techniques du froid et composants frigorifiques

Technique du froid &

composants frigorifiques

Technique du froid Technique du froid &&

composants frigorifiquescomposants frigorifiques

Mohammed YOUBI-IDRISSI

Charg de Recherche, Cemagref



LICENCE PROFESSIONNELLE MANAGEMENT DE LA CHANE DU FROID - TRANSPORT ET LOGISTIQUE

1er Cours, 2006

2Un peu dhistoire,

2

1862 Dveloppement dune machine de production de glace par Ferdinand Carr (1824-1894)

1874 Dveloppement dune machine frigorifique compression de vapeur pour conserver la viande et le transporter par Charles Tellier (1828-1913)

Le froid slance la conqute des industries agro-alimentaires : conservation des produits dorigine animale et vgtale

Le froid est prsent dans les industries mtallurgiques, mcaniques, chimiques, spatiales,

Le froid est un facteur de confort industriel ou individuel (climatisation, froid domestique)

Le froid est prsent le domaine mdical : fabrication des mdicaments, conservation du plasma sanguin, oprations microchirurgicales,

3Rappels et rflexions,

3

Un travail mcanique peut tre intgralement transform en chaleur (1er principe)Un travail mcanique peut tre intgralement transform en chaleur (1er principe)

Une chaleur ne peut pas tre intgralement transforme en travail mcanique (2e principe)Une chaleur ne peut pas tre intgralement transforme en travail mcanique (2e principe)

La chaleur est une forme dgrade de lnergie La chaleur est une forme dgrade de lnergie

Le 1er principe tablit une conservation dnergie Le 1er principe tablit une conservation dnergie

Le 2e principe prcise le sens dvolution dune transformationirrversible Le 2e principe prcise le sens dvolution dune transformationirrversible

nonc de Clausius le passage de la chaleur dun corps froid un corps chaud na jamais lieu spontanment ou sans compensation nonc de Clausius le passage de la chaleur dun corps froid un corps chaud na jamais lieu spontanment ou sans compensation

nonc de Kelvin un systme qui parcourt un cycle mono-thermique, en contact avec une seule source de chaleur est incapable de fournir de travail

nonc de Kelvin un systme qui parcourt un cycle mono-thermique, en contact avec une seule source de chaleur est incapable de fournir de travail

4Machine frigorifique, PAC

4

Pompe dechaleur

Energie

Tsc

Tsf Tamb=Tsf

Tsc Tamb=

Energie

Machinefrigorifique

Dplacer une quantit de chaleur d'un niveau bas vers un niveau plus lev de tempraturecDplacer une quantit de chaleur d'un niveau bas vers un niveau plus lev de tempraturec

5Constitution dune installation frigorifique

5

Composants annexes :le sparateur dhuile (5), le rservoir de liquide (6),

le dshydrateur (7), le voyant liquide (8),

la bouteille daspiration (9), le filtre daspiration (10)

Composants principaux :le compresseur (1)

le condenseur (2)

le dtendeur (3)

lvaporateur (4)

6Diagramme de Mollier

6

Pression (bars)

Enthalpie (kJ/kg)

liquide vapeurliquide + vapeur

point critique

courbe de saturation liquidecourbe de bulle

courbe de saturation vapeurcourbe de rose

La pression est prsente sur une chelle logarithmique

Chaleur latente


7

TerminologieTerminologieLa distinction entre gaz et vapeur est floue. On parlera de :

gaz sil est improbable quil change de phase (lair ambiant par

exemple);

vapeur si la probabilit doccurrence dun changement de phase est relle.

Vapeur sature : vapeur en quilibre avec du liquide.

Liquide satur : en quilibre avec sa vapeur.

Pression de saturation : pression laquelle il y a quilibre entre phases pourune temprature donne.

Vapeur surchauffe : vapeur qui nest pas en quilibre avec du liquide et ne peut donc contenir aucune trace de celui-ci.

Liquide sous-refroidi : liquide qui n est pas en quilibre avec de la vapeur etne peut donc contenir aucune trace de celle-ci.


8

TcT1c T2< 8

Ligne daspiration

3 2 2> 3

Ligne de refoulement

W&

1

2m&

m&

appQ&

Compresseur

5 45 4

Ligne liquide

Avec pertes thermiques et sans pertes de pressionAvec pertes thermiques et sans pertes de pression

25

Cycle rel

8 1

22is4

5

6=7

3

25

26

Cycle rel

26

2

3P

T

Refroidissement

Per te s de p r es si on

Pertes de pression en quivalent de temprature

Avec pertes thermiques et pertes de pressionAvec pertes thermiques et pertes de pression

27

Cycle rel

27

Avec pertes thermiques et pertes de pressionAvec pertes thermiques et pertes de pression

1

2345

6=78

28

Les frigorignes

28

Fluides naturels

NH3, HC, CO2

CFC : ChloroFluoroCarbures

Molcules trs stables, destructrices dozone (ODP lev), premier frigorigne synthtique

HCFC : HydroChloroFluoroCarbures

Molcules moins stables que CFC, destructrices dozone (ODP faible), fluides de transition

HFC : Hydrofluorocarbures

ODP = 0, fluides de substitution

CFC/HCFC/HFC participent CFC/HCFC/HFC participent lleffet de serreeffet de serre

Soumis Soumis des contraintes rdes contraintes rglementairesglementaires

Types de frigorigTypes de frigorignes nes

29

Les frigorignes

29

1930 : CFC

R-12, ...

1860 : Fluides naturelsCO2 ; SO2 ; NH3Chloromthane

1980 : HFCR-134a, ...

Puis : HCFCR-22

30

Les frigorignes

30

Atomes : C, H, F, (Cl), Br,...

