Froid Industriel MT

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    30-Jun-2015

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Froid IndustrielMachine frigorifique

Mme MEDIOUNI

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. EX : 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.

lobjectif du froid Dans le domaine alimentaire Le froid permet 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.

lobjectif du froidEnindustrie 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.

lobjectif du froidLe froid permet aussi laugmentation du volume de production agricole par la modification du cycle vgtatif des plantes amliorant ainsi leur rendement (printanisation des crales). -. Pendant les mois de repos les germinations, sous l'action du froid, subissent une srie de transformations internes qui les rend aptes monter en fleur au printemps suivant. Sans cette action, le bl d'hiver donnerait trs peu ou pas d'pis

lobjectif du froidEn 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.

lobjectif du froid Il 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.

Machine frigorifique 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.

Machine frigorifiqueLe froid peut tre produite 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 subsistance refroidir (lair) et le fluide circulant en circuit ferm dans la machine. Le fluide intermdiaire est appel fluide frigoporteur.

Machines frigorifiques On distingue plusieurs sortes de machines frigorifiques : - Machines compression - Machines jection - Machines absorption - Machines adsorption - Machines raction chimique

Diffrents types de machines frigorifiques

LES MACHINES FRIGORIFIQUES A COMPRESSION SIMPLE Ces machines frigorifiques nutilisent quune compression simple (c..d pas de compresseurs en tage ). Le compresseur est soit un compresseur pistons, soit un compresseur membrane ou un compresseur vis.

Principe de fonctionnement de la machine frigorifique Une machine frigo (MF) comprend principalement quatre lments principaux et divers accessoires Les lments principaux sont : le compresseur K le dtendeur D deux changeurs de chaleur : le condenseur C et lvaporateur E Les accessoires les plus courants sont : un dshydrateur DH un voyant liquide V deux manomtres HP (M2) et BP (M1)

Schma dune machine frigo (masse de 1kg de fluide)

Cycle de la machine MF

Les Rles des diffrents organes de la machine MF Rle du compresseur K : il met en route la circulation du fluide (pompe aspirante et refoulante) il comprime le gaz (1-2) de la pression p0 (~2bar) pc (~8bar) pour le fron F22 en absorbant un travail W * on distingue entre compresseurs frigorifiques ouverts, semihermtiques et hermtiques (Fig)

Les Rles des diffrents organes de la machine MF

Les Rles des diffrents organes de la machine MF Rle du condenseur C : il refroidit la vapeur surchauffe (dsurchauffe 2-2) il y a condensation de la vapeur V => L (2-3) en librant les calories qc (source chaude) pression et temprature constantes (pc = cte et tc = cte) on dimensionne le condenseur C de sorte que la condensation soit totale la sortie Rle de lvaporateur E : il vaporise le fluide (L =>V) en absorbant les calories q0 la source froide, pression et temprature constantes (p0 = cte et t0 = cte)

Les Rles des diffrents organes de la machine MF Rle du dtendeur D : il rduit fortement la pression HP par perte de charge D p travers un tube capillaire ou un robinet pointeau cette dtente entrane une vaporisation partielle du liquide et un refroidissement du fluide Rle du Voyant V : il permet de contrler la charge en fron de la machine lors du remplissage et en cours de fonctionnement il signale la prsence dhumidit (vapeur deau) dans le fluide grce une pastille verte qui vire au jaune

Les Rles des diffrents organes de la machine MF Rle du dshydrateur DH : il filtre le fluide qui le traverse (copeaux mtalliques, trace de soudure) et limine la vapeur deau avec du silicagel Rle des manomtres HP et BP : ils contrlent la pression dans le condenseur (HP) et lvaporateur (BP) et le bon fonctionnement de linstallation ils sont gradus par rapport la pression atmosphrique et indiquent donc une pression relative (pabs = pr + 1 bar) ils mesurent aussi les tempratures tc et t0 dans le condenseur et lvaporateur, du fait de la relation univoque p= f(t) lors dun changement dtat

Les Rles des diffrents organes de la machine MF

Autres organes Ces diffrents lments ou organes de la machine frigo sont illustrs dans les Fig. 9 avec dautres accessoires telles les vannes simples ou lectromagntiques, la vanne inversion de cycle ( quatre voies), le dtendeur thermodynamique... A ct des organes dj mentionns, on utilise encore dautres accessoires pour : commander ou rguler la machine MF (pressostat HPBP, thermostats de rglage, pressostats eau,...) pour mesurer et contrler des grandeurs (manomtres, thermomtres, wattmtre, dbimtres...)

Autres organes

Fluides frigorigne 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.

Tempratures dbullition de quelques fluides la pression atmosphriqueFluide (rfrigrant) Eau H20 R718 R11 R12 R22 R502 Ammoniac - NH3 R717 Temprature dbullition (C) 100 23.3 -29.8 -40.7 -45.6 -33.3

Fluides frigorigne 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.

Fluides frigorigne

Fluide i uide

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leur l ene n ess ire our orer le li uide l ression os ri ue J g

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J g 4 6 4

proprits dun fluide frigorigneLe 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)

proprits dun fluide frigorigne- 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

proprits dun fluide frigorigne- 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

Courbe de saturation

Courbe de saturation

Diagramme enthalpique du R22.

CLASSIFICATION des fluides frigorignesLes 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 composs inorganiques Les fluides de cette famille sont les 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 (1 pour lazote N et 3 pour lhydrogne H Autres exemples de composs inorganiques : - leau (H20) : R718 - le dioxyde de carbone (CO2) : R7

Les composs organiques 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

Les corps pursLes 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.

Dsignation des HCFCQuant aux molcules des HCFC, ils contiennent du chlore non compltement halogn; autrement dit certains atomes de chlore ont t remplacs par des atomes dhydrogne. 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 units c : nombre datomes de carbones 1 La valence du carbone tant de , 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.

Dsignation des HCFCD atio Ci esdes Ci esdes Ci esdes sign n o e F e o nits es entain es dato esde i i e di ain oe oe C CF o do ne g ao ne oe o a o do ne g ao ne do ne g ao ne oe C C HF F C CF H

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

Dsignation des HCFC 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 R13 a

Les mlangesLes mlanges de corps purs se regroupent en deux sous groupes que sont : les mlanges azotopriques 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. 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)

Les mlangesDans 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).

Les hydrocarbures 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.

Le Cycle thorique de Mollier de la machine MF Afin de pouvoir exploiter et contrler une machine frigo, on utilise un cycle thorique dune machine idale en admettant les hypothses simplificatrices suivantes : Hypothses : la compression du fluide 1-2 est isentropique (pas de perte de chaleur) il ny a pas de perte de charge dans la tuyauterie et les changeurs (les paliers de condensation et dvaporation sont p = cte, c..d des isobares) la dtente -5 est isenthalpe (H = cte) avec H = mh On reprsente alors ce cycle idalis dans un diagramme (logP,h) appel diagr...