Embed Size (px)
Citation preview
Introduction Générale
Le froid est le terme utilisé pour désigner un manque relatif de chaleur, cependant dans un sens plus large, c’est un moyen de conserver des aliments ou des produits pouvant être altérés et détruits par la chaleur.
Le froid trouve de nombreuses applications dans des domaines très variés (industries
agroalimentaires, médecine, confort thermique, pétroléochimie…) et c’est dans le domaine
alimentaire que le froid occupe une place prépondérante car il permet de limiter les
gaspillages (pertes après récolte…) et de prolonger la durée de conservation des produits ce
qui permet un élargissement des échanges.
On a pu estimer que dans certaines régions du monde, 50% des denrées alimentaires
disponibles se perdent entre la période qui s’écoule entre le moment de la production et celui
de la consommation. Ainsi, dans le domaine alimentaire, l’objectif du froid est de maintenir la
qualité originale des produit en limitant (ou en supprimant) les altérations liées au
développement des microorganismes, altérations très rapides dans les pays chauds à cause des
conditions climatiques (température, humidité relative) qui sont favorables à la prolifération
des bactéries, levures et moisissures.
Pour les produits fabriqués par l’industrie agroalimentaire (lait, fromage…), le froid
permet d’améliorer leur qualité en favorisant la maîtrise des conditions de fabrication par une
optimisation des paramètres climatiques influençant le comportement des microorganismes.
Fournir du froid à un corps, à un milieu, c’est lui extraire de la chaleur ce qui se traduit
par un abaissement de sa température et aussi, bien souvent, par des changements d’états :
condensation, solidification, etc. Ce sont ces effets du froid qui sont, dans leur grande
diversité, au service de l’homme moderne. Les machines frigorifiques permettent, moyennant
un apport énergétique, d’extraire de la chaleur aux milieux à refroidir. Elles rejettent cette
chaleur, accompagnée de l’équivalent thermique de l’énergie reçue, à température plus élevée,
dans le milieu ambiant. Si le froid qu’elles produisent alors est généralement sans utilité (on
se contente de prélever de la chaleur dans un milieu où celle-ci est gratuite, air, eau ou
processus industriel) c’est la chaleur rejetée à température plus élevée qui est utilisée. On a
alors affaire à ce que l’on appelle généralement une pompe à chaleur dont les principes de
fonctionnement, et souvent la technologie, sont semblables à ceux des machines frigorifiques.
Projet de fin d’étude Page 1
La chaleur ne peut passer spontanément d’un corps froid vers un corps chaud, d’après
le principe zéro de la thermodynamique. C’est l’énoncé de Clausius du second principe de la
thermodynamique « La chaleur ne peut passer spontanément d’un corps froid vers un corps
chaud ». Si l’on veut effectuer le transfert de chaleur, dans le sens antinaturel, d’un milieu
froid vers un milieu chaud, il faut, nécessairement, d’une part, imaginer et mettre en oeuvre
un système thermique particulier, et, d’autre part, fournir de l’énergie au système.
Lorsque le but recherché est l’extraction de chaleur à un corps, ou à un milieu, pour le
refroidir ou le maintenir à une température inférieure à celle de l’ambiance, c’est-à-dire
lorsqu’il s’agit de produire du froid, le système thermodynamique qui effectue cette opération
prend naturellement le nom de machine frigorifique. L’effet utile est la chaleur extraite (ou le
froid produit) à la source froide.
Jusqu’à présent, le conditionnement d’air et les réfrigérateurs domestiques
fonctionnent principalement par la voie classique des machines frigorifiques à compression,
qui nécessitent pour le fonctionnement du compresseur, une dépense d’énergie électrique
considérable. Ces machines utilisent pour leur fonctionnement des CFC dont la plupart
appauvrissent la couche.
De nombreux scientifiques et écologistes se prononcent donc pour une technologie
capable d’assurer le futur écologique de notre planète. Les systèmes alternatifs doivent utiliser
des fluides frigorigènes sains pour l’environnement et avoir des performances élevées
permettant de réduire l’émission de CO2 contribuant à l’effet de serre. Ces problèmes
environnementaux ont donné un regain d’intérêt à une autre filière de machines frigorifiques à
sorption (absorption et adsorption), qui représentent une alternative intéressante dans ce
domaine. Tous les fluides utilisés dans ces derniers sont bénins pour l’environnement que ce
soit l’ammoniac, …etc.
La production du froid peut être faite par deux principaux systèmes, la compression
mécanique est le système le plus utilisé. L’absorption est l’autre système, l’usage de l’énergie
primaire pour produire du froid (gaz naturelle, déchets industriel, énergie solaire,..,) est
possible.
Les qualités écologiques et économiques des systèmes à absorption font d’eux un
concourant sérieux des systèmes à compression mécanique, d’où son utilisation devient de
plus en plus fréquente.
