Bilan frigorifique 04.68.50.03.16 04.68.66.66.03 B.T.S F.E.D. Bilan frigorifique Nom : Prénom : Entreprise : Confucius Choisissez un travail que vous aimez et vous n’aurez pas à travailler un seul jour de votre vie. Livret élève BTS FED 1 Bilan frigorifique Sommaire : 1. Réglementation. Conservation des denrées périssables. 2. Etude d’un projet d’une installation frigorifique 3. Différents postes du bilan frigorifique 4. échanges thermiques par les parois 5. refroidissement des denrées et emballages 6. échanges atmosphérique entre la chambre et l’extérieur 7. éclairage 8. personnes présentes 9. dégagements internes divers 10. ventilations interne de la chambre 11. Total des apports et majoration 12. Puissance de la machine frigorifique 13. REMARQUES IMPORTANTES : 14. Annexes Sites internet http://www.economie.gouv.fr/dgccrf/Conservation-des-aliments-790 http://www.legifrance.com/affichTexte.do?cidTexte=JORFTEXT000021573483&fastPos=1&fastReqId= 356090303&categorieLien=cid&oldAction=rechTexte http://www.anses.fr/ http://www.energieplus-lesite.be/index.php?id=11378 http://www.conservation-froid.fr/ http://jc.castaing.free.fr/ens/cf/cf.htm Sources documentaires : Catalogue Fritec Livret élève BTS FED 2 Bilan frigorifique Pour déterminer la puissance d’une machine frigorifique il faut se livrer a un calcul préalable, indispensable, celui des besoins de froid ; autrement dit on doit établir le bilan frigorifique, déterminer les puissances thermiques à extraire des milieux à refroidir Ce calcul devrait prendre en compte des phénomènes très complexes : régimes thermiques variables dans les denrées, de constitution hétérogène, au cours de leur refroidissement, régimes thermiques variables dans les parois, également hétérogènes, d’une chambre froide sous l’action des variations des conditions internes et externes, échanges atmosphériques compliqués entre l’intérieur et l’extérieur de la chambre, chaleur résiduelles des dégivrage etc. Comme on ne peut effectuer ces calculs de manière rigoureuse, le bilan frigorifique ne se fait que de manière approchée. Ainsi dans la mesure du possible, on adopte, pour les échanges thermiques, l’approximation du régime permanent, on schématise les échanges atmosphériques par des relations simplifiées. Le bilan frigorifique des chambres froides est établi par jour. Si cette méthode est possible dans le cas de chambres froides assez fortement chargées de denrées, l’inertie thermique est alors conséquente et « gomme » les imperfections du calcul, elle est inacceptable dans de nombreux autres cas, par exemple pour le calcul des charges thermiques d’un bâtiment en vue de la sélection de l’installation de climatisation. Le bilan frigorifique va s’appuyer sur des documents contractuel le cahier des charges CCTP et la réglementation DTU et réglementation sur la conservation des denrées périssables. 1. Réglementation. Conservation des denrées périssables. Sur le site du ministère de l’économie et des finances la DGCCRF Direction Générale de la Concurrence, de la Consommation et de la Répression des Fraudes défini la conservation des aliments comme étant : Les traitements de conservation appliqués aux aliments visent à préserver leur comestibilité et leurs propriétés gustatives et nutritives en empêchant le développement des bactéries, champignons et microorganismes qu'ils renferment et qui peuvent dans certains cas entraîner une intoxication alimentaire. Une fiche pratique donne les températures de conservation des principaux aliments de Arrêté du 21 décembre 2009 relatif aux règles sanitaires applicables aux articles de commerce de détail, d'entreposage et de transport de produits d'origine animale et denrées alimentaires en contenant (JO 31/12/2009) Extrait de l’arrêté : Article Annexe I Conformément au 3 de l'article 17 et au 3 de l'article 4 du règlement (CE) n° 852/2004 du 29 avril 2004 susvisé, les températures des produits d'origine animale et denrées alimentaires en contenant doivent être conformes en tous points du produit aux températures définies dans le tableau ci-après. Toutefois, pour les produits préemballés d'origine animale et denrées alimentaires en contenant, et conformément à l'article R. 112-22 du code de la consommation, une température différente peut être fixée par leur conditionneur, sous réserve de ne pas dépasser celle fixée par le règlement (CE) n° 853/2004. Livret élève BTS FED 3 Bilan frigorifique NATURE DES DENRÉES TEMPÉRATURE de conservation au stade de l'entreposage ou du transport TEMPÉRATURE de conservation dans les établissements de remise directe ou de restauration collective TEMPÉRATURE MAXIMALE DES DENRÉES CONGELÉES Glaces, crèmes glacées ― 18 °C ― 18 °C Viandes hachées et préparations de viandes congelées * ― 18 °C Produits de la pêche congelés * ― 18 °C Poissons entiers congelés en saumure destinés à la fabrication de conserves * ― 9 °C Autres denrées alimentaires congelées ― 12 °C ― 12 °C Nota. ― La température indiquée est la température maximale de la denrée alimentaire sans limite inférieure. TEMPÉRATURES MAXIMALES DES DENRÉES RÉFRIGÉRÉES Viandes hachées * + 2 °C Abats d'ongulés domestiques et de gibier ongulé (d'élevage ou sauvage) * + 3 °C Préparations de viandes * + 4 °C Viandes séparées mécaniquement * + 2 °C Viandes de volailles (y compris petit gibier d'élevage à plumes), de lagomorphes (y compris petit gibier d'élevage à poils), de ratites et de petit gibier sauvage * + 4 °C Viandes d'ongulés domestiques, viandes de gibier ongulé (d'élevage ou sauvage) * + 7 °C pour les carcasses entières et pièces de gros + 4 °C pour les morceaux de découpe Produits de la pêche frais, produits de la pêche non transformés décongelés, produits de crustacés et de mollusques cuits et réfrigérés * (1) + 2 °C Produits de la pêche frais conditionnés * (1) * (1) Ovoproduits à l'exception des produits UHT. + 4 °C + 4 °C Lait cru destiné à la consommation en l'état + 4 °C + 4 °C Lait pasteurisé Température définie sous la responsabilité du fabricant ou du conditionneur Température définie sous la responsabilité du fabricant ou du conditionneur Fromages affinés Température définie sous la responsabilité du fabricant ou du conditionneur Température définie sous la responsabilité du fabricant ou du conditionneur Autres denrées alimentaires très périssables Température définie sous la responsabilité du fabricant ou du conditionneur + 4 °C Autres denrées alimentaires périssables Température définie sous la responsabilité du fabricant ou du conditionneur + 8 °C Préparations culinaires élaborées à l'avance + 3 °C + 3 °C Nota. ― La limite inférieure de conservation des denrées alimentaires réfrigérées doit se situer à la température débutante de congélation propre à chaque catégorie de produits (*) Voir les températures du règlement (CE) n° 853/2004 (1) Température de la glace fondante : 0 à + 2 °C. Livret élève BTS FED 4 Bilan frigorifique TEMPÉRATURE MINIMALE EN LIAISON CHAUDE Plats cuisinés ou repas livrés chauds ou remis au consommateur + 63 °C Toutefois, et pour autant que la sécurité des produits d'origine animale et denrées alimentaires en contenant soit assurée, il est admis de soustraire les produits d'origine animale et denrées alimentaires en contenant, congelés, ainsi que les glaces et crèmes glacées aux températures mentionnées dans le tableau : a) Dans la mesure où la différence de température n'excède pas + 3 °C en surface, lorsque cela s'avère nécessaire, pour de brèves périodes, lors du chargement-déchargement de ces produits aux interfaces entre l'élaboration, le transport, le stockage et l'exposition des produits d'origine animale et denrées alimentaires en contenant et lors de leur présentation à la vente ; b) Lors de l'exposition des glaces et crèmes glacées pour leur consommation immédiate dans la mesure où leur approvisionnement s'effectue en quantités adaptées aux besoins du service. A faire : Compléter la colonne N°2 Du tableau page 4 (*) Voir les températures du règlement (CE) n° 853/2004 Le froid est une technique de conservation des aliments