le test dtanchit), la mise au vide permet dvacuer les gaz et la vapeur deau contenus dans le circuit frigorifique

le mauvais fonctionnement du systme frigorifique (par exemple lorsque la pression dans une partie du circuit frigorifique est infrieure la pression de lambiance pression atmosphrique)

Les principales consquences de la prsence de ces contaminants sont les suivants :

la corrosion pouvant entraner des ractions chimiques nfastes

la formation doxydes de fer et de cuivre (oxydation) qui peuvent se dtachs et se dposer dans le circuit frigorifique, ce qui peut obstruer le passage du FF travers certains organes

la formation de cristaux de glace (givre) certains points du circuit frigorifique, notamment au niveau du dtendeur

la dcomposition de lhuile en boue ou cire

le phnomne dacidification dgradant lhuile et le FF et pouvant attaquer les enroulements du moteur lectrique du compresseur.

2.3.6 Choix dun fluide frigorigne

Le choix dun fluide frigorigne repose sur les critres suivants :

les proprits thermo physiques du fluide frigorigne

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les conditions dutilisation (applications) du fluide frigorigne

le critre conomique et la disponibilit du fluide frigorigne

le critre de rglementation (normes, recommandations, impacts environnementaux)

En rsum, le choix dun fluide frigorigne est bas sur des considrations technico-conomiques.

Il ne faut pas perdre de vue que ce choix doit se faire lachat ou la commande du matriel car lopration de conversion (changement de fluide frigorigne dun systme frigorifique existant) est souvent onreuse (changement de certains organes, changement de lhuile du systme, opration de rcupration du fluide changer, achat du nouveau fluide, mise en route du systme reconverti) et les performances techniques du systme reconverti ne sont pas toujours garanties.

2.4 Les huiles frigorifiques.

La lubrification est un des facteurs principaux du bon fonctionnement d'une installation frigorifique. Le choix d'un lubrifiant est spcifique un compresseur pour une application donne. Dterminer le lubrifiant adapt est essentiel pour la performance et la longvit d'une installation frigorifique. Dans l'industrie frigorifique, il existe plusieurs familles d'huiles dont l'utilisation avec les diffrents types de fluides frigorignes est synthtise ci-dessous. Familles Origines Sous-familles

Types de fluides frigorignes

Minrales Naturelles, issues de la distillation du ptrole brut.

- naphtnique -paraffiniques selon la nature et la provenance du ptrole.

CFC,HCFC,NH3

Semi-synthtiques Mlanges d'huiles minrales et synthtiques.

CFC,HCFC,NH3

Synthtiques chimiques

- alkylbenznes (AB) CFC,HCFC,NH3

- hydrocarbures : polyalphaolfines (PAO)...

CFC,HCFC,NH3

- poly glycols: polyalkylneglycols (PAG)

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- R-134a en climatisation automobile - NH3 dans quelques cas pour certains compressoristes

esters: polyol esters (POE)

HFC

LES FAMILLES DE LUBRIFIANTS POUR SYSTEMES FRIGORIFIQUES :

Les huiles minrales : Les huiles minrales pour la lubrification des compresseurs frigorifiques sont des mlanges d'hydrocarbures sans cire spcifiquement slectionns pour leur trs bonne fluidit basse temprature. Les huiles minrales sont les produits traditionnellement utiliss pour la lubrification des compresseurs frigorifiques. Elles sont adaptes pour l'utilisation avec des fluides frigorignes CFC, HCFC, et l'ammoniac.

Les huiles synthtiques : Les huiles synthtiques sont des polymres de monomres chimiques spcifiques tel que les esters ou les glycols. Les premires huiles synthtiques ont t dveloppes pour les HCFC (alkyl benzne et poly alphaolfines). Avec l'introduction : -des nouveaux fluides - les HFC - le besoin de nouveaux types d'huiles est apparu, la raison principale tant la non miscibilit des huiles minrales avec les HFC, ce qui ne favorise pas le retour d'huile dans les systmes.

Les huiles alkyl benznes : Ce sont les premires huiles synthtiques qui ont t utilises dans l'industrie de la rfrigration. Elles ont une excellente stabilit thermique et chimique (moins de dcomposition d'huile haute temprature) et une excellente miscibilit basse temprature. Les huiles alkyl benznes sont recommandes pour les fluides de type R-22 et mlanges de HCFC. Elles sont compatibles avec les huiles minrales traditionnelles. En cas de mauvais fonctionnement avec les huiles minrales, les huiles alkyl benznes peuvent avantageusement remplacer l'huile d'origine.

