Présentation

Professeur agrégé de mécanique, j’enseigne la conception des installations frigorifiques depuis 1989 en B.T.S. Fluides Énergies Environnement option Génie Frigorifique.

Lors de sa dernière visite, Monsieur l’Inspecteur Général Rage m’a conseillé d’utiliser la pédagogie « par projet » pour améliorer mon enseignement et j’ai suivi ce conseil. Aujourd’hui, je vous propose de partager mon expérience à travers les quelques pages de ce livre. Cet ouvrage n’a pas pour but principal d’apprendre à concevoir des installations frigorifiques mais cherche à démontrer qu’il existe un grand nombre de logiciels gratuits qui permettent de concevoir de manière précise et rapide ces installations. Il s’adresse aux étudiants :

de B.T.S. Fluides Énergies Environnement, d’I.U.T. Génie Thermique des écoles d’ingénieurs.

Il pourra être aussi utilisé par les techniciens de bureau d’études des entreprises de génie frigorifique.

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Sommaire

Page

Projet n°1

1. Cahier des charges 5

2. Détermination du régime de fonctionnement et de la puissance frigorifique nécessaire 6

3. Étude thermodynamique comparative 8

4. Sélection du groupe de condensation 11

5. Sélection de l’évaporateur 13

6. Détermination du point de fonctionnement 15

7. Tracé du schéma fluidique complet 16

8. Sélection du diamètre des tuyauteries 16

9. Sélection du détendeur thermostatique 17

10. Sélection des appareils de régulation 19

11. Sélection des appareils de sécurité 23

Projet n°2

1. Cahier des charges 29

2. Détermination du régime de fonctionnement et de la puissance frigorifique nécessaire 30

3. Étude thermodynamique 33

4. Sélection des compresseurs 35

5. Sélection des évaporateurs 37

6. Détermination du point de fonctionnement 39

7. Tracé du schéma fluidique complet 40

8. Sélection du diamètre des tuyauteries 42

9. Sélection des détendeurs électroniques 50

10. Sélection du condenseur à eau 51

11. Sélection du condenseur de récupération de chaleur 51

12. Sélection des appareils de régulation 53

11. Sélection des appareils de sécurité 59

Projet n°3

1. Cahier des charges 66

2. Détermination du régime de fonctionnement et de la puissance frigorifique nécessaire 67

3. Étude thermodynamique 67

4. Sélection des compresseurs 70

5. Sélection de l’évaporateur de la chambre froide 75

6. Tracé du schéma fluidique complet 77

7. Sélection du diamètre des tuyauteries 78

8. Sélection du détendeur thermostatique de la chambre froide 83

10. Sélection des appareils de régulation de la chambre froide 85

11. Sélection des appareils de sécurité 88

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Projet n°4

1. Cahier des charges 91

2. Détermination du régime de fonctionnement et de la puissance frigorifique nécessaire 92

3. Sélection des compresseurs au CO2 93

4. Détermination des diamètres de tuyauterie de la centrale au CO2 95

5. Détermination du système de retour d’huile pour la centrale au CO 96

6. Sélection du filtre déshydrateur et du voyant indicateur d’humidité pour la centrale au

CO2 99

7. Sélection du filtre d’aspiration pour la centrale au CO2 99

8. Régulation de puissance de la centrale au CO2 100

9. Schéma complet de la centrale au CO2 102

10. Détermination des compresseurs de la centrale au R 134a 103

11. Détermination des diamètres de tuyauterie de la centrale au R 134a 104

12. Détermination du système de retour d’huile pour la centrale au R134a 106

13. Sélection du filtre d’aspiration et du voyant indicateur d’humidité pour la centrale au

R134a 107

14. Sélection du filtre déshydrateur pour la centrale au R134a 108

15. Régulation de puissance de la centrale au R134a 109

16. Schéma complet de la centrale au R134a 111

17. Sélection du condenseur à air pour la centrale au R134a 112

18. Sélection d’un échangeur à plaques désurchauffeur pour la centrale au R134a 113

19. Régulation du système de récupération et d’évacuation de chaleur 114

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Projet n°1 Chambre froide pour artisan boucher

1. Cahier des charges :

a. Descriptif

Il s’agit de concevoir une chambre froide de conservation de viande pour un artisan boucher

du nord de la France.

