G.P.E.E Année universitaire : 2016 - 2017 I. INTRODUCTION: La technique frigorifique est une partie constituante de la thermodynamique qui traite le comportement des corps solides, liquides et gazeux. Thermodynamiquement parlant, la notion de “froid’’ n’existe pas : le “froid“ n’est généré que lorsque la chaleur est transportée d’un endroit vers un autre endroit présentant une température plus élevée. Lors de ce processus, l’espace refroidi, la substance ou le corps possède toujours une capacité thermique, tant que la température est située au-dessus de -273,15 °C. I. INTRODUCTION: PRODUCTION DU FROID : • EXEMPLE : LE RÉFRIGÉRATEUR RENFERME UN ÉCHANGEUR DE CHALEUR (ÉVAPORATEUR) DANS LEQUEL EST INJECTÉ DE LA VAPEUR HUMIDE (FLUIDE FRIGORIGÈNE À BASSE TEMPÉRATURE). LA TEMPÉRATURE D’ÉBULLITION OU LA TEMPÉRATURE D’ÉVAPORATION DU FLUIDE FRIGORIGÈNE DANS L’ÉVAPORATEUR EST D’ENVIRON -15 °C POUR UNE TEMPÉRATURE À L’INTÉRIEUR DU RÉFRIGÉRATEUR DE +5 °C, CE QUI CORRESPOND POUR LE FLUIDE FRIGORIGÈNE R 134A À UNE PRESSION ABSOLUE DE 1,7 BAR. • LA CHALEUR PROVENANT DE L’INTÉRIEUR DU RÉFRIGÉRATEUR EST ABSORBÉE PAR L’ÉVAPORATEUR NETTEMENT PLUS FROID, CE QUI ENTRAÎNE L’ÉVAPORATION DE LA PARTIE LIQUIDE DU FLUIDE FRIGORIGÈNE. LA PARTIE INTÉRIEURE DU RÉFRIGÉRATEUR EST REFROIDIE. II. IMPORTANCE DU FROID : Le froid trouve de nombreuses applications dans des domaines très variées (industries agro-alimentaires, médecine, confort thermique, pétroléochimie…) et c’est dans le domaine alimentaire que le froid occupe une place prépondérante car il permet de limiter les gaspillages (pertes après récolte…) et de prolonger la durée de conservation des produits ce qui permet un élargissement des échanges. II. Importance du froid : Qualité et sécurité des produits réfrigérés : La majorité des produits alimentaires consommés passent, avant leur commercialisation, par une étape de réfrigération, voire une surgélation. La production de produits frais et de plats préparés réfrigérés se développe en réponse à une demande des consommateurs en produits combinant plusieurs caractéristiques : facilité d’utilisation, image de fraîcheur et d’effet favorable à la santé, qualités gustatives. En général, les aliments sont périssables, c’est pourquoi ils nécessitent certains conditions de traitement, de conservation et manipulation. La principale cause de détérioration est l’attaque par différents types de micro-organismes (bactéries, levures et moisissures). Ceci tient implications économiques évidentes, tant pour les fabricants (détérioration de matières premières et produits élaborés avant de leur commercialisation, perte de l’image de marché, ect…) comme pour distributeurs et consommateurs (détérioration de produits après leurs acquisition et avant leur consommation). On calcule que plus de 20% de tous les aliments produits dans le monde sont perdu par action des microorganismes. II. IMPORTANCE DU FROID : PAR AILLEURS, LES ALIMENTS MODIFIÉS PEUVENT ÊTRE TRÈS NOCIFS POUR LA SANTÉ DES CONSOMMATEURS. LA TOXINE BOTULIQUE, PRODUITE PAR UNE BACTÉRIE, CLOSTRIDIUM BOTULINUM DANS DES CONSERVES MAL STÉRILISÉES, SAUCISSES ET AUTRES PRODUITS, EST L'UNE DES SUBSTANCES LES PLUS TOXIQUES CONNUES (DES MILLIERS DE FOIS PLUS TOXIQUE QUE LE CYANURE). D'AUTRES SUBSTANCES PRODUITES PAR LA CROISSANCE DE CERTAINES MOISISSURES SONT DE PUISSANTS CANCÉRIGÈNES. IL YA DONC DES RAISONS IMPÉRIEUSES POUR EMPÊCHER TOUTE MANIPULATION DES ALIMENTS. UNE DES MÉTHODES PHYSIQUES, LA CONGÉLATION, PEUT ÊTRE ASSOCIÉE À PROVOQUER LA MORT DES MICRO-ORGANISMES OU TOUT AU MOINS EMPÊCHER LEUR CROISSANCE. En industrie agroalimentaire (lait, fromage…) le froid permet d’améliorer leur qualité en favorisant la maîtrise des conditions de fabrication par une optimisation des paramètres climatiques influençant le comportement des microorganismes. Le froid permet aussi l’augmentation du volume de production agricole par la modification du cycle végétatif des plantes améliorant ainsi leur rendement (printanisation des céréales…). Pendant les mois de repos les germinations, sous l'action du froid, subissent une série de transformations internes qui les rend aptes à monter en fleur au printemps suivant. Sans cette action, le blé d'hiver donnerait très peu ou pas d'épis. II. IMPORTANCE DU FROID : EN PRODUCTION ANIMALE: LE FROID PERMET LA CONSERVATION LONGUE DURÉE DU SPERME DESTINÉ À L’INSÉMINATION ARTIFICIELLE OU ENCORE LA CONSERVATION DES SÉRUMS ET DES VACCINS DESTINÉS À ENRAYER LES ÉPIDÉMIES FRAPPANT LES ANIMAUX. III.LA MACHINE FRIGORIFIQUE MF : A. Définition: La production de froid pour les besoins domestiques, commerciaux et industriels nécessitent l’utilisation d’un dispositif capable d’extraire de la chaleur dans le milieu à refroidir pour la rejeter dans un milieu dit extérieur, ce dispositif qui obéit nécessairement au second principe de la thermodynamique est appelé « machine frigorifique ». La conception, la réalisation et l’exploitation et/ou le suivi d’une telle machine nécessitent de bonnes connaissances en thermodynamique, en MdF, en transfert thermique et en électrotechnique. LE FROID PEUT ÊTRE PRODUITE DIRECTEMENT OU INDIRECTEMENT. ON PARLE DE REFROIDISSEMENT DIRECT LORSQUE LA SUBSTANCE À REFROIDIR (PAR EXEMPLE L’AIR) EST EN CONTACT AVEC LE FLUIDE CIRCULANT EN CIRCUIT FERMÉ DANS LA MACHINE (PAR L’INTERMÉDIAIRE DE L’ÉCHANGEUR). LE REFROIDISSEMENT EST DIT INDIRECT LORSQU’ON UTILISE UN FLUIDE INTERMÉDIAIRE (PAR EXEMPLE L’EAU) ENTRE LA SUBSISTANCE À REFROIDIR (L’AIR) ET LE FLUIDE CIRCULANT EN CIRCUIT FERMÉ DANS LA MACHINE. LE FLUIDE INTERMÉDIAIRE EST APPELÉ FLUIDE FRIGOPORTEUR. ON DISTINGUE PLUSIEURS SORTES FRIGORIFIQUES : • - MACHINES À COMPRESSION ; • - MACHINES À ÉJECTION ; • - MACHINES À ABSORPTION ; • - MACHINES À ADSORPTION ; • - MACHINES À