Les huiles poly alphaolfines : Les huiles poly alphaolfines - ou PAO - peuvent tre dcrites comme des "huiles minrales synthtiques" car elles ont la mme structure chimique que les huiles minrales traditionnel les mais ce sont des produits fabriqus partir de monomres. Les huiles PAO ont des points d'coulement trs bas et une excellente stabilit thermique, ce qui permet de les utiliser dans des systmes au R-22 ou l'ammoniac fonctionnant dans des conditions extrmes.

Les huiles polyalkylneglycols : Les huiles polyalkylneglycols - mieux connues sous l'abrviation PAG - ont t les premi res huiles dveloppes pour l'utilisation des fluides HFC. Elles ont donc une bonne miscibili t avec ces produits. En- revanche, elles sont trs hygroscopiques. Du fait de leur tendance absorber de l'eau et de leur raction en prsence de cuivre, les huiles

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PAG sont essentiellement utilises dans les systmes de climatisation automobile fonctionnant au R-134a, car les constructeurs ont limin les mtaux cuivreux. Grce leur bonne miscibilit avec l'ammoniac, les PAG pourraient tre utilises dans les systmes contenant ce fluide.

Les huiles polyol esters : Les huiles polyol esters - ou POE - sont la deuxime gnration d'huiles avoir t dveloppe pour les HFC. Il s'agit d'excellents lubrifiants, moins hygroscopiques que les PAG et beaucoup plus stables chimiquement que les PAG en prsence d'eau. Les POE sont les huiles ddies aux HFC dans toutes les applications de rfrigration et conditionnement d'air l'exception de la climatisation automobile qui utilise principalement les PAG.

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3.1 GENERALITES La machine frigorifique compression de vapeur est compose de 4 organes principaux que sont :

le compresseur

le condenseur

le dtendeur

lvaporateur

Le fluide frigorigne dcrit un cycle ferm en quatre phases travers le circuit constitu des organes principaux :

la compression du fluide gazeux

la condensation du fluide gazeux

la dtente du fluide liquide

la vaporisation du fluide liquide (production du froid)

Figure 3.0 : Schma de base dune machine frigorifique.

Le compresseur aspire le fluide frigorigne gazeux ( bas niveau de temprature et de pression) issu de lvaporateur, le comprime un niveau plus haut de temprature et de pression puis le refoule vers le condenseur

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Figure 3.1 : Vues de compresseur hermtique.

Le condenseur est un changeur de chaleur qui va permettre lvacuation de la chaleur contenue dans le fluide frigorigne gazeux issu du compresseur en le liqufiant. Cette condensation (liqufaction) est obtenue par le refroidissement du fluide frigorigne gazeux pression constante par un mdium qui peut tre de leau ou de lair.

Cette vacuation de chaleur seffectue en trois tapes :

la dsurchauffe des vapeurs de fluide frigorigne (vacuation par chaleur sensible tronon AB)

la condensation des vapeurs (vacuation par chaleur latente tape principale tronon BC)

le sous refroidissement du fluide frigorigne liquide (vacuation par chaleur sensible tronon CD)

Figure 3.2 : Condenseur air.

Le dtendeur permet de rduire la pression du fluide frigorigne liquide (cration de pertes de charge) issu du condenseur avant son introduction dans lvaporateur dans le but de permettre sa vaporisation basse temprature dans lvaporateur.

Il rgule aussi la quantit de fluide frigorigne liquide arrivant l'vaporateur en fonction des besoins de "froid" (uniquement pour les dtendeurs thermostatiques).

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Pour les dtendeur du type capillaire (tubes capillaire), le dbit du fluide frigorigne arrivant dans lvaporateur est fonction du diamtre intrieur (de 0.6 1.5 mm) et de la longueur (de 1.80 3.50 m) du tube ainsi que de la diffrence de pression entre le condenseur et lvaporateur.

Figure 3.3 : Dtendeur type capillaire.

Lvaporateur est un changeur de chaleur dans lequel le fluide frigorigne liquide bas niveau de temprature et de pression va absorber la chaleur du milieu refroidir (air ou eau) pression constante devenant ainsi gazeux.

Cette absorption de chaleur seffectue en deux tapes :

lvaporation du fluide frigorigne liquide (aspiration de chaleur latente tape principale tronon AB)

la surchauffe des vapeurs issues de lvaporation du fluide frigorigne liquide (aspiration de chaleur sensible tronon BC)

Figure 3.4 : Evaporateur.

Ce fluide frigorigne gazeux est nouveau absorb par le compresseur et le cycle reprend.

3.2 LES COMPRESSEURS 3.2.1 Technologie des compresseurs

Il existe deux grands types de compresseurs vapeur :

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les compresseurs volumtriques dans lesquels la compression des vapeurs est obtenue par la rduction du volume intrieur dune chambre de compression, cest le type de compresseur le plus rpandu sur les installations frigorifiques.

les compresseurs centrifuges aussi appels turbocompresseurs dans lesquels la compression rsulte de la force centrifuge obtenue par entranement dynamique au moyen dune roue aubes, cest un type de compresseurs destin des applications spcifiques et utiliss pour de grandes puissances (groupes frigorifiques de grande puissance en gnie climatique par exemple).

3.2.2 Les compresseurs volumtriques

Il existe plusieurs types de compresseurs volumtriques et la classification retenue permet de distinguer :

les compresseurs pistons dont le plus connu est le compresseur pistons alternatif cest le type de compresseur le plus rpandu ; la compression des vapeurs est obtenue par le dplacement dun ou de plusieurs pistons dans une capacit donne (cylindre); il faut galement signaler les compresseurs pistons axial (compresseurs plateau oscillant) rencontrs surtout dans le domaine de la climatisation automobile

les compresseurs rotatifs aussi appels compresseurs palettes dans lesquels la compression des vapeurs est obtenue par dplacement dun corps cylindrique creux dune masse excentre agissant sur une palette mobile (fig 3.1)

les compresseurs spirales aussi appels compresseurs scroll dans lesquels la compression des vapeurs est obtenue par la rotation dune spirale mobile dans une spirale fixe (fig 3.7)

les compresseurs vis parmi lesquels il faut distinguer les compresseurs mono vis (mono rotor) et les compresseurs double vis (bi rotors)

3.2.3 Les compresseurs centrifuges

Un compresseur centrifuge est une turbomachine qui communique lnergie au fluide frigorigne grce une ou plusieurs roues tournant dans un carter : lnergie cintique rsultant de la force centrifuge est ensuite transforme en pression statique dans un canal section croissante appele volute.

3.2.4 Association Moteur Compresseur

Lorsquon parle de compresseur, on sous entend moto compresseur, le compresseur tant la partie mcanique entrane par un moteur.

Suivant le type de liaison ou dassociation entre les deux parties, on distingue :

les compresseurs hermtiques

les compresseurs ouverts

les compresseurs semi hermtiques ou semi ouverts

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3.2.4.1 Les compresseurs hermtiques

Le moteur lectrique et le compresseur sont enferms dans la mme enveloppe sans possibilit daccs en principe chacune des parties de manire isole, lensemble est support gnralement par ressorts pour viter la transmission des vibrations.

Le compresseur aspire les vapeurs de fluide frigorigne lintrieur de lenveloppe et le refoulement est effectu au travers dune tuyauterie souple brase lenveloppe.

Le moteur lectrique est aliment par des fils relis des bornes tanches.

Ltanchit de ces compresseurs est assure par des joints fixes (passage des fils et des tuyauteries).

Ce type de compresseur est utilise pour les petites puissances (rfrigrateurs, climatiseurs) et les moyennes puissances (refroidisseurs de liquides, armoires de climatisation).

3.2.4.2 Les compresseurs ouverts

Le moteur lectrique et le compresseur sont associs par un organe de liaison qui peut tre un manchon daccouplement ou une ou plusieurs courroies.

Laccs aux diffrents lments du compresseur de mme que ceux du moteur est possible.

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Dans ce type de compresseur, la vitesse de rotation est ajustable et modifiable en changeant la poulie du moteur par exemple, cependant ce type ncessite un joint dtanchit tournant (joint rotatif) la traverse du carter par larbre. Il est utilis pour toutes les puissances.

3.2.4.3 Les compresseurs semi hermtiques ou semi ouverts

Il sagit dun type intermdiaire entre les prcdents types. Le moteur lectrique et le compresseur sont monts sur un arbre commun et sur le mme bti avec la possibilit daccs chaque lment, ce qui fait que ces compresseurs sont galement appels compresseurs hermtiques accessibles . Laccessibilit est ralise par des plaques boulonnes sur le bti. Ce type bnficie des avantages du groupe ouvert (accs au mcanisme) et du groupe hermtique (pas de garniture dtanchit).

Ils sont utiliss pour les moyennes puissances.

Hermtique Ouvert Semi hermtique

Figure 3.5 : Associations moteur compresseur.

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Les compresseurs pistons alternatifs peuvent se retrouver suivant les trois configurations et le tableau 3.0 prcise les applications associes.

Tableau 3.0 : Caractristiques des compresseurs pistons suivant les

diffrentes associations moteur compresseur.

Type Vitesse de rotation (tr/mn)

Volume balaye (m3/h)

Applications Rgulation de puissance

Hermtique 3000 0.6 95 Froid mnager

Froid commercial

Climatisation

Moteur deux vitesses

Semi hermtique 1500 3 180 Froid commercial

Semi industriel

Hors service des cylindres

Ouvert 500 1800 0.81 1700 Froid commercial

Semi industriel

Froid Industriel

Hors service des cylindres

Ouverture force des clapets BP

3.2.5 Comparaison des principales caractristiques des compresseurs

Le tableau ci-dessous permet de faire une comparaison entre les principales caractristiques des diffrents types de compresseurs.

Tableau 3.1 : Caractristiques des diffrents types de compresseurs.

Type Pistons Rotatif Spirales Vis Turbo

Volume balaye (m3/h)

Jusqu 1500 de 350 5600

Faible

de 10 200

de 500 5000

De 800 50000

Vitesse de rotation (tr/mn)

Jusqu 1800 Jusqu 4000 Jusqu 10000

Jusqu 3000 Jusqu 30000

Taux de compression

2 10 5 6 Environ 5 20 30 3.5 4

Applications Mnager

Commercial

Industriel

Commercial

Industriel

Commercial Industriel Industriel

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Figure 3.6 : Cycle de fonctionnement dun compresseur rotatif.

Figure 3.7 : Compresseur spirales scroll .

En a), le mouvement orbital entrane la formation de poches de gaz et au cours du fonctionnement, le mouvement relatif entre la spirale fixe et la spirale mobile dplace ces poches de gaz vers lorifice de refoulement situ au centre de la spirale suprieure. Cette progression est caractrise par une diminution rgulire du volume occupe par le gaz.

En b), Lors de la premire rotation de larbre moteur, o phase dadmission, les parois des deux spirales scartent, permettant ladmission de gaz ;

En c), la fin du premier tour, les parois reviennent en contact formant alors de poches de gaz tanches ;

En d), pendant la deuxime rotation de larbre moteur, ou phase de compression, le volume de poches de gaz est progressivement rduit ; En e), la fin de la seconde rotation, la compression est son niveau maximal ;

En g) la fin de ce troisime tour, tous les gaz comprims ont t vacus, le volume de la troisime poche de gaz est donc nul.

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Figure 3.8 : Compresseur mono-vis. Figure 3.9 : Compresseur bi-vis.

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une roue

deux roues

Figure 3.10 : Compresseurs centrifuges turbo .

3.3 COMPRESSEUR A PISTONS HERMETIQUE 3.3.1 Principe de fonctionnement

Ce compresseur a t pendant longtemps le type le plus utilis et le plus rpandu dans le domaine du froid mnager, du froid commercial et du froid industriel.

Il reste le type le plus rencontr sur les installations frigorifiques de nos jours.

Le compresseur pistons est un convertisseur dnergie qui permet de transfrer lnergie mcanique produite par le moteur lectrique (moteur dentranement) au fluide frigorigne suivant les deux tapes suivantes :

transfert de lnergie mcanique du moteur dentranement aux pistons (mcanisme de transformation du mouvement rotatif en mouvement alternatif, systme dentranement des pistons, dispositifs comme le carter, la garniture dtanchit, le dispositif de lubrification et du dispositif dentranement)

transfert de lnergie des pistons au fluide frigorigne (le fluide frigorigne est aspir, comprim et refoul ; les pices en jeu sont bien sr les pistons mais galement les segments, les cylindres, les soupapes ou clapets et les canaux dadmission et dchappement)

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Figure 3.11 : Vues clates du compresseur avec le moteur lectrique.