Dimensions intérieures (L x l x h) : 4 m x 3 m x 2,5 m

La chambre sera située dans la boucherie.

Le groupe de condensation à air sera situé à l’extérieur, à une distance de 6m de la chambre

et à peu près à la même hauteur que l’évaporateur.

L’évaporateur sera de type plafonnier simple flux.

La fourniture et la pose des panneaux sandwich constituant la chambre ne sont pas

demandées dans ce lot.

Réseau électrique disponible : 380/420V-3~ – 50 Hz.

Température extérieure maximale : 32°C.

b. Équipement exigé :

Bouteille anti coups de liquide

Filtre d’aspiration

Tout élément de sécurité nécessaire

Régulation de type par « tirage au vide unique »

c. Documents exigés :

Étude thermodynamique comparative entre les fluides R 134a et R 404A.

Notice de calculs et de sélection pour chaque appareil.

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2. Détermination du régime de fonctionnement et de la puissance

frigorifique nécessaire.

Les conditions de conservation de la viande nous fournissent les valeurs suivantes :

ch : 0/2 °C avec H.R = 85/90 %

L’étude de la courbe ci-dessous nous permet de trouver :

H.R. = 85/90 % évaporateur = 6 K 0 = 0 – 6 = -6°C

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Comme nous n’avons pas obtenu de données certaines de notre client, nous allons utiliser le

document simplifié ci-dessous pour déterminer notre puissance frigorifique.

Volume de la chambre : 4 x 3 x 2,5 = 30 m3 0 = 92 x 30 = 2760 W On arrondira à :

0 = 2,8 kW

Pour cette puissance et pour plus de facilité de mise en œuvre, nous choisirons d’utiliser un

groupe de condensation équipé d’un condenseur à air. Nous pouvons alors calculer la température

de condensation :

k = air ext. + cd. = 32 + 13 = 45 °C

Nous avons donc un régime de fonctionnement de :