Cette étude à pour objectif d’étude de la conception et les caractéristiques de la
réfrigération classique : ( les machines frigorifiques et les différentes applications du froid
---- pompe à chaleur à compression de vapeur ) .
Projet de fin d’étude Page 2
Dans le 1er chapitre, on a fait une étude générale sur les machines frigorifiques et les
différentes applications du froid.
La 2éme partie traite et explique l’un des types de système de réfrigération qui est la pompe à
chaleur fonctionnant avec un compresseur. Ainsi les fluides frigorigènes utilisés et leur impact
sur l’environnement.
Projet de fin d’étude Page 3
I.1.Historique :
L'application du froid, se voit d'un rôle important dans la préservation des aliments, car
ces derniers d'un entrepose à la température ambiante périssent rapidement est ce la de la
croissance rapide des bactéries.
En 1685 le physicien français FHILIPPE de la Hire fut le 1er a produit
artificiellement de la glace, en enveloppant sel d'ammoniac humide, une toile pleine d'eau
fraiche, mais c'est seulement dans la 1ere moitie du XIXème siècle que sur ce principe. [1]
Une première description du cycle frigorifique pour la production de froid a été donnée
en 1805 par l’américain Oliver Evans (1755-1819). Mais c’est à l’américain Jacob Perkins
(1766-1849), qui travaillait en Angleterre que nous devons le premier brevet. Et un premier
modèle fonctionnant à l’éther éthylique. (1835). Les premières machines à compression qui
eurent un succès industriel sont le fait d’un écossais émigré en Australie, James Harrison
(1816-1893) (brevets en 1855-56-57). Les machines étaient fabriquées en Angleterre, elles
pouvaient produire de la glace ou refroidir des denrées. Le frigorigène était toujours l’éther
éthylique.
En 1869 Charles TELLIER, ingénieur français, développa la première installation
pouvant servir à conserver les aliments, puis en 1874 développa la machine frigorifique à
compression de vapeur pour conserver la viande et le transporter [2] et en 1857 Ferdinand
Carre réalise la première machine frigorifique à compression, le développement des machines
frigorifiques est relié aux changement des fluides frigorigènes.[3]
La fabrication industrielle des réfrigérateurs électriques à usage domestique a
commencé dans les années 1920 aux États-Unis, et à usage domestique a commencé dans les
années 1935, en Europe.
Dans les années 1930, la découverte et l'utilisation du fréon conduisit à la création de
réfrigérateurs encore plus efficaces. [2]
Le principe de refroidissement par absorption a été démontré vers la fin du 19ème
siècle(1859), mise au point par un français, Ferdinand carré. Le fluide utilisé est un mélange
binaire, il se compose d’eau et d’acide Sulfurique. Mais le fonctionnement se faisait de façon
discontinue dis ans plus tard.
FERDINAND Carré a adopté le mélange (eau/ammoniac) et il a obtenu par la même
occasion un fonctionnement continu. De 1950 à 1965, l'absorption connaît un succès
commercial important, en particulier aux États-Unis ; deux couples sont alors en compétition :
ammoniac/eau (NH3/H2O) et eau/bromure de lithium (H2O/BrLi). [4]
Projet de fin d’étude Page 4
I.2.Définition d’une machine frigorifique :
Une machines frigorifique, est une machine thermodynamique destinée à assurer le
froid d’un local ou d’un système à partir d’une source de chaleur externe dont la température
est supérieure à celle du local ou du système à refroidir.
C’est donc un système de froid qui transfère des calories d’un milieu à haute niveau de
température vers un milieu où la température doit être inférieur.
L’écoulement naturel de la chaleur s’effectuant toujours d’un corps froid vers un corps chaud,
on peut définir également la machine frigorifique comme un matériel permettant de réaliser
l’écoulement de chaleur inverse du sens naturel, c’est–à–dire d’un milieu chaud vers un
milieu froid. Une dépense d’énergie sera bien entendu inévitable pour réaliser ce transfert
inverse. L’énergie nécessaire pour assurer le transfert doit être inférieure à l’énergie
calorifique utile pour que le système ait un quelconque intérêt. [5]
Généralement la machine frigorifique à pour éléments principaux :
Le compresseur
Le détendeur
Le condenseur
L’évaporateur
I.3.Classification des machines frigorifiques
I.3.1.Classification par source d'énergie absorbéeI.3.1.1. Systèmes frigorifiques consommant de l'énergie mécanique (ou électrique) :
Parmi ces systèmes, on trouve essentiellement les systèmes frigorifiques à
compression de vapeur qui transfèrent de l'énergie calorifique d'un niveau de température :
Inférieur Tf vers un niveau de température supérieur Ti. Ils sont donc au moins di-thermes.
D'après le second principe de la thermodynamique, ils doivent nécessairement consommer de
l'énergie pour effectuer cette opération.
I.3.1.2.Systèmes frigorifiques consommant de l'énergie calorifique:
Le principe de fonctionnement de ces systèmes consiste à extraire ou fournir une
quantité de chaleur en consommant de l'énergie calorifique. Ils sont constitués d'au moins
trois sources de chaleur :
* source froide, à la température Tf
* source intermédiaire ou puits de rejet thermique à la température Ti
Projet de fin d’étude Page 5
* source fournissant de la chaleur" motrice" à la température Tch. [6]
I.3.2.Classification selon le mode de fonctionnementI.3.2.1. Les phénomènes de transfert thermique :
Pour extraire de la chaleur d’un milieu « froid » (source froide) vers un milieu chaud
(puits de chaleur) un fluide frigorigène est utilisé comme vecteur, celui-ci est le siège de
phénomènes physico-chimiques permettant de prélever, de transférer et de restituer la chaleur.
Ainsi donc, pour extraire de la chaleur d’une source froide le fluide frigorigène subit
en contact d’une source, un phénomène endothermique (qui consomme de la chaleur).
De la même manière, pour extraire la chaleur stockée par le fluide frigorigène afin de
la restituer à la source chaude un phénomène exothermique (qui dégage de la chaleur) est
utilisé.
Dans la majeure partie des cas, une série de transformations qui ramène, périodiquement, le
frigorigène dans son état initial, est décrite. Le cycle de fonctionnement ainsi décrit est appelé
cycle frigorifique.
I.3.2.2. Machine utilisant la vaporisation d’un frigorigène :La présentation de ces machines utilisant le phénomène de vaporisation d’un
frigorigène, la manière dont les vapeurs issues de l’évaporateur sont aspirées permette de
distinguer les différents types des machines suivantes. [7]
a) Machine frigorifique à compression :Les vapeurs issues de l’évaporateur sont aspirées par un compresseur mécanique. En
raison de leur simplicité ces machines sont les plus répandues, consommant exclusivement de
l’énergie mécanique, elles entrent dans la catégorie des systèmes au moins diathermes.
b) Machine frigorifique à éjection :Les vapeurs du cycle frigorifique sont aspirées mécaniquement par un éjecteur. Celui-
ci fonctionne grâce à l’énergie cinétique de la vapeur motrice (généralement de même nature
que la vapeur de frigorigène) qui, par l’injecteur I, pénètre dans la partie convergente, II, de
l’éjecteur. La compression du mélange des vapeurs motrice et de frigorigène s’effectue dans
la partie divergente, ces systèmes ont une application assez rare.
c) Machine frigorifique à adsorption :La fixation de la vapeur de frigorigène se fait ici sur la surface d’un solide qui est
l’adsorbant. Il présente une grande affinité pour le frigorigène. L’adsorption de la vapeur
s’accompagnant d’un fort dégagement de chaleur, surtout dans le cas de la formation d’un
Projet de fin d’étude Page 6
composé chimique, l’adsorbeur, relié à l’évaporateur du système frigorifique, doit comporter
donc un échangeur interne de refroidissement. La masse de frigorigène adsorbé est limitée par
la capacité d’adsorption de l’adsorbant. Contrairement aux autres systèmes qui permettent une
production continue de froid, les systèmes à adsorption ont un fonctionnement intermittent.
L’extraction du frigorigène adsorbé se faisant par chauffage, les systèmes à adsorption
entrent dans la catégorie des systèmes au moins tri-thermes et sont très peu utilisés en
pratique.
d) Machine frigorifique à absorption :Pour ce type de machine, l’aspiration de la vapeur de frigorigène se fait par
l’intermédiaire d’un liquide absorbant qui présente une grande affinité pour ce fluide. La
vapeur est absorbée par tout le volume du liquide absorbant et l’aspiration à lieu.
L’évaporateur est relié à l’absorbeur, à l’intérieur duquel est pulvérisée en permanence la
solution absorbante pauvre en frigorigène, afin d’accroître la surface de contact avec la vapeur
de frigorigène. Le liquide absorbe la vapeur du fluide frigorigène donnant lieu à l’aspiration
d’une nouvelle masse de frigorigène issue de l’évaporateur. La solution enrichie en
frigorigène (solution riche) quitte l’absorbeur, et elle est dirigée vers un autre point de la
machine où, par chauffage, on procède à l’extraction du frigorigène fixé. Les systèmes à
absorption appartiennent donc à la catégorie des systèmes frigorifiques au moins tri thermes.
L’absorption du frigorigène par la solution absorbante est exothermique ce qui impose l’usage
d’un échangeur de chaleur pour le refroidissement de la solution absorbante. Les systèmes à
absorption ont été les premières machines frigorifiques industriellement opérationnelles. Le
développement des systèmes à compression les a confinés dans des applications bien précises.
