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Bachelor 2013 Dr. Ing. Sayon SIDIBE Objectifs du cours • Etudier le cycle frigo

Bachelor 2013 Dr. Ing. Sayon SIDIBE Objectifs du cours • Etudier le cycle frigorifique à compression d’un fluide et son diagramme enthalpique • Etudier les fluides utilisés, leur emploi, les législations en vigueur ainsi que les huiles utilisées en réfrigération • Etudier le rôle et le fonctionnement des divers composants d’une installation et des organes de régulation et de sécurité • Apprendre les techniques de maintenance spécifiques avec manipulations de l’apprenant (TP) • Acquérir une méthodologie pour dépanner une installation • Etudier les applications des techniques du froid dans la climatisation en général et dans les applications de l’industrie (entreposage frigorifique) Pré requis Pré requis Connaissance de base de la thermodynamique. Connaissance du transfert de chaleur. Connaissances en électricité de base 2 A la fin de ce cours vous devez être capable de : - comprendre la production de froid par compression, - de reconnaitre les différents éléments d’une installation frigorifique, - de dimensionner un système frigorifique (chambre froide) 3 Sommaire I. Notions de base II. Le fluide frigorigène et autres liquides frigorifiques III. Circuit de fluide frigorigène IV. Calcul d’une installation frigorifique V. Fonction des éléments principaux du circuit de fluide frigorigène VI. Les organes de protection et de sécurité VII. Entreposage frigorifique 4 I. NOTIONS PRELIMINAIRES La technique frigorifique La technique frigorifique est une partie constituante de la thermodynamique qui traite du comportement des corps solides, liquides et gazeux. La thermodynamique : « Thermo » Chaleur « Dynamique » Science des mouvements La thermodynamique étudie donc les mouvements thermiques (alimentation et conduction de la chaleur). A vrai dire, la notion de « froid » en thermodynamique n’existe pas, car le « froid » n’est généré que lorsque la chaleur est transportée d’un endroit vers un autre endroit présentant une température plus élevée. 5 I. NOTIONS PRELIMINAIRES La température : La température caractérise le niveau auquel la chaleur se trouve dans un corps permettant ainsi de dire qu’un corps est plus ou moins chaud qu’un autre. L’unité du système international est le : °C Conversion entre les différentes unités de températures 6 I. NOTIONS PRELIMINAIRES La pression L’unité légale de la pression est le Pascal (Pa) qui est égal à la pression uniforme exercée par une force de 1 N (Newton) sur une surface de 1 m2. L’unité de pression couramment utilisée par les frigoristes est le Bar et il faut distinguer : les appareils de mesure des pressions (appelés manomètres) sur les systèmes frigorifiques qui sont gradués généralement en pression relative (par rapport à la pression atmosphérique) les appareils de mesures du vide (appelés vacuomètres) sur les systèmes frigorifiques qui sont gradués en pression absolue (par rapport au vide absolu). Conversion d’unités 1 Bar = 105 Pa = 1.02 kG/m2 = 0.986 atm = 750 mmHg 1 Bar = 14.54 PSI = 10.2 mCE (mètre de colonnes d’eau) PSI : Pound per Square Inch (Livre par Pouce carré) 7 La chaleur La chaleur est une forme d’énergie (énergie de mouvement des molécules) qui va d’un point chaud (température plus élevée) vers un point froid (température moins élevée). C’est la sensation perçue par nos organes de sens lorsque nous sommes placés devant un corps incandescent par exemple. Conversion d’unités : 1 kCal = 4.185 kJ = -1 Fg (frigorie) 1 thermie (Th) = 1000 kCal = 4185 kJ 1 BTU = 1.053 kJ (BTU : British Thermal Unit) I. NOTIONS PRELIMINAIRES 8 Enthalpie L’enthalpie indique combien de chaleur renferme une substance (par rapport à une température définie). Pour des raisons pratiques, la valeur “zéro“ de l’enthalpie est la plupart du temps adaptée à l’échelle de températures Celsius. Elle se rapporte en général pour la vapeur d’eau à la température de 0 °C (273,15 K). L’enthalpie spécifique h se rapporte à 1 kg d’une substance définie. I. