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HAL Id: dumas-01835113https://dumas.ccsd.cnrs.fr/dumas-01835113
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Étude expérimentale des mélanges HCsÉmile Semaan
To cite this version:Émile Semaan. Étude expérimentale des mélanges HCs. Thermique [physics.class-ph]. 2015. �dumas-01835113�
CNAM É tude expe rimentale des me langes HCs Mémoire présenté pour l′obtention du diplôme
d′ingénieur
Préparé par
EMILE SEMAAN
Spécialité
ÉNERGÉTIQUE – FROID ET CLIMATISATION
Président du jury
Dr. Christophe Marvillet
Membres Dr.Toni Jabour
Dr.Francois Khoury
2014 – 2015
Remerciements
Avant de commencer la présentation de ce travail, je profite de l’occasion pour remercier toutes les
personnes qui ont contribué de près ou de loin à la réalisation de ce projet de fin d’études.
Je tiens à exprimer mes vifs remerciements pour mon grand et respectueux professeur, Dr.Francois
Khoury d’avoir accepté de m’encadrer pour mon projet de fin d’études, ainsi que pour son soutien,
ses remarques pertinentes et son encouragement.
Au terme de ce travail, je tiens à exprimer ma profonde gratitude et mes sincères remerciements à
mes amis dans le cadre de travail à l’école des arts et métiers, les professeurs M. Antoine Haddad
et M. Degaulle koubayati pour tout le temps qu’ils m’ont consacré, et les conseils précieux qu’ils
m’ont prodigués tout au long de la réalisation de ce projet. Je tiens aussi à remercier vivement le
Dr. Tony Jabbour, le chef de département mécanique et énergétique pour leur direction précieuse
du projet.
J’adresse également mes remerciements au Dr.Christophe Marvillet le président du jury.
Mes remerciements vont aussi à tous mes professeurs, enseignants et famille qui m’ont soutenu et
encourage’ jusqu’au bout, et qui n’ont pas cessé de me donner des conseils très importants en
signe de reconnaissance. Je souhaite enfin à l’institut de l’ISAE, plus de réussite et de
développement pour les futures générations d’étudiants.
Étude expérimentale des réfrigérants et mélanges
d′hydrocarbures pour remplacer le HFC-134a et le R22 dans
l′appareil de climatisation et de réfrigération
CNAM Etude expérimentale des mélanges HCs
Mémoire d’Ingénieur en Énergétique - Emile Semaan 2015 Page 2
SOMMAIRE
Page
Liste des figures…………………………………………………………………………… 4
Liste des tables…………………………………………………………………………….. 6
Abstrait………………………………………………………………………………...…….. 7
1. Introduction ……………………………………………………………………….......... 8
1.1 Effet de CFC et de HFC sur l′environnement ………..……………………….... 8
1.2 Les réfrigérants hydrocarbures ………………….………..……………………... 9
1.3 Utilisation des réfrigérants hydrocarbures sur une échelle globale ………..... 10
2. Etudes expérimentales………………………………………………………………… 12
2.1 Appareil expérimental chargé de HFC-134a …………………………............... 12
2.2 Procédés expérimentaux d′installation et d’essais………………………....... 14
2.3 Outillages et équipements nécessaires……………………………..…............ 15
3. Préparation des mélanges…………………………………………………………….. 17 3.1 Mélange zéotropique……………….……………………………………………... 17
3.2 Démarche à suivre pour la technique de remplissage et de vidange……....... 18
3.2.1 La préparation technique de l′appareil ………………………………….. 19
3.2.2 Les procédés de contrôle et de régulation……………………………….. 21
4. Essais expérimentaux et résultats………………………………………………….. 22
4.1 Le HFC-134a pur …………….……………………………………………………. 22
4.1.1 Calculs………………………………………………………………………... 27
4.1.2 Discussion……………………………………………………………………. 28
4.2 Le propane R290 pur …………….……………………………………………….. 30
4.2.1 Calculs………………………………………………………………………... 31
4.2.2 Discussion……………………………………………………………………. 32
4.3 Mélange de trois d′hydrocarbures ……………………………….………………. 33
4.3.1 Mélange propane/butane/isobutane 70%/25%/5%................................ 33
4.3.2 Mélange propane/butane/isobutane 50%/40%/10%.............................. 34
4.3.3 Calculs………………………………………………………………………... 36
4.3.4 Discussion……………………………………………………………………. 37
4.4 Mélange de deux hydrocarbures…………………………………………………. 40
4.4.1 Mélange propane/butane60%/40%........................................................ 40
4.4.2 Mélange propane/isobutane60%/40%................................................... 41
4.4.3 Calculs………………………………………………………………………... 42
4.4.4 Discussion……………………………………………………………………. 43
CNAM Etude expérimentale des mélanges HCs
Mémoire d’Ingénieur en Énergétique - Emile Semaan 2015 Page 3
Page
4.5 Mélange de deux hydrocarbures avec le HFC-134a…………………………… 46
4.5.1 Mélange propane/isobutane/HFC40%/30%/30%................................... 46
4.5.2 Mélange propane/butane/HFC40%/30%/30%........................................ 47
4.5.3 Calculs……………………………………………………………………… 48
4.5.4 Discussion…………………………………………………………………… 50
5. Etude expérimentale sur l′appareil de climatisation chargé de R22……….…... 53
5.1 Le HCFC-22 pur…………………………………………………………………. 54
5.1.1 Calculs et résultats…………………………………………………………… 55
5.2 Le propane R290 pur …………………………….……………………………… 56
5.2.1 Calculs ……………………………………………………………………… 57
5.2.2 Discussion…………………………………………………………………… 58
6. Les procédures de sécurité ………………………………..………………………… 60
6.1 Limite pratique d′inflammabilité …………………………………….…………… 60
6.2 Les sources d′allumage ………………………………….……………………… 60
6.3 Identification des sources d′allumage potentielles …………….……………….. 60
6.4 Le secteur de remplissage ………………….…………………………………… 62
6.5 Transport et stockage de réfrigérant d′hydrocarbure ………………….……… 63
6.6 Etiquetage des appareils………….……………………………………………… 63
7. Conclusion……………………………………..……………………………….............. 65
8. Références……………………………….………………………………………............ 67
Annexes …………………..….……………………………………………………….......... 68
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Liste des figures
Page
Fig.2.1 - Schéma de l′appareil expérimental d’un réfrigérateur domestique didactique …. 12
Fig.2.2 - Schéma mécanique de l′appareil expérimental……………………………………. 13
Fig.2.3 - Schéma électrique de l′appareil expérimental………………………………………. 14
Fig.3.1 - Effet de glissement de la température dans l′évaporateur ………………………... 17
Fig.3.2 - Phénomène de surchauffe dans l′évaporateur……………………………………… 17
Fig.3.3 - Effet de charger le mélange comme liquide ou gaz……………………………… 18
Fig.3.4 - Mise au vide de la bouteille de récupération………………………………………... 19
Fig.3.5 - Procédure de récupération du R134a du système…………………………………. 19
Fig.3.6 - Récupération du R 134a de l′installation par un appareil spécial de récupération
du Type ITE- MINI-R2………………………………………………………………….. 19
Fig.3.7 - Piquage par soudage OA sur le condenseur partie HP…………………………… 20
Fig.3.8 - Piquage par soudage OA sur l′évaporateur partie BP…………………………….. 20
Fig.3.9 - Changement du déshydrateur R134a par un autre compatible à l′HC ………… 20
Fig.3.10 - Détection de la fuite par la bouteille d’azote ……………………………………… 20
Fig.4.1 - Mesure de l′impureté du R 134a ……………………………………………………… 23
Fig.4.2 - Procédure de vacuum de deux côtés (HP et BP) …………………………………... 24
Fig.4.3 a -Technique de remplissage du R-134a pur …………………………………………. 24
Fig.4.3 b - Relèvement des valeurs de pression et température de Saturation pour une
masse chargée de 50g par point. …………………………………………………… 25
Fig.4.4 - Mesure de la consommation électrique du compresseur chargé du R-134a …… 25
Fig.4.5 - Mesure de l'ampérage pour le R 134a……………………………………………….. 25
Fig.4.6 - Placer le DATTA LOGGER après réglage dans les deux compartiments……….. 26
Fig.4.7 - Relever les profiles de température pour les deux compartiments ………………. 26
Fig.4.8 - Profil de température en forme zigzag pour les deux compartiments……………. 29
Fig.4.9 - Courbe de saturation pour le HFC-134a …………………………………………….. 29
Fig.4.10 - Mesure de l'impureté pour le R 290 pur par l'identifier ID 1000 PRO …………... 30
Fig.4.11 - Remplissage du R290 pur …………………………………………………………… 31
Fig.4.12 - Placer le DATTA LOGGER à l'intérieur des deux compartiments ……………… 31
Fig.4.13 - Profil de température de R290 en forme zigzag pour les deux compartiments… 32
Fig.4.14 - Courbe de saturation pour le propane R290………………………………………. 33
Fig.4.15 - Evacuation du propane vers l'extérieur par un tuyau flexible ……………………. 34
Fig.4.16 - Résultats d′impureté pour les 3 hydrocarbures R 290,R 600 et R600a mesurés
par l'identifier ID 1000 PRO ……………………………………………… 34
Fig.4.17 - Remplissage de l'isobutane dans la bouteille de mélange ………………………. 35
Fig.4.18 - Remplissage du butane dans la bouteille de mélange ………………………… 35
Fig.4.19 - Remplissage du propane dans la bouteille de mélange ………………………….. 35
Fig.4.20 - Remplissage du mélange doit être en phase liquide et avec un tube capillaire... 35
Fig.4.21 - Profil de température du mélange (a) pour les deux compartiments …………... 38
Fig.4.22 - Profil de température du mélange (b) pour les deux compartiments …………… 39
Fig.4.23 - Comparaison entre les différentes courbes de saturation ………………………. 39
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Mémoire d’Ingénieur en Énergétique - Emile Semaan 2015 Page 5
Fig.4.24 - Mesure de l'impureté : a) pour le R 290 pur et b)pour le R600 pur …………….. 41
Fig.4.25 - Remplissage du mélange liquide par un tube capillaire à l′aspiration du
compresseur …………………………………………………………………………… 41
Fig.4.26 - Profil de température du mélange (a) pour les deux compartiments …………… 44
Fig.4.27 - Profil de température du mélange (b) pour les deux compartiments …………… 45
Fig.4.28 - Comparaison entre les différentes courbes de saturation ……………………….. 45
Fig.4.29 - Remplissage 30% du R 600a dans la bouteille de mélange …………………….. 47
Fig.4.30 - Remplissage du R134a 30% du mélange dans la bouteille ……………………… 47
Fig.4.31 - Remplissage du R134a 30% du mélange dans la bouteille ……………………… 47
Fig.4.32 - Résultat du mesure d′exactitude des gaz mélangés tirer par l’identifier ……… 48
Fig.4.33 - Profil de température du mélange (a) pour les deux compartiments …………… 51
Fig.4.34 - Profil de température du mélange (b) pour les deux compartiments …………… 51
Fig.4.35 - Comparaison entre les différentes courbes de saturation ……………………….. 52
Fig.5.1 - Appareil expérimental didactique de climatisation (split system) ……………… 53
Fig.5.2 - Chambre isolée ……………………………………………………………………… 53
Fig.5.3 - Schéma de l′appareil expérimental : a) mécanique et b) électrique ……………… 54
Fig.5.4 - Profil de température de R22 pour l′air de soufflage ……………………………… 56
Fig.5.5 - Profil de température de R290 pour l’air de soufflage en forme zigzag …………. 59
Fig.5.6 - Comparaison entre les deux courbes de saturation ………………………………... 59
Fig.6.1 - Disposition d′aération …………………………………………………………………. 62
Fig.6.2 - Stockage des cylindres d'hydrocarbure …………………………………………….. 63
Fig.6.3 - Type d′étiquette HR12: a et b ………………………………………………………… 64
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Liste des tables
Page
Table 1.1 - Comparaison entre les réfrigérants CFC - HFC et HC…………………………….… 9
Table 1.2 - Caractéristiques des différents réfrigérants………………………………………….. 10
Table 2.1 - Réfrigérateur spécifications…………………………………………………………… 12
Table 4.1 - Valeurs de pression et température de saturation pour le HFC-134a pur……….… 27
Table 4.2 - Valeurs de P, T, E et w•c pour le HFC-134a…………………………………………... 28
Table 4.3 - Valeurs de TSat, CP, et période active pour le R-134a………………………........... 28
Table 4.4 - Valeurs de pression et température de saturation pour le propane pur……………. 31
Table 4.5 - Valeurs de P, T, E et w•c pour le R290 pur……………………………………………. 32
Table 4.6 - Valeurs de TSat, CP, et période active pour le R290 pur……………………………. 32
Table 4.7 - Valeurs de pression et température de saturation pour le mélange(a)…………..… 36
Table 4.8 - Valeurs de pression et température de saturation pour le mélange (b)……………. 36
Table 4.9 - Comparaison entre les valeurs de P, T, E et w•c pour les deux
mélanges (a) et (b)……………………………………………………………………… 37
Table 4.10 - Comparaison entre les valeurs de TSat, CP, et période active pour les deux
mélanges…………………………………………………………………………………. 37
Table 4.11 - Valeurs de pression et température de saturation pour le mélange (a)............... 42
Table 4.12 - Valeurs de pression et température de saturation pour le mélange (b)…………. 42
Table 4.13 - Comparaison entre les valeurs de P, T , E et w•c pour les deux mélanges
(a)et(b)… ……………………………………………………………………………… 43
Table 4.14 - Comparaison entre les valeurs de TSat, CP avec la période active des deux
mélanges…………………………………………………………………………………. 43
Table 4.15 - Valeurs de pression et température de saturation pour le mélange (a)…………… 49
Table 4.16 - Valeurs de pression et température de saturation pour le mélange (b)………….. 49
Table 4.17 - Comparaison entre les valeurs de P, T, E et w•c pour les deux mélanges
(a)et(b)…………………………………………………………………………………… 49
Table 4.18 - Comparaison entre les valeurs de TSat, CP avec la période active des deux
mélanges………………………………………………………………………………… 49
Table 5.1 - Spécifications de l′unité de climatisation……………………………………………… 53
Table 5.2 - Valeurs de pression et température de saturation pour le R22 pur…………………. 55
Table 5.3 - Valeurs de P, T , E et w•c pour le R22 pur……………………………………………. 55
Table 5.4 - Valeurs de TSat, C, et période active pour le R22 pur…………………………………. 55
Table 5.5 - Valeurs de pression et température de saturation pour le propane pur……………. 57
Table 5.6 - Valeurs de P, T, E et w•c pour le R290 pur…………………………………………… 57
Table 5.7 - Valeurs de TSat, CP, et période active pour le R290 pur………………………………. 57
Table 7.1 - Comparaison des réfrigérants adoptés avec le R 134a………………………………. 67
CNAM Etude expérimentale des mélanges HCs
Mémoire d’Ingénieur en Énergétique - Emile Semaan 2015 Page 7
Abstrait
Ce travail présente une étude expérimentale sur l'application des mélanges d'hydrocarbure
pour remplacer le HFC-134a dans un réfrigérateur ménager et le R22 dans un appareil de
climatisation séparé. Pour le réfrigérateur Les hydrocarbures étudiés sont le propane
(R290), le butane (R600) et l’isobutane (R600a). Dans l’expérience, un réfrigérateur est
conçu pour travailler avec le HFC-134a d'une capacité brute de 70L. Dans la présente
étude, une méthode expérimentale appelée « essai de consommation d'énergie(ECT) »
était utilisée. L′énergie, et la puissance du compresseur consommées à l'admission et la
sortie du compresseur sont enregistrées et analysées comme les distributions de la
température à diverses positions dans le réfrigérateur. Les mélanges et les réfrigérants
utilisés dans les deux appareils sont : le Mélange de trois hydrocarbures, le mélange de
deux hydrocarbures, le mélange de deux hydrocarbures avec le HFC-134a, le propane pur
et le R22 pur. Les expériences sont exécutées avec les réfrigérants dans les mêmes
conditions de charge et à une température ambiante de 25 °C. Les résultats prouvent que
le mélange propane/butane 60%/40% est le réfrigérant alternatif le plus approprié au HFC-
134a, ainsi que 40% de propane de la masse de R22 chargée dans l′appareil de
climatisation est un meilleur alternatif pour remplacer le HCFC-22.
CNAM Etude expérimentale des mélanges HCs
Mémoire d’Ingénieur en Énergétique - Emile Semaan 2015 Page 8
1. Introduction L′introduction montre pourquoi nous devons employer des réfrigérants alternatifs autres
que les CFC, HCFC et HFC, et quelles solutions de rechange sont disponibles. Elle montre
les avantages des réfrigérants d′hydrocarbures et en particulier le mélange hydrocarbure
(R290/R600) et où ils sont employés.
1.1. Effet sur l′environnement des CFC, HCFC et du HFC1
Quand les CFCs sont dégazés dans l’atmosphère et pénètrent dans le stratosphère ou ils
sont fortement décomposés par le rayon ultraviolet du soleil. Cette décomposition libère le
chlore qui épuise l’ozone. L’ozone est formé de 3 atomes d′oxygène au lieu de deux. Un
atome de chlore a le potentiel de détruire des milliers de molécules d′ozone. La couche
d′ozone nous protège contre le rayonnement ultraviolet, car l′épuisement de cette couche
provoque des maladies comme les cancers de peau, les cataractes de l′œil et par suite
réduise les rendements de récolte. L′appauvrissement de cette couche provoque un trou
dangereux (trou d’ozone) au dessus de l′antarctique.
Les chlorofluorocarbones (CFC) et hydrochlorofluorocarbons (HCFCs) sont une grande
classe des produits chimiques contenant du chlore et ont a peu prés des propriétés
communes, par exemple : l′ininflammabilité, l′intoxité et la compatibilité matérielle, cela
amené à une utilisation répandue dans les industries et dans le monde entier
particulièrement comme dans les systèmes de réfrigération et de climatisation.
La réunion du programme d'environnement des nations unit (UNIP) a décidé l'élimination
progressive des CFC-11 et CFC-12, utilisés principalement dans les appareils de
réfrigération et de climatisation, et la remplacement des HCFCs en 1998 par d’autres
alternatives. Puisque les propriétés thermo-physiques du HFC-134a sont très semblables à
ceux du CFC-12 et est également non toxique. Les fabricants Américains ont recommandé
le réfrigérant HFC-134a comme remplacement potentiel. Pour le CFC-12 dans des
réfrigérateurs ménagers. Cependant, tandis que les potentiels d'appauvrissement de la
couche d'ozone de HFC-134a relatif au CFC-11 sont très bas (<0.0005), les potentiels de
réchauffement global sont extrêmement hauts (1300 de GWP) voir (table 1.1 et 1.2). Pour
cette raison, la production et l'usage du HFC-134a seront achevés dans un avenir proche.
1-Manuel du Protocole de Montréal relatif à des substances qui appauvrissent la couche d’ozone
CNAM Etude expérimentale des mélanges HCs
Mémoire d’Ingénieur en Énergétique - Emile Semaan 2015 Page 9
1.2. Les Réfrigérants d'hydrocarbures
Les hydrocarbures sont des substances naturelles qui sont obtenues à partir des
raffineries après distillation. Ils ont été employés comme réfrigérants depuis
longtemps dans des petits et moyens systèmes de réfrigération à basse température.
Les réfrigérants d′hydrocarbures (HCs) sont des bons alternatifs pour des raisons
suivantes:
• les réfrigérants d'hydrocarbures sont disponibles pour des applications très larges,
comme le remplacement direct du R12 et du R134a.
• ils ne présentent pas des impacts sur l'environnement en comparaison avec les
HFCs et les HFCs.
• ils sont compatibles avec le cuivre et les huiles minérales standards.
• les procédures de service et d′entretien sont semblables que pour les
réfrigérants R12, R22 et R134a sauf les conditions de sécurité
• les systèmes de réfrigération utilisant les hydrocarbures doivent être conçus de sorte
que la fuite ne soit pas dangereuse.
• pendant la fabrication, l'équipement approprié devrait être utilisé pour charger les
systèmes, et le secteur de remplissage doit être ventilé.
• des techniciens de service doivent être formés pour manipuler les réfrigérants
d′hydrocarbures sans risque
Refrigerants ODP GWP Infla
mm
able
Toxique Compatibilité
avec les matériaux
Autres issues
CFC haut haut Non Non Bon
HCFCs bas haut Non Non Bon sera mis en phase
dehors
HFCs zero haut Non Non besoin de changement
de déshydrateur
certains problèmes de
joint
humidité et
contamination
dans les systèmes,
il y a un sérieux
problème
Hydrocarbures
(HC)
zero Très bas Oui Non Bon
Ammoniac zero zero Oui Oui ne peut pas employer
les composants de
cuivre
Toxicité
limite l'utilisation
de manière significative
Table 1.1- Comparaison entre les réfrigérants CFC - HFC et HC2
2 - ECOFRIG,Consulting Group for Environmental Economics and Policies.
CNAM Etude expérimentale des mélanges HCs
Mémoire d’Ingénieur en Énergétique - Emile Semaan 2015 Page 10
1.3. Utilisation des réfrigérantes d'hydrocarbure sur une échelle globale
Le propane (R290) a été employé dans le monde entier dans les grands systèmes
industriels depuis longtemps.
• 90% de réfrigérateurs ménagers et de congélateurs en Allemagne et en suisse
(y compris les modèles «nofrost») Fonctionnent avec l′isobutane
(R600a).Beaucoup d'autres pays européens suivent l’exemple. Le volume
global actuel de production est de plusieurs millions d'unités par an.
• les refroidisseurs de boissons utilisent les hydrocarbures sont disponibles en
Allemagne comme l'Elster et nofrost.
• 95% des refroidisseurs d'eau (jusqu'à 300 kilowatts) produits par Bonus en
propane ou un mélange de propane et de l'éthane en Suède.
Presque tous les réfrigérateurs ménagers d'hydrocarbures construits jusqu'à présent
utilisent l'isobutane (R600a) et le mélange HC (R290/R600a ou/R600) d'isobutane /
propane ou butane sont semblables dans l'opération au R12 et R134a.
Table1.2 - Caractéristiques des différents réfrigérants3
La performance obtenue était plus grande que cela obtenue à partir du CFC-12 pour les
mêmes conditions expérimentales, des ingénieurs et des physiciens ont étudié
expérimentalement la capacité de réfrigération, la puissance du compresseur et le
coefficient de performance (COP) d'un réfrigérateur (R12) ménager fonctionnant avec un
mélange de propane/butane. Les résultats ont indiqués que l’application du mélange du
propane et du butane est valable pour le remplacement de CFC-12 dans le réfrigérateur
3 -SomchaiWongwises, Nares Chimres, Energy Conversion and Management 46 (2005) 85-100, March 2004
No.
Code Chemical formula
Molecu-lar weight
Boiling point (°C) at 101.325 kPa
Critical temperature (°C)
Critical pressure (MPa)
Latent heat (kj/kg)
Hazard to life group classification
Explosive limits In air,% by volume
ODP GWP (100yr)
1 12 CCl2F2 120.9 -29.8 112 4.14 165.24 6 Nonflamm
able 0.82 8100
2 134a CH2FCF2 102.0 -26.1 101.1 4.06 216.87 6 Nonflamm
able 0 1300
3 50 CH4 /méthane 16.04 -161.5 -82.5 4.638 510.54 5b 4.9-15 0 20
4 170 C2H6 /éthane 30.07 -88.8 32.2 4.891 487.03 5b 3.3-10.6 0 20
5 290 C3H8 /propane 44.1 -42.07 96.7 4.25 423.33 5b 2.3-7.3 0 20
6 600 C4H10 /butane 58.13 -0.5 152 3.8 385.77 5b 1.6-6.5 0 20
7 600a C4H10 /isobutane 58.13 -11.73 134.7 3.64 364.25 5b 1.8-8.4 0 20
CNAM Etude expérimentale des mélanges HCs
Mémoire d’Ingénieur en Énergétique - Emile Semaan 2015 Page 11
ménager.et autres ont examiné l'exécution d'un mélange du propane et isobutane utilisé
dans des réfrigérateurs.