C H F Cl

NomenclatureNomenclature

FF

F F

H H

31

Les frigorignes

31

NomenclatureNomenclature

C ; H ; F ;Cl

R X Y Z

Nombre de F

Nombre de H+1Nombre de C-1

Refrigerant

R-134a

C = 2 H = 2 F = 4

R- 12

C = 1 H = 0 F = 2

0

32

Les frigorignes

32

Reconnatre un CFCReconnatre un CFC

R - X Y Z

C H FCFC : C, F, Cl ; H = 0

Y=1

Cl

Z 3

Cl

Z 5

Cl

Z 7

Exemple : R11, R12,R13,R14, R113, R114, R115, R116

33

Les frigorignes

33

Reconnatre un HCFCReconnatre un HCFC

Exemple : R123, R124, R22, R141a, R142b

R - X Y Z

C H F

HCFC : C, H, F, Cl ; H 1

Y 2 et Cl 1

Cl

Y+Z 3

Cl

Y+Z 5 Y+Z 7

H H ClH

34

Les frigorignes

34

Reconnatre un HFCReconnatre un HFC

Exemple : R32, R23

Quand X=0 (famille de mthane) Y+Z = 5

Quand X=1 (drivs de lthane) Y+Z = 7

Exemple : R134a, R125, R152a, R143a

Mlanges zotropes (Srie 400)Mlanges zotropes (Srie 400)

Un frigorigne zotrope (ou non-azotropique) est un mlange dont les compositions en phase liquide et en phase vapeur diffrent lorsque les deux phases coexistent.

Ces mlangent se voient attribuer un numro commenant par 4 et fur et mesure de leur dcouverte

Exemple : R404A, R407C, R410A

35

Les frigorignes

35

Mlanges azotropes (Srie 500)Mlanges azotropes (Srie 500)

Un frigorigne azotrope se comporte comme un fluide pur.

Exemple : R502, R507, R410A

Hydrocarbures (Srie 600)Hydrocarbures (Srie 600)

Exemple : R600, R600a

36

Les frigorignes

36

Les composs inorganiques (Srie 700)Les composs inorganiques (Srie 700)La rgle consiste rajouter la masse molaire du fluide a prs le chiffre 7

NHNH33 : M = 14 + 3: M = 14 + 3

HH22O : M = 2 + 16O : M = 2 + 16

COCO22 : M = 12+ 32: M = 12+ 32

RR--717717

RR--718718

RR--744744

NH3 (60%)+NH3 (60%)+DimDimthylthyltherther (40%) : M = 12+ 32(40%) : M = 12+ 32 R723R723

37

Les frigorignes

37

Critres de scurit et denvironnementCritres de scurit et denvironnementtoxicit ;inflammabilit ;effet sur la couche dozone;effet de serre.

Critres technologiques, oprationnels et conomiquesCritres technologiques, oprationnels et conomiquesmasse volumique du liquide leve = compacitpression de fonctionnement : Pk modre et Pk > Patmproprits arauliques et thermiques : viscosit faible et conductivitthermique leve ;compatibilit (huile ; matriaux ; stabilit chimique et thermique) ;cot et disponibilit.

Critres thermodynamiquesCritres thermodynamiques

efficacit :12

68

hh

hh

et chaleur latente, levs (cycle thorique)

Technique du froid

&


Technique du froid Technique du froid

&&


Mohammed YOUBI-IDRISSICharg de Recherche, CemagrefMohammed YOUBI-IDRISSI



2me Cours, 2006

Nom de lvnement + date25/11/2006 2

Historique

1860 : Fluides naturels :

CO2 ; SO2 ; NH3Chloromthane

1930 : CFC

R-12, ...

Puis : HCFC

R-22

1980 : HFC

R-134a, ...


Nomenclature

Atomes : C, H, F, (Cl), Br,...

C H F Cl

H H


Nomenclature : corps pure

C ; H ; F ;Cl

R X Y Z

Nombre de F

Nombre de H+1

Nombre de C-1

Refrigerant

R-134a

C = 2 H = 2 F = 4

R- 12

C = 1 H = 0 F = 2

0


Comment reconnatre un CFC ?

R - X Y Z

C H F CFC : C, F, Cl ; H = 0

Y=1

Cl

Z 3

Cl

Z 5

Cl

Z 7


Exemples

R122F 0H 1C

2F 11 01

===

==+= HC

ClCl

F

F

R1155F 0H 2C

5F 11 11

===

==+= HC

Cl

FF

FF

F


Comment reconnatre un HCFC ?

R - X Y Z

C H F HCFC : C, F, Cl ; H 1

Y 2 et Cl 1

Y+Z 3 Y+Z 5 Y+Z 7

ClH ClH ClH


Exemples

R222F 1H 1C

2F 21 01

===

==+= HC

ClH

F

F

R1233F 1H 2C

3F 21 11

===

==+= HC

Cl

FCl

FF

H


Comment reconnatre un HFC ?

R - X Y Z

C H F HFC : C, F, H ; Cl = 0

Y+Z = 5 Y+Z = 7 Y+Z = 9

FH FH FH

Si C = 1 X = 0

Si C = 2 X = 1

Si C = 3 X = 2

R23, R32 R134a, R125, R143a R227ea, R236fa, R245ca


Mlange azotropes/zotrope

st

rose

st

rose

CT P

CP T

==

==

bulle

bulle

P

T

Un mlange azotrope se comporte comme un fluide pur

Un mlange zotrope se comporte comme un fluide pur

st

rose

st

rose

CT P

CP T

=

=

bulle

bulle

P

T

( ) ( )

( ) ( ) T n,compositiof pression de glissement : P -

P n,compositiof re tempratude glissement : - T

rose

rose

=

=

bulle

bulle

P

T


Diagramme de phase


Nomenclature : mlange

Mlange azotrope : Srie 500

Exemple :

- R502 (HCFC, 48,8%R22 + 51,2%R115) ;

- R507 (HFC, 50% R125+ 50% R143a)

-

Mlange zotrope : Srie 400

Exemple :

- R404A (HFC, 44%R125 + 52%R143a+ 4%R134a) ;

- R407C (HFC, 25% R125+23% R32 + 48% R134a)

- R410A (HFC, 50% R125+50% R32)

-


Autres frigorignes

Hydrocarbures : Srie 600

-Pour un nombre datome de carbone gale 1,2, 3, la rgle des

frigorigne purs est utilise : Mthane CH4 (R50), thane C2H6 (R170),

Propane C3H8 (R290)

-Pour un nombre datome de carbone > 4, on utilise la srie 600

Butane R600, Isobutane R600a

Composs inorganiques : Srie 700La rgle consiste utiliser la masse molaire du fluide aprs le chiffre 7

Exemple :

- Ammoniac NH3 : R717

- CO2 : R744

- Eau : 718

- 60% NH3, 40% DME : R723


Choix des frigorignes

Critres de scurit et denvironnementCritres de scurit et denvironnement

toxicit ;

inflammabilit ;

effet sur la couche dozone;

effet de serre.

Critres technologiques, oprationnels et conomiquesCritres technologiques, oprationnels et conomiques

masse volumique du liquide leve = compacit

pression de fonctionnement : Pk modre et Pk > Patmproprits arauliques et thermiques : viscosit faible et conductivit

thermique leve ;

compatibilit (huile ; matriaux ; stabilit chimique et thermique) ;

cot et disponibilit.

Critres thermodynamiquesCritres thermodynamiques

efficacit :

12

68

hh

hh

et chaleur latente, levs (cycle thorique)


Les compresseurs frigorifiques

Rle du compresseur

Le compresseur a pour rle daspirer les vapeurs venants de lvaporateur une pression faible et de refouler haute pression ces vapeurs comprimes dans le condenseur

Types de compresseursSur la base de leur fonctionnement, on distingue deux groupes principaux :

-Les compresseurs volumtriques ;* compresseurs pistons (alternatifs)* compresseurs palettes (rotatifs) * Compresseurs hlicodaux ou vis (rotatifs)* compresseurs spirodaux ou scroll (rotatifs)

-Les compresseur centrifuges (compresseurs impulsion).


Grandeurs caractristiques

][mn 4

32

ld

Cpi

=

Grandeurs gomtriques Grandeurs mcaniques Grandeurs nergtiques Grandeurs qualitatifs

1. Grandeurs gomtriques

a. Cylindre C

Cest le volume balay lors dune course daspiration pendant

un tour de larbre

cylindres des nombre :n

[m] course : l



]m[ 60

N n

4

32

sld

Vbal

=

pi&

[tr/min]rotation de vitesse: N

b. Dbit volume balay

Cest le volume balay pendant lunit du temps, il varie

proportionnellement la vitesse de rotation du compresseur

La cylindre est seule une grandeur purement gomtrique

Le dbit volume balay est souvent exprim en m3/h

2

2,

1

1,

N

V

N

V balbal&&

=



vbalasp VV && =

c. Dbit volume aspir

Cest le dbit rellement aspir par le compresseur

[kg/s] vasp

= aspfV

m&

&

d. Dbit massique

Cest le nombre de kilogrammes de fluide ayant circul dans

le compresseur pendant une unit de temps



2. Grandeurs mcaniques

Ces caractristiques dcoulent du fonctionnement du compresseur et de

lexamen du diagramme de fonctionnement

a. Principe de fonctionnement




Le piston tant la fin de sa course daspiration (point mort bas), le cylindre est totalement rempli de vapeur la pression daspiration Po

AA

Le piston commence sa course de compression. Les clapets daspiration et de refoulement sont ferms. Le Volume diminue et la pression augmente au fur et mesure

MM




Lorsque la pression dans le cylindre atteint une pression lgrement suprieure la pression Pk, les clapets de refoulement souvrent

BB CC

Les vapeurs continuent de schapper jusquai ce que le piston atteint le point mort haut. Il reste un volume jamais balay espace mort



balV&

kP


Le piston amorce sa course de dcente, les deux clapets sont ferms. Les clapets daspiration souvrent quand la pression est lgrement infrieure Po. Lespace mort provoque un retard laspiration

DD

BB

AA

CC

DD

PP

VV

oP



( )( )( ) ==

=

=

dlAPP

dlAPPdW

APPF

lFW

i

i

W

0i

0

0

kP

oP

b. Travail indiqu Wi

BB

AA

CC

DD

PP

VV

1l2l

Travail indiqu = aire ABCDA

c. Puissance indique

60

NWW ii =&



evbalv

o

evo

hv

VQ

hmQ

=

=

&&

&&

3. Grandeurs nergtiques

a. Puissance frigorifique

Puissance frigorifique dlivre par un compresseur dpend de :- Caractristiques gomtriques du compresseur- Caractristiques physiques du fluide frigorigne- Conditions de temprature et de pression HP et BP- Rendement volumtrique

b. Production frigorifique volumtrique

v

hQ evv

=



o

k

P

P=

4. Grandeurs qualitatives

a. Taux de compression

b. Rendements du compresseur

weff

Compresseur

wfm

wirr

wfm

wfl

qa

h1



Bilan Bilan nergnergtiquetique

021 =+ aeff qhmhmW &&&&

BILAN FLUIDE

i

wth

wp

= is

hishr

=

Rendement indiquRendement indiqu Rendement isentropiqueRendement isentropique



Rendement mRendement mcaniquecanique

m

wp

weff

=nergie utile relle

nergie consomme

''Qualit" compresseur

Compresseur parfait

compresseur rel

Transformation globale

eff

wth

weff

=

Rendement effectifRendement effectif










3me Cours, 2006


Technologie des compresseurs

Sur la base de leur fonctionnement, on distingue deux groupes principaux :

- Les compresseurs volumtriques ; o la compression du fluide frigorigne se fait par rduction du volume de la chambre de compression :

* compresseurs pistons (alternatifs)* compresseurs palettes (rotatifs) * compresseurs hlicodaux ou vis (rotatifs)* compresseurs spirodaux ou scroll (rotatifs)

- Les compresseur centrifuges (compresseurs impulsion) ; o la compression du fluide est cre par la force centrifuge gnre par une roue aubes. On parle de turbocompresseur.

On les distingue galement par l'association moteur-compresseur



Le compresseur ouvert, o le moteur est dissoci du compresseur et raccord par un manchon ou une courroie. L'accs aux diffrents lments est possible pour rparation et la vitesse de rotation est modifiable en changeant la poulie du moteur. Mais ces deux avantages (fort thoriques...) ne compensent pas le dfaut majeur de l'existence d'un joint d'tanchitrotatif la traverse du carter par l'arbre. Ce joint, qui doit tre lubrifipour assurer l'tanchit, est source de fuites... inacceptables aujourd'hui dans un contexte "zro-fuite".



Le compresseur hermtique, o moteur et compresseur sont enferms dans une mme enveloppe. Le joint tournant disparat et avec lui le risque de fuite. Mais des contraintes nouvelles apparaissent, dont le fait que le refroidissement du moteur est ralis par le fluide frigorigne lui-mme. Le compresseur hermtique est couramment utilis pour les petites et moyennes puissances : froid domestique, climatiseurs, armoires de climatisation, pompes chaleur, ...

Lchauffement du compresseur hermtique est prjudiciable au cycle frigorifique puisque la temprature l'aspiration du compresseur augmente. De plus, si le moteur vient griller, c'est l'ensemble du circuit frigorifique qui sera pollu : un nettoyage complet du circuit doit tre ralis si l'on veut viter de nouveaux ennuis. En cas de problme, il n'est plus possible de rparer



Le compresseur semi-hermtique, qui ralise un compromis entre les deux produits prcdents. Il tente de bnficier des avantages du groupe ouvert (accs aux mcanismes) et du groupe hermtique (limitation des fuites). Mais l'tanchit reste imparfaite (nombre de joints non ngligeable) et le prix est sensiblement plus lev que pour le compresseur hermtique. Le compresseur semi-hermtique est utilis pour les moyennes puissances.



Compresseurs pistonsLe compresseur pistons a besoin d'tre lubrifi en permanence. La partie infrieure du carter forme rserve d'huile. La pression rgnant dans le carter est la pression d'aspiration. La pompe huile dlivre une pression suprieure de 0.5 4 bars la pression rgnant dans le carter.

Le compresseur piston est trs sensible l'arrive de fluide liquide : si quelques gouttes de liquide pntrent au niveau des soupapes, elles en provoquent une usure lente. Si du fluide liquide pntre en grande quantit, la destruction des clapets est immdiate. De l, les protections anti-coups de liquide adoptes (ressort puissant sur le chapeau de cylindre, capable de se soulever en cas d'arrive de liquide).



Compresseur spiro-orbital, dit "scroll"Le compresseur SCROLL est compos de deux rouleaux identiques en forme de spirale. Le premier est fixe, le second dcrit un mouvement circulaire continu sans tourner sur lui mme. Les spirales sont dphases de 180.

Le mouvement orbital entrane le dplacement vers le centre des poches de gaz, ce dplacement est accompagn d'une rduction progressive de leur volume jusqu' disparition totale.



Avantages et inconvnients du compresseur "scroll"une rduction des pices mcaniques en mouvement (suppression des clapets) et donc une plus grande fiabilit, un rendement volumtrique d'un compresseur assez bon grce l'absence d'espaces morts, comme dans les compresseurs pistons, une meilleure modulation de puissance, une plus grande longvit,

un niveau sonore nettement plus favorable (moins de vibrations), surtout pour les appareils hermtiques, une moindre sensibilit aux entres de fluide frigorigne liquide ("coups de liquide" destructeurs des compresseurs pistons), un cot de maintenance galement plus faible, puisque le risque de panne est diminu.

un cot levpuissance limite (



Compresseur visle fluide frigorigne gazeux est comprim par une vis hlicodale (un peu comme dans un hache-viande) tournant grande vitesse. Le compresseur est entran par un moteur lectrique.Le rendement volumtrique d'un compresseur vis est bon grce l'absence d'espaces morts, comme dans les compresseurs pistons. Cette proprit permet d'assurer des taux de compression levs avec un bon rendement volumtrique. Le compresseur vis doit tre abondamment lubrifi, pour assurer l'tanchitentre les pices en mouvement et pour rduire le niveau sonore, mais aussi pour refroidir le fluide frigorigne : on peut alors atteindre des taux de compression levs (jusqu' 20) sans altrer le fluide frigorigne.


Lubrification et lubrifiants

Hormis les compresseurs secs, toutes les catgories de compresseurs voques auparavant ont besoin d une lubrification

Rles de lhuile de lubrification

La lubrification des pices mcaniques en mouvement du compresseur :

pistons, bielle-manivelle, clapets, ...

lment d tanchit : cylindre / piston ou inter-lobes des vis

Refroidissement

vacuation des dpts

Rduction du bruit

La lubrification des pices mcaniques en mouvement du compresseur :

pistons, bielle-manivelle, clapets, ...

lment d tanchit : cylindre / piston ou inter-lobes des vis

Refroidissement

vacuation des dpts

Rduction du bruit

Types dhuile

Les huiles minrales : utilises avec les CFC et les fluides naturels

Les huiles AB : utilises avec les HCFC

Les huiles synthtiques (POE, PAG, PVE) : utilises avec les HFC

Les huiles minrales : utilises avec les CFC et les fluides naturels

Les huiles AB : utilises avec les HCFC

Les huiles synthtiques (POE, PAG, PVE) : utilises avec les HFC



Caractristiques principales

La miscibilit avec le fluide frigorigne utilis dans le circuit

Viscosit pour assurer un film dhuile suffisant pour la lubrification

Le point de figeage : la temprature laquelle lhuile coule encore

Indice de dsmulsion : pour pallier les problmes de moussage

La miscibilit avec le fluide frigorigne utilis dans le circuit

Viscosit pour assurer un film dhuile suffisant pour la lubrification

Le point de figeage : la temprature laquelle lhuile coule encore

Indice de dsmulsion : pour pallier les problmes de moussage

Choix de lhuile

Il rsulte dun compromis de plusieurs paramtres

Temprature de figeage basse ;

Huile non hygroscopique ;

Viscosit suffisante en haute temprature et faible en basse temprature ;

Faible solubilit du frigorigne dans lhuile

Choix de lhuile

Il rsulte dun compromis de plusieurs paramtres

Temprature de figeage basse ;

Huile non hygroscopique ;

Viscosit suffisante en haute temprature et faible en basse temprature ;

Faible solubilit du frigorigne dans lhuile



Entranement dhuile : comment ?

A larrt de la machine :

la temprature dans l vaporateur augmente : dsorption du frigorigne

la temprature dans le carter diminue : absorption du frigorigne

quivalence de pression : niveau du liquide dans le carter augmente (dautant plus) :

-si la temprature du carter est plus froide

-si l arrt est plus long

-si le rapport de la masse volumique frigorigne/huile > 1

A la mise en marche

chute rapide de pression dans le carter

dsorption du frigorigne et moussage intense

dpart de lhuile dans le circuit : coup d huile

Recommandation : chauffage pendant larrt ou isolement du compresseur

EntraEntranement dnement dhuile : comment ?huile : comment ?

A larrt de la machine :

la temprature dans l vaporateur augmente : dsorption du frigorigne

la temprature dans le carter diminue : absorption du frigorigne

quivalence de pression : niveau du liquide dans le carter augmente (dautant plus) :

-si la temprature du carter est plus froide

-si l arrt est plus long

-si le rapport de la masse volumique frigorigne/huile > 1

A la mise en marche

chute rapide de pression dans le carter

dsorption du frigorigne et moussage intense

dpart de lhuile dans le circuit : coup d huile

Recommandation : chauffage pendant lchauffage pendant larrt ou isolement du compresseurarrt ou isolement du compresseur



Retour dhuile : recommandations Retour dRetour dhuile : recommandations huile : recommandations

Vitesse < 2,5 m/s

Vitesse > 2,5 m/s

Accumulation dhuile

Lhuile avance

Vitesse < 5 m/s Vitesse > 5 m/s

L huile retombe

par gravitL huile monte

normalement


Slection du compresseur

La sLa slection du compresseur est une lection du compresseur est une tape importante dans le tape importante dans le dimensionnement ddimensionnement dune machine frigorifiqueune machine frigorifique

Gnralement

Le cahier de charge est dfini pour un point nominal de

fonctionnement :

puissance frigorifique requise ;

temprature dvaporation ;

temprature de condensation ;

donnes du cycle frigorifique ;

fluide frigorigne.

La dLa dmarche consiste marche consiste choisir le compresseur adchoisir le compresseur adquat quat partir partir des catalogues de des catalogues de compressoristescompressoristes



DonnDonnes constructeures constructeur

Fluide frigorigne : dfini

Conditions du cycle frigorifique : 20C laspiration du

compresseur et sans sous-refroidissement

Donnes techniques : volume balay, poids, charge en huile,

raccord HP et BP, niveau sonore,

Performances



Cycle constructeur, cycle rCycle constructeur, cycle relel

1*1*

2*2*3*3*

4*4*

20C

11

22334455

6=76=788

PP

hh



6,8hmQo = &&

"1vmVasp &

& =

bal

asp

vV

V

&

&

=

Cycle rel

Hypothse : le rendement volumtrique ne dpend que du taux de compression

*vv =

=

=

=

"*1

"1

6,8

*4*,1*

"1

"*1

*

*

v

v

h

hQQ

vmvm

VV

oo

aspasp

&&

&&

&&

c..d.



* oQ&

Le choix du compresseur (volume balay) se fait donc dans les

tables donnes par le constructeur partir de :

pour avoir une puissance frigorifique la plus proche de :

ko TT et

Le compresseur tant slectionn, quelle est la puissance frigorifique rellement fournie ?

=

"1

"*1

*4*,1

6,8*

v

v

h

hQQ oo&&


Temprature relle de refoulement

effW&

pQ&

1h

2h

fm&

fm&

Bilan compresseur

( )

( ) ( )12

12

1

hhmW

WQ

hhmQW

eff

effp

peff

=

=

=

&&

&&

&&&

( )

( )1212

12

1hhhh

hhmW

is

eff

eff

is

eff

+=

=

&&

La tempLa temprature rrature relle de refoulement est calculelle de refoulement est calcule e partir de HP et h2partir de HP et h2


Composants frigorifiques annexes

Circuit Haute pression

Sparateur dhuile

Rservoir liquide

Dshydrateur

Filtre

Amortisseurs de vibration

Circuit basse pression

Filtre

Sparateur liquide

Bouteille daspiration (anti-coup de liquide)

Circuit Haute pression

Sparateur dhuile

Rservoir liquide

Dshydrateur

Filtre

Amortisseurs de vibration

Circuit basse pression

Filtre

Sparateur liquide

Bouteille daspiration (anti-coup de liquide)

Les composants suivants ont pour rle dassurer un fonctionnement correct du circuit frigorifique


SSparateur dparateur dhuile huile

Rle

Empcher au maximum la circulation de cette huile dans le circuit

frigorifique, la piger et la renvoyer au carter du compresseur

Montage

Vertical, au plus prs du compresseur, favoriser llvation de temprature

Description

Le sparateur se dcompose en deux parties :

- la partie haute sert a sparer l'huile du fluide frigorigne.

- la partie basse sert de rservoir d'huile.

Procds de sparation

-par changement brusque de direction et de vitesse

-par choc sur les parois

- par force centrifuge



RRservoir de liquide servoir de liquide

Rle

alimenter le dtendeur en liquide de faon permanente l'aide de son tube plongeur ;

compenser les variations de demande en liquide au dtendeur ;

stocker le fluide frigorifique en cas d'intervention sur le circuit BP grce a sa vanne

de service.

Slection

La capacit de la bouteille doit permettre de stocker la charge totale en f.f. 20%




DDshydrateurshydrateur

Rle : Il limine efficacement

L'humidit: elle est absorbe et emmagasine. Le dshydrateur empche ainsi la

formation de glace au dtendeur.

Les acides nuisibles. Il emmagasine les acides nuisibles se produisant dans le circuit

frigorifique empchant ainsi toute corrosion.

Les particules trangres: ce sont les boues et produits de dcomposition de l'huile.

Montage

Sur la tuyauterie liquide, verticalement de prfrence

Il faut tenir le dshydrateur obtur jusqu'au moment du montage


Voyant liquide Voyant liquide Rle

Dtecter la prsence de bulle dans la ligne liquide de linstallation

Vrifier le bon fonctionnement du retour dhuile

Indiquer le niveau dans les bouteilles

Indiquer la teneur en humidit du fluide frigorigne

Montage

Le voyant de liquide se monte entre le dtendeur et le dshydrateur


Fonctionnement

La couleur verte apparat lorsque la quantit d'eau contenue dans le fluide est

infrieure la quantit d'eau maximale admissible.