Le piston dun compresseur volue entre le point mort haut (PMH) et le point mort bas (PMB) suivant le cycle ci-dessous (cycle correspondant un tour de larbre - vilebrequin) :

le piston tant au PMH, le clapet daspiration va souvrir (en effet le clapet daspiration souvre ds la course descendante du piston sous leffet de la pression de la chambre daspiration qui devient suprieure la pression rgnant dans le cylindre), laspiration par le clapet daspiration des vapeurs de fluide frigorigne provenant de lvaporateur sopre alors au fur et mesure que le piston continue descendre, pendant cette phase, le clapet de refoulement est ferm

lorsque le piston atteint le PMB, le cylindre est rempli de vapeurs la pression dvaporation (Po), le clapet de refoulement reste ferm et le clapet daspiration se ferme (ou va se fermer trs rapidement); en effet lorsque le piston va commencer remonter, la pression dans le cylindre augmente et lorsquelle devient lgrement suprieure la pression rgnant dans la chambre daspiration, le clapet daspiration va se fermer

partant du PMB, le piston remonte, le volume intrieur contenant les vapeurs se rduit permettant dobtenir la compression de ces vapeurs et lorsque la pression devient lgrement suprieure la pression Pc (pression rgnant dans la chambre de refoulement), le clapet de refoulement souvre et le refoulement des vapeurs sopre jusqu ce que le piston atteigne le PMH

le piston ayant atteint le PMH, les vapeurs de fluide frigorigne viennent dtre refoules vers le condenseur, dans lespace mort ou espace nuisible (espace entre le haut du piston en PMH et le haut du cylindre) les vapeurs sont enfermes la pression Pc, le clapet daspiration est ferme et le clapet de refoulement se ferme (ou va se fermer trs rapidement) ; en effet partir du PMH, le piston va commencer redescendre, la pression dans le cylindre va diminuer ce qui va permettre au clapet de refoulement de se refermer (assez rapidement) lorsque la pression dans la chambre de refoulement va tre suprieure pression rgnant dans le cylindre.

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Figure 3.12 : Cycles de fonctionnement du compresseur piston.

3.3.2 Dispositifs de transfert dnergie

3.3.2.1 Arbre excentrique et arbre vilebrequin

Ce dispositif permet de transmettre lnergie fournie par le moteur dentranement (lectrique) en transformant le mouvement rotatif en mouvement alternatif.

Larbre excentrique est gnralement utilis pour les compresseurs de faible puissance (compresseurs hermtiques et semi hermtiques). Sa fabrication est plus simple que larbre vilebrequin et il permet la mise en place de bielles tte ferme.

Larbre vilebrequin est un arbre avec deux paliers principaux (avec quelques fois des paliers intermdiaires) ses extrmits qui tourne sur des paliers gnralement lisses quelques fois billes ou rouleaux.

Il comporte trois parties :

les tourillons avant , arrire et quelques fois intermdiaires, ils sont lisses et soigneusement usins pour tre positionnes dans les paliers

les manetons qui sont le support des bielles, les ttes de bielles sont fixes sur les manetons soit directement soit en interposant des soies.

Les contrepoids sont des masses soigneusement calculs et judicieusement positionnes pour quilibrer les forces rsultantes du mouvement de lensemble mcanique constitu du vilebrequin et des bielles.

Les arbres vilebrequins sont gnralement fors de canaux qui transportent lhuile de graissage vers les paliers, les manetons et la garniture dtanchit.

La partie de larbre lextrieur du carter est conique et comporte une clavette pour la mise en place dun volant ou dun dispositif daccouplement lastique (compresseurs ouverts), lautre extrmit comporte le logement du systme dentranement de la pompe huile.

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Bornes lectriques

Pipes dadmission

Bobinage Stator

Rotor

Piston

Jeu de clapet

Rchauffeur dhuile Refoulement HP

Bornes lectriques tanches

Refoulement vapeur HP

Aspiration vapeur BP

Bobinage Bouteille anti-coup de liquide

rotor

Clapet de refoulement

palette

stator

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3.3.2.2 Les bielles

Elles assurent la transmission de lnergie du vilebrequin aux pistons, elles doivent tre rsistantes et lgres (aluminium coul ou alliage daluminium).

Il existe les bielles tte ferme pour les arbres excentriques et les bielles tte ouverte.

Les bielles tte ferme renferment les deux lments dun coussinet mince ralis en acier recouvert de cuivre et de mtal antifriction.