[8]
Projet de fin d’étude Page 7
Figure. I.1 : les types des machines frigorifiques
Les deux types de machine frigorifique qui nous intéressent dans notre étude ; sont
actuellement les plus répondus :
La machine à compression mécanique, qui est de loin la plus utilisé, et la machine à
absorption, qui peut fonctionner sans électricité, avec de l’énergie solaire.
I.4. Etude thermodynamiqueI.4.1.Premier principe :
Le premier principe de la thermodynamique stipule que lors de toutes transformations,
il y a conservation de l’énergie.
Dans le cas des systèmes thermodynamiques fermés, il s’énonce de la manière
suivante : « Au cours d’une transformation quelconque d’un système fermé, la variation de
son énergie est égale à la quantité d’énergie échangée avec le milieu extérieur, sous forme de
chaleur (Q) et sous forme de travail (W). »
Dans un système cohérent d’unités, ce premier principe se traduit par la
relation:
W + Q = 0
Figure. I.2 : principe thermodynamique d’un système fermé.
Projet de fin d’étude Page 8
Système fermé
wQW
I.4.2.Deuxième principe :Le premier principe met en évidence la conservation des énergies mises en jeu dans un
système. Le second principe permet de connaître l’évolution d’un système. En effet, on peut
transformer en totalité du travail en chaleur, mais on ne peut pas toujours transformer de la
chaleur en travail.
Lorsqu’un système évolue de manière cyclique entre 2 sources de chaleur, on
caractérise une source froide à la température T1 et une source chaude à la température T2.
Les appellations « source froide » et « source chaude » sont des appellations relatives à un
schéma déterminé. La température de la source chaude est toujours supérieure à la source
froide. [9]
Figure I.3 : machine frigorifique (transfert de chaleur d’une source froide à une source chaude)
Le système reçoit de la chaleur Q1 de la source froide et du travail W. Il restitue de la chaleur Q2 à la source chaude.En application du premier principe, on peut écrire :W + Q1 + Q2 = 0Ce qui est reçu est compté positivement, ce qui est cédé négativement.Soit en valeur absolue :Q2 = Q1 + W chaleur cédéeQ1 = Q2 – W chaleur prélevée
I.5.Efficacité d'une machine frigorifique
L’efficacité d'une machine frigorifique s'exprime par un coefficient de performance β.
Ce coefficient est positif et compte tenu des échanges énergétiques, il peut être supérieur à 1 :
β= Qf (énergie recherchée) / W (énergie à payer ).
I.6.Cycle frigorifique :Les différentes évolutions du fluide frigorigène dans la machine frigorifique sont
représentées sur le diagramme enthalpique, il s’agit du cycle frigorifique de la machine
communément appelée cycle de référence ou cycle pratique par les frigoristes [10].
Projet de fin d’étude Page 9
Suivant (Fig. I.3), le fluide frigorigène (FF) circulant dans le circuit frigorifique suit les
évolutions suivantes :
Figure. I.4: cycle frigorifique de référence.
Entre 1 et 2: évaporation du fluide frigorigène liquide (BP) qui devient des vapeurs de fluide
frigorigène (BP).
Entre 2 et 3 : surchauffe des vapeurs de fluide frigorigène (BP).
Entre 3 et 4 : compression des vapeurs de fluide frigorigène qui passent d’un niveau de basse
pression (BP) à un niveau de haute pression (HP).
Entre4 et 5: condensation des vapeurs de fluide frigorigène (HP) qui deviennent du FF
liquide (HP).
Entre 5 et 6: sous refroidissement du fluide frigorigène liquide (HP).Entre 6 et 1 : détente du fluide frigorigène liquide (HP) qui devient un mélange de liquide
(BP) et d’une faible quantité de vapeurs (BP).
Le cycle frigorifique de référence (cycle pratique) permet d’effectuer l’étude et le
dimensionnement des machines frigorifique avec une précision acceptable.
I.7.Application de froid :Domaine médical : cryochirurgie, conservation de certains produits, organes...
Projet de fin d’étude Page 10
Figure. I.5 : conservation des produits médicaux
Industries alimentaires : conservation des aliments, pasteurisation du liquide...
Figure. I.6 : conservation des aliments
Industries chimiques et pétrochimiques : liquéfaction des gaz pour le transport,
déparaffinage, débenzolage...
Figure. I.7 : liquéfaction des gaz
Conditionnement des locaux : rafraichissement de l'air, conditionnement des
patinoires, canons à neige...
Projet de fin d’étude Page 11
Figure. I.8: rafraichissement
Laboratoires d'essai et de recherche : étude des matériaux et comportement de la
matière à très basse température...