RÉACTION CHIMIQUE. DE MACHINES III.LA MACHINE FRIGORIFIQUE MF : B. Un peu d’histoire : Les premières tentatives : William Cullen & Tiberius Cavallo William Cullen fût un chimiste de l’université de Glasgow, qui travaillait sur les processus d’évaporation. En 1748, il avait évaporé de l’éther éthylique en vide et en 1755 il avait refroidi de l’eau en réalisant du vide sur elle. Ceci fût la première tentative d’un système de réfrigération (réfrigération d’air par évaporation de liquides en vide). En 1977, Gérald Naime ajouta l’acide sulfurique pour accélérer le processus. Les précurseurs : Oliver Evans Oliver Evans fût le premier à proposer l’utilisation de cycles fermés en réfrigération dans un traité apprécié en Filadelfia (the Young Steam Engineer’s Guide) en 1805, dans lequel il décrivait un cycle de réfrigération par compression et évaporation d’éther éthylique. la réfrigération thermo-électrique : En 1834, le physicien français Jean-Charles-Athanase PELTIER démontre qu'un courant parcourant deux métaux différents soudés ensemble génère pour l'un des métaux une élévation de température, pour l'autre une baisse de température et cela en dépendance du sens de circulation du courant. III.LA MACHINE FRIGORIFIQUE MF : Module Réfrigérateur Peltier L'effet PELTIER est utilisé dans la réfrigération miniaturisée de faible puissance, en astronautique et en électronique pour le refroidissement des composants de puissance. Le rendement du réfrigérateur thermoélectrique est inférieur à celui des réfrigérateurs à compression, mais il à une longue durée de vie, une grande fiabilité avec une grande précision, un encombrement minimum et est totalement silencieux. III.LA MACHINE FRIGORIFIQUE MF : Congélation de l’eau : 1823 Mathématicien et physicien, John LESLIE avait développé une méthode pour obtenir de la glace artificielle. En 1823, il construirait un appareil capable de produire la congélation de l’eau par évaporation d’un liquide. L’ammoniac : Michael FARADAY, scientifique et inventeur, découvrait qu’en comprimant et dilatant l’ammoniac, on pourrait refroidir l’air quand l’ammoniac liquide s’évapore. III.LA MACHINE FRIGORIFIQUE MF : Ressources : production du glace artificiel Richard TREVITHICK publia en 1828 un essai sur la production de la glace artificielle. Première machine de compression simple : Jacob PERKINS 1834 À partir des travaux de Evans et Trevithick, un compresseur fût être fabriqué : ceci conduisait à l’obtention de la première patente d’une machine à compression simple élaborée par Perkins. Dans sa description, il parla d’une machine comme "un appareil ou milieu à partir desquels je suis capable d’utiliser des fluides volatiles avec le but de produire le froid ou la congélation des liquides, et en même temps, condenser constamment ce fluide volatil pour l’utiliser encore d’autres fois, sans pertes". Les fluides réfrigérants utilisés étaient l’éther sulfurique et l’éther méthylique. III.LA MACHINE FRIGORIFIQUE MF : Ligne de temps 1858 Ferdinand Carré développa un réfrigérateur mécanique fonctionnant avec l’ammoniac. Il produisait des bloques de glace. 1875 Raoul Pictet utilisa le dioxyde de Sulfure comme réfrigérant. 1842 John Gorrie utilisa de l’ammoniac évaporé pour produire du froid. 1800 Michael Faraday découvert que certains gaz sous pression constante se condensent lorsqu’ils se refroidissent. 1823 1850 L. W. Wright produisait de la glace par expansion de l’air comprimé. Jacob Perkins développa un système de réfrigération fermé en utilisant l’expansion et la compression d’un liquide pour produire du froid. David Perkins développa un système de réfrigération fermé en se basant sur l’expansion et la compression de l’éther. 1834 III.LA MACHINE FRIGORIFIQUE MF : 1881 Gustavus Swift développa des wagons réfrigérés (chemin de fer) 1894 Machine frigorifique Audiffren-Singrün. Système hermétiquement enfermé. 1918 Introduction de l’Unité de réfrigération Kelvinator 1900 Michael Cudahy améliora la réfrigération autorail. 1890 Wilis Carrier concevait le contrôle de l’humidité pour un nouveau système de climatisation et poigna la climatisation moderne. Wilis Carrier est également à l’origine de l’équation de Carrier sur laquelle la charte psychométrique et toute la climatisation sont basées. 1902 III.LA MACHINE FRIGORIFIQUE MF : 1919 La company Guardian Refrigerator développa un réfrigerateur qui est appelé "the Guardian". General Motors acheta Guardian en 1918 et le nom avait changé au Frigidaire. 1928 Crosley Icy Ball – une machine frigorifique à absorption fournissait du froid dans des aires rurales sans électricité. 1910 1923 Compresseur Nizer eau-refroidi et condenseur pour les cabinets de crème glacé. Nizer produisait la première unité de crème glacé pour le marché. Nizer bientôt fusionna avec Kelvinator. 1926 Unité de crème glacé Savage Arms introduite. Elle comprenait un compresseur à colonne unique de mercure sans joints, pistons ou lubrification. III.LA MACHINE FRIGORIFIQUE MF : 1929 Nombre de réfrigérateurs ménagers vendus dépasse 800000. 1930 1931 Le réfrigérant R-12 a été développé par Thomas Midgley et C. F. Kettering. 1929 Premier compresseur semihermétique réussi (Copelametic) introduit par la compagnie Copeland. Les ventes ont commencé en 1939. 1974 Les professeurs Rowland et Molina présentaient la "théorie d’ozone" : les CFCs détruisent la couche d’ozone. 1970 1935 - 65 Un nombre de Chlorofluocarbons (CFCs) ont été développés durant cette période. 1- Les fluides utilisés doivent avoir un « potentiel d’épuisement de la couche d’ozone » nul (accomplissent le protocole de Montréal). 2- Ces fluides doivent offrir zéro « possibilités d’échauffement de l’atmosphère » (accomplissent le protocole de Kyoto). III.LA MACHINE FRIGORIFIQUE MF : C. Généralités : Enoncé de Clausius du second principe de la thermodynamique « La chaleur ne peut passer spontanément d'un corps froid vers un corps chaud » Le transfert de chaleur effectué, dans le sens antinaturel (d'un milieu froid vers un milieu chaud) nécessite, d'une part, d’imaginer et mettre en œuvre un système thermique particulier, et, d'autre part, de fournir, de l'énergie au système. Lorsqu’on désire l'extraction de chaleur à un corps, ou à un milieu, pour le refroidir ou le maintenir à une température inférieure à celle ambiante (produire du froid), le système thermodynamique réalisant cette opération prend le nom de machine frigorifique. L'effet utile est la chaleur extraite (ou le froid produit) à la source froide. III.LA MACHINE FRIGORIFIQUE MF : Pour alimenter le système thermodynamique, on utilise alors: Soit une énergie mécanique, ou équivalente; le système comporte alors au minimum une source froide et un puits chaud; il est dit, au moins, ditherme; Soit une énergie thermique, le système comporte alors au moins une source thermique supplémentaire, la « source de chaleur motrice ». Le système en question est alors, au moins, tritherme. III.LA MACHINE FRIGORIFIQUE MF : Pour transférer de la chaleur d’un milieu à basse température vers un autre à température plus élevée, il faut mettre en œuvre : Un phénomène endothermique, s'effectuant à la température TF de la source froide pour extraire de la chaleur au milieu extérieur froid ; Un processus thermodynamique, pour élever le niveau thermique de cette chaleur de TF à Tc; Un phénomène exothermique, s'effectuant à la température Tc du puits chaud pour rejeter la chaleur vers le milieu extérieur chaud. III.LA MACHINE FRIGORIFIQUE MF : Le milieu, qui dans le système frigorifique est le siège de ces phénomènes, est dénommé fluide frigorigène ou réfrigérant. Dans le système, le fluide frigorigène peut subir une transformation qui le laisse dans un état final différent de l'état initial (transformation ouverte) ou bien une série de transformations qui le ramène périodiquement dans le même état. Il a alors parcouru un cycle frigorifique. Le changement d'état liquide-vapeur est le phénomène majeur sur lequel on s 'appuie pour produire du froid. On peut le mettre en œuvre dans des systèmes soit ouverts, soit fermés. III.LA MACHINE FRIGORIFIQUE MF : Système ouvert: Après utilisation de l'effet thermique recherché, le fluide actif n'est pas récupéré mais rejeté dans le milieu extérieur. Pour qu'il en soit ainsi, il faut évidemment que le frigorigène rejeté soit sans action sur l'environnement (azote, eau, etc.) et, en outre, peu coûteux. Système fermé: Le fluide frigorigène évolue dans un système clos qui doit être aussi parfaitement étanche vis-à-vis de l'extérieur que possible (confinement du fluide frigorigène). Ce circuit comporte nécessairement: - un évaporateur placé dans le milieu à refroidir. - un condenseur refroidi par un fluide extérieur, air ou eau. L'énergie mécanique W est fournie à ce système pour permettre l'évolution cyclique du réfrigérant. III.LA MACHINE FRIGORIFIQUE MF : Dans l'évaporateur et le condenseur d'un circuit frigorifique, les phases liquide et vapeur du fluide frigorigène coexistent. La variance du système, donnée par la loi de Gibbs, donne : v=c+2-φ avec c, le nombre de constituants du système et φ, le nombre de phases séparées. nous avons pour ce système: c = 1 et φ = 2 v =1. Pour le fluide frigorigène, corps pur sous ces deux phases, la pression et la température sont liées . Nous ne pouvons agir à notre gré que sur l'un de ces paramètres, l'autre étant alors fixé par la relation de pression de vapeur. III.LA MACHINE FRIGORIFIQUE MF : D. Les différents types de machines frigorifiques : Machines frigorifique à compression Les vapeurs issues de l'évaporateur sont aspirées par un compresseur mécanique. En raison de leur simplicité ces machines sont les plus répandues. Consommant exclusivement de l'énergie mécanique, elles entrent dans la catégorie .des systèmes au moins dithermes. III.LA MACHINE FRIGORIFIQUE MF : D. Les différents types de machines frigorifiques : Machines frigorifique à éjection Les vapeurs du cycle frigorifique sont aspirées mécaniquement par un éjecteur. Celui-ci fonctionne grâce à l'énergie cinétique de la vapeur motrice qui, par l'injecteur I, pénètre dans la partie convergente, II, de l'éjecteur. La compression du mélange (vapeurs motrice + fluide frigorigène) s'effectue dans la partie divergente, III, de l'éjecteur où l'énergie cinétique du flux de vapeur se transforme en énergie de pression . Ce type de système consomme l'énergie thermique, il fait partie des systèmes au moins trithermes. On les rencontre rarement. III.LA MACHINE FRIGORIFIQUE MF : D. Les différents types de machines frigorifiques : Machines frigorifique à absorption (moyennement rencontré) III.LA MACHINE FRIGORIFIQUE MF : D. Les différents types de machines frigorifiques : Machines frigorifique à adsorption (en prototypes) III.LA MACHINE FRIGORIFIQUE MF : D. Les différents types de machines frigorifiques : Machines frigorifique à compression Dans Le fluide le condenseur, frigorigènela sevapeur vaporise estacondensée la température a la pression T0 et à Le liquide est détendu de la La vapeur est compressée et refoulée la Pklaetpression la température P0 en prélevant Tk constantes, la quantité en rejetant de chaleur la chaleur q0m ouqkm pression P a la pression P . pression Pk. k 0 ou Q0Qselon selon les les unités. unités. k III.LA MACHINE FRIGORIFIQUE MF : C. Les différents types de machines frigorifiques : Machines à compression mécanique étagée Ces systèmes se présentent comme des solutions lorsque la température du milieu a refroidir devient très basse, la pression d‘évaporation est