-6°C / +45°C

Volume

en m3 Viande 0/+2°C Jour 0/+2°CFruits et

Légumes0/+1°C Volaille +2/+4°C B.O.F. +4/+6°C

Fruits et

Légumes+6/+8°C

Valeurs

moyennes

Puissance

en WW/m3 Puissance

en WW/m3 Puissance

en WW/m3 Puissance

en WW/m3 Puissance

en WW/m3 Puissance

en WW/m3 W/m3

2 500 250 450 225 550 275 480 240 450 225 380 190 234

4 600 150 580 145 650 163 760 190 750 188 740 185 170

7 1000 143 950 136 1100 157 980 140 950 136 1150 164 146

10 1400 140 1300 130 1400 140 1230 123 1200 120 1250 125 130

13 1600 123 1500 115 1600 123 1500 115 1520 117 1500 115 118

18 2100 117 2000 111 2200 122 1870 104 1850 103 1900 106 110

25 2600 104 2400 96 2500 100 2300 92 2400 96 2450 98 98

32 2950 92 2800 88 3000 94 2800 88 2800 88 2900 91 90

40 3700 93 3500 88 3500 88 3400 85 3500 88 3400 85 88

48 4200 88 400 83 4200 88 3900 81 4000 83 3700 77 83

56 4800 86 4500 80 4600 82 4400 79 4500 80 4300 77 81

70 5400 77 5000 71 5200 74 5000 71 5300 76 5100 73 74

85 6630 78 6200 73 6400 75 5900 69 5900 69 5950 70 73

100 7500 75 7300 73 7500 75 6800 68 6800 68 6700 67 71

120 8650 72 8300 69 8500 71 7600 63 7800 65 7440 62 67

150 10500 70 10000 67 10500 70 9100 61 9600 64 9000 60 65

190 13000 68 12000 63 12500 66 10500 55 11500 61 11000 58 62

250 16500 66 15000 60 16000 64 14000 56 15000 60 14000 56 60

320 19500 61 19000 56 19000 59 17500 55 19200 60 16300 51 57

390 22300 57 20000 51 22000 56 20600 53 23000 59 19000 49 54

500 27500 55 25000 50 26000 52 25000 50 29000 53 23500 47 52

800 43000 54 40000 50 41000 51 40000 50 44800 56 36800 46 51

1000 49000 50 45000 45 47000 47 48000 48 53000 53 45000 45 48

1500 73500 49 70000 47 72000 48 69000 46 76500 51 66000 44 47

2500 120000 48 110000 44 120000 48 113000 45 120000 48 10500 42 46

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3. Étude thermodynamique comparative

a. Hypothèses

Les surchauffes :

5 K en sortie d’évaporateur car on utilise un détendeur thermostatique ;

élévation de température dans la ligne d’aspiration : 11 K car nous avons une ligne

d’aspiration de plus de 6 m, isolée, avec le fluide frigorigène à l’entrée à une température de -1°C ;

soit une surchauffe totale de 15 K.

Les sous refroidissements :

3 K dans le condenseur ce qui est en général prévu par les constructeurs pour les groupes de

condensation ;

2 K dans la ligne liquide car nous avons une ligne liquide de plus de 6 m, non isolée, avec le

fluide frigorigène à l’entrée à une température de 42 °C ;

soit un sous refroidissement total de 5 K.

Les pertes de charges :

équivalentes à 2 K à l’aspiration ;

négligées dans la ligne de refoulement très courte :

égales à 0,4 bar dans la ligne liquide.

b. Schéma simplifié

c. Tracé des cycles thermodynamiques

Nous allons utiliser le logiciel Solkane en téléchargement gratuit sur le site de la société

Solvay.

En utilisant nos données et nos hypothèses vous devez obtenir les écrans suivants.

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0

d. Comparaison

Élément comparé Unité R134a R404A

Température d’évaporation à la

pression atmosphérique °C -26 -46,6

Pression de refoulement bar abs 11,6 20,44

Taux de compression 5,37 4,29

Température de refoulement °C 79 75

qm Kg/s 0,02 0.026

v = i 0,765 0,772

Vb = qm.v’’1.3600 / v = m3/h 9,4 5,7

Peff = (qm.(h2s – h1)) / (i. m) = kW 1,11 1,09

g = 0 / Peff = 2,5 2,6

GWP100a 1300 3260

Avec m = 0,9

Devant le GWP100a élevé du R 404A et les menaces qui pèsent sur les fluides avec une telle

caractéristique nous choisirons le R 134a afin de pérenniser notre installation et ce malgré

l’inconvénient du volume balayé élevé du compresseur.

4. Sélection du groupe de condensation

Nous allons utiliser le logiciel « Selection program V3 » en téléchargement gratuit sur le site de

la société Tecumseh.

a. Données :

Fluide : R 134a ;

0 = 2800 W ;

température ambiante: 32°C ;

température d’évaporation compresseur : -8°C (en tenant compte de la perte de

charge à l’aspiration) ;

Famille Silensys.

b. Sélection

En utilisant nos données vous devez obtenir les écrans suivants.

Remarque 1 : nous pouvons vérifier que le débit massique est bien supérieur ou égal au débit

massique obtenu dans l’étude thermodynamique (72 kg/h = 0,02 kg/s).

Remarque 2 : nous obtenons le coefficient de performance de l’installation (C.O.P.) 1,67 qui

indique que pour 1 kW électrique absorbé nous obtenons 1,67 kW de puissance

frigorifique.