qui arrête ou ralentit l'activité cellulaire, les réactions enzymatiques et le développement des microorganismes. Surgélation : la surgélation consiste à congeler rapidement une denrée saine et en parfait état de fraîcheur en abaissant sa température très rapidement jusqu'à –18°C en tous points. Congélation : la congélation consiste à abaisser la température de la denrée jusqu'à –12°C. Ce procédé est souvent appliqué à des pièces de taille importante, telles que des carcasses de viandes, ce qui conduit à une congélation plus lente. Réfrigération : la réfrigération fait appel à l'abaissement de la température pour prolonger la durée de conservation des aliments. A l'état réfrigéré les cellules des tissus animaux et végétaux restent en vie pendant un temps plus ou moins long, et les métabolismes cellulaires sont seulement ralentis. La température des aliments réfrigérés est comprise entre 0 et 4 °C pour les denrées périssables les plus sensibles. Il est aussi indispensable de contrôlé l’hygrométrie ambiante pour pouvoir conservé convenablement les denrées alimentaires, le tableau suivant donne pour certains produits les durées de conservation maximale fonction de la température et de l’hygrométrie de la chambre froide Livret élève BTS FED 5 Bilan frigorifique Livret élève BTS FED 6 Bilan frigorifique 2. Etude d’un projet d’une installation frigorifique Besoin de refroidissement de l’utilisateur CCTP Produits, quantités, durée de conservation, lieu DTU Arrêté Dimensions de l’enceinte isotherme Réglementation sur la conservation Plans Conditions internes chambre froide température et HR % Choix de l’isolant, panneau épaisseur Calcul Des déperditions Bilan frigorifique Puissance frigorifique pour 24h Choix du fluide frigorigène pression de fonctionnement Po et PK Sélection du matériel et estimation main d’œuvre Devis descriptif quantitatif Livret élève BTS FED 7 Bilan frigorifique 3. Différents postes du bilan frigorifique Q1 : échanges thermiques par les parois Parois verticales Horizontales sol et plafond Q2 : refroidissement des denrées et emballages Avant congélation Emballages palettes Après congélation Métabolisme des denrées Q3 : échanges atmosphérique entre la chambre et l’extérieur Q4 : éclairage Q5 : personnes présentes Q6 : dégagements internes divers Moteurs Engins de manutentions Outils Resistances Q7 : ventilations interne de la chambre QT : déperdition totale [kj/24h] Certaines quantité de chaleurs sont incalculables au niveau d’un avant projet on majore la somme des chaleurs QT de 5 à 10%. Généralement on admet un temps de fonctionnement 15 < tf <18 h La puissance frigorifique à prendre en compte est : o : [kW] Livret élève tf : [h] BTS FED 8 Bilan frigorifique 4. échanges thermiques par les parois On calcule d’abord les flux de chaleur entrant en W par toutes les parois, puis on déduit la quantité de chaleur Q correspondante Le flux thermique (Φ) traversant une paroi plane est : Φ [W] (watts) Up [W/m². K] S [m²] [K] Avec (Up) le coefficient de transmission surfacique d’une paroi plane [W/m.K] [m] [W/K] Nbre de fixations traversantes S [m²] Uc= hi et he [W/m²°C] e [m] λ [W/m.°C] Cela nous donne : On fait généralement cette détermination en considérant, à part, les parois latérales, le plafond, le sol les parois qui ne sont pas soumise à la même température extérieure. Les parois soumises au rayonnement solaire seront soumise à une majoration du θ. Nature et couleur de la face extérieure Est Sud Ouest Toit plat Parois et toit en couleur foncée 4,4 K 2,8 K 4,4 K 11 K Surfaces en teintes moyennes, par exemple 3,3 K 2,2 K 3,3 K 8,3 K bois, ciment, colorées en rouge, vert ou gris Surface de couleurs claires, par exemple 2,2 K 1K 2,2 K 5K pierre blanche, ciment, de couleur blanche [kJ/24h] Livret élève BTS FED 9 Bilan frigorifique Certes le calcule sera possible a partir du moment où l’on possède toute les informations sur l’isolation utilisé pour la construction de l’enceinte isotherme. Sachant que l’épaisseur de l’isolant doit être conforme au DTU45.1 qui impose les flux thermiques maximum : φ= 6W/m² pour les chambres froide négatives φ= 8W/m² pour les chambres froide positives Il est facile de déterminer les apports par les parois dans le cas d’un avant projet [KJ/24h] Attention aux cas particuliers que sont les cellules de refroidissement rapide, les surgélateurs, tunnels de congélations, chambre de ressuage ou on calcule sur le temps de refroidissement t et non pas 24 heures [KJ/24h] 5. refroidissement des denrées et emballages Pour le refroidissement des produits on considère deux cas : a) refroidissement du produit sans congélation Seule la chaleur sensible du produit est mise en jeu : C1 [KJ/Kg °C] chaleur massique avant congélation (capacité thermique massique) Md [Kg] masse de produit introduite dans la chambre froide θe [°C] température d’entrée du produit dans la chambre froide θi [°C] température finale du produit dans la chambre froide θ [°C] θe C1 : voir tableau page 6 θi Qe chaleur sensible Qi Q[KJ] A l’identique la chaleur extraite de l’emballage est : Quelques chaleurs massiques d’emballages courant Verre : 0,7 à 0,9 KJ/Kg °C Matières plastiques : 1 à 1,5 KJ/Kg °C Papier cartons : 1,34 KJ/Kg °C Bois sapin : 2,7 KJ/Kg °C Livret élève BTS FED 10 Bilan frigorifique En première approximation, prendre 10% du bilan sur les produits. b) refroidissement du produit avec congélation ou surgélation Le produit va subir un changement d’état donc il faudra tenir compte de la chaleur latente de congélation θ [°C] θe θc θi chaleurs : Qe sensible Qc1 latente Qc2 sensible Qi Q[KJ] Md [Kg] masse de produit introduite dans la chambre froide C1 [KJ/Kg °C] chaleur massique avant congélation Lc [KJ/Kg] chaleur latente de congélation C2 [KJ/Kg °C] chaleur massique après congélation θe [°C] température d’entrée du produit dans la chambre froide θc [°C] température de congélation du produit θi [°C] température finale du produit dans la chambre froide C1, C2 et Lc : voir tableau page 6 c) chaleur métabolique des denrées : Dans le cas ou les denrées entreposées sont vivante (fruits et légumes) ou support d’êtres vivants milieux en fermentation, (fromages) on doit tenir compte de la chaleur liée au métabolisme du produit. Chaleur massique de respiration de certains fruits et légumes Livret élève BTS FED 11 Bilan frigorifique La chaleur de respiration est : Md [Kg] Cr [KJ/Kg 24h] masse de produit introduite dans la chambre froide chaleur de respiration En résumé la chaleur due au refroidissement des denrées et emballages En réfrigération : [KJ/24h] En congélation : [KJ/24h] 6. échanges atmosphérique entre la chambre et l’extérieur Une chambre froide est le siège d’échanges atmosphériques entre l’intérieur et l’extérieur. Les échanges peuvent êtres voulus : introduction d’air neuf et extraction d’air vicié dans le cas de présence de personnes en permanence dans l’enceinte, lutte contre les odeurs ou les dégagements gazeux éthylène pour les fruits. Dans ce cas on connaît la quantité d’air extraite par le ventilateur donc il est facile de déterminer l’introduction de chaleur due à l’air neuf. La chaleur par renouvellement d’air s’exprime par : [KJ/24h] qm [kg/s] : débit masse d’air neuf he [kJ/kg] : enthalpie de l’air extérieur hi [kJ/kg] : enthalpie de l’air intérieur t [s] : temps de fonctionnement de la ventilation mécanique Relevé de l’enthalpie sur le diagramme de l’air humide Pour un air température sèche θ=30°C humidité relative hr = 30% enthalpie h= 50 kj/kg Livret élève BTS FED 12 Bilan frigorifique Le débit masse se relie au débit volume grâce à la masse volumique ou encore au volume massique. a) Extraction par un ventilateur [KJ/24h] qv [m3/s] : débit volume du ventilateur v’’ :[m3/kg] : volume massique ou volume spécifique Dans notre exemple : volume massique v’’= 0,87 m3/kg b) ventilation naturelle Il est d’usage de relier le débit volume au volume de la chambre en définissant un taux de renouvellement d’air journalier n (volume par jour). Ce dernier se calcule dans la littérature selon : A faire