Figure. I.9: conservation des produits chimiques
Production de neige carbonique : maintien du froid à basse température (-80°C) [11]
Figure. I.10 : la glace carbonique
Projet de fin d’étude Page 12
II.1.Introduction :Chaque jour, notre planète reçoit une grande quantité d’énergie en provenance du
soleil, de la pluie, du vent… Celle-ci est absorbée et stockée partiellement par l’atmosphère,
les océans et le sol. Grâce à un dispositif thermodynamique, il est possible de récupérer cette
énergie gratuite et renouvelable et s’en servir pour le chauffage et le refroidissement de nos
locaux : c’est la « pompe à chaleur » (PAC). [12]
En raison de la conscience écologique grandissent, l’utilisation de l’énergie
renouvelable gagne de plus en plus en popularité. Dans le cadre de ce développement, les
pompes à chaleur connaissent une renaissance. Les défauts techniques qui ont stoppé l’élan de
la première génération des années 80, ont maintenant disparu. Aujourd'hui, les pompes à
chaleur sont des systèmes de rafraichissement fiables, économiques, tournés vers le futur sans
oublier qu'ils sont particulièrement écologiques. [13]
Le froid est devenu une forme d'énergie importante dans notre société. Utilisé dans un
grand nombre de secteurs et sous de nombreuses formes (conservation de denrées périssables,
climatisation, refroidissement de procèdes industriels etc.).
Les systèmes frigorifiques à compression nécessitent en effet pour leur fonctionnement
l'utilisation de fluides frigorigènes. Ce système utilisé largement pour les pompes à chaleur de
petites et grandes puissances, les climatiseurs et les groupes de réfrigérations classiques.
Le cycle à compression mécanique de vapeur comprend généralement trois éléments
essentiels : les échangeurs aux sources chaude et froide (condenseurs et évaporateurs), le
compresseur et le détendeur. [14]
II.2.Définition d’une pompe à chaleur :Une pompe à chaleur est un système thermodynamique qui transfère la chaleur d’une
source chaude à une source froide par apport d’un travail mécanique de compression, Une
PAC est appelée PAC réversible (ou inversable) quand t’elle peut produire du chaud ou du
froid selon la configuration du cycle frigorifique. [15]
La pompe à chaleur est un système comprenant 2 sources de chaleur (chaude et froide) entre
lesquelles un fluide caloporteur, le fluide frigorigène, subit un cycle de transformations,
provoquant un transfert de chaleur entre les 2 sources. Elle est constituée d’un circuit fermé et
étanche dans lequel circule un fluide frigorigène à l’état liquide ou gazeux selon les organes
qu’il traverse. Elles présentent l’avantage de pouvoir être facilement utilisées pour des
applications de refroidissement. [16]
Projet de fin d’étude Page 13
II.3.Bases de la technique d’une PAC :Le travail et la chaleur sont des grandeurs de processus .ces facteurs représentant les
formes possibles de transport de l’énergie hors des limites du système .l’énergie E, le travail
W et la chaleur Q ont pour unité le joule J.
a) Energie interne U:L’énergie interne spécifique est une grandeur d’état calorifique représentant la réserve
d’énergie d’un système thermodynamique (kJ/kg).
dU= dQ+dW
b) Enthalpie h :L’enthalpie spécifique est une grandeur d’état calorifique définie par la formule
suivante : h=U+p×vc) Entropie S :
L’entropie caractérise l’irréversibilité et donc la dégradation de l’énergie dans un
processus.
S = dQ/T
Figure. II.1 : Variation des grandeurs d’état physiques dans le diagramme log p, h
Légende :
Log p : pression en bar.
S : entropie en J/kg.
Projet de fin d’étude Page 14
h : enthalpie en J/kg.
V : volume spécifique en m3/kg.
t : température en K.
x : part de vapeur en %. [17]
II.4. Les composants d’une pompe à chaleur :
II.4.1.Les composants principaux :Il existe quatre composants principaux indispensables a la réalisation d’un cycle a
compression de vapeur froide traditionnel sont:
II.4.1.1.Compresseur :
Le compresseur représente le coeur de la pompe à chaleur. Il fait circuler le frigorigène
dans le circuit de réfrigération et élève la pression de la vapeur de réfrigérant. Cette élévation
de pression permet au frigorigène de se condenser (dans le condenseur) à une température
plus élevée. La vapeur de réfrigérant circule dans le compresseur toujours dans le même sens :
elle entre sous basse pression par la conduite d’aspiration puis elle est refoulée à une pression
plus élevée. L'astuce consiste à comprimer le gaz jusqu'à ce que sa température devienne plus
élevée que celle du milieu extérieur.
Le compresseur amène le gaz frigorigène en provenance de l’évaporateur a une pression
suffisante pour qu’il puisse se liquéfier.