faible (un rendement énergétique faible, une température en fin de compression élevée...) IV. ETUDE THERMODYNAMIQUE DES SYSTÈMES DE RÉFRIGÉRATION: 1. Systèmes de réfrigération par compression : La réfrigération à compression tient pour but de passer l'énergie thermique, à partir d'un fluide, dans un circuit fermé en créant des zones de haute et de basse pression, de sorte que le liquide absorbe la chaleur dans une place et la dissipe dans une autre. La plus simple de ces systèmes est la réfrigération par compression mécanique en un seul étage (simple). un cycle frigorifique simple comprend quatre processus fondamentaux: 1. La régulation ; 2. L’évaporation ; 3. La compression ; 4. La condensation. IV. ETUDE THERMODYNAMIQUE DES SYSTÈMES DE RÉFRIGÉRATION: 1. La régulation : Le cycle de régulation se produit entre le condenseur et l'évaporateur, en effet, le réfrigérant liquide entre dans le condenseur à haute pression et haute température, et se dirige vers l'évaporateur à travers le régulateur. 2. L’évaporation : Dans l'évaporateur, le liquide se vaporise à pression et température constantes grâce à la chaleur latente fournie par le fluide frigorigène qui creuse l'espace de l'évaporateur. Tous le réfrigérant s’évapore complètement dans l'évaporateur, et il est réchauffé à la sortie de l'évaporateur. IV. ETUDE THERMODYNAMIQUE DES SYSTÈMES DE RÉFRIGÉRATION: 3. La compression : Par l'action du compresseur, la vapeur résultant de l'évaporation est aspirée de la ligne d'aspiration jusqu’à l'entrée du compresseur. Dans ce dernier, la pression et la température de la vapeur augmente considérablement grâce à la compression, puis, la vapeur à haute température et à haute pression est retournée par la ligne de refoulement. 4. La condensation : La vapeur franchisa la ligne de refoulement jusqu’à le condenseur où elle libère de la chaleur dans l'air extérieur. Une fois que la vapeur aura débarrassée de sa chaleur supplémentaire, sa température est diminuée à sa nouvelle température de saturation qui correspondant à sa nouvelle pression. Le liquide refroidi atteint le régulateur et est prêt pour un nouveau cycle. IV. ETUDE THERMODYNAMIQUE DES SYSTÈMES DE RÉFRIGÉRATION: Dans ce système, on utilise un compresseur mécanique pour augmenter la pression d'un fluide gazeux spécial qui fonctionne comme réfrigérant, confiné à un système fermé hermétiquement. Le fluide comprimé est distribué à travers une conduite serpentine appelée condenseur, équipé des ailettes où il se refroidit et se condense sous forme liquide pour rester en dessous de sa température de condensation selon le diagramme de phase pour ces conditions de pression et de température. IV. ETUDE THERMODYNAMIQUE DES SYSTÈMES DE RÉFRIGÉRATION: Une résistance élevée à l'écoulement à la sortie du condenseur représenté par le tube capillaire, freine la libre circulation à travers le système pour permettre au compresseur d’augmente la pression suffisamment, de sorte qu'il dépasse la pression nécessaire pour condenser le fluide frigorigène, à température proche de la température ambiante. Le réfrigérant condensé circule comme liquide à travers le tube capillaire et se verse à une autre conduite aussi tortueux, de grand diamètre que le tube capillaire, et à très basse pression à l'intérieur en raison de l'aspiration du compresseur, connu sous le nom de l'évaporateur. Compte tenu de ces nouvelles conditions, le réfrigérant s'évapore rapidement, il se refroidit de façon spectaculaire, à son tour de refroidissement de l'évaporateur. IV. ETUDE THERMODYNAMIQUE DES SYSTÈMES DE RÉFRIGÉRATION: Les vapeurs produites dans l'évaporateur, sont aspirés par le compresseur et le cycle recommence et il est maintenu en continu pour atteindre des températures très basses sur le côté de l'évaporateur. Comme les fluides frigorigènes sont couramment utilisés, l'ammoniac, les fréons (12 et 24), certains mélanges d'hydrocarbures et de mélanges d'hydrocarbures des fréons. Fréons sont des mélanges complexes de fluor et du chlore. Le refroidissement se fait dans une chambre ou la température ambiante descend en dessous de la température de l'environnement, et ensuite rester à cette basse température. IV. ETUDE THERMODYNAMIQUE DES SYSTÈMES DE RÉFRIGÉRATION: 2. Systèmes de réfrigération par absorption : C’est une méthode alternative de réfrigération ; Cette méthode est généralement utilisée uniquement lorsqu'il ya une source de chaleur résiduelle ou moins chère : Cette méthode est presque réservée universellement pour les grandes installations commerciales. Son utilisation est basée sur le fait que certaines substances connues comme absorbeurs, tiennent une grande avidité pour absorber des vapeurs d’autres, connus comme réfrigérants, générant une diminution de pression suffisante pour l'évaporation du réfrigérant et produire le refroidissement. IV. ETUDE THERMODYNAMIQUE DES SYSTÈMES DE RÉFRIGÉRATION: Dans la pratique, les systèmes les plus couramment utilisés: L'eau-ammoniac (H2O/NH3), où l'eau est l’absorbeur et l'ammoniac est le réfrigérant. Le bromure de lithium-eau (LiBr/H20), où le bromure de lithium est l'absorbeur et l'eau est le réfrigérant. IV. ETUDE THERMODYNAMIQUE DES SYSTÈMES DE RÉFRIGÉRATION: Sur le schéma, on peut identifier les trois composantes de base IV. ETUDE THERMODYNAMIQUE DES SYSTÈMES DE RÉFRIGÉRATION: Supposons que pour ce système l’absorbeur est l’eau (H20) et le réfrigérant est l’ammoniaque (NH3). L'eau quasi-pure provenant du générateur est injecté sous forme de goutes fines dans la chambre de l'évaporateur ; Cette eau absorbe avec une grande avidité les vapeurs d'ammoniaque qui sont dans l'évaporateur la pression est réduite. IV. ETUDE THERMODYNAMIQUE DES SYSTÈMES DE RÉFRIGÉRATION: Un vide se génère ; Dans la côté l'évaporateur