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8/18/2019 Principe de Fonctionnement de La Patinoire Pailleron
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PRINCIPE DEFONCTIONNEMENTDE LA PATINOIRE
PAILLERONIntroductionLes premières patinoires artificielles
datent de la fin du 19° siècle. La première piste
artificielle(composée d’un mélange de produits chimiques
malodorants) remonte à 1842 et fut construite parl'anglais Henry
Kirk. Cette tentative poussa les chercheurs à l’action. C’est ce
que réussit à faire leprofesseur John Gamgee avec l’ouverture de la
première patinoire artificielle à Chelsea.Nous avons étudié le
système de fonctionnement de la patinoire Pailleron à Paris dans le
19 e.Cette patinoire appartient à un complexe sportif municipal
géré par une société privée (UCPA) (Unionnationale des Centres
sportifs Plein Air).Tout d’abord, nous présenterons la structure
d’une patinoire intér ieure avec les caractéristiques decelle du
Pailleron ; puis nous préciserons son fonctionnement. Enfin, nous
expliquerons son entretienquotidien.
I °) Structure de la patinoireCette petite patinoire couverte de
800m 2 (20m x 40m) n’est pas adaptée aux c ompétions quinécessitent
une surface de 1800m2 (30m x 60m).Sous la glace (composée
uniquement d’eau de la ville), on trouve respectivement : une dalle
froide,une couche d’isolant solide et directement sur le sol une
dalle chaude. Figure 1 : Structure d’ une patinoire intérieurePour
former la couche de glace on dépose de l’eau directement sur la
dalle de béton froide.L’épaisseur de la glace est de 4 cm pour
éviter d’abîmer cette dalle sous -jacente et pour que lasurface
reste à l’état solide. Des relevés sont effectués afin de contrôler
son épaisseur. Un travail delissage de la glace est important pour
que l’épaisseur soit égale sur toute la surface. La températurede
la dalle froide est de -6°C et peut-être modulée en fonction de la
dureté souhaitée de laglace (selon le sport pratiqué).La dalle
chaude à 10°C empêche que le sol gèle et que l’ensemble
sefissure.Il y a un traitement de l’air dans l’enceinte de la
patinoire. En effet, de l’air extérieur est aspiré puisréchauffé
afin d’en évaporer l’eau . Cet air asséché est ensuite rejeté à
l’intérieur, à une températurede 10°C.
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Serpentins où circulent eau + glycol -6°C Dalle de béton chaude
10°CDalle de béton froide -6°CSurface de glace (800m
2)IsolantTerre4 cm
I I°)Fonctionnement de la patinoire1. Circuit frigorifiqueLe
froid est fabriqué au niveau du circuit frigorifique. Le fluide
frigorifique utilisé est le fréon R-22(HCFCl) qui a un meilleur
coefficient de performance par rapport aux autres liquides
frigorigènes. Ilva refroidir l'eau glycolée qui circule dans la
dalle froide à environ -6°C : il s'agit donc d'un systèmeindirect.