Figure. II.2 : schéma d’un compresseur
II.4.1.2.Serpentins échangeurs de chaleur (évaporateur/condenseur) :
L’évaporateur et le condenseur sont constitués par des serpentins qui absorbent ou
rejettent la chaleur entre deux milieux de températures différentes. Étant donné qu’une pompe
à chaleur peut inverser sa fonction (refroidissement ou chauffage), chacun des serpentins
échangeurs peut fonctionner en évaporateur ou en condenseur.
Projet de fin d’étude Page 15
Figure. II.3:schéma d’un échangeur de chaleur
1) Le condenseur :
C'est la partie chaude de la machine frigorifique. Il permet d'évacuer l'énergie contenue
dans le fluide frigorigène. Le fluide s'y condensera en restituant l'énergie qu'il véhicule.
2) L’évaporateur :
C'est la partie froide de la machine. Ce composant permet de refroidir le local en y
prélevant de la chaleur. Le fluide frigorigène s'y évapore.
Les appareils à plaques présentent l’avantage d’avoir des contenances réduites, de grandes
surfaces d’échange pour un encombrement limite, et une grande modularité dans la
fabrication. Ils conviennent pour une évaporation sèche ou en système immerge.
Figure. II.4: Echangeur de chaleur a faisceaux tubulaires
II.4.1.3. Détendeur :
Le détendeur mesure ou régule le débit du frigorigène liquide qui s’écoule vers
l’évaporateur. Il abaisse la pression du frigorigène liquide et permet ainsi que son évaporation,
et donc l’absorption de chaleur, se produisent dans le serpentin de l’évaporateur. [18]
Projet de fin d’étude Page 16
Dans le circuit frigorifique, la chute de pression nécessaire au refroidissement du
fluide frigorigène est obtenue par frottement (perte de charge) dans le détendeur. Il s'agit en
général d'une sorte de robinet de petite taille. [19]
Le détendeur renduit la pression exercée sur le fluide réfrigérant l’ors qu’il passe de la
cote haute pression à la cote basse pression du circuit frigorigène. Il régule également le flux
du fluide réfrigérant en direction de l’évaporateur.
Figure. II.5 : Détendeur
II.4.2.Composants secondaires
II.4.2.1.Déshydrateur-filtre :Pour capter l’humidité résiduelle dans le système de refroidissement. Cette humidité
peut provoquer le givrage du détendeur, des modifications de la qualité des fluides et des
dégâts à l’enroulement.
II.4.2.2. Regard avec indicateur d’humidité :Pour le contrôle visuel de l’humidité dans le système ainsi que la production de flash
gaz (Formation de bulles de gaz) comme indice d’un manque de fluide réfrigérant,
d’encrassement du déshydrateur-filtre, etc.
II.4.2.3. Filtre aspirant :Pour la protection mécanique du compresseur.
II.4.2.4. Electro-aimantPour le déclenchement ou la commutation automatique ou l’aspiration des différents
échangeurs de chaleur.
II.4.2.5. Régulateur de pression :Pour le maintien en pression constante, haute ou basse des différentes parties du
système.
II.4.2.6. Absorbeur de vibrations :Pour le débrayage des parties vibrantes, p. ex. le compresseur.
Projet de fin d’étude Page 17
II.4.2.7. Silencieux pour le gaz sous pression :
Pour amortir les pulsations du gaz dans les compresseurs a piston.
II.4.2.8. Collecteur de fluide réfrigérant :Pour recueillir le fluide réfrigérant lors de différents états opérationnels ou de
l’aspiration.
II.4.2.9. Séparateur d’huile :Pour éviter les dépôts d’huile importants dans le système et de souiller l’évaporateur avec de
l’huile. Utilise dans le cas de compresseurs à vis, d’installations à plusieurs compresseurs ou
d’évaporateurs en systèmes immerge.
II.4.2.10. Vannes d’arrêt et instruments de mesure :
Pour l’entretien habituel et le contrôle des installations.
I I.5. Les fluides frigorigènes : II.5.1. Définition :
Les fluides frigorigènes sont des fluides ou des corps purs, utilisés dans les circuits de
systèmes frigorifiques tels que: des chambres froides, des réfrigérateurs, des pompes à
chaleurs. Les fluides frigorigènes ont la particularité d’avoir sous la pression atmosphérique,
une température d’évaporation très faible. Cette propriété thermodynamique permet de
produire du froid. [20]
Le fluide frigorigène est le carburant d’une installation frigorifique dans laquelle,
circulant, il est évaporé, comprimé, liquéfié et détendu. Il assure le transfert de la chaleur en
recevant, en dessous de la température ambiante, la chaleur par évaporation et en le cédant à
nouveau, au-dessus de la température ambiante, par liquéfaction.
Le fluide frigorigène permet les échanges de chaleur dans un système frigorifique par
ses changements d’état que sont l’évaporation et la condensation.