où gauche le de fluide frigorigène est injecté se produit l’évaporation de ce dernier avec un refroidissement en conséquence. Une canalisation qui achemine l'eau placée dans la zone fournit l'eau glacée pour l’utiliser comme une glacière externe pour multiples utilisations. IV. ETUDE THERMODYNAMIQUE DES SYSTÈMES DE RÉFRIGÉRATION: L'eau et l'ammoniaque dissous s'accumule dans le fond l'évaporateur ; Le mélange est ensuite pompé vers le générateur. de IV. ETUDE THERMODYNAMIQUE DES SYSTÈMES DE RÉFRIGÉRATION: Du chauffage externe fournit suffisamment de chaleur pour le mélange affin de produire une sorte de distillation de l'eau pour séparer l’ammoniac sous forme de vapeurs, régénérant ainsi de nouveau de l'eau quasi-pure pour être réutilisée dans le processus. Les vapeurs d'ammoniac généré dans le générateur sont conduites vers le condenseur, où elles entrent en contact avec un élément froid présenté par la conduite serpentin et se condensent de nouveau en liquide pour être réinjecté dans l'évaporateur. III.LA MACHINE FRIGORIFIQUE MF : La conduite tortueuse représentée sur le côté droit dans laquelle circule de l’eau fraîche servant à refroidir l'absorbeur du générateur qui a été chauffé pour la séparation de l'ammoniac. On note que le processus s’effectue en continu dans un cycle fermé sans pertes d’absorbât ou du réfrigérant. Dans ces systèmes, l'énergie fournie est, d'abord, une énergie thermique. Le réfrigérant n’est pas comprimé mécaniquement, mais absorbé par un solvant liquide dans un procédé exothermique et transféré à un niveau élevé de pression à l’aide d’une pompe simple. III.LA MACHINE FRIGORIFIQUE MF : L'énergie nécessaire pour augmenter la pression d'un liquide à travers une pompe est négligeable par rapport à l'énergie nécessaire pour comprimer un gaz dans un compresseur. À une pression plus élevée, le liquide réfrigérant est évaporé désorbé du liquide solvant par un processus endothermique, ou par la chaleur. De ce point, le processus de refroidissement est équivalent à un système de réfrigération par compression. Par conséquent, le système d'absorption et de désorption est aussi appelé «compresseur thermique". III.LA MACHINE FRIGORIFIQUE MF : Ce système de réfrigération, comme dans la compression, tire profit que certaines substances absorbent de la chaleur lors du changement de phase liquide-gaz. Les cycles d'absorption sont basés physiquement sur la capacité d'absorber de la chaleur que tiennent certaines substances, comme l'eau et des sels tels que le bromure de lithium, en se dissolvant, dans la phase liquide, la vapeur d'autres substances telles que l'ammoniac et l'eau, respectivement. III.LA MACHINE FRIGORIFIQUE MF : Plus spécifiquement, le réfrigérant s'évapore dans un échangeur de chaleur appelé "évaporateur", ce qui refroidit un fluide secondaire pour récupérer alors la vapeur produite par la dissolution d'une solution de sel ou de l'incorporer dans une masse liquide. Le reste des composants et des échangeurs de chaleur qui composent une unité de réfrigération par absorption, sont utilisés pour le transport de la vapeur absorbée et de régénérer le liquide correspondant pour que l'évaporation se produit d’une manière continue. III.LA MACHINE FRIGORIFIQUE MF : 3. Cycle de compression mécanique en simple étape, processus : À l’intérieur d’une machine frigorifique de compression simple, le réfrigérant réalise un cycle qui peut être représenté dans le diagramme de Mollier par quatre lignes : P h III.LA MACHINE FRIGORIFIQUE MF : Liquide saturé dans le condenseur , proche de la fin de ce dernier Vapeur saturée dans les premiers rangs du condenseur P Liquide sousrefroidi à la sortie du condenseur Désurchauffe de la vapeur à la sortie du compresseur Vapeur surchauffée à l’entrée du compresseur h Un mélange de liquide et de vapeur à l'entrée de l'évaporateur Vapeur saturée, normalement dans les derniers rangs de l’évaporateur III.LA MACHINE FRIGORIFIQUE MF : Les processus qui tiennent lieu dans les éléments de la machine frigorifique se représentent comme des lignes, qui correspondent à : A C : Evaporateur (ébullition et surchauffe) ; C D: Compresseur (compression) ; DG: Condenseur (désurchauffe, condensation et sousrefroidissement); GA: Dispositif d’expansion. III.LA MACHINE FRIGORIFIQUE MF : L’évaporateur: P G pevp F A ha D E B C hc h Les transformations qui se déroulent dans l'évaporateur sont présentés dans le diagramme par la ligne A→C, qui est une ligne horizontale et donc la pression est constante (isobare). III.LA MACHINE FRIGORIFIQUE MF : Au point A arrive à l’évaporateur un mélange de réfrigérant liquide et de réfrigérant vapeur à partir du dispositif d'expansion. Ce mélange se trouve à basse température et à basse pression. Le processus de A → B représente l’ébullition du réfrigérant liquide, le long de ce tronçon le liquide se vaporise, gagnant de la chaleur latente à partir de la chambre que nous désirons refroidir. Durant ce processus, la température et la pression restent théoriquement constantes. III.LA MACHINE FRIGORIFIQUE MF : En arrivant au point B, le liquide réfrigérant s’épuise et tous le réfrigérant se trouve à l’état vapeur. Bien que la vapeur est à basse température, sa faible capacité pour absorber la chaleur (petite chaleur spécifique) rend son utilisation pour refroidissement du produit n'est plus intéressante. Le processus B → C prend le nom de surchauffe, consiste à céder un peu de chaleur à la vapeur du réfrigérant pour l’éloigner de la ligne de saturation. III.LA MACHINE FRIGORIFIQUE MF : Cette chaleur provient généralement de la chambre et s’encourage son transfert dans les dernières rangs de l'évaporateur. Le but de cette surchauffe est de s'assurer que le réfrigérant liquide ne puisse pénétrer dans le