La couleur jaune nous garantit avec certitude des effets nuisibles provenant de

l'humidit

Lorsque la couleur jaune apparat, il faut remplacer le dshydrateur





Mohammed YOUBI-IDRISSICharg de Recherche, Cemagref

Mohammed YOUBI-IDRISSICharg de Recherche, Cemagref


4me Cours, 2006


Echangeurs thermiques

changeurs thermiques :

- systmes de transmission de la chaleur d'un fluide chaud vers un fluide

froid

- Prsents 90% dans les procds industriels (chimie, agroalimentaire,

nergie, )

changeurs thermiques :

- systmes de transmission de la chaleur d'un fluide chaud vers un fluide

froid

- Prsents 90% dans les procds industriels (chimie, agroalimentaire,

nergie, )

- fluide : vapeur, gaz, liquide, mlange liquide/vapeur, ...

- fluide chaud : cde de la chaleur

- fluide froid : absorbe de la chaleur

Modes de transfert de chaleur :Modes de transfert de chaleur :- conduction ( l'intrieur des solides), convection (fluide en mouvement) et rayonnement ( travers les gaz/vapeurs)



Classification des changeurs

- nature des fluides

- technologique : tubes, plaques, canaux, caloducs, directs,

- fonctionnel : avec ou sans changement de phase, co-courant,

contre courant, courant crois,

- niveaux de temprature

- compacit (700m/m3), matriaux, mode de transfert, ...

Classification des changeurs

- nature des fluides

- technologique : tubes, plaques, canaux, caloducs, directs,

- fonctionnel : avec ou sans changement de phase, co-courant,

contre courant, courant crois,

- niveaux de temprature

- compacit (700m/m3), matriaux, mode de transfert, ...

Nom de lvnement + date


Echangeurs avec ou sans changement de phase

chaleur sensible : conduit une variation de temprature

chaleur latente : produit un changement de phase

chaleur sensible : conduit une variation de temprature

chaleur latente : produit un changement de phase

SANS CHANGEMENT DE PHASE

chaleur sensible seule

AVEC CHANGEMENT DE PHASE

chaleur latente et/ou sensible

vaporateur : le fluide froid s'vapore

condenseur : le fluide chaud se condense

vaporateur : le fluide froid s'vapore

condenseur : le fluide chaud se condense

18/12/2006 4



Echangeurs paroi

COURANTS PARALLELES

fluide chaud fluide chaud

fluide froidfluide froid

co-courants antimthodique quicourant

contre-courants mthodique

COURANTS CROISESnombre de passes

contre-courants mthodique

co-courants antimthodique quicourant

18/12/2006 5



Echangeurs tubulaires

Mono-tubulaireMono-tubulaire

Multitubulaire : tubes concentriquesMultitubulaire : tubes concentriques

Multitubulaire immergsMultitubulaire immergs

18/12/2006 6



Multitubulaire tube et calandreMultitubulaire tube et calandre

- classe A : boite fixe, conditions inhabituelles d utilisation (gaz toxique) - classe B : boite flottante, conditions classiques - classe C : tubes en U, applications faible risque

3 classes3 classes

Bote : distributeur + collecteur du fluideBote : distributeur + collecteur du fluide

Calandre : enveloppe mtallique compatible avec le fluide Calandre : enveloppe mtallique compatible avec le fluide

Plaques tubulaires : supports des tubesPlaques tubulaires : supports des tubes

18/12/2006 7



Tubes : diamtre normalis et longueur standard(2,44 / 3,05 / 3,66 / 4,88 / 6,1)

Tubes : diamtre normalis et longueur standard(2,44 / 3,05 / 3,66 / 4,88 / 6,1)

Facilit de maintenance Compacte et conomique

Chicanes : augmentation de la turbulence et de la rigidit, mais dPChicanes : augmentation de la turbulence et de la rigidit, mais dP

Segments Barreaux Disques

18/12/2006 8



Echangeurs spirales

faible encrassement (force centrifuge)

bon change thermique (effet de "swirl")

dmontable

faible encrassement (force centrifuge)

bon change thermique (effet de "swirl")

dmontable

18/12/2006 9



FonctionnementFonctionnement

Echangeurs plaques

18/12/2006 10



Echangeurs plaques

changeurs plaques et joints

- pression limite (15 20 bars)

- temprature



Echangeurs en tubes et ailettes

Ailettes continues ou indpendantesAilettes continues ou indpendantes

Nombre des circuits et des nappesNombre des circuits et des nappes

Surface externe / interneSurface externe / interne

Surface frontale Surface frontale

Permabilit : SF/Surface exposePermabilit : SF/Surface expose

Circuitage : dP , configuration de la machineCircuitage : dP , configuration de la machine

18/12/2006 12


Echangeurs en mini-canaux

Mini-canaux (< 1mm) , micro-canaux (2 5 mm) Mini-canaux (< 1mm) , micro-canaux (2 5 mm)

circulaires rectangulaires

triangulaires rectangulaires

rainures Avantages

- gain de poids et de compacit (aluminium) + facilit de recyclage

- rduction en quantit de fluide, en perte de charge cot air

- pressions de services leves

Avantages

- gain de poids et de compacit (aluminium) + facilit de recyclage

- rduction en quantit de fluide, en perte de charge cot air

- pressions de services leves

Inconvnient : prix levInconvnient : prix lev


18/12/2006 13


Echangeurs ruissellement


18/12/2006 14


Problmes de fonctionnement

Encrassement : accumulation dlments solides indsirables en surface

- particulire : poussire, fume,

- entartrage

- biologique (microorganismes) ou par raction chimique ( ptrochimie)

Encrassement : accumulation dlments solides indsirables en surface

- particulire : poussire, fume,

- entartrage

- biologique (microorganismes) ou par raction chimique ( ptrochimie)

Corrosion

- chimique ou lectrochimique, partielle ou gnralise

- contraintes mcaniques, stagnation, variation locale de T,

Corrosion

- chimique ou lectrochimique, partielle ou gnralise

- contraintes mcaniques, stagnation, variation locale de T,

Vibrations

- vitesse -20% de Vcritique , plaques entre chicanes,

Vibrations

- vitesse -20% de Vcritique , plaques entre chicanes,

18/12/2006 15


Coefficient dchange global

Surface de rfrence

- interne

Surface de rfrence

- interne

e

i

ei

ei

i D

D

hDDD

h

K 1ln2

1

11

+

+

=

18/12/2006 16


NUT et Efficacit

Action sur KS : dpend des fluides et de la gomtrieAction sur KS : dpend des fluides et de la gomtrie