Une analyse thermodynamique a montré que le coefficient de performance (COP) du
système a augmenté jusqu'à 2.3% par rapport au CFC-12. Les résultats ont indiqué
qu'un mélange de butane, de propane et de HFC-134a ont donné une excellente
exécution...D’autres ont entrepris une étude expérimentale sur l'utilisation de l'isobutane
dans un réfrigérateur ménager. Les résultats ont prouvé que le coefficient de performance
(COP) était comparable à ceux obtenus quand le CFC-12 et le HCFC-22 ont été
employés comme réfrigérants.
Puisque les hydrocarbures, par exemple le gaz de pétrole liquéfié, sont des substances
alternatives et de prix acceptable, leur utilisation comme réfrigérant dans les réfrigérateurs
et la climatisation domestiques est très convenable. Dans la présente étude, la principale
préoccupation est d′obtenir les résultats expérimentaux de l'utilisation des réfrigérants
suivants dans les appareils de réfrigération à basse et moyenne pression:
• HFC-134a pur
• Propane pur
• Propane/butane 60%/40%
• Propane/isobutane 60%/40%
• Propane/butane/isobutane 70%/25%/5%
• Propane/butane/isobutane 50%/40%/10%
• Propane/butane/HFC-134a 40%/30%/30%
• Propane/isobutane/HFC-134a 40%/30%/30%
• HCFC - 22
L'étude expérimentale conduit à des divers rapports de mélange dans le même
réfrigérateur.
A la fin des expériences, les hydrocarbures purs ou mélangés les plus appropriés sont
considérés comme réfrigérant alternatif au HFC-134a et au R-22.
CNAM Etude expérimentale des mélanges HCs
Mémoire d’Ingénieur en Énergétique - Emile Semaan 2015 Page 12
2. Etudes expérimentales 2.1. Appareil expérimental chargé de HFC-134a
Les schémas de principe mécanique et électrique de l'appareil didactique expérimental
sont montrés d’après les (Figures2.1, 2.2 et 2.3).Ils consistent essentiellement à un
réfrigérateur domestique qui a été conçu pour fonctionner avec du HFC-134a. Les
caractéristiques du réfrigérateur utilisé sont montrées dans le (table2.1).Le réfrigérateur a
deux compartiments séparés: compartiment de stockage de nourriture fraîche (FSC frais)
et compartiment de stockage d'aliments surgelés (FSC congelé).
Le réfrigérateur est monté sur une plate-forme de bois dur. Tous les côtés des plateaux
sont ouverts pour permettre la circulation d'air. Le plateau prolongé d′une distance de 300
millimètres horizontalement vers l′avant et dans chaque côté du réfrigérateur. Sa partie
supérieure est de 300 millimètres au-dessus du niveau du plancher. Il n'y a aucun
équipement dans la salle d'essai, et donc, il n'y a aucune émission de chaleur
d'équipements. La vitesse de l'air à proximité du réfrigérateur est moins de 0.25 m/s.
Fig. 2.1 - Schéma de l’appareil expérimental d’un réfrigérateur domestique didactique
Gross capacity Freezer storage capacity Nominal electrical input Nominal current and voltage Compressor type Refrigerant Charged mass
40 l 30 l 106 W 0.9 A, 220 V Reciprocating, hermetically sealed HFC-134a 250 g
Table 2.1- Spécifications du réfrigérateur
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Fig. 2.2 - Schéma mécanique de l’appareil expérimental
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Fig. 2.3 - Schéma électrique de l’appareil expérimental
2.2. Procédés expérimentales d′installation et d′essais
Dans la présente étude, une méthode expérimentale appelée « essai de consommation
d'énergie (ECT) » était utilisée. Les mélanges de réfrigérants ont été préparés à l′Ecole
des Arts et Métiers – Dekwaneh et qui ont été divisées en trois groupes: trois
hydrocarbures, deux hydrocarbures et deux hydrocarbures avec HFC-134a. Les
températures de l'air dans le compartiment de stockage de nourriture fraîche (FSC frais) et
dans le compartiment de stockage des aliments surgelés (FSC congelé) ont été surveillées
et ont été enregistrées sans interruption à chaque minute. Ensuite, l'énergie consommée
en 12h est mesurée par un compteur digital en kwh. Sa précision est de ±1%.La pression
et la température du réfrigérant à l'admission et à la sortie du compresseur étaient
enregistrées. La température a été surveillée et enregistrée sans interruption par un
thermomètre digital «LCD panel, TPM-10».Le courant électrique consommée par le
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compresseur a été mesurée par un multimètre digital du type MT87 avec haute précision.
Toutes les expériences ont été faites dans une chambre à une température de 25 °C et
d’humidité relative de 60% mesurée par un Hygromètre. Toutes les conditions à l’intérieur
et à l′extérieur du réfrigérateur sont les mêmes pour toutes les expériences.
2.3. Outillages et équipements nécessaires4
a) Balance digital : - Specification: 3kg/6g/15kg/30kg/32kg
- Precision : 1/200
- Out Electric power: 240V (+10% ~ -15%); 50±2 Hz ;
b) Multimètre digital :
- Modèle: MT87
- Courant alternatif:0.0~ 400A.
- Tension AC: gamme 1v ~ 450v.
- Tension DC: gamme 1v ~ 600v.
c) Compteur digital :
- Monophasé
- Affichage LCD
d) Machine de récupération du fluide frigorigène :
-Type: MINI-R2
- Réfrigérant: 12, 22, 134a, 401A/B, 402A/B, 404A, 500, 502,
407A/B/C
- Pression: 25 bar
e) Thermomètre digital :
- Intervalle de mesure: -50oC ~ +70oC
- Précision: ±1oC(±2F)
- Power: DC1.5V AG13
4 - Gisela Wahlen,A program to save the ozone layer, GTZ Proklima, http://www.gtz.de/proklima
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f) Pompe à vide:
- Model VE225
- Pumping speed (50Hz): 2 m3/ h
-Total ultimate pressure: 5(5x10-2) Pa(mbar)
- Oil capacity: 0,28 l
- Motor: 0,22(0,3) kw( hp)
g) Refrigerant identifier:
- Sample parameters: Vapor only, oil-free, 300 psi (2MPa) Maximum
- Detected compounds: R12, R134a, R 22, Hydrocarbons, Air
- Refrigerant sample size:0.3 ounces (8.5 grams) per sample
- Power: 9-15 VDC, 2 Amps Maximum
- Operational temperature: 40-130˚ F
h) Data Logger:
- Marge de mesure (Température): -40°C à 85°C
- Précision (Température) : ±0.5°C (± 1 °F)
- Résolution : 0.01 °C
- Précision (Temps) : +/- 100 ppm @ 75°F
- Alimentation : 3.0V (Batterie lithium)
i) Bouteille de récupération:
Deux types : bleu américain et jaune européen
►Ne pas remplir le cylindre plus que 80% de son volume. Le
poids de remplissage devrait être marqué sur le cylindre de
récupération.
j) Analyseur:
- Mesurer la pression et la température
- Evacuer et remplir l’installation
k) Bouteilles des réfrigérants HCs:
Bouteilles d′hydrocarbures butane/propane/isobutane
R600/R290/R600a.
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3. Préparation des mélanges5
3.1. Mélange zéotropique
Le réfrigérant du mélange d'hydrocarbure est une substance zéotropique Ceci signifie qu'il
ne se comporte pas comme une substance simple pure durant les phases de
condensation et d′évaporation c.à.d. la température et la pression durant les phases
d′évaporation et de condensation sont différentes et par suite présente un glissement de
température
entre les deux durant le
changement d'état. Donc il est
représenté par deux courbes
de saturation différentes
suivant les indications de la
figure 3.1.
Fig. 3.1 - Effet de glissement de la température dans l’évaporateur
Le mélange d'hydrocarbure a
un glissement de température
approximativement de 8 K. pour
cette raison, une accumulation
inégale du givre peut se produire
sur l′évaporateur. Ce n'est pas
habituellement un problème.
Illustrations schématiques fig. 3.2.
Fig.3.2 - Phénomène de surchauffe dans l’évaporateur
5 - ECOFRIG,Consulting Group for Environmental Economics and Policies.
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Puisque le réfrigérant est un
mélange zéotropique, le
remplissage d'une composition
incorrecte en mélange affecte le
système, dans ce cas la
pression augmente lors du
fonctionnement et le compresseur
pourrait devenir surchargé. C’est
pour cela il est nécessaire de
remplir le système par un
mélange de composition liquide
correcte (Fig.3.3)
Fig.3.3 - Effet de charger le mélange comme liquide
ou gaz
Selon le fournisseur, les cylindres réfrigérants sont délivrés avec des vannes liquide et à
gaz. Par exemple le HR12 et le HR134a sont fournis dans des cylindres qui ont une
vanne simple d’aspiration liquide. Si la vanne liquide d’aspiration est adaptée, le cylindre
doit être utilisé tout droit, si le cylindre contient une seul vanne à gaz, dans ce cas il faut
renverser le cylindre
3.2. Démarche à suivre pour la technique de remplissage et de vidange
Avant de réaliser les essais et relever les résultats des différentes réfrigérants, il faut
réaliser les deux procédures techniques suivantes :
- La préparation technique de l’appareil.
- Les procédés de contrôle et de régulation.
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3.2.1. La préparation technique de l′appareil
a) Réaliser le vacuum de la bouteille par une
pompe à vide (fig. 3.4)
b) Récupération du réfrigérant R134a
Fig.3.4 - Mise au vide de la bouteille
de récupération
Le réfrigérant R134a est nuisible à l′environnement, pour cela, il faut le récupérer et
l′entreposer dans des cylindres spéciaux (bouteille de récupération).
Une machine et un cylindre de récupération sont utilisés pour récupérer le R134a
(Figures 3.5 et 3.6).La machine est très simple, elle comporte un compresseur
hermétique et des filtres. Le réfrigérant est aspiré en phase gazeuse du système
puis il est filtré et refoulé sous forme liquide dans la bouteille de récupération. Des
réfrigérants différents ne devraient pas être mélangés dans une machine ou dans un
cylindre de récupération.
Ne pas remplir le cylindre plus que 80% de son volume. Le poids de remplissage
devrait être marqué sur le cylindre de récupération.
Fig. 3.5 - Procédure de récupération du R134a du système
Fig.3.6 - Récupération du R 134a de
l′installation par un appareil spécial de
récupération du Type ITE- MINI-R2
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c) Souder les piquages des manomètres et des thermomètres par un poste de soudage
oxyacétylénique (OA) afin de relever les valeurs de température et de pression de
saturation de l′évaporateur et du condenseur comme indiquent les figures 3.7 et 3.8.
Fig.3.7 - Piquage par soudage OA sur le
condenseur partie HP
Fig.3.8 - Piquage par soudage OA sur
l′évaporateur partie BP
d) Remplacer le déshydrateur par un autre
spécial pour les réfrigérants d′hydrocarbure
(Fig. 3.9).
Fig.3.9 - Changement du déshydrateur R134a
par un autre compatible à l′hydrocarbure
e) Comprimer l′installation avec l’azote (N2)
pour détecter la fuite après soudage
(fig.3.10)
Fig.3.10 - Détection du fuite par la bouteille
de N2
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3.2.2. Les procédés de contrôle et de régulation6
a) Utiliser une pompe à vide pour vidanger l′installation du Type VE série 225 (fig. f)
b) Mesurer l’impureté et l’exactitude de remplissage du gaz pur ou mélangé en utilisant
l′identifier réfrigérant. ID 1000 PRO.(fig. g)
c) Remplir l′installation par réfrigérant pur ou par le mélange d′hydrocarbure nécessaire
à l’aide des analyseurs spéciaux.(fig. j)
d) Relever les valeurs de pression et de température de saturation à chaque masse de
remplissage de 50g par point
e) Utiliser une balance digitale pour peser l’exactitude de remplissage. (fig. a)
f) Installer des thermomètres digitales du Type Elitech TP M10 dans les deux
compartiments congelés et frais pour indiquer la température interne. (fig. e)
g) Régler la température du déclenchement et d′enclenchement du thermostat de -10 à
- 20 °c (on-off) dans les deux compartiments
h) Utiliser un appareil spécial le DATA LOGGER pour tracer le profil de température et
de dégivrage dans les deux compartiments (fig. h)
i) Régler par l′ordinateur le DATA LOGGER durant 12h de fonctionnement puis placer
l′appareil dans les compartiments
j) Installer le DATA LOGGER sur l′ordinateur pour relever les profils de température
et de dégivrage en fonction du temps
k) Mesurer la consommation par un compteur digital en kwh pour 12h de
fonctionnement (fig. c)
l) Mesurer l′ampérage par un multimètre du Type MT87 (fig. b)
6 - Voir le paragraphe 2.3 (Outillages et équipements nécessaires), page 15.
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4. Essais expérimentaux et résultats
Les réfrigérants et les mélanges utilisés dans l′expérience sur le réfrigérateur domestique
chargé du R134a sont :
Le HFC-134a pur
Le propane pur
Mélange propane/butane/isobutane 70%/25%/5%
Mélange propane/butane/isobutane 50%/40%/10%
Mélange propane/isobutane 60%/40%
Mélange propane/butane 60%/40%
Mélange propane/isobutane/HFC-134a 40%/30%/30%
Mélange propane/butane/HFC-134a 40%/30%/30%
4.1. Le HFC - 134a pur
1) Après la préparation technique de l′appareil et avant de réaliser la technique de
remplissage et de vidange, Il faut mesurer l′impureté du réfrigérant pour le R134a
pur par l′appareil de réfrigérant « identifier» du Type ID1000PRO (Figure 4.1) et
résultat (R1) car l′impureté du réfrigérant à une influence sur la précision des
résultats (annexe1 fig. 1)
2) Réaliser la technique de vidange à l′aide d′une pompe à vide du Type VE Série 225
pour faire le vacuum de l′installation jusqu'à ce que le manomètre indique une
pression de- 30 PSI. (Figure 4.2)
3) Remplir l′installation par le HFC - 134a de masse 250g puis relever les valeurs de
pression et de température de saturation pour chaque masse de remplissage 50g
par point en utilisant un analyseur pour le R 134a et une balance digitale avec une
bouteille de R 134a (Figure 4.3 a et b et Table 4.1)
4) Relever les valeurs de pression et de température à l′entrée et à la sortie du
compresseur (Table 4.2)
5) Mesurer la consommation électrique du compresseur en kWh durant 12h de
fonctionnement par un compteur digital (table 4.2 et fig.4.4)
6) Mesurer le temps du fonctionnement du compresseur durant la plage de régulation
du thermostat (période active) en minute pour le R134a par un chronomètre
(table.4.3)
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7) Utiliser un multimètre du Type MT87 pour mesurer l′ampérage du compresseur
afin de calculer la puissance effective w•c (table 4.2 et fig.4.5)
8) Régler le DATA LOGGER par l′ordinateur puis placer l′appareil dans les deux
compartiments frais et surgelés (fig.4.6 et annexe 1 fig.3)
9) Installer le DATA LOGGER sur l′ordinateur puis relever les profils de température et
de dégivrage en fonction du temps durant 12h de fonctionnement de l′appareil (fig.
4.7et fig. 4.8)
10) Tracer la courbe de saturation pour le R134a en utilisant les points de saturation
d′après la (table 4.1 et fig. 4.9)
Fig.4.1 - Mesure de l'impureté du R 134a
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Fig.4.2 - Procédure de vacuum de deux côtés (HP et BP)
Fig.4.3 a -Technique de remplissage du R-134a pur
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Fig.4.3 b - Relèvement des valeurs de pression et température de
Saturation pour une masse chargée de 50g par point.
Fig.4.4 - Mesure de la consommation électrique
du compresseur chargé du R-134a
Fig.4.5 - Mesure de l'ampérage pour le R 134a
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Fig.4.6 - Placer le DATTA LOGGER après réglage dans les deux compartiments
Fig.4.7 - Relever les profils de température pour les deux compartiments
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4.1.1. Calculs
a) Calcul de la chaleur latente en (KJ/Kg)7: d′après la loi de Raoult la pression du
mélange est donnée en fonction des concentrations molaires en phase liquide et
des pressions saturantes des corps purs à la même température par:
P= XRaPoRa+ XRbPoRb+ XRcPoRc
Avec Ra,Rb et Rc sont les fluides frigorigènes.
Les concentrations molaires Xi ou Yi sont reliées aux concentrations massiques.
Cette formule de conversion est celle correspondant aux concentrations réelles
dans les phases liquide et vapeur et elle n′est pas nécessairement égale à la masse
molaire correspondant a la concentrations nominale du mélange.
De même on peut écrire la formule de la chaleur latente totale d’un mélange :
Cpaxby(Ti) = a.Cp(Tc) (x) + b.Cp(Tc) (y) + c.Cp(Tc) (z)
Cp : Chaleur latente en kJ/kg
a,b,c: pourcentage de la masse mélangée du réfrigérant
Pour le HFC-134a pur de masse 250 g @ T= -21,8°C
On trouve Cp R134a = 212 kJ/kg (voir annexe 3)8
b) Calcul de la puissance électrique du compresseur en watts(w)
Pour le HFC-134a pur de masse 250g
IA= 1,3A U= 220V Cos Φ = 0, 75
Peff = U I Cos Φ = 220 x1, 3 x 0, 75 = 214, 5 W = w• Comp
c) Tableaux pour le HFC-134a pur de masse 250g pour 50 g/point
FF Pts. PS (BP)bar TS (BP)°C PS (HP)bar TS (HP) °C
1 1 -25 6 20
R – 134a 2 1,5 -18 8 25
m=250g 3 2 -10 10 40
essais 50g/pts. 4 2,5 -5 12 46
5 3 0 13 50
Table 4.1 - valeurs de pression et température de saturation pour le HFC-134a pur
7 - Francis Meunier, Paul Rivet, Marie-franceTenier, Froid Industriel, RPF Dunod, Paris, N°5443, Juin 2007.
8 - http://softadvice.informer.com/Coolpack_Refrigeration_Calculator.html
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Réfrigérants E12h (kwh) T in (°C) T out (°C) P in (bar) P out (bar) w•c(w)
HFC-134a 2.5 -20 45 1.4 12 214.5
Table 4.2 - Valeurs de P, T, E et w•c pour le HFC-134a
Réfrigérants T sat (°C) Chaleur latente (kJ/kg) Période active (min)
HFC-134a -21.84 212 8.15
Table 4.3 - Valeurs de TSat, CP, et période active pour le R-134a
4.1.2. Discussion
Le HFC-134a est un réfrigérant employé dans le monde entier. Dans cette étude, en
employant 250 g de HFC-134a, le réfrigérateur a consommé 2.5 kwh en 12h. Les
distributions de la température de l'air refroidi à l'intérieur du compartiment de stockage de
nourriture fraîche (FSC frais) et le compartiment de stockage d'aliments surgelés (FSC
congelé) sont semblables. Le processus commence à la fin de la période de dégivrage où
la température des deux compartiments surgelés et frais (FSC) atteint 17°C et 8-9 °C
respectivement. A la fin du dégivrage, le compresseur est mis en marche (fin de la période
de dégivrage). La température diminue sans interruption jusqu'à -20 °C pour le FSC
congelé et 3°C pour le FSC frais à ce moment le thermostat donne une commande pour
faire arrêter le compresseur, dans ce cas la température augmente jusqu'au -10 °C pour le
FSC congelé et 7 °C pour le FSC frais. En atteignant la température maximale, le
thermostat redémarre le compresseur, qui fait diminuer la température de nouveau, et
ainsi, le processus se répète, suivant les indications montrées par la figure 4.8.
Le graphique montre un modèle en zigzag jusqu'à ce que la période de dégivrage
commence. Les distributions de l′air sont semblables dans le FSC congelé. L′ordre des
températures est le résultat d'une plus basse température de l′air ayant une densité plus
élevée que l'air à une température plus élevée. Ceci signifie que l'air avec une plus basse
température sortant de l′évaporateur ira vers le bas du compartiment d'entreposage FSC.
Par conséquent, la température à ce point est également basse. Pour le HFC-134a, le
temps de fonctionnement du compresseur est de 8.15 minutes (ceci s'appelle la période
active).C'est le temps nécessaire pour diminuer la température d′environ de – 10°C à -20
°C pour le FSC congelé et de 7 à 3 °C pour le FSC frais. La durée du cycle opératoire de
dégivrage est de 9.95 mn. La température de saturation est de - 21.84°C. La valeur de la
chaleur latente à cette condition de travail est de 212kJ/kg.
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Fig.4.8 - Profil de température en forme zigzag pour les deux compartiments
Fig.4.9 - Courbe de saturation pour le HFC-134a
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4.2. Le propane pur (R290)
1) Avant de faire l′essai du R290, il faut récupérer le HFC-134a dans la bouteille de
récupération par une machine de récupération spéciale indiquer préalablement par
la figure 3.2.
2) Réaliser la technique de vidange par une pompe à vide comme précédemment.
3) Mesurer l′impureté du R290 par le réfrigérant identifié (fig. 4.10) et résultat (R2).
4) Remplir l′installation par le réfrigérant R290 de masse 250g pour 50g/points puis
relever les valeurs de température et de pression de saturation (table 4.4) et (figure
4.11)
5) Relever les valeurs de pression et de température à l′entrée et à la sortie du
compresseur (table 4.5).
6) Mesurer la consommation électrique en Kwh durant 12h de fonctionnement du
compresseur par un compteur digitale (table 4.5)
7) Mesurer le temps de fonctionnement du compresseur (période active) R290 durant la
plage de régulation du Thermostat en minute pour le R290 pur Par un chronomètre
d’après (table 4.6).
8) Régler le DATA LOGGER par l’ordinateur puis placer l′appareil dans les deux
compartiments (figure 4.12)
9) Relever les profils de température et de dégivrage en fonction du temps durant 12h
de fonctionnent de l′appareil (figure4.13)
10) Tracer la courbe de saturation pour R290 (figure 4.14)
Fig.4.10 - Mesure de l'impureté pour le R 290 pur par l'identifier ID 1000 PRO
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Fig.4.11 - Remplissage du R290 pur
Fig.4.12 - Placer le DATTA LOGGER à
l'intérieur des deux compartiments
4.2.1. Calculs
a) Calcul de la chaleur latente en (KJ/Kg)
Propane 100% pur de masse 125g (50% de R-134a)
CpT= (100% R290+0% R600+0%R600a) @T = -35,37°C
CpR290 = 416,7 kJ/kg (annexe 3 table R290)
b) Calcul de la puissance électrique du compresseur en watts(w)
pour le propane pur 100% de masse 125g
IA =1,58A U= 220V Cos Φ= 0, 75
Peff = U I Cos Φ = 220 x 1, 58 x 0, 75 = 260 W = W Comp
c) Tableaux pour le HC-290 de masse 125g pour 25 g/point
FF pts PS (BP)bar TS (BP)°C PS (HP)bar TS (HP) °C
1 1 -40 6 8
R 290 2 1,3 -30 8 18
m=125g 3 2 -25 10 21
essais 25g/pts 4 3,2 -12 11 30
5 4,5 -5 12,5 39
Table 4.4 - Valeurs de pression et de température de saturation pour le propane pur
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Réfrigérants E12h (kwh) Tin (°C) T out (°C) P in (bar) P out (bar) w•c (w)
Propane 100% 1.5 -17 48 2.6 17 260
Table 4.5 - Valeurs de P, T, E et w•c pour le R290 pur
Réfrigérants Tsat (°C) Chaleur latente (kJ/kg) Période active(min)
Propane/butane/isobutane 100%/0%/0%
-35.37 416.7 2
Table 4.6 - Valeurs de TSat, CP, et période active pour le R290 pur
4.2.2. Discussion
L′hydrocarbure utilisé dans la présente étude est le propane pur. Le réfrigérateur
chargé de 125g de propane pur montre la plus petite quantité d'énergie consommée par
jour. Cependant, il y a une différence dans la période active et la durée du cycle
opératoire de dégivrage. Le «on-time» (période active) est de 2 minutes pour le
propane pur.la durée du cycle opératoire de dégivrage est de 1077mn (17.95h).
Cependant, la quantité de cette énergie consommée augmente quand le réfrigérant à
une proportion inférieure de propane.
*
Fig.4.13 - Profil de température de R290 en forme zigzag
pour les deux compartiments
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Fig.4.14 - Courbe de saturation pour le propane R290
4.3. Mélanges de trois hydrocarbures
4.3.1Le mélange propane/butane/isobutane 70%/25%/5%
1- Evacuer le propane de l′installation vers l’extérieur par un tuyau (fig. 4.15).
2- Mesurer l′impureté des hydrocarbures utilisés par «l′identifier» comme la mesure
précédente (fig.4.16 et résultat R2).
3- Réaliser le vacuum de la bouteille de récupération comme l′opération précédente
avant de mélanger les gaz.
4- Mélanger les hydrocarbures selon les pourcentages dans la bouteille de mélange
en introduisant premièrement le réfrigérant qui a une pression supérieure à l’autre
(fig. 4.17-4.18-4.19).
5- Vidanger l′installation par une pompe à vide comme l’opération précédente.
6- Remplir l’installation par le mélange de masse 125g et de 50g/points en phase
liquide à l’aide d’un tube capillaire puis relever les valeurs de température et de
pression de saturation (table 4.7 et fig. 4.20).
7- Mesurer l′ampérage pour calculer la puissance effective de compresseur w•c
(Table 4.9).
8- Mesurer le temps de fonctionnement du compresseur (Table 4.10).
9- Mesurer la consommation électrique en Kwh durant 12h de fonctionnement
(Table4.9).
10- Placer le DATTA LOGGER dans les deux compartiments pour relever les profils
de température en fonction du temps durant 12h (fig. 4.21).
11- Tracer la courbe de saturation du mélange (fig. 4.23 et annexe 2).
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4.3.2. Mélange propane/butane/isobutane 50%/ 40%/10%
Mêmes procédures que le mélange précèdent mais avec des résultats différents
(table 4.8-4.9-4.10) et (fig.4.22 et 4.23).
Fig.4.15 - Evacuation du propane vers l'extérieur par un tuyau flexible9
Fig.4.16 - Résultats d′impureté pour les 3 hydrocarbures R 290, R 600 et R600a
Mesurés par l'identifier ID 1000 PRO
9 -Gisela Wahlen,A program to save the ozone layer, GTZ Proklima, http://www.gtz.de/proklima
Pompe à vide
Connection à la BP du
compresseur
Evacuation du R290 vers
l’exterieur
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Fig.4.17 - Remplissage de
l'isobutane dans la bouteille
de mélange
Fig.4.18 - Remplissage du butane
dans la bouteille de mélange
Fig.4.19 - Remplissage
du propane dans la
bouteille de mélange
Fig.4.20 - Remplissage du mélange liquide à l′aspiration avec un tube capillaire10
10
- Ibid. 8 (meme reference)
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4.3.3. Calculs
a) Calcul de la chaleur latente pour les deux essais a et b (voir tables annexe 3)
Mélange (70% R290/25% R600/5%R600a) de masse 125g
CpT = (70% R290+25% R600+5%R600a) @T = -29,5°C
Cpmel = 0,7x 410 + 0, 25 x 416,5+0,05x381 = 410,17 kj/kg
Mélange (50% R290/40% R600/10%R600a) de masse 125g
CpT= (50% R290+40% R600+14%R600a) @T = -24,03°C
Cpmel= 0,5 x 403,8 + 0,4 x 408,25 + 0,1 x 376,7 = 402,87 kj/kg
b) Calcul de la puissance électrique du compresseur pour les deux essais a et b
Mélange de (50%R290/ 40%R600/10%R600a)
IA =1,4A U= 220V Cos Φ= 0, 75
Peff = U I Cos Φ = 220 x 1, 4 x 0, 75 = 231 W = W Comp
Mélange de (70%R290/ 25%R600/ 5%R600a)
IA =1,5A U= 220V Cos Φ= 0, 75
Peff = U I Cos Φ = 220 x 1, 5 x 0,75 = 247,5 W = w• Comp
c) Tableaux pour les deux mélanges a et b de trois composants de masse 125g
pour 25 g/point
FF(a) pts PS (BP)bar TS (BP)°C PS (HP)bar TS (HP) °C
1 1 -38 6 18
Mélange de (70%R290/ 2 1,5 -27 7 20
25%R600/5%R600a) 3 2 -20 8 25
m=125g 4 3 -9 10 35
Essais 25g/pts 5 4 0 12,5 40
Table 4.7 - Valeurs de pression et de température de saturation pour le mélange (a)
FF (b) pts PS (BP)bar TS (BP)°C PS (HP)bar TS (HP) °C
1 1 -30 6 20
Mélange de (50%R290/ 2 1,5 -21 7 30
40%R600/10%R600a) 3 2 -18 9 38
m=125g 4 2,5 -8 11 40
Essais 25g/pts 5 3 0 12 45
Table 4.8 - Valeurs de pression et de température de saturation pour le mélange (b)
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Réfrigérants E12h (kwh) T in (°C) T out (°C) P in (bar) P out (bar) w•c (w)
HFC-134a 2.5 -20 45 1.4 12 214.5
Propane 100% 1.5 -17 48 2.6 17 260
Propane/butane/isobutane 70%/25%/5%
2 -16 48.5 2.1 13.2 231
Propane/butane/isobutane 50%/40%/10%
2.1 -19 50 2 12.5 247
Table 4.9 - Comparaison entre les valeurs de P, T, E et w•c pour les deux mélanges (a) et (b)
Réfrigérants T sat (°C) Chaleur latente (kJ/kg) Période active (min)
Propane/butane/isobutane 100%/0%/0%
-35.37 416.7 2
Propane/butane/isobutane 70%/25%/5%
-29.52 410.17 3.3
Propane/butane/isobutane 50%/40%/10%
-24.03 402.87 3.4
HFC-134a -21.84 212 8.15
Table 4.10 - Comparaison entre les valeurs de TSat, CP, et période active pour les deux mélanges
4.3.4. Discussion Les hydrocarbures utilisés dans la présente étude étaient le propane, le butane et
l′isobutane, 125g du mélange a été employé dans chaque essai. Les résultats
expérimentaux sont énumérés d’après les tables précédentes.
La distribution de l’air et de température à l'intérieur du réfrigérateur est semblable à celui
d'un réfrigérateur chargé de HFC-134a. Cependant, il y a une différence dans la période
active et la durée du cycle opératoire de dégivrage. Le «on- time» (période active) est de 2
minutes pour le propane/butane/isobutane de 100/0/0, et 3.30 minute pour le
propane/butane/isobutane de 70/25/5 et 3.40 minutes pour le propane/butane/isobutane
de 50/40/10, suivant les indications des figures précédentes. Les durées du cycle
opératoire de dégivrage sont 1077, 673.5 et 661.5 min (17.95h, 11.225h et 11.025h
respectivement). Le réfrigérateur chargé de propane 100% montre la plus petite quantité
d'énergie consommée en 12h. Cependant, la quantité de cette énergie consommée
augmente quand le réfrigérant a une proportion inférieure de propane. Bien que ce qui
trouve soit impressionnant, un réfrigérant ne devrait pas être choisi en tant qu'une
alternative appropriée sur ce critère seul. Les propriétés thermodynamiques d'un réfrigérant
devraient également être pris en compte comme critères pour le choix. Le réfrigérant choisi
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ne devrait pas modifier le type de réfrigérateur. En d'autres termes, le réfrigérant devrait
avoir des propriétés semblables à ceux du HFC-134a.
Les indications de la (fig.4.24), montrent les différences entre les courbes de saturation de
pression et de température entre le HFC-134a et les mélanges d'hydrocarbures sont petits.
En outre, suivant l’indication des tables précédentes, toutes les données mesurées des
deux mélanges d'hydrocarbures sont presque égales. Dans ce cas-ci, les deux mélanges
pourraient être utilisés et remplacés par le R134a dans l′installation.
Fig.4.21 - Profil de température du mélange (a) pour les deux compartiments
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Fig.4.22 - Profils de température du mélange (b) pour les deux compartiments
Fig.4.23 - Comparaison entre les différentes courbes de saturation
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4.4. Le Mélange de deux hydrocarbures
4.4.1. Mélange propane/butane/ 60%/40%
1. Evacuer l′installation vers l’extérieur comme précédent
2. Mesurer l′impureté du R290 et R600 par le réfrigérant identifier comme
d′habitude (résultat R2 et fig.4.24)
3. Vidanger la bouteille du mélange par une pompe à vide
4. Mélanger les hydrocarbures selon les pourcentages dans la bouteille de
remplissage en introduisant premièrement le réfrigérant qui a une pression
supérieure de l’autre comme les opérations précédentes (fig.4.18 et 4.29)
5. Vidanger l′installation par une pompe avide comme précédent
6. Remplir l′installation par le mélange de masse 125g pour 50g/points en phase
liquide avec un tube capillaire puis relever les valeurs de température et de
pression de saturation (table4.11 et fig.4.25)
7. Mesurer les consommations électriques en kwh durant 12h de fonctionnement du
compresseur en Emel (table4.13)
8. Mesurer la période active du compresseur (table 4.14)
9. Mesurer l′ampérage du compresseur pour calculer w•c (table4.13)
10. Placer le DATTA LOGGER dans les deux compartiments pour relever les profiles
de température et de dégivrage en fonction du temps durant 12h (fig.4.26)
11. Tracer les courbes de saturation des mélanges et faire la comparaison avec le
R-134a (fig.4.28 et annexe 2)
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4.4.2. Mélange propane/isobutane 60%/40%
Même procédures que le mélange précèdent mais les valeurs sont différentes. (Voir tables
4.12 – 4.13 – 4.14, figures 4.27 – 4.28 et l′annexe 2)
Fig.4.24 - Mesure de l'impureté: a) pour le R 290 pur et b) pour le R600 pur
Fig.4.25 - Remplissage du mélange liquide par
un tube capillaire à l′aspiration du compresseur
a b
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4.4.3. Calculs
a) Calcul de la chaleur latente pour les deux essais a et b (voir l’annexe 3)
Mélange (60% R290/40% R600) de masse 125g @T= -26,74 °C
CpT = (60% R290+40% R600) @T = -26, 74°C
Cpme l= 0, 6 x 407, 33 + 0, 4 x 412, 3 = 409, 3 kJ/kg
Mélange (60% R290/40% R600a) de masse 125g @T = -28,06°C
CpT= (60% R290+40% R600a) @T = -28, 06°C
Cpmel= 0,6 x 408, 5 + 0, 4 x 380, 14 = 397, 15 kj/kg
b) Calcul de la puissance électrique du compresseur pour les deux essais a et b
Mélange de (60%R290/ 40%R600) de masse 125g
IA =1,5A U= 220V Cos Φ= 0, 75
Peff = U I Cos Φ = 220 x 1, 5 x 0, 75 = 247, 5 W = w•Comp
Mélange de (60%R290/ 40%R600a) de masse 125g
IA =1,5A U= 220V Cos Φ= 0, 75
Peff= UI Cos Φ = 220 x1, 5 x 0, 75 = 247, 5 W = W Comp
c) Tableaux pour les deux mélanges a et b de deux composants de masse 125g
pour 25 g/point
FF (a) pts PS (BP)bar TS (BP)°C PS (HP)bar TS (HP) °C
1 1 -37 6 20
Mélange de 2 1,5 -39 8 25
(60%R290/40%R600) 3 2 -22 10 40
m=125g 4 2,5 -15 12 46
Essais 25g/pts. 5 3 -8 13 49
Table 4.11 - Valeurs de pression et température de saturation pour le mélange (a)
FF (b) pts PS (BP)bar TS (BP)°C PS (HP)bar TS (HP) °C
1 1 -38 6 18
Mélange de 2 1,5 -30 8 22
(60%R290/40%R600a) 3 2 -23 10 37
m=125g 4 2,5 -18 12 43
Essais 25g/pts. 5 3 -10 13 48
Table 4.12 - Valeurs de pression et de température de saturation pour le mélange (b)
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Réfrigérants E12h (kwh) T in (°C) T out (°C) P in (bar) P out (bar) w•c (w)
HFC-134a 2.5 -20 45 1.4 12 214.5
Propane 100% 1.5 -17 48 2.6 17 260
Propane/butane 60%/40% 1.83 -19 48.5 2.5 15 247
Propane/isobutane 60%/40%
2.3 -19 50 1.5 13 247
Table 4.13 - Comparaison entre les valeurs de P, T, E et W pour les deux mélanges (a) et (b)
Réfrigérants T sat (°C) Chaleur latente (kJ/kg) Période active (min)
Propane/butane 60%/40% -26.74 409.3 2.2
Propane/isobutane 60%/40% -28.06 397.15 3.3
HFC-134a -21.84 212 8.15
Table 4.14 - Comparaison entre les valeurs de TSat, CP avec la période active des deux mélanges
4.4.4. Discussion Les mélanges de deux hydrocarbures étaient le propane/butane (60%/40%), et le
propane/isobutane (60%/40%). La masse chargée dans le réfrigérateur était de 125g. Les
quantités d'énergie consommées sont présentées dans les tables précédentes.
La distribution de température et de l’air est semblable à celle du deuxième groupe,
cependant, la période active et la durée du cycle opératoire de dégivrage sont différents.
Pour le mélange contenant le propane/butane (60%/40%), la période active et la durée de
commande du cycle de dégivrage sont 2.2 et 711 minutes (11.85h) respectivement, alors
que pour le propane/isobutane (60%/40%), la période active et la durée du cycle opératoire
de dégivrage sont 3.3 et 659 minutes (10,98h) respectivement. Le réfrigérateur chargé du
mélange propane/ butane (60%/40%) a besoin de moins d'énergie en 12h comparé avec
le réfrigérateur qui a employé le mélange propane/isobutane (60%/40%).C'est parce que
la chaleur latente est plus grande que celle de ce dernier. Par conséquent, le potentiel de
réfrigération par unité du mélange propane et butane (60%/40%) est plus grand que celui
du mélange propane/isobutane (60%/40%). Ceci signifie une réduction du temps de
fonctionnement du compresseur (table 4.14), de plus les températures et les pressions de
saturation sont très proches. Ceci indique que les deux mélanges d'hydrocarbures
montrent des propriétés semblables à ceux du HFC-134a.
L′énergie consommée par le réfrigérateur est de 4.86% de celle du HFC-134a. En raison
de cette conclusion, ce mélange particulier est choisi dans ce groupe. Après avoir
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considéré tous les résultats rassemblés de ce groupe, on peut conclure que le réfrigérant
contenant le propane/butane 60%, 40% est un produit de remplacement approprié pour un
certain nombre de raisons: Premièrement, le réfrigérateur consomme moins d'énergie que
le réfrigérateur fonctionnant avec le HFC-134a. C’est parce que la température de
saturation du propane/ butane (60%, 40%) est plus basse et la valeur de la chaleur latente
du propane/ butane (60%, 40%) est plus grande que celle du HFC-134a voir (table 4.13).
Ceci signifie que la chaleur transférée au mélange d'hydrocarbure est plus grande que
celle du HFC-134a. Le mélange montre un meilleur échange thermique que le HFC-134a.
Ainsi, la période active du réfrigérateur utilisant le mélange choisi est de 2.2 minutes tandis
que la période active employant le HFC-134a augmente jusqu’à 8.15 mn. En outre, la
masse chargée dans le système est également inférieure (125g de HC< 250g de HFC-
134a).Ceci prouve que ce mélange est très convenable comme alternatif et en plus
économique.
Fig.4.26 – Profils de température du mélange (a) pour les deux compartiments
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Mémoire d’Ingénieur en Énergétique - Emile Semaan 2015 Page 45
Fig.4.27 - Profils de température du mélange (b) pour les deux compartiments
Fig.4.28 - Comparaison entre les différentes courbes de saturation
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4.5. Mélange de deux hydrocarbures avec le HFC-134a
4.5.1. Mélange propane/isobutane/HFC-134a 40%30%/30%
1. De même évacuer le mélange hydrocarbure de l′installation vers l’extérieur
2. Mélanger puis Mesurer l′impureté et l’exactitude du pourcentage mélangé dans la
bouteille par le réfrigérant identifier (fig.4.29-4.30-4.31-4.32et résultat R3-R4)
3. Avant il faut évacuer la bouteille par une pompe à vide
4. Vidanger l′installation par une pompe avide comme d′habitude
5. Remplir l′installation par le mélange de masse 125g pour 50g/points en phase
liquide avec un tube capillaire puis relever les valeurs de température et de
pression de saturation (table 4.15)
6. Mesurer les consommations électriques en kwh durant 12h de fonctionnement du
compresseur Emel (table 4.17)
7. Mesurer la période active du compresseur (table 4.18)
8. Mesurer l′ampérage du compresseur pour calculer w•c (table 4.17)
9. Placer le DATTA LOGGER dans les deux compartiments pour relever les profiles
de température et de dégivrage en fonction du temps durant 12h (fig.4.33)
10. Tracer la courbe de saturation du mélange (fig.4.35 et annexe 2)
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Mémoire d’Ingénieur en Énergétique - Emile Semaan 2015 Page 47
4.5.2. Mélange propane/butane/HFC-134a (40%30%/30%)
Même procédure que le mélange précèdent mais les valeurs sont différentes. (Voir
tables 4.16 – 4.17 – 4.18, figure 4.34, et annexes 2 et 1 fig.2)
Fig.4.29 - Remplissage 30% du R 600a
dans la bouteille de mélange
Fig.4.30 - Remplissage du R134a 30%
du mélange dans la bouteille
Fig.4.31 - Remplissage du R134a 30% du mélange dans la bouteille
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4.5.3. Calculs et résultats
Fig.4.32 - Résultat du mesure d′exactitude des
gaz mélangés tirés par «l′identifier»
a) Calcul de la chaleur latente pour les deux essais a et b (voir l′annexe 3)
Mélange de deux composants avec le HFC-134a de masse 125g
1- Mélange (40% R290/ 30% R600/ 30%R-134a) @T = -34,34°C
CpT= (40% R290+30% R600+30%R134a) @ T = -34, 34°C
Cpmél= 0,4 x 416 + 0, 3 x 372 + 0,3 x 220 = 344 kJ/kg
2- Mélange (40% R290/ 30% R600a/ 30%R-134a) @ T = -35,47°C
CpT= (40% R290+30% R600a+30%R134a) @ T = -35, 47°C
Cpmel= 0, 4 x 417 + 0, 3 x 387 + 0,3 x 220,4 = 349 kJ/kg
b) Calcul de la puissance électrique du compresseur pour les deux essais a et b
Mélange de deux composants avec le HFC-134a de masse 125g
1- Mélange de (50%R290/ 30%R600/ 30%R134a)
IA =1,4A U= 220V Cos Φ= 0, 75
Peff = U I Cos Φ = 220 x 1, 4 x 0, 75= 231 W = w•c
2- Mélange de (40%R290/ 30%R600a/ 30%R134a)
IA =1,5A U= 220V Cos Φ= 0, 75
Peff = U I Cos Φ = 220 x 1, 5 x 0, 75= 247, 5 W = w•c
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c) Tableaux pour les deux mélanges a et b de trois composants de masse
125g pour 25 g/point
FF ( a) pts PS (BP)bar TS (BP)°C PS (HP)bar TS (HP) °C
1 1 -39 6 1
Mélange de (40%R290/ 2 2 -27 8 20
30%R600/30%R134a) 3 2,5 -22 10 22
m=125g 4 3 -20 12 30
Essais 25g/pts 5 4 -10 13 39
Table 4.15 - Valeurs de pression et température de saturation pour le mélange (a)
FF (b) pts PS (BP)bar TS (BP)°C PS (HP)bar TS (HP) °C
1 1 -39 6 1
Mélange de (40%R290/ 2 2 -27 8 16
30%R600a/30%R134a) 3 2,5 -22 10 19
m=125g 4 3 -20 12 25
Essais 25g/pts 5 4 -10 13 30
Table 4.16 - Valeurs de pression et température de saturation pour le mélange (b)
Réfrigérants E12h(kwh) T in (°C) T out (°C) P in (bar) Pout (bar) w•c (w)
HFC-134a 2.5 -20 45 1.4 12 214.5
Propane 100% 1.5 -17 48 2.6 17 260
Propane/butane/HFC-134a 40%/30%/30%
2.5 -19 45 2.6 15 231
Propane/isobutane HFC-134a 40%/30%/30%
2.6 -20 43 1.5 13.2 247
Table 4.17 - Comparaison entre les valeurs de P, T, E et w•c pour les deux mélanges (a) et (b)
Réfrigérants Tsat (°C) Chaleur latente (kJ/kg) Période active(min)
Propane/butane/HFC-134a 40%/30%/30%
-34.34 344.2 4
Propane/isobutane/HFC-134a 40%/30%/30%
-35.47 349.1 3.4
HFC-134a -21.84 212.2 8.15
Table 4.18 - Comparaison entre les valeurs de TSat, CP avec la période active des deux mélanges
CNAM Etude expérimentale des mélanges HCs
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4.5.4. Discussion Les mélanges d′hydrocarbures/HFC-134a, utilisés dans cette expérience sont le
propane/butane/HFC-134a (40%,30%,30%) et le propane/isobutane/HFC-134a
(40%,30%,30%). La masse du mélange chargé dans le réfrigérateur est de 125g. Les
résultats expérimentaux pour ce groupe sont représentés d′après les tables précédentes.
La distribution des températures de l'air à l'intérieur du réfrigérateur sont semblables.
Cependant, les durées du dégivrage et le temps du cycle opératoire sont différents.
Pour le propane/butane/HFC-134a (40%,30%,30%), la période active et la durée de la
période de cycle de dégivrage sont de 4 min et de 677.5 minutes, ou 11.29h
respectivement. Pour le propane/isobutane et le HFC-134a (40%,30%,30%), la période
active et la durée du cycle opératoire de dégivrage sont de 3.40 min et de 652 minutes, ou
10.86h respectivement. Les résultats prouvent que le réfrigérateur utilisant le
propane/butane/HFC-134a 40%,30%,30% consomme moins d'énergie que le réfrigérateur
employé pour l'autre mélange de ce groupe. C'est en raison de la valeur de la chaleur
latente du propane/butane/HFC-134a (40%,30%,30%) qui est plus grande que la valeur de
la chaleur latente du propane/isobutane/HFC-134a (40%,30%,30%). (la valeur de la
chaleur latente du butane est naturellement plus grande que cela de l'isobutane) voir table
4.18).Par conséquent, une plus grande absorption de la chaleur par unité de la période du
fonctionnement de réfrigérant est plus courte qu'avec le mélange propane/isobutane/HFC-
134a (40%/30%/30%).
Comparaison entre les mélanges avec le HFC-134a
Les rapports entre la température et la pression de saturation de chaque réfrigérant
dans ce groupe sont montrés dans la figure 4.36.Ceci indique qu’aucun des deux
mélanges est convenable pour remplacer le HFC 134a. Cependant, elles réduisent la
quantité d'énergie requise pour démarrer le réfrigérateur à 0.69% comparé au HFC-
134a.Ceci signifie que la différence entre la chaleur latente du mélange de réfrigérants
dans ce groupe et celui de HFC-134a est moins que la différence entre la chaleur
latente du mélange réfrigérant dans le groupe précédent et celui du HFC-134a. Ainsi,
l'énergie consommée n'est pas réduite autant dans ce groupe. Cependant, ces
mélanges sont plus sûrs que d'autres mélanges parce qu'ils contiennent une quantité
inférieure d'hydrocarbures. La charge de masse de ces mélanges est également
inférieure, elle est seulement de 125g, comparée avec celle du HFC-134a 250g.
CNAM Etude expérimentale des mélanges HCs
Mémoire d’Ingénieur en Énergétique - Emile Semaan 2015 Page 51
Fig.4.33 - Profil de température du mélange (a) pour les deux compartiments
Fig.4.34 - Profils de température du mélange (b) pour les deux compartiments
CNAM Etude expérimentale des mélanges HCs
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Fig.4.35 - Comparaison entre les différentes courbes de saturation
CNAM Etude expérimentale des mélanges HCs
Mémoire d’Ingénieur en Énergétique - Emile Semaan 2015 Page 53
5. Etude expérimentale sur l′appareil de climatisation chargé de R22
L′appareil est une banque de climatisation didactique chargée d′une masse de 750g de
réfrigérant R22 comme l′indique les figures 5.1 - 5.3 a et b avec les spécifications indiquées
par la Table 5.1.
Fig. 5.1 - Appareil expérimental didactique de climatisation (split system)
cooling capacity Nominal electrical input Nominal current and voltage Compressor type Refrigerant Charged mass
2220/2195 kcal/h 940/910 w 1PH/50Hz/240-220v 3.2A / 220 V hermetically sealed(scroll type) HCFC- 22 750 g
Table 5.1 - Air condition unit spécifications
Une chambre isolée conçue spécialement
pour l′essai de 2m3 de volume est fixée sur
la bouche de soufflage de l′évaporateur
indiquée par la figure 5.2.
- voir la préparation de l′appareil (annexe 1
Fig.5 - 6 - 7 et 8)
Fig. 5.2- Chambre isolée
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(a)
(b)
Fig.5.3 - Schéma de l′appareil expérimental: a) mécanique et b) électrique
5.1. Le HCFC-22 pur
1) Mesurer l′impureté du R22 par «l′identifier» ID1000pro (Résultat R5
ci-contre)
2) Récupérer le R22 du système par l′appareil de récupération (annexe1
fig.4).
3) Réaliser la technique de vidange par une pompe à vide du type VE
série 225 (annexe 1 fig.9).
4) Remplir l′installation par le réfrigérant R22 de masse 750g puis
relever les valeurs de température et de pression de saturation pour
une masse de remplissage 50g /pts. (Table 5.2et annexe 1 fig.10)
5) Relever les valeurs de pression et de température à la sortie du
compresseur (Table 5.3).
6) Mesurer la consommation électrique en kwh durant 12h de fonctionnement du
compresseur par un compteur digital E22(table 5.3) puis Mesurer le temps du
fonctionnement du compresseur durant la plage de régulation du thermostat en
minute pour le R22, par un chronomètre (Table 5.4).
7) Mesurer l′ampérage du compresseur pour calculer la puissance effective du
compresseur (table 5.3 et annexe 1 fig.11)
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8) Régler le DATTA LOGGER par l′ordinateur puis placer l′appareil sur la bouche de
soufflage de l′évaporateur. (annexe 1 fig.12)
9) Relever le profil de température en fonction du temps durant 12h de fonctionnement
(figure 5.4)
10) Tracer la courbe de saturation pour R22 (figure 5.6 et annexe 2 fig.13).
5.1.1. Calculs
a) Calcul de la chaleur latente
Chaleur latente de R22 = 225,37 KJ/Kg @ Tsat= -30°c (annexe 3)
b) Calcul de la puissance électrique du compresseur
Pour le R22 pure de masse 750g
IA= 2.17A U= 220V Cos Φ= 0, 75
Peff = U I Cos Φ = 220 x 2.17 x 0, 75 = 358 W = W Comp
c)Tableaux des valeurs de pression et température de saturation pour le R22
FF pts PS (BP)bar TS (BP)°C PS (HP)bar TS (HP) °C
1 1 -30 6 15
R 22 2 2 -20 8 19
m=750g 3 3 -12 10 25
Essais 50g/pts 4 4 -5 12 30
5 4,5 -1 14 40
Table 5.2 - Valeurs de pression et température de saturation pour le R22 pur
Réfrigérants E12h (kwh) Tin (°C) Tout (°C) Pin(bar) Pout (bar) w•c (w)
R 22 100% 6.5 -5 40 3.5 15 358
Table 5.3 - Valeurs de P, T, E et w•c pour le R22 pur
Réfrigérants Tsat (°C) Chaleur latente (kJ/kg) Période active (min)
R 22 100% -30 225.37 4.28
Table 5.4 - Valeurs de TSat, CP, et période active pour le R22 pur
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Fig.5.4 - Profil de température de R22 pour l′air de soufflage
5.2.Le propane pur
1. Récupérer le R22 dans la bouteille de récupération par un appareil de récupération
(annexe 1 fig.4)
2. Mesurer l′impureté du R290 par le réfrigérant identifier
3. Réaliser le technique de vidange par une pompe à vide (annexe 1 fig.9)
4. remplir l′installation par une masse de 300g de R290 puis relever les valeurs de
température et de pression de saturation pour une masse de remplissage
50g /points (table 5.5 et annexe 1 fig.16).
5. Mesurer la consommation électrique en kwh durant 12h de fonctionnement par un
compteur digital E290 (table 5.6).
6. Relever les valeurs de température et de pression à l′entrée et à la sortie du
compresseur (table 5.6).
7. Mesurer le temps de fonctionnement du compresseur durant la plage de régulation
du thermostat pour R290 (table 5.7)
8. Mesurer l′ampérage du compresseur pour calculer la puissance effective du
compresseur w•c (table 5.6).
9. Régler le DATTA LOGGER par l′ordinateur puis placer l′appareil sur la bouche du
soufflage de l′évaporateur comme indiqué par l′annexe1 fig.12.
10. Relever les profils de température en fonction de temps durant 12h de
fonctionnement (fig. 5.5)
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11. Tracer la courbe de saturation pour R290 et faire la comparaison (fig.5.6 et annexe
2 fig.13)
5.2.1. Calculs
a) Calcul de la chaleur latente
- Chaleur latente de R290 = 416 KJ/Kg @ Tsat = -35°c (voir annexe 3 table R290)
b) Calcul de la puissance électrique du compresseur
- pour le R290 pure de masse 300g
IA = 2.10A U= 220V Cos Φ = 0, 75
Peff = U I Cos Φ = 220 x 2.10 x 0, 75 = 346.5 W = w•c
c)Tableaux des valeurs de pression et température de saturation pour le R290
FF pts PS (BP)bar TS (BP)°C PS (HP)bar TS (HP) °C
1 1 -39 6 4
R 290 2 2 -25 8 19
m=300g 3 3 -21 10 25
Essais 50g/pts 4 4 -10 12 30
5 4,5 -2 14 43
Table 5.5 - Valeurs de pression et température de saturation pour le propane pur
Réfrigérants E12h (kwh) Tin (°C) Tout (°C) Pin (bar) Pout (bar) w•c (w)
Propane 100% 6 -19 43 3.2 12.5 330
Table 5.6 - Valeurs de P, T, E et w•c pour le R290 pur
Réfrigérants T sat (°C) Chaleur latente (kJ/kg) Période active (min)
Propane 100% -34.5 416 3.30
Table 5.7 - Valeurs de TSat, CP, et période active pour le R290 pur
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Mémoire d’Ingénieur en Énergétique - Emile Semaan 2015 Page 58
5.2.2. Discussion Les réfrigérants utilisés dans cette expérience sont le propane et le R22. Dans ce cas, on
va étudier et comparer les deux réfrigérants pour voir si le propane est un alternative
convenable pour le R22. La masse du propane chargée dans l′appareil est de 40% de celle
de R22 (300g au lieu de 750g). Les résultats expérimentaux sont représentés dans les
tables précédentes. La chambre isolée est reliée à la bouche de soufflage de l′évaporateur
sans aucune fuite d′air vers l′extérieur (fig.5.3).
Comparaison entre les deux réfrigérants
Par comparaison entre les réfrigérants, les deux ont à peu prés la même température
de soufflage qui varie entre 11.5°C à 12°C,(annexe 1 fig.14) les rapports entre la
température et la pression de saturation de chaque réfrigérant sont les mêmes ainsi
que les courbes de saturation sont confondues. Cependant, le temps de
fonctionnement du compresseur au démarrage pour le R22 est de 7 mn pour atteindre
une température de soufflage 12°C comparé avec le propane qui est de 8 mn avant
que les profils de températures (fig. 5.4 et 5.5) se stabilisent à une période active de 5
mn pour le propane et de 6 mn pour le R22.Ceci signifie que la chaleur latente du
propane (416kj/kg) est plus grande que celle du R22 (225,37 kJ/kg) (table 5.4 et 5.7).
Ainsi, l′énergie consommée est un peu réduite (6.5 kwh pour R22 et 6 kwh pour R290)
(table 5.3 et 5.6). Cependant, la masse chargée du propane (300g) est également
inférieure à celle du R22 (750g).
.
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Fig.5.5 - Profil de température du R290 pour l′air de soufflage en forme zigzag
Fig.5.6 - Comparaison entre les deux courbes de saturation
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6. Les procédures de sécurité11
Lorsqu′on parle des réfrigérants d′hydrocarbures, il est nécessaire de discuter des
problèmes de sécurité. Les hydrocarbures sont inflammables une fois mélangés à l'air.
La concentration de l'hydrocarbure en air doit être suffisante pour que le mélange soit
inflammable.
6.1. Limite pratique d′Inflammabilité
Pour une raison de sécurité, une limite pratique de 8 g/m3 de réfrigérant
d'hydrocarbure ne devrait pas être dépassée dans un espace ou une salle
fermée.
6.2. Les sources d′allumage
La source d'allumage doit être plus chaude que 430°C pour que le mélange
d'hydrocarbure soit inflammable. Ce qui suit sont des sources d'allumage potentielles
dangereuses.
une flamme, par exemple d'une torche de soudure, d'une lampe haloïde de
fuite de torche, d'une allumette.
une étincelle d'un composant électrique.
l'électricité statique.
fuite du réfrigérant dans l′air autour du système.
fuite du réfrigérant dans le compartiment de nourriture.
6.3. Identification des sources d'allumage potentielles
Tous les appareils peuvent avoir les sources d'allumage potentielles suivantes:
raccordements non isolés
relais de démarrage du compresseur non isolé
protecteur de surcharge du compresseur (klixon) non isolé
condensateurs de démarrage
corps du thermostat
interrupteur "Marche/Arrêt"
11
-ECOFRIG,Consulting Group for Environmental Economics and Policies.
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résistance de dégivrage non isolée
moteur du ventilateur
support de la lampe
Quelques solutions sont montrées d’après les figures suivantes:
Type de Protecteur thermique à
éviter Type isolé à employer
Type de Thermostat à eviler Thermostat isolé à employer
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6.4. Le secteur de remplissage
Le secteur de remplissage doit être bien aéré, un arrangement idéal est montré
d′après le schéma 5-a.
Pour des raisons de sécurité le secteur de remplissage doit :
être aussi lointain que possible du secteur de soudure;
être au moins à 2 m de n'importe quelle source d'allumage, y compris des
flammes et des composants électriques;
être une zone non-fumeurs;
avoir un ventilateur adjacent d'extrait suivant les indications du schéma
5-a, de sorte que n'importe quel réfrigérant exhalé à l'air soit tiré vers
l′extérieur ;
être au niveau du sol, jamais au-dessous de la terre;
un type sec de poudre extincteur dans le secteur de remplissage;
un détecteur de gaz inflammable devrait être installé à de bas niveaux
dans le secteur de remplissage;
une quantité minimum de réfrigérant devrait être stockée dans ce secteur,
le reste devrait être stockée dehors.
Fig.6.1 - Disposition d′aération
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6.5. Transport et stockage des réfrigérants d'hydrocarbures Le réfrigérant d'hydrocarbure devrait être transporté dans des véhicules ouverts et
devrait être stocké comme suit:
dans un compartiment bloqué et verrouillé protégé
contre le rayon soleil direct;
il ne devrait y avoir aucune source d'allumage et
non-fumeurs à moins de 2m des cylindres;
les vannes du cylindre devraient être bien fermées
avec couverture;
les cylindres devraient être bien fixés et droits. les
cylindres doivent être stockés au niveau du sol,
jamais au-dessous de la terre et devraient être
facilement accessibles en cas d'une urgence;
il ne devrait y avoir aucune source d'allumage et
non-fumeurs à moins de 2 m des cylindres;
les vannes du cylindre devraient être fermées et
avec couverture;
une alarme de gaz inflammable devrait être fixée en
bas à côté des cylindres pour donner une alarme
en cas d'une fuite.
Fig. 6.2 - Stockage des cylindres
d'hydrocarbure
Les règles et les règlements pour le stockage et le transport du réfrigérant
d'hydrocarbure peuvent être observés pareillement au stockage et au transport de
LPG/HAP qui est habituellement régi par des règles et des règlements locaux.
6.6. Étiquetage des appareils (figures 6.3 a et b)
L'étiquette sur un appareil chargé de réfrigérant d'hydrocarbure doit clairement
déclarer que le réfrigérant est inflammable. L′information suivante devrait être incluse:
type de réfrigérant et nom exacte de composition ou de marque ( par exemple
R600a, 290/600ou 600a 50/50 en poids, HR12ou HR134a ).
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le réfrigérant est inflammable;
si le réfrigérant évacué ou chargé:
- l'appareil devrait être dehors ou dans un secteur aéré;
- pas de source de chaleur supérieure à 460 °C, aucune
flamme, cigarette, appareillages électriques ou électroniques
non isolés;
- la quantité du réfrigérant.
(a)
(b)
Fig.6.3 - Type d′étiquette HR12: a et b
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7. Conclusion
Réfrigérants E12h
(Kwh) Tsat (°C)
Chaleur latente (kJ/kg)
Période active (min)
Propane/butane/isobutane 70%/25%/5%
2 -29.52 410.17 3.3
Propane/butane 60%/40% 1.83 -26.74 409.3 2.2
Propane/butane/ HFC-134a 40%/30%/30%
2.5 -34.34 344.2 4
HFC-134a 2.5 -21.84 212.21 8.15
R - 22 pur 6.5 -30 225.37 4.28
R - 290 40% du R-22 6 -34.5 416 3.30
Table 7.1 - Comparaison des réfrigérants adoptés avec le R 134a
Ce projet a investi un mélange de propane/butane alternatif au HFC-134a et un
réfrigérant du propane pur alternatif au R22 et qui n’ont pas des impacts sur
l′environnement et n′attaquent pas l′ozone, de rendement optimum, facile à utiliser dans
les systèmes de réfrigération domestiques. Après que les recherches aient réussi sur
l'exécution des réfrigérants mélangés, la conclusion suivante peut être basée sur les
résultats obtenus et pour un certain nombre des raisons suivantes :
1 - Meilleure consommation d′énergie qu′un appareil fonctionnant avec le réfrigérant
R134a et le R22
2 - la température de saturation des deux réfrigérants alternatifs est supérieure que
celle du R134a et du R22
3 - la valeur de la chaleur latente est supérieure à celle du R134a et du R22, ceci
signifie un meilleur échange thermique des réfrigérants choisis
4 - la période active (on-time) de l’appareil utilisant les réfrigérants choisis est inférieure
à celle du R134a et du R22
5 - la masse des réfrigérantes alternatives chargées dans le système est inferieure à
celle du R134a et du R22 (125g de HC < 250g de R134a et 300g du R290 < 750g du
R22)
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Ceci prouve que la masse chargée des réfrigérants HCs est économique et n′est pas
dangereuse.
Enfin, pour ces raisons les résultats prouvent que les meilleurs alternatifs au HFC-134a
et au R22 sont : le mélange hydrocarbure propane/butane (60%/40%) et le propane
pur (40%).
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8. References
- ECOFRIG, Consulting Group for Environmental Economics and Policies, CH-8002
Zürich, Switzerland. E-mail: “ECOFRIG”[email protected]
- Francis Meunier, Paul Rivet, Marie-franceTenier, Froid Industriel, RPF Dunod, Paris ,
N°5443, Juin 2007.
-Gisela Wahlen, A program to save the ozone layer, Federal Ministry for Economic Cooperation and Development (BMZ), Environment and Sustainable Use of Natural Resources Division, GTZ Proklima, http://www.gtz.de/proklima
- Manuel du Protocole de Montréal relatif à des substances qui appauvrissent la couche
d′ozone
- Somchai. Wongwises, Nares Chimres, Energy Conversion and Management, 46
(2005) 85-100, March 2004.www.sciencedirect.com.
-http://softadvice.informer.com/Coolpack_Refrigeration_Calculator.html
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ANNEXE 1
I. Balance / Scale A. Main Technical Function
1. Specification: 3kg/6g/15kg/30kg/32kg
2. Precision : 1/3000 F·S
3. Out Electric power: 240V (+10% ~ -15%); 50±2 Hz ;
4. Power: ACS-C, ACS-E: max power <8 VA;
normal power <4.5 VA ;
ACS-D: max power <1 VA;
Normal power <0.2 VA;
5. Battery: DC 6V4Ah, it can be used for 10 hours
6. Display windows: weight indicator window: 5 digits;
(fig.a)
B. Use environment.
1. Environment temperature: storage:-25℃ ~ +50℃
Work: -10℃ ~ +40℃
2. Humidity: storage: <70% R H
work: <90% R H
3. Size: outward size: 50×420
Packing size: 660×420×145
Assemble size: 665×440×185
4. Net weight: 4.8 kg (ACS-C) 5.7 kg (ACS-D/E)
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II. Multimeter
De haute précision 3 ½, LCD numérique, tension AC, ampèremètre, multimètre, pince.
Description Son compteur peut mesurer AC/DC tensions, les courants alternatifs et la résistance. Il
peut également être utilisé pour le test diode et de continuité.
Caractéristiques: Test de diode, test de continuité, les mesures de résistance, Transistor test de jonction
p-n.Fonction data hold.
Spécifications
Courant alternatif:0.0~ 400A.
Protection contre les surcharges: 400A surtout les gammes.
La tension AC: gamme 1v ~ 450v.
Protection contre les surcharges: 450v AC surtout les gammes.
La tension DC: gamme 1v ~ 600v.
Protection contre les surcharges: 600v DC /( AC crête) surtout les gammes.
Test de continuité avec signal sonore.
Mesure de la résistance: gamme 200K.
Max. d'affichage: 1999, affichage automatique de polarité.
Power: pile AAA 1.5v x 2
Longueur de câble: 80 cm.
Poids:145gr. ( y compris la batterie, env.)
Dimension: 150 x 63X 28 mm.
Détails de l'objet
Numéro du modèle:
MT87 Type d'affichage:
Uniquement digitale
Place of Origine:
Guangdong, China (Mainland)
Product description
(fig. b)
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III. Energy Meter – Single phase
(fig.c)
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2. Outside and install dimensions
3. Connection diagram
4. Technical specification
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IV. Appareil de récupération du
fluide frigorigène
(fig. d)
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V. Thermometer digital
LCD Panel TPM-10: Digital Temperature Panel, LCD display. Insert panel. Simple appearance, two button batteries, used for longer time. (fig.e)
Technical parameter: 1) Measuring range: -50oC ~ +70oC 2) Distinguish: 1oC 3) Accuracy: ±1 oC(±2F) 4) Power: DC1.5V AG13 5) Product size: 47.8 x 28.5 x 14.3mm 6) Screen size: 36 x 16mm LCD display. Insert panel. Simple appearance, two button batteries, used for longer time.
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VI. Two-Stages Vacuum Pumps
VE-Series (225,245,280)
VE series vacuum pumps are two-stage oil-sealed rotary vane vacuum pumps. These
pumps are used for vacuum applications as required by industry, refrigeration systems,
Research and development.
(fig.f)
Advantages/features:
•Low Ultimate pressure •Reliability: forced-feed lubrication system
•Portability: easy to carry •Suitable for all power supply
•Security: thermal protector in the motor •Special individual design for customers
Dimensions
VE225,VE245, VE280
Dimension
s
A A
1
A
2
A
3
B B
1
B
2
H H
1
H
2 VE225 mm 315 176 5
2
5
3
124 8
4
6
8
237 15
1
7
3 VE245 mm 335 176 5
2
6
1
138 8
4
7
6
250 16
3
7
5 VE280 mm 395 214 7
8
7
3
145 9
9
7
4
266 17
9
8
6
Technical Data
Model VE2
25
VE2
45
V
E2
80 Pumping speed(50Hz) m3/ h 2 3,
5
6
Total ultimatepressure Pa(mb) 5(5x10-2) 5(5x10-2) 5(5x10-2)
Oil capacity l 0,2
8
0,3
4
0
,
5
6
Motor kW 0,22 0,365 0,7
3 Inlet connection* D
N
KF1
6
KF1
6
K
F
1
6
Voltage(single-phase) V 220; 50Hz
/110;60Hz
220; 50Hz
/110;60Hz
220; 50Hz
/110;60Hz Weight kg 9 11
4
1
7
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VII. REFRIGERANT
IDENTIFIER ID1000 PRO
(fig. g)
Specifications
SAMPLE PARAMETERS: Vapor only, oil-free, 300 psing (2 MPa) Maximum
DETECTED
COMPOUNDS: R12, R134a, R 22, Hydrocarbons, Air
SENSOR TECHNOLOGY: Non-Dispersive Infrared (NDIR)
REFRIGERANT SAMPLE
SIZE: 0.3 ounces (8.5 grams) per sample
POWER: 9-15 VDC, 2 Amps Maximum
OPERATIONAL
TEMPERATURE: 40-130˚ F
SAE J1771
If the refrigerant being tasted is identified as
contaminated, any visual percentages displayed of CFC-
12 or HFC-134a (R134a) outside the design certified
value is informational and may not be accurate.
Spare Parts List
PART NUMBER DESCRIPTION
023-80147-00 R134a Tank Adapter Fitting
360-81616-00 R134a Sample Hose
360-81172-00 R12 Sample Hose
360-81817-00 Vehicle Power Cable
026-80128-00 Sample Filter (each)
026-80339-00 Battery Kit (optional)
028-80136-00 Printer Paper Roll - Sold in Quantities of 10 Only
035-81045-00 Operation Manuel
RTI Technologies,Inc
10 Innovation Drive
York, Pennsylvania 17402 USA
Web: www.rtitech.com
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(fig. h)
VIII.
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IX. Bouteilles de récupération
►Ne pas remplir le cylindre plus que 80% de son volume. Le poids de remplissage devrait être marqué sur le cylindre de récupération.
Type Européenne Type Américaine
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X. Manifold for HC refrigerant
(fig .k)
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(Fig.1) Mesure de l′impureté pour le R134a par l′identifier
(Fig.2) Mesure de l′impureté du R600a (Fig.3) Position verticale du datta
logger a l′intérieur de l′évaporateur
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(Fig.4) Récupération du R22 de l′appareil de climatisation dans la bouteille de récupération
(Fig.5) Piquage par soudage OA sur le condenseur (HP)
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Fig. (a)
Fig.(b)
(Fig.6) Piquage par soudage sur la haute et basse pression a et b
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(Fig.7) Changement du déshydrateur de l′appareil de climatisation
(Fig.8) Compression de l′installation par l′azote pour détecter les fuites
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(Fig.9) Technique de vidange par une pompe à vide
(Fig.10) Technique de remplissage du R22 dans l′installation
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(Fig.11) Mesure de l′ampérage du compresseur pour les deux réfrigérants (R22 et
R290)
(Fig.12) Emplacement de l′appareil DATTA LOGGER sur la bouche de soufflage
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(Fig.13) Relever les profils de température de soufflage pour le R22 et le R290
(Fig.14) Température de soufflage pour les réfrigérants
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(Fig.15) Mesure de l′impureté’ pour le R290 pur
(Fig.16) Remplissage du propane dans l′installation
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ANNEXE 2
(Fig.1) Courbe de saturation pour le mélange R290, R600 et R600a (70%/25%/5%)
(Fig.2) Courbe de saturation pour le mélange R290, R600 et R600a (50%/40%/10%)
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(Fig.3) Courbe de saturation pour le mélange R290 et R600 (60%/40%)
(Fig.3) Courbe de saturation pour le mélange R290 et R600a (60%/40%)
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(Fig.4) Courbe de saturation pour le mélange de 2 hydrocarbures avec le HFC-134a
(Fig.5) Courbe de saturation pour le mélange de 2 hydrocarbures avec le HFC-134a
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(Fig.6) Courbes de saturation pour le R22 et le R290 pur
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Fig. 7 Fiche des résultats de mesure d′impureté et d′exactitude pour tous les réfrigérants
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ANNEXE 3
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