3.3.2.3 La garniture dtanchit

Il sagit dun organe spcifique aux compresseurs ouverts et dont le rle est de permettre la rotation de larbre tout en assurant ltanchit entre le carter (contenant le fluide frigorigne et lhuile frigorifique) et latmosphre et ce quelque soit la pression rgnant dans le carter (suprieure et infrieure la pression atmosphrique).

Elle doit tre abondamment lubrifie.

3.3.2.4 Le carter

Il renferme et supporte le dispositif dentranement des pistons, il reoit et renferme les cylindres et les chapeaux des cylindres.

La partie infrieure forme la rserve dhuile et permet laccs aux diffrents composantes pour les visites dentretien et de rparation (compresseurs semi hermtiques et ouverts).

Le carter doit tre tanche et pour la majorit des compresseurs de type industriel il est ralis en fonte fine. Les carters sont prouvs hydrauliquement. La pression rgnant dans le carter est la pression daspiration grce des orifices dquilibrage.

3.3.2.5 Les dispositifs de lubrification

Les compresseurs doivent tre lubrifis des points prcis tels que les paliers, les ttes de bielle, les pieds de bielle, les cylindres et la garniture dtanchit.

Lhuile assure la lubrification des pices en mouvement de mme quelle contribue au refroidissement (vacuation de la chaleur due aux frottements) et participe ltanchit du systme. On distingue la lubrification avec ou sans pompe huile.

Lubrification sans pompe huile

Lubrification par barbotage

Les ttes de bielle plongent dans lhuile et la projette lintrieur du carter lors des remontes. Cette technique convient pour des petits compresseurs dont la vitesse de rotation ne dpasse pas 800 tr/mn. Pour des vitesses suprieures, on constate la formation dmulsion dhuile forme par lagitation cre par les ttes de bielle.

Lubrification des compresseurs hermtiques

Les compresseurs hermtiques disposent dun dispositif de lubrification sans barbotage des ttes de bielle, ni pompe huile.

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Larbre creux muni dune rainure hlicodale plonge dans lhuile et cest par la capillarit et sous leffet de la force centrifuge que lhuile remonte le long de larbre et lubrifie les organes essentiels du compresseur (paliers, bielles). En bout darbre, lhuile est finalement projete dans la cloche en fines gouttelettes refroidissant le moteur et retombe ensuite dans le bas de la cloche, ce dispositif est rversible et ne dpend pas du sens de rotation.

Lubrification force par pompe huile

Une pompe huile place en bout darbre assure la lubrification des points essentiels du compresseur. Un circuit classique de lubrification sous pression comporte :

un filtre daspiration lentre du circuit dispos dans lhuile

une pompe huile entrane par larbre vilebrequin

un filtre de refoulement mailles fines (chez certains constructeurs)

un dispositif de rglage de la pression de lubrification

Lhuile retourne ensuite dans le carter de diverses manires (fuites internes des paliers et manetons, fuite permanente de la garniture, raclage des parois internes des cylindres, chambres daspiration, retour de la soupape de dcharge). La pompe huile dlivre une pression suprieure la pression rgnant dans le carter (a peu prs la pression daspiration).

3.3.2.6 Le piston

Le matriau de plus en plus utilis pour la fabrication du piston est laluminium et ses alliages mais la fonte qui tait la matriau utilis depuis fort longtemps est toujours dactualit.

Le piston se dplace dans un cylindre avec un jeu de lordre de 1/1000me de lalsage. Ltanchit au fluide frigorigne est obtenue par lutilisation de segments de compression, quelque fois le piston est quip dun segment racleur dhuile.

Dune manire gnrale, le rapport diamtre sur course est de lordre de 1.3 1.4.

3.3.2.7 Les soupapes ou clapets

Un cylindre est muni dune ou plusieurs soupapes daspiration et de refoulement.

Les soupapes daspiration permettent le passage des vapeurs de fluide frigorigne (FF) de la chambre daspiration vers le cylindre et celles de refoulement le passage des vapeurs comprims dans le cylindre vers la chambre de refoulement.

Le fonctionnement des soupapes est automatique, elles souvrent sous leffet de dpression laspiration et dune surpression au refoulement. Inversement la soupape daspiration se referme lors de la course de compression et la soupape de refoulement se ferme lors de la course daspiration.

Les soupapes doivent prsenter certaines qualits telles que une faible perte de charges, une inertie faible, une bonne tanchit,