II.5.2.Classification des fluides frigorigène :
Les fluides frigorigènes obéissent à une classification qui permet une désignation
précise de chaque fluide. Cette classification est effectuée sur la base de critères différents
suivant la famille ou la sous famille de fluides considérés.
Les fluides frigorigènes sont divisés en deux grandes familles que sont :
a) les composés inorganiques :
Les fluides de cette famille sont ceux de la série 700.
Le fluide le plus utilisé de cette famille est l’ammoniac (NH3) et il est désigné par R717
R : désigne Réfrigérant
Projet de fin d’étude Page 18
Le 7 : des centaines désigne la série 700
Le 17 : représentant les deux derniers chiffres désigne la masse molaire du corps (14 pour
l’azote « N » et 3 pour l’hydrogène « H »
b) les composés organiques :
Les composés organiques sont des dérivés du méthane (CH4) et de l’éthane (C2H6).
Ils se divisent en trois sous familles :
1- les corps purs
2- les mélanges (de corps purs)
3- les hydrocarbures
1) Les corps purs :
Les corps purs se regroupent en trois sous groupes suivant leur composition chimique :
- Les CFC (chlorofluorocarbone)
- Les HCFC (hydro chlorofluorocarbone)
- Les HFC (hydrofluorocarbure)
- BrFC : bromoflurocarbone.
La caractéristique principale d’un corps pur est qu’il se condense et s’évapore à température
et pression constante.2) Les hydrocarbures :
Les fluides frigorigènes du type hydrocarbure proviennent essentiellement du raffinage
du pétrole mais également du dégazolinage (récupération des hydrocarbures liquides) du gaz
naturel.
Ce sont essentiellement le R600 (butane), le R600a (isobutane) et le R290 (propane)
qui est le plus utilisé. Contrairement aux autres fluides frigorigènes, les hydrocarbures sont
hautement inflammables. Dans certaines classifications, les fluides frigorigènes du type HC
(hydrocarbures) sont regroupés avec les fluides de la série 700 comme le R717 (ammoniac),
le R718 (eau) ou le R744 (dioxyde de carbone) sous la famille des fluides dits « naturels ».
[21]
Projet de fin d’étude Page 19
II.5.3.Formule chimique de différents fluides frigorigènes :
Tableau II-1 : formules chimiques des différents fluides frigorigènes
II.5.4.Les caractéristiques physiques du fluide frigorigène parfait : Chaleur latente de vaporisation très élevée.
Point d’ébullition, sous la pression atmosphérique, suffisamment bas.
Pas d’action sur les métaux composant le circuit (ainsi, par exemple l’ammoniac
attaque le cuivre).
Non inflammable et non explosif en mélange avec l’air.
Sans effet sur la santé du personnel.
Sans action sur les denrées à conserver.
Sans odeur ou n’ayant qu’une faible odeur non désagréable.
Pas d’action sur la couche d’ozone.
Pas d’action sur le réchauffement terrestre. [22]
II.5.5.Les gaz fluores et l'environnement :Les gaz fluores contribuent a deux effets majeurs modifiant la constitution de
l'atmosphère :
1. L'effet de serre.
2. La modification de la concentration d'ozone.
Projet de fin d’étude Page 20
Tableau II.2 : effet des gaz flores sur la constitution de l’atmosphère
1) L'appauvrissement de la couche d'ozone :Par brassage de l'atmosphère les chlorofluorocarbures CFC, aboutissent dans la
stratosphère, ou le rayonnement ultraviolet libère les atomes de chlore. Ces atomes
serecombinent avec l'ozone pour former de l'oxyde de chlore et une molécule d'oxygène selon
la réaction en chaine suivante :
On estime qu'un atome de chlore peut ainsi détruire plus de 100 000 atomes d'ozone. La
production des CFC a été interdite par le protocole de Montréal (1987).
II.6.Le choix d’un fluide frigorigène :Le choix d’un fluide frigorigène repose sur les critères suivants :
Les conditions d’utilisation (applications) du fluide frigorigène.
Le critère économique et la disponibilité du fluide frigorigène.
Le critère de réglementation (nomes, recommandations, impacts environnementaux…
II. 7.Principe de fonctionnement d’une pompe à chaleur
II.7.1 Le principe:La pompe à chaleur ou PAC est constituée d’un circuit fermé et étanche dans lequel circule un
fluide frigorigène à l’état liquide ou gazeux selon les organes qu’il traverse. Ces organes sont
au nombre de quatre : l’évaporateur, le compresseur, le condenseur, et le détendeur.
Projet de fin d’étude Page 21
Figure. II.6 : Schéma d'un système frigorifique à compression de vapeur simple.
Le cycle suivi :
Le fluide frigorigène sort à l'état gazeux du serpentin de l'évaporateur E
(pression PD et température TF de la source froide).