Remarque 3 : en cliquant sur le bouton « Documents associés » vous obtiendrez la fiche technique,

le schéma électrique et le plan d’implantation.

Remarque 4 : conserver le logiciel ouvert car nous l’utiliserons pour calculer le point de

fonctionnement.

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1

Pa

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2

5. Sélection de l’évaporateur

Nous allons utiliser le logiciel « Friga 2013 » en téléchargement gratuit sur le site de la société

Friga-Bohn.

a. Données :

Fluide : R 134a ;

0 = 2,8 kW +/- 10% ;

température de chambre : 0°C ;

Delta T1 : 6 K

nombre d’appareil : 1

Famille MUC-LUC et MH ;

vitesse de rotation : tous ;

pas d’ailettes : 4.23

puissance variable – Delta T1 fixe

b. Sélection

En utilisant nos données vous devez obtenir les écrans suivants.

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3

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4

Remarque 1 : l’offre contient l’option E1K (kit de dégivrage allégé) nécessaire car la température

d’évaporation est inférieure à 0°C.

Remarque 2 : en cliquant sur le bouton « Impression modèle » vous obtiendrez les caractéristiques

et le plan de l’évaporateur ce qui vous permettra entre autre de vérifier que ses

dimensions permettent bien son implantation dans la chambre.

6. Détermination du point de fonctionnement

Le groupe de condensation et l’évaporateur n’ayant pas la même capacité, lorsque nous les

assemblerons, l’installation va s’équilibrer sur un point de fonctionnement que nous allons

déterminer le plus précisément possible.

a. Tracé de la courbe de puissance du groupe de condensation pour une température

ambiante de 32°C

Nous utilisons le logiciel de sélection « Selection program V3 » du groupe de condensation pour

compléter les valeurs du tableau suivant :

0 en °C -10 -8 -5 0 5

0cp en W 2550 2817 3242 4022 4902

Reportons ces valeurs sur le diagramme.

b. Tracé de la courbe de puissance de l’évaporateur

On sait que 0évap. = K.A.(chbre - 0) soit 0évap. = - K.A.0 + K.A.chbre.

Si l’on fait l’hypothèse que K (coefficient d’échange global entre le fluide frigorigène et

l’air) reste constant sur notre plage de travail, on obtient une équation de droite de la forme

y = a.x + b avec 0 comme variable.

Deux points nous suffisent donc pour tracer la courbe de puissance de l’évaporateur. Or

nous savons que pour 0 = -6°C, 0 = 3000 W et si nous choisissons 0 = chbre = 0°C nous

obtenons 0 = 0 W.

Reportons ces valeurs sur le diagramme.

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

5000

-10 -8 -6 -4 -2 0 2 4

P0cp

P0évap.

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5

On constate que le système devrait s’équilibrer à une température d’évaporation de l’ordre

de 0°C et une puissance d’environ 3,1 kW.

Ce sont ces valeurs qui nous serviront pour la suite.

7. Tracé du schéma fluidique complet

En tenant compte des exigences du cahier des charges :

1 : bouteille anti-coups de liquide

2 : filtre d’aspiration

3 : pressostat HP de sécurité

4 : vanne de service du compresseur

5 : détendeur thermostatique à égalisation

externe de pression

6 : voyant

7 : électrovanne

8 : filtre déshydrateur

9 : vanne départ liquide

10 : soupape de sécurité

11 : voyant indicateur d’humidité

12 : vanne « Schrader »

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6

8. Sélection du diamètre des tuyauteries

Nous suivrons les recommandations du logiciel « Solkane » mais en prenant comme puissance

3,1 kW.

Conduite d’aspiration :

Ce qui nous donne une conduite diamètre 3/4’’.

Conduite liquide :

Ce qui nous donne une conduite diamètre 3/8’’.

9. Sélection du détendeur thermostatique