compresseur qui pourrait l'endommager, car il n'est pas comprimé. Le phénomène de l'entrée de liquide dans le compresseur est appelé coup du liquide. Pendant le surchauffe du réfrigérant sa température augmente (entre 3 et 8 °C), la pression reste constante. Il est nécessaire de prendre en compte qu'il y systèmes de réfrigération qui fonctionnent sans surchauffe. a des III.LA MACHINE FRIGORIFIQUE MF : Les principales paramètres obtenus à partir du diagramme : Production frigorifique spécifique : c’est le froid produit par un kilogramme du réfrigérant, se calcule comme la différence d’enthalpies entre l’entrée et la sortie de l’évaporateur: q0 : production frigorifique spécifique (kcal/Kg) hC : enthalpie au point C (kcal/Kg) hA : enthalpie au point A (kcal/Kg) Production frigorifique : c’est le froid produit par la machine, il est obtenu en multipliant la production frigorifique spécifique par le débit massique du réfrigérant. . Q : production frigorifique (kcal/h) . 0 m : débit massique du réfrigérant (kg/h) III.LA MACHINE FRIGORIFIQUE MF : Le compresseur : P pcond pevp G F A D E B C hc hd h Elle est représentée sur le diagramme par le segment CD. Cette transformation tient lieu, théoriquement, le long d’une ligne appelée isentropique, qui considère le comportement du compresseur comme idéal, résultant une bonne approximation. III.LA MACHINE FRIGORIFIQUE MF : Pendant la compression, la pression du réfrigérant augmente. Par conséquent, sa température augmente, qui peut devenir de l’ordre de 90 °C à la sortie du compresseur. A partir du diagramme, nous pouvons obtenir la puissance théorique du compresseur, qui devrait après être corrigée avec les rendements du compresseur, du moteur et de la transmission. Travail isentropique de compression : c’est le travail réalisé par le compresseur pour comprimer un kilogramme du réfrigérant : w : travail isentropique de compression (kcal/Kg) hD : enthalpie au point D (kcal/Kg) hC : enthalpie au point C (kcal/Kg) III.LA MACHINE FRIGORIFIQUE MF : Puissance isentropique de compression : c’est la puissance consommée par le compresseur à la compression de forme idéal le débit massique du réfrigérant, il est calculée comme le produit du débit massique par le travail isentropique de compression : . W : puissance isentropique de compression (kcal/h) . m : débit massique du réfrigérant (kg/h) Le condenseur : Les transformations qui tiennent lieu dans le condenseur sont représentées sur le diagramme par la ligne D → G, et se produisent le long d'une ligne de pression constante (isobare). III.LA MACHINE FRIGORIFIQUE MF : P pcond pevp F G A hg B hf D E C he hd h Au point D, le réfrigérant est reçu du compresseur sous forme de vapeur surchauffée, à haute pression et à haute température. Dans le premier tronçon du condenseur (D → E), la vapeur se désurchauffe, en cédant de la chaleur sensible au milieu condensant, perdant la température, mais en restant dans l'état de vapeur. III.LA MACHINE FRIGORIFIQUE MF : Au point E, le point de rosée du réfrigérant est atteint à la pression de condensation. A partir de ce moment, la vapeur réfrigérante cède la chaleur latente au milieu condensant, se condense (E → F) et devient liquide. À mesure que nous entrons dans le condenseur la proportion de liquide augmente et celle de vapeur diminue. Il est important de noter que lors de la condensation des fluides purs, la température reste constante. III.LA MACHINE FRIGORIFIQUE MF : Au point F le processus de condensation se termine, puisque tous le réfrigérant est passé à l’état liquide. Il arrive que, à ce point, le liquide réfrigérant soit encore plus chaud que le milieu de condensation, c’est pourquoi on peut toujours refroidir encore plus. Le processus de F → G est appelé sous-refroidissement, le long de ceci, le réfrigérant perd la température (entre 5 et 10 °C) en cédant la chaleur sensible au milieu de condensation. Le sous-refroidissement est positif, pour améliorer la production frigorifique spécifique et augmenter la proportion de liquide à la sortie du dispositif d'expansion. III.LA MACHINE FRIGORIFIQUE MF : A partir du diagramme, nous pouvons obtenir la chaleur spécifique de condensation et la puissance nécessaire dans le condenseur : Chaleur spécifique de condensation : c’est la chaleur qui est nécessaire à être extraire pour désurchauffer, condenser et sousrefroidi un kilogramme du réfrigérant : hD : enthalpie au point D (kcal/Kg) hG : enthalpie au point G (kcal/Kg) Cette chaleur spécifique est la somme de chaleur sensible (celle cédée durant le désurchauffe et le sous-refroidissement) et la chaleur latente (cédée durant la condensation proprement dite) : III.LA MACHINE FRIGORIFIQUE MF : Chaleur sensible de condensation : Chaleur latente de condensation : hi : enthalpie au point i (kcal/Kg) Puissance nécessaire dans le condenseur: c’est la puissance à absorber par le milieu condensant : . Qc : puissance nécessaire dans le condenseur (kcal/h) . m : débit massique du réfrigérant (kg/h) III.LA MACHINE FRIGORIFIQUE MF : Dispositif d’expansion : Dans ce dispositif, le réfrigérant passe de la pression du condenseur jusqu’à la pression de l’évaporateur, à travers un processus qui s’appelle laminage isenthalpique, représenté dans le diagramme de Mollier comme un segment de la ligne verticale (G A). P pcond pevp G F A hg= ha D E B C h III.LA MACHINE FRIGORIFIQUE MF : Le laminage isenthalpique consiste à faire passer le fluide frigorigène par un «accident» causant une perte de pression, comme l'orifice étroit d'une vanne ou un long tube de très petit diamètre comme le tube capillaire. Durant ce processus, l'enthalpie du fluide reste constante, et la pression et la température du fluide diminuent à la suite de la formation d'une petite fraction de vapeur de réfrigérant. III.LA MACHINE FRIGORIFIQUE MF : III.LA MACHINE FRIGORIFIQUE MF : III.LA MACHINE FRIGORIFIQUE MF : Eléments fondamentaux : a. b. c. d. Compresseur Condenseur Évaporateur Valve d’expansion ou de laminage Pressostats : a. b. c. De haute De basse Différentiel Thermostats : Haute : a. b. c. d. e. f. Séparateur de huile Récipient du réfrigérant liquide Déshydrateur Voyant liquide Filtre Purgeur Basse : Eléments complémentaires : a. b. c. d. Échangeur de chaleur Vanne de rétention Séparateur de liquide Bombes de fluide a. b. c. De lamine bimétallique De sonde Électriques Manomètres : a. b. De haute De basse Valves : a. b. Solénoïdes Rétention III.LA MACHINE FRIGORIFIQUE MF : Il met en route la circulation du fluide (pompe aspirante et refoulante) ; Il comprime le gaz (1-2) de la pression peva à pcon pour le fluide frigorigène absorbant un travail W ; On distingue entre compresseurs frigorifiques ouverts, semi-hermétiques et hermétiques. III.LA MACHINE FRIGORIFIQUE MF : Volumétrique ou à déplacement positif a. b. c. Actionné par vilebrequin Actionné par rotor À membrane. a. b. c. d. e. f. À palettes. Exocentrique. À vis. À lobes. Spiro-orbital (Scroll) Wankel Cinétiques ou centrifuges III.LA MACHINE FRIGORIFIQUE MF : III.LA MACHINE FRIGORIFIQUE MF : Motor III.LA MACHINE FRIGORIFIQUE MF : III.LA MACHINE FRIGORIFIQUE MF : Compresseur à vis avec 4 rotors III.LA MACHINE FRIGORIFIQUE MF : III.LA MACHINE FRIGORIFIQUE MF : Il existe plusieurs types de condenseurs. Il a pour but de condenser le réfrigérant. Ce dernier sortant du compresseur en phase vapeur, sous haute pression et à haute température, lorsqu'il traverse le condenseur, il évacue des calories, reste à la même pression et se condense. Lorsqu’il quitte le condenseur, il est en phase liquide. Afin d’obtenir la meilleure transmission thermique possible, le condenseur comprend des tubes et des lamelles solidement fixés entre eux. La ventilation est obtenue par le biais de ventilateurs ou le courant d’air engendré par le déplacement. III.LA MACHINE FRIGORIFIQUE MF : Condenseurs sans surrefroidisseur Condenseur avec surrefroidisseur Ventilateurs III.LA MACHINE FRIGORIFIQUE MF : III.LA MACHINE FRIGORIFIQUE MF : III.LA MACHINE FRIGORIFIQUE MF : III.LA MACHINE FRIGORIFIQUE MF : Permet la séparation de la vapeur restante du fluide frigorigène par sur-refroidissement de ce dernier de quelques degrés Kelvin. Cette vapeur retenue dans le liquide du fluide frigorigène en amont de l’organe de détente cause une forte diminution de la puissance frigorifique de l’installation. Permet de surmonter les effets négatifs du côté haute pression si le fluide frigorigène situé dans l’évaporateur (non nécessaire momentanément) devrait être stocké. III.LA MACHINE FRIGORIFIQUE MF : Il servit de réservoir de stockage en cas de fuite. III.LA MACHINE FRIGORIFIQUE MF : Le filtre déshydrateur dans le circuit du fluide frigorigène permet : La fixation de l’eau contenu dans le fluide frigorigène ; Fixation des acides contenus dans le fluide frigorigène ; Filtration des poussières et autres corps étrangers. La taille du filtre déshydrateur est calculé en fonction de la puissance de l’installation frigorifique (quantité de remplissage du fluide frigorigène). Il peut, selon la construction, absorber 6-10 g d’eau. III.LA MACHINE FRIGORIFIQUE MF : III.LA MACHINE FRIGORIFIQUE MF : Il sert à contrôler optiquement l’état du fluide frigorigène. Il est donc directement monté avant l’organe de détente. Il est impossible de constater à travers ce voyant si le fluide frigorigène est complètement évacué (Le remplissage en fluide frigorigène est détecté par mesure de la pression). Il est le siège d’un bouillonnement si aucun sur- refroidissement n’est constaté à l’avant de la vanne de détente, c’est-à-dire si le fluide frigorigène renferme des bulles de vapeur. III.LA MACHINE FRIGORIFIQUE MF : Lorsque le fluide frigorigène est suffisamment sur-refroidi, l’opérateur - étant donné que le fluide frigorigène est incolore ne peut rien observer. III.LA MACHINE FRIGORIFIQUE MF : La plupart du temps, les verres de regard renferment des indicateurs d’humidité. La coloration de ces derniers permet de déceler si le taux d’humidité (teneur en eau) du fluide frigorigène est anormalement élevé. Chaque fabricant utilise des couleurs différentes. Si la couleur vire, le filtre déshydrateur est saturé d’eau et doit être remplacé. Il faudra utiliser des indicateurs spéciaux pour les différents fluides frigorigènes. III.LA MACHINE FRIGORIFIQUE MF : Évaporateurs à alimentation à air Évaporateur à alimentation liquide III.LA MACHINE FRIGORIFIQUE MF : III.LA MACHINE FRIGORIFIQUE MF : III.LA MACHINE FRIGORIFIQUE MF : III.LA MACHINE FRIGORIFIQUE MF : 4. Les fluides frigorigènes : Le fluide frigorigène permet les échanges de chaleur dans un système frigorifique par ses changements d’état que sont l’évaporation et la condensation. Il peut se définir comme une substance chimique dont la température d’évaporation à la pression atmosphérique est inférieure à la température ambiante, autrement dit le fluide frigorigène doit être liquide à cette ambiance. Par température ambiante, il faut comprendre l’ambiance ou le milieu a refroidir. III.LA MACHINE FRIGORIFIQUE MF : Températures d’ébullition de quelques fluides à la pression atmosphérique III.LA MACHINE FRIGORIFIQUE MF : Il est important pour un fluide frigorigène (réfrigérant) d’avoir une température d’évaporation peu élevée pour que le changement d’état (passage de la phase liquide à la phase vapeur) soit réalisable. Le changement d’état s’effectue à température et pression constantes (stabilisation de l’effet de réfrigérant à une température donnée) et c’est durant cette phase que la quantité de chaleur absorbée (ou