On utilise de l'eau glycolée, car le glycol permet d'abaisser le
point de congélation de l'eau à-20°C.L'eau fonctionne en circuit
fermé : elle passe dans les serpentins de la dalle froide où elle
seréchauffe (environ de -6,9 à -6,4°C), puis elle est refroidie par
le groupe frigorifique en passant par unéchangeur à
plaqueévaporateur, avant de repartir dans la dalle froide. En
parallèle le fréon évolueégalement dans un circuit fermé.Un schéma
de fonctionnement de la pompe frigorifique est présenté en Annexe 1
.Nous refroidissons donc l'eau glycolée dans
l'échangeur-évaporateur. L'eau traverse l'échangeurpropulsée par
une pompe et le fluide frigorigène lui prend de l'énergie afin de
s'évaporer: l'eauressort donc plus froide.Le fréon vapeur chargé de
l'énergie récupérée à l'eau sort donc de l'évaporateur et est
aspiré par lecompresseur puis comprimé : il ressort donc à haute
pression et réchauffé. Le circuit que nous avonsvisité utilise
trois compresseurs en dérivation, ce qui permet de travailler avec
un débit plusimportant à la fois pour le liquide frigorigène et
pour l'eau glycolée.Il se dirige ensuite vers
l'échangeur-condenseur, où il échange l'énergie prise à
l'évaporateur avecl'eau de la piscine qu'il préchauffe. Dans le cas
où l'eau de la piscine n'a pas besoin d'êtrepréchauffée, on dissipe
la chaleur avec des ventilateurs. Au fil de son passage, le fréon
se condenseafin de ressortir en phase liquide haute pression.Puis
il passe dans le détendeur, où il est détendu. De nouveau il est
prêt à s'évaporer. Le cycle peutalors recommencer.La consigne de
température de l 'eau glycolée est de -6°C ; un système de
régulation informatisé veilleau respect de la consigne grâce à une
sonde thermométrique plongée dans la dalle froide. Cetterégulation
informatique de la température se fait grâce à un automate qui agit
sur le débit du fréon.Toutefois il autorise des variations de
température entre -5°C et -7°C. Cependant, pendant la nuit,
latempérature de la dalle est remontée à -4°C pour des économies
d'énergie.La température du fréon à l'état gazeux à la sortie de
l'évaporateur est T 0=-7,1°C, celle du fréonliquide à la sortie du
compresseur est de T' 1=-6,4°C et celle à la sortie du condenseur
est T 1=32,3°C.Les données énergétiques ne nous ont pas été
fournies car la patinoire fait partie d'un complexesportif et les
installations ne sont pas indépendantes.
Figure 2 : Diagramme de Mollier du fréon R22SurchauffeSous
refroidissementLa surchauffe permet de vaporiser tout le liquide
pour qu'il n'y en ait pas dans le compresseur. Le
sousrefroidissement
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permet de condenser la totalité du gaz afin de ne pas abîmer le
détendeur. La surchauffe et lesousrefroidissement augmentent le
rendement.
2. Traitement de l'airPour éviter les pertes d'énergies, la
patinoire possède un système de traitement de l'air permettant
une déshumidification ainsi que le maintien d'une température
voisine de 10°C. Les sourcesd'humidité peuvent être internes :
patineurs, spectateurs, eau de surfaçage, ou externes :
infiltration,régénération d'air.L'humidité va se condenser sur la
glace et entraîner des pertes d'énergie. Par exemple, un kilo
devapeur d'eau qui se condense sur la glace équivaut à : une
augmentation des besoins de productionpour la glace de 880 W/h, une
dégradation de la qualité de la glace, une augmentation du nombre
desurfaçages.Pour déshumidifier l'air, on absorbe de l'air de
l'extérieur (air neuf) et de l'air de la patinoire, que
l'onrefroidit au contact d'un condenseur (plus froid). La vapeur
d'eau contenue dans l'air se condense eton récupère les
gouttelettes dans un réservoir. L'air sec est ensuite soufflé (air
rejeté) dans lapatinoire. Le débit d'air est d'environ 20 000 m
3/h.
L'air neuf a une concentration en vapeur d'eau de 11,9g/Kgas (AS
: air sec) et il est rejeté à uneconcentration de 5g/Kgas.
I II°)Entretien et maintenance de la patinoireLe système froid
de la patinoire est vérifié deux fois par an par une société privée
extérieure, pourdétecter d’éventuels problèmes de surpression ou au
contraire de sous pression, problèmes quiconduiraient à un
refroidissement trop poussé ou insuffisant de la glace.Mais
quotidiennement l’entretie n est réalisé par des surfaceurs,
employés de la patinoire, qui relève,régulièrement au cours de la
journée, la hauteur de glace en différents points de la patinoire.