LMTKSQ =&

Action sur DTLM : efficacitAction sur DTLM : efficacit

( ) ( )

=

fecs

fsce

fecsfsce

LM

TT

TT

TTTTT

ln

Pour amPour amliorer la puissance :liorer la puissance :

18/12/2006 17


NUT et Efficacit

Pour un changeur infiniment long : le fluide qui a une capacit

minimum, subite la plus grande variation de temprature

Pour un changeur infiniment long : le fluide qui a une capacit

minimum, subite la plus grande variation de temprature

( ) ( )efecp TTcmQ = minmax &&

Efficacit :Efficacit :

efec

efsf

efec

scec

max TT

TTou

TT

TTE

==

( )

R

eE

RNUT

+

=+

1

1 1( )

( ) 1

1

1

1

=

RNUT

RNUT

Re

eE

co-courant contre courant

Avec : Avec : minC

KSNUT =

max

min

C

CR =

18/12/2006 18


NUT et Efficacit

Problme 2

S, K, Cmin, Cmax , T entre. T sortie +

Problme 2

S, K, Cmin, Cmax , T entre. T sortie + Q&

Problme 1

1- calcul de lefficacit

2- calcul de NUT

3- calcul de S

1- calcul de puissance

2- calcul de DTLM

3- calcul de S

Problme 2

1- calcul de NUT

2- calcul de lefficacit

3- calcul de T de sortie

4- calcul de la puissance

1- estimation des T de sortie

2- calcul de DTLM

3- calcul de la puissance

4- dduction des T de sortie

5- comparaison et itration

Problme 2 est le plus rencontr : NUT est la mieux adapte

Problme 1

K, Cmin, Cmax , T e/s. S ?

Problme 1

K, Cmin, Cmax , T e/s. S ?

18/12/2006 19


Evaporateurs

Point 1Point 1 : Fluide sous-refroidi

Point 2Point 2 : Fluide dtendu, une partie du liquide se vaporiseTitre en vapeur : 20 30%

Point 3Point 3 : Disparition de la dernire goute de liquide Titre en vapeur 100%

Entre 3 et 4Entre 3 et 4 : zone de surchauffe

Evaporateur dtente directe

CtCt frigorigfrigorigne ne

18/12/2006 20


Evaporateurs

Kes 10 6=Koae 02 15=

Le fluide se refroidie, la diffrence de temprature dpend de lefficacit de lchangeur et des changes thermiques entre le frigorigne et le fluide secondaire.

Dans beaucoup dapplications courantes, on rencontre les vaporateurs refroidisseurs d'air : En climatisation :

En froid commercial :

Evaporateur dtente directe

CtCt fluide secondaire fluide secondaire

Kes 5 3=Koae 01 6=18/12/2006 21


Evaporateurs

Evaporateur noys

sans recirculation regorgement

vapeurvers compresseur

liquidefrigorigne

Avec recirculation

vers compresseur

liquide

sparateurchambrefroide

pompe

18/12/2006 22


Evaporateurs

Evaporateur refroidisseurs de liquide

Evaporateurs immersion Evaporateurs immersion

vaporateurs les plus anciens utiliss dans le froid

fluide frigorigne l'intrieur des tubes, vaporateurs surchauffe

vaporateurs les plus anciens utiliss dans le froid

fluide frigorigne l'intrieur des tubes, vaporateurs surchauffe

fluide frigorigne l'intrieur

ou l'extrieur,

vaporateurs surchauffe ou

noys

fluide frigorigne l'intrieur

ou l'extrieur,

vaporateurs surchauffe ou

noys

Evaporateurs multitubulaires Evaporateurs multitubulaires

18/12/2006 23


Evaporateurs

Evaporateur refroidisseurs de gaz

air

vapeur

liq. frigo.

diffrents typesd'ailettes

Evaporateur plafonnier Evaporateur mural

18/12/2006 24


Evaporateurs

Evaporateur refroidisseurs de gaz

Evaporateurs pour le froid domestique

Givrage / dgivrage Givrage / dgivrage

CTT roseparoi


Condenseurs

Fonctionnement dun condenseur

CtCt frigorigfrigorigne ne

Point APoint A : les vapeurs surchauffes entrent dans le condenseur

Point BPoint B : les vapeurs attiennent la temprature de condensation

Point CPoint C : disparition de la dernire bulle de vapeur (fin de condensation)

Point DPoint D : le liquide est sous refroidi

18/12/2006 26


Condenseurs

Fonctionnement dun condenseur

CtCt fluide secondaire fluide secondaire

Le fluide se rchauffe, la diffrence de temprature dpend de lefficacit de lchangeur et des changes thermiques entre le frigorigne et le fluide secondaire.

Pour les condenseurs air :

Pour les condenseurs eau :

Kes 10 5=Koae 02 10=

Kes 15 5=Koae 02 10=

18/12/2006 27


Condenseurs

Condenseurs air

Les plus utiliss

- gratuit de l'air

- pas de risque de gel- gratuit de l'air

- pas de risque de gel

-change thermique mdiocre, ailettes souvent ncessaires

- encombrement important

- circulation d'air souvent ncessaire

- temprature variable selon les saisons

- efficacit diminue avec l'altitude

- risque d'encrassement par poussire entre les ailettes

-change thermique mdiocre, ailettes souvent ncessaires

- encombrement important

- circulation d'air souvent ncessaire

- temprature variable selon les saisons

- efficacit diminue avec l'altitude

- risque d'encrassement par poussire entre les ailettes

Avantages Inconvnients

18/12/2006 28


Condenseurs

Condenseurs eau

Condenseurs eau verticaux

-Ils sont destins la construction d'armoire de

conditionnement d'air et de pompe chaleur.

-Ils offrent la possibilit de stockage du fluide frigorigne

-Ils sont destins la construction d'armoire de

conditionnement d'air et de pompe chaleur.

-Ils offrent la possibilit de stockage du fluide frigorigne

Condenseurs tube en tube -Ils sont constitus par deux tubes enfils lun dans lautre.

-Le fluide frigorigne circule entre les deux tubes.

-Avec ce type de condenseur il faut utiliser un rservoir de liquide.

-Ils sont constitus par deux tubes enfils lun dans lautre.

-Le fluide frigorigne circule entre les deux tubes.

-Avec ce type de condenseur il faut utiliser un rservoir de liquide.

Condenseurs multitubulaires

-eau l'intrieur des tubes

-condensation autour des tubes dans la calandre-eau l'intrieur des tubes

-condensation autour des tubes dans la calandre

18/12/2006 29


Condenseurs

Condenseurs eau

Avantages Inconvnients

- bon change thermique : faible

encombrement

- temprature relativement constante dans

l'anne

- rcupration de la chaleur cde l'eau aise

- peu bruyants

- bon change thermique : faible

encombrement

- temprature relativement constante dans

l'anne

- rcupration de la chaleur cde l'eau aise

- peu bruyants

- forte consommation d'eau (eau perdue)

cot, rglementation

- entretien et maintenance (corrosion,

entartrage)

- protection contre le gel

- forte consommation d'eau (eau perdue)

cot, rglementation

- entretien et maintenance (corrosion,

entartrage)

- protection contre le gel

18/12/2006 30


Condenseurs

Condenseurs vaporatifs

Contact air/eau

vaporation dune partie deau

Humidification dair

18/12/2006 31


Condenseurs

( ) KapprocheTTKTT

KT

airheaue

eausk

eau

73

5

5

,,

,

=

=

Condenseurs vaporatifs

Consommation d'eau 50 100 fois plus faible que pour un circuit eau perdue

TTkk

TTe,eaue,eau

TTs,eaus,eau

TTh,airh,air

approcheapproche

18/12/2006 32


Coef. d change K :ordre de grandeur

18/12/2006 33

Coefficient global

d'change (W /m .K)

vaporateur plaques Largeur entre plaques : 2 m m 1250

Condenseur plaques Largeur entre plaques : 2 m m 2400

Diam tre des tubes9 m m 14007 m m 14504 m m 1500

Diam tre des tubes9 m m 11007 m m 11504 m m 1200

Tube lisse de diam tre 15 m m 1700Tube ailettes de D = 15 m m 3500

Condenseur extra-tubulaire

Type d'changeur Caractristiques gom triques

vaporateur intra-tubulaire

C ondenseur intra-tubulaire

situation physique Coefficient dchange partiel en W/m2.K

Air en convection naturelle 5-10Air en convection force 30-80Eau en convection force 3000-10000

HFC en vaporation convection force 1000-5000Ammoniac en vaporation 5000-10000

HFC en condensation convection force 1000-3000


Rcapitulatif

18/12/2006 34

Charge de fluide frigorigne leve

Mdiocre coefficient de transfert (ncessit de

tubes amliors)

Construction de la calandre la pression du

fluide frigorigne (forte pression)

Peut trs difficilement sadapter aux mlanges

zotropes

Perte de pression faible sur le fluide frigorigne

Bonne nettoyabilit des tubes sur le fluide

frigoporteur

Pas de difficult de la distribution du fluide

frigorigne lentre de lvaporateur (pas de

limitation en puissance)

Peut convenir des fluides frigorignes et

huiles non miscibles

tous fluides y compris avec huile

non miscible (NH3) avec une

restriction sur les mlanges

zotropes

eau glycole, saumure

de 1 plusieurs MW

Evaporateur

noy

Perte de pression leve sur le fluide

frigorigne

Nettoyabilit faible du faisceau de tubes (cot

calandre)

Criticit de la distribution du fluide frigorigne

lentre de lvaporateur (limitation en

puissance)

Ne peut convenir des fluides frigorignes et

huiles non miscibles (cas frquents rencontrs

avec lammonia

Charge de fluide frigorigne limite

Bon coefficient de transfert


fluide frigoporteur (faible pression)

tous avec huiles miscibles

eau glycole ou autres

de 100 kW 1 MW

Evaporateur

intratubulaire

Perte de pression leve sur le fluide

frigorigne

Nettoyabilit rduite du cot fluide de

refroidissement

Implique parfois lemploi dune bouteille haute

pression

Charge de fluide frigorigne limite


fluide frigoporteur (faible pression)

Adapte tous les fluides y compris les

mlanges zotropes

tous fluides (HFC, NH3)

eau industrielle, eau de tour

de 100 kW plusieurs MW

Condenseur

intratubulaire

Impose des charges de fluides frigorigne

importante

Ncessite une construction de la calandre pour

une pression leve

Mal adapt aux fluides zotrope

Ncessite lutilisation systmatique de tubes

ailettes intgrales en paroi externe pour tous les

HFC

Pas de perte de pression sur le fluide

frigorigne

Matrise du sous refroidissement du condensat

(par noyage des ranges infrieures des tubes)

Assure la fonction de bouteille haute pression

Nettoyage ais des tubes (en cas

dencrassement par leau)

tous fluides (HFC, NH3) avec des

rserves sur les mlanges zotropes

eau industrielle, eau de tour

de 100 kW plusieurs MW

Condenseur

extratubulaire

Limites de la technologie Avantages de la technologieCritres dutilisationTechnologie

dchangeur


Rcapitulatif

18/12/2006 35

Pertes de pression leve sur le fluide frigorigneNettoyage dlicat des canaux (en cas dencrassement par leau)Fragilit de lappareil (en cas notamment de gel du fluide frigoporteur dans lvaporateur)Ncessit de rgulation adapte pour le dtendeur (temps de rponse leve) de par la faible inertie de lappareil)Ne convient pas lammoniac dans sa version la plus courante (brasure cuivre). Des versions adaptes lammoniac existent toutefois sur le march.

Compacit leve et volume rduit de lchangeur

Impose des charges de fluide frigorigne trs faible

Bon coefficient de transfert Adapt aux fluides HFC y compris aux mlanges zotropes de type R407C de par la circulation en parallle des fluides

tous fluides frigorignes de type HFC Eau, eau glycole (pas adapte au saumure) de quelques kW environ 500 kW

Echangeur plaques brases Condenseur ou vaporateur

Encombrement important de lappareilDomaine dapplication limit aux faibles et moyennes puissances (

techniques du froid et composants frigorifiques

Documents