Il passe alors dans le compresseur qui le comprime à la pression PC. Ce
compression rapide est isentropique (adiabatique) : le fréon gazeux s’échauffe.
Quand le fréon gazeux arrive dans le serpentin du condenseur C, il se refroidit
jusqu’à la température TC de la source chaude et se liquéfie sous la pression
Pc.
Il passe alors dans une vanne de détente (capillaire) qui le ramène à la pression
PD. La détente est isenthalpique.
A l'arrivée dans le serpentin de l'évaporateur E, le fluide se vaporise sous la
pression et à PD la température TF de la source froide.
II.7.2. Bilan énergétiqueLe fluide :
reçoit le travail W du compresseur.
cède à la source chaude la chaleur QC dans le condenseur où il se liquéfie.
reçoit de la source froide la chaleur QF dans l'évaporateur pour se vaporiser.
[23]
Projet de fin d’étude Page 22
II.7.3. Fonctionnement d’une Pompe à chaleur :Les pompes à chaleur présentent l’avantage de pouvoir être facilement utilisées pour
des applications de refroidissement.
Figure. II.7 : principe de fonctionnement d’une pompe à chaleur
a) Dans le compresseur :
Le fluide frigorigène arrive à l'entrée du compresseur à l'état gazeux, sous basse
pression et basse température. La compression permet d'élever sa pression et sa température.
En théorie, la compression est adiabatique (ou isentropique) ; mais elle ne l’est pas en
pratique.
b) Dans le condenseur :
Le gaz chaud cède sa chaleur au milieu extérieur. Les vapeurs de fluide frigorigène se
refroidissent ("désurchauffe"), puis le fluide se condense. Le fluide liquide se refroidit de
quelques degrés (sous-refroidissement) avant de quitter le condenseur.
c) Dans le détendeur, le fluide subit une détente isenthalpique :
Le fluide frigorigène se vaporise partiellement, ce qui abaisse sa température.
d) Dans l’évaporateur :
Le fluide frigorigène s'évapore totalement en absorbant la chaleur provenant du circuit
d’eau qui se refroidit. Dans un deuxième temps, le gaz formé est encore légèrement réchauffé
par le fluide extérieur ; c'est ce qu'on appelle la phase de surchauffe.
Projet de fin d’étude Page 23
II.8.Les types d’une pompe à chaleur à compression de vapeurII.8.1.pompe à chaleur à compression mono étagée (simple) :
On utilise un seul étage de compression mécanique pour la production de froid à
températures pas trop basses (généralement supérieures à - 20 ou - 25 °C) et pour la plupart
des pompes à chaleur. De tels cycles sont extrêmement répandus.
II.8.2.Pompe à chaleur à compression poly étagée
a) Pompe à chaleur à compression bi étagée :Lorsqu'il s'agit de produire du froid à températures plus basses (généralement
comprises entre - 25 et – 45 °C), les cycles à compression mono étagée présentent divers
inconvénients.
On fait alors appel aux cycles mettant en jeu deux étages de compression associés en série.
Ces cycles à compression bi étagée sont très courants.
b) Pompe à chaleur à plus de deux étages de compression :On utilise de tels cycles pour la production de froid à des températures encore plus basses (par
exemple inférieures à -45 ou – 50 °C) et ne mettant en jeu qu'un seul frigorigène. Ils sont
beaucoup plus rares.
II.9.Coefficient de performance d'une Pompe à chaleur:On définit l'efficacité COP d'une PAC par le rapport de l'énergie « utile » Qfroid (la
chaleur restituée à la source froide) sur le travail W, énergie fournie à la PAC au niveau du
compresseur. [17]
COP = Qfroid /W
II.10.la consommation électrique des machines frigorifique à compression :Le travail mécanique, pour passer le gaze de la pression BP à la pression HP, est
fourni par le compresseur. Ce dernier utilise généralement un moteur électrique (des moteurs
gaz existent pour des machines de forte puissance).
Le COP, définit comme le rapport entre la puissance chaude restituée et la puissance
électrique absorbée, est compris entre 3 et 6 (suivant les caractéristiques de la machine et les
régimes de fonctionnement). Pour un COP de 4 cela signifie que lorsque 4 kWh de chaud sont
fournis par la PAC, 1 kWh électrique a été consommé et 3 kWh ont été puisés dans le
réservoir. [24]
Projet de fin d’étude Page 24
II.11.Avantages et inconvénients :
a) Avantage : Très bon COP (2 – 4).
Mise en fonctionnement rapide.
Grande plage de variation de la température d’eau refroidie.
Rejet thermique limité.
b) Inconvénients : Vibrations et bruits.
Compresseur trop coûteux en énergie électrique.
Réfrigérants nocifs pour l’environnement. [25]
Projet de fin d’étude Page 25