Eneffet, la glace à la surface s’abîme sous les nombreux coups de
patin et de la neige apparaît tandisque la couche de glace
s’amincit, le plus souvent inégalement et en périphérie. Afin de
corriger cela
et de retrouver une surface de glace, lisse et homogène, un
employé passe une surfaceuse. Cettemachine motorisée est constituée
d’un réservoir de 800L d’eau de la ville, puisée directement dans
leballon d’eau chaude situé dans la salle des machines, d’un rabot
et d’une serpillère. Tout au long de sa progression, on a d’abord
le rabot qui ôte la glace pour la stocker dans le capot dela mac
hine. La patinoire est aussi aspergée d’eau chaude (60°C), puis
cette eau est répartie par laserpillère de la machine. Il est donc
nécessaire de progresser à faible vitesse afin de ne pas faire
devague, le laps de temps garanti par la chaleur de l’eau es t en
effet quasi insignifiant car mêmechaude, l’eau au contact de la
dalle froide gèle très vite. D’autre part, il faut également
maintenir une vitesse constante afin d’obtenir un résultat
homogène.La neige amassée dans le capot est ensuite déversée dans
la fosse située en salle des machines, oùgrâce à des radiateurs
elle sera remise à l’état liquide puis réutilisée ; ainsi les
pertes d’eau sont très
faibles. Au niveau des bilans, on a autant d’eau sous forme de
neige ramassée que d’eau liquideaspergée par la surfaceuse, cette
quantité d’eau s’élevant à 400L par passage de la surfaceuse,
soit0,5L/m². Et chaque passage de la surfaceuse se fait en dix
minutes.
Figure 3 : Schéma d’une surfaceuse Le travail de surfaçage est
donc un travail délicat mais nécessaire, qui demande de
l’entraînement etde la dextérité.ConclusionLes avantages et
intérêts écologiques de la patinoire sont les suivants :-
récupération de la chaleur pour le préchauffage de la piscine-
récupération de la neige après le surfaçage
- économies d'énergie pendant la nuitLes inconvénients sont
:
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- fermeture en été à cause des coûts énergétiques et
économiques- le fréon R22 est très polluant car il détruit la
couche d'ozone- difficultés d'utilisation de la surfaceuseLa glace
est entretenue par un cycle frigorifique qui refroidit de l'eau
glycolée. Celle-ci maintient laglace à une température négative au
niveau d'une dalle de béton froide. L'entretien de la glace se
fait
par une surfaceuse plusieurs fois par jour en fonction de
l'utilisation de la patinoire.Le couplage patinoire/piscine permet
un rendement énergétique et économique maximal grâce à de judicieux
échanges thermiques.Afin de récapituler plus clairement les
différentes particularités du fonctionnement de cettepatinoire,
nous vous fournissons en Annexe 2 : L e cahier des charges
.Actuellement de nouveaux systèmes de patinoire sont mis en oeuvre
afin de remplacer les fluidesfrigorigènes polluants.
Réservoir 400Lutilisés sur 800LCapot
Place du conducteurJets d'eau chaude à 60°C etserpillière pour
l'étalerRabot
Annexe 2 : Cahier des charges1. L a glaceLa température de la
glace doit être maintenue par une consigne à la température de -6°C
grâce àl'eau glycolée qui coule dans la dalle froide.L'épaisseur de
la glace est de 4 cm. La surface doit être lisse, sans dents pour
permettre une glisseoptimale. Le renouvellement de la glace est
assuré par la surfaceuse qui rajoute de l'épaisseur àl'aide d'eau à
60°C et lisse la surface.
La dureté de la glace peut être changée en fonction de
l'activité pratiquée par action sur latempérature de la dalle
froide.2. L e fluide frigorigèneLe fluide frigorigène utilisé dans
la machine frigorifique est le fréon R22 (CHClF). Il permet de
refroidirl'eau glycolée coulant dans la dalle froide grâce à deux
changements d'état dans le cycle frigorifique.Une modification du
débit du fluide frigorigène modifie directement la température de
l'eau glycoléecoulant dans la dalle froide et donc celle de la
glace.Au niveau de l'évaporateur:ṁ eau glycolée : débit massique
d'eau glycolée (constant)ṁ freon : débit massique de fréon (que
l'on peut modifier)Cpeau glycolée =3,70 kJ.kg -1.K-1Cpfreon =0,057
kJ.kg -1.K-13. C ontrôle de l'airL'air à l'intérieur de la
patinoire doit être maintenu à une température inférieure à 12°C et
à un tauxd'humidité faible (autour de 5g/kg AS) afin d'éviter la
condensation sur la glace qui entraine despertes d'énergie.4. F
onctionnementLa patinoire fonctionne toute l'année sauf les mois de
Juillet et Août car la faible fréquentation nepermet pas un
fonctionnement rentable : trop peu d'utilisateurs par rapport à
l'énergie nécessaire.ṁ eau glycolée x Cpeau glycolée x dT =ṁ freon
x Cpfreon x dT