rejetée) est la plus importante. III.LA MACHINE FRIGORIFIQUE MF : III.LA MACHINE FRIGORIFIQUE MF : Le fluide frigorigène étant un medium qui sert à évacuer de la chaleur possède des caractéristiques propres (physiques, thermodynamiques et chimiques). Il doit posséder les propriétés requises d’un bon fluide frigorigène que sont : - ne pas détruire la couche d’ozone ; - avoir un faible potentiel d’effet de serre ; - avoir une grande chaleur latente de vaporisation ; III.LA MACHINE FRIGORIFIQUE MF : -avoir un point d’ébullition sous la pression atmosphérique suffisamment bas compte tenu des conditions de fonctionnement désirées (de sorte que la température d’évaporation soit toujours à un niveau plus élevé que la température correspondant à la pression atmosphérique). - avoir une température critique élevée (de sorte que la température de condensation dans les conditions d’utilisation soient bien inférieure à cette température critique). III.LA MACHINE FRIGORIFIQUE MF : - avoir un faible rapport de compression, c’est à dire faible rapport entre les pressions de refoulement et d’aspiration ; - avoir un faible volume massique de la vapeur saturée rendant possible l’utilisation d’un compresseur et de tuyauteries de dimensions réduites ; - ne pas voir d’action sur le lubrifiant (huile) employé conjointement ; - être non toxique et sans effet sur la santé du personnel ; -… III.LA MACHINE FRIGORIFIQUE MF : - être non inflammable et non explosif en mélange avec l’air; - être non corrosif, pas d’action sur les métaux constituants le circuit, pas d’action sur les joints; - sans odeur ou n’ayant qu’une odeur non désagréable; - sans action sur les denrées à conserver; - être d’un coût peu élevé et d’un approvisionnement facile; - fuites faciles à détecter et à localiser par méthode visuelle III.LA MACHINE FRIGORIFIQUE MF : Courbe de saturation III.LA MACHINE FRIGORIFIQUE MF : Diagramme enthalpique du R22 III.LA MACHINE FRIGORIFIQUE MF : Isenthalpe Isotherme Isentrope Isotitre Isobare Isochore III.LA MACHINE FRIGORIFIQUE MF : Le diagramme est délimité en abscisse par l'échelle des enthalpies et en ordonnée par l'échelle des pressions. Les courbes de saturation se rejoignent au point critique et divisent le diagramme en trois partie : zone de liquide sous-refroidi ; zone de mélange liquide +vapeur ; zone de vapeur surchauffée. Ces trois zones correspondent aux différents états du fluide frigorigène dans un système frigorifique. Au dessus, du point critique un changement d'état n'est plus possible. III.LA MACHINE FRIGORIFIQUE MF : Diagramme de Mollier III.LA MACHINE FRIGORIFIQUE MF : La distinction entre « gaz » et « vapeur » est floue. On parlera de : « gaz » : s’il est improbable qu’il change de phase (l’air ambiant par exemple); « vapeur » : si la probabilité d’occurrence d’un changement de phase est réelle. Vapeur saturée : vapeur en équilibre avec du liquide. Liquide saturé : en équilibre avec sa vapeur. III.LA MACHINE FRIGORIFIQUE MF : Pression de saturation : pression à laquelle il y a équilibre entre phases pour une température donnée. Vapeur surchauffée : vapeur qui n’est pas en équilibre avec du liquide et ne peut donc contenir aucune trace de celui-ci. Liquide sous-refroidi : liquide qui n ’est pas en équilibre avec de la vapeur et ne peut donc contenir aucune trace de celle-ci. III.LA MACHINE FRIGORIFIQUE MF : D’après le premier principe de la thermodynamique, il y a conservation de l’énergie : La quantité de chaleur rejetée au condenseur (Q1) doit être égale à la chaleur extraite à l’évaporateur (Q2) + le travail (w) consommé pour faire tourner le compresseur. d’où l’équation : Q2 = Q1 + w cette équation traduit donc le bilan d’énergie de la machine frigo idéalisée. III.LA MACHINE FRIGORIFIQUE MF : Cycle idéal (Carnot) : Hypothèses : IRREVERSIBILITES MINIMALES Pas de résistances de transfert de matière ; Pas de pertes de pression ; Échange thermique réversible ; Échange thermique entre fluide frigorigène et fluides secondaires dans les échangeurs uniquement ; Compresseur parfait : adiabatique, réversible. III.LA MACHINE FRIGORIFIQUE MF : Cycle de Carnot : La machine idéale de Carnot (1796-1832), réversible et sans frottement a permis de comprendre la conversion de chaleur en travail. Le cycle de Carnot est un cycle réversible entre deux sources de chaleur, il est composé de deux isothermes et de deux isentropes. 1èr principe : 2d principe : III.LA MACHINE FRIGORIFIQUE MF : Le fonctionnement de ces systèmes peut être à travers le coefficient de performance (COP) de la pompe à chaleur ou du réfrigérateur, qui est analogue à l'efficacité thermique (ηth) du moteur thermique. N'importe laquelle de ces quantités définit "ce qui est obtenu à partir de ce qui est fournie." a. Pour le moteur thermique donne le travail W, fournissant la chaleur Q2 (généralement sous la forme d'un combustible). III.LA MACHINE FRIGORIFIQUE MF : b. L'effet utile du réfrigérateur est d'éliminer la chaleur de l'objet froid, ce que nous obtenons comme quantité Q1 en fournissant un travail W (à l’aide d’un compresseur) : c. Finalement, l'effet utile d'une pompe à chaleur est d'ajouter de la chaleur à un objet chaud, c'est ce que nous obtenons en quantité Q2 en fournissant un travail W : III.LA MACHINE FRIGORIFIQUE MF : Deux autres paramètres importants associés aux cycles de réfrigération sont: i) l'effet réfrigérant q (J/kg), qui est la chaleur extraite de la source froide par unité de masse de fluide frigorigène, ii) la capacité de refroidissement Q (J/s), qui est le taux de chaleur extraite de la source froide. Un cycle de réfrigération est simplement l'inverse du cycle de Carnot par le travail d’un fluide condensable, comprenant un compresseur, un condenseur, un détendeur et un évaporateur.