Tracer la courbe n=f(Vcf) pour n (0 ;18) et Vcf (0 ;3000m3) Dans ce cas les apports de chaleurs par renouvellement d’air sont : [KJ/24h] c) introduction d’air par les ouvertures de portes Dans le cas des petites chambres, on néglige la part relative à l’ouverture des portes. Pour celles de taille plus importante et où l’ouverture est imposée par la rotation des denrées par exemple, on peut calculer les charges correspondantes, bien qu’elles ne représentent généralement qu’une part réduite par rapport au renouvellement d’air. On trouve dans la littérature une expression la formule de TAMM optimisé par FRITZSCH permettant de calculer la chaleur introduite par la porte, lors de son ouverture : [KJ/24h] [K] é n mpé a u n l’ x é u l’ n é u la amb t [s/24h] mps ’ uv u la p n [kg/m3] mass v lum qu l’a n é u xé u L et H [m] m ns n u l l’ uv u la p C n m n a n û à la p és n év n u ll 'un au ’a as ’un p sans au n p és n ’un au he [kJ/kg] n alp l’a x é u et hi [kJ/kg] n alp l’a n é u Livret élève BTS FED ans l 13 Bilan frigorifique Détermination du temps d’ouverture des portes d’une chambre froide t Ce calcul débute par la détermination du tonnage stocké dans la chambre froide. A partir de cette valeur, une estimation du flux horaire maximal de marchandises entrant ou sortant (stockage ou déstockage). Le temps moyen pendant lequel la porte d’une chambre froide reste ouverte pour permettre le transit de 1 tonne d’un type de marchandise est donné par l‘expérience. On procède alors au calcul du temps nécessaire (porte ouverte) pour permettre le passage de la marchandise considérée. Le temps moyen pendant lequel la porte d'une chambre froide reste ouverte pour permettre le transit de 1 tonne d'un type de marchandise donné comprend le temps nécessaire au passage à l'aller (à plein ou a vide) et le temps nécessaire au retour (à vide ou à plein). t [mn] temps d’ouverture de la porte d [mn/t] : durée moyenne d’ouverture des portes pour permettre le passage des marchandises voir tableau f [t/24h] flux journalier de marchandises Durée moyenne de transit de différents types de marchandises entreposées en chambre froide. 7. éclairage Les luminaires des chambres froides classiques doivent pouvoir résister au froid, à l'humidité, être étanches à l'eau, être protégés des contacts avec tous objets (degré de protection IP 68) et être insensibles aux effets de la poussière. L'éclairement nominal habituellement prévu oscille entre 60 et 100 lux ce qui fait que l'on peut adopter une charge thermique d'environ 6 W/m² au sol. Lorsque l’éclairage existe, en revanche, il suffit de lister le nombre et les puissances unitaires des luminaires présents dans la chambre. On suppose que 10 % de cette lumière reste allumée (pour raison de sécurité) de façon permanente et que le reste soit éteint hors des heures de présence du personnel. [KJ/24h] Pe[W] : puissance d’éclairage te[s/24h] : temps d’éclairage par jour Livret élève BTS FED 14 Bilan frigorifique 8. personnes présentes La chaleur dégagée par un occupant dépend de la température de la chambre froide. Puissance dégagée par une personne en activité moyenne dans une chambre froide. Température de la chambre froide (°C) θi 20 15 10 5 0 -5 -10 -15 -20 -25 Puissance dégagée par personne (W) Pp 180 200 210 240 270 300 330 360 390 420 [KJ/24h] Pp[W] : Puissance dégagée par personne tp[s/24h] : temps de présence dans la chambre N : Nombre d’occupant 9. dégagements internes divers Les machines entraînées (chariot élévateur, transpalettes, étuve, cutter hachoir etc.) et moteurs d’entraînements sont généralement ensembles dans la chambre froide de ce fait la puissance électrique dépensé dans les moteurs se retrouve intégralement sous forme thermique dans la chambre froide [KJ/24h] Pm[W] : Puissance dégagée par moteurs tf[s/24h] : temps de fonctionnement dans la chambre 10. ventilations interne de la chambre a) évaporateur connus Dans le cas d’une chambre froide existante les apports dus à la ventilation : [KJ/24h] Pmv[W] : Puissance dégagée par moteurs ventilateur Pdeg[W] :puissance dégagée par les résistance de dégivrage. tf[s/24h] : temps de fonctionnement dans la chambre Livret élève BTS FED 15 Bilan frigorifique b) type d’évaporateur inconnu Dans un premier temps il faut déterminer le taux de brassage en fonction du type de chambre froide ce coefficient peu varier dans d’assez larges limites. Donc qv [m3/h] : débit volume total des ventilateurs évaporateurs. Vcf [m3] : volume de la chambre froide La puissance absorbée par la ventilation est : [W] qv [m3/s] : débit volume total des ventilateurs évaporateurs. p[pa] : pression disponible du ventilateur ηg[%] : rendement global Le rendement peu être corrigé en étant multiplier par le rapport de la température de la chambre froide sur la température d’essais du ventilateur To= 293K. tf[s/24h] : temps de fonctionnement dans la chambre Dans ce cas les apports dus à la ventilation : [KJ/24h] Avantages d’une forte ventilation accroissement des échanges thermiques par convection entre les denrées et l’air augmente la vitesse de refroidissement. Amélioration de l’homogénéité des températures dans la chambre froide. Inconvénients d’une forte ventilation Accroissement des pertes d’eau des denrées si l’humidité de l’air n’est pas suffisamment élevées Consommation d’énergie électrique accrue Inconfort important pour le personnel qui travaille dans la chambre froide Livret élève BTS FED 16 Bilan frigorifique 11. Total des apports et majoration On effectue la somme de tous les apports en KJ/24h et on majore le résultat obtenu en général de 5 à 10% pour tenir compte des apports incalculables. 12. Puissance de la machine frigorifique On ce fixe un temps de fonctionnement des compresseur par jours Temps usuels fonctionnement de la machine frigorifique [KW] t [s] : temps de fonctionnement en seconde Le choix du temps de fonctionnement journalier des compresseurs est important : Trop court il accroît la puissance frigorifique installée donc le prix de l’installation Trop long il complique l’entretien de la machine et réduit ça durabilité 13. REMARQUES IMPORTANTES : Attention aux unités : réaliser l’équation dimensionnelle en cas de doute A noter que l’on retrouve parfois de vieilles unités dans certaines documentations. Pour mémoire : 1 kCal 4.185 kJ 1000 fg*h-1 = 1.163 kW 1 ch = 0.736 W Attention dans le cas des tunnels, refroidissement rapide, ou surgélation : le temps de séjours des produits et le temps de refroidissement sont biens définis, en tenir compte dans les calculs (ex : pour un refroidissement de 3h, les apports par les parois ne se feront pas sur 24h, mais sur 3h. Idem pour le renouvellement d’air, les ventilateurs, etc… ). Prise en compte du dégivrage : dans un avant projet (en entreprise, ou en M.P.S.), il est difficile d’estimer la puissance apportée par les résistances de dégivrage. On peut cependant utiliser la méthode suivante : o surestimer un peu le bilan thermique (+5% de plus sur le bilan provisoire), o sélectionner l’évaporateur à partir de ce o bilan, relever la puissance de ses résistances électriques et son o réel o recommencer le bilan frigorifique en incluant Q dégivrage o vérifier que o réel évaporateur > o bilan avec dégivrage o ajuster la sélection de l’évaporateur si nécessaire Livret élève BTS FED 17 Bilan frigorifique 14. annexes Calcul de la capacité totale d'une chambre froide C : contenance de la chambre froide en Kg A : surface de la chambre froide en m² H : hauteur maximale de gerbage en m de : densité d’entreposage en kg/m3 voir tableau : Coefficient d’occupation au sol des marchandises en % voir tableau Densité d’entreposage de différentes marchandises. (de) Coefficients d’occupation du sol d’une chambre froide en fonction du type d’entreposage des marchandises. Livret élève BTS FED 18 Bilan frigorifique Nombre et durée des périodes de dégivrage à prévoir pour différentes chambres froides et meubles frigorifiques. Livret élève BTS FED 19 Bilan frigorifique Livret élève BTS FED 20 Bilan frigorifique Livret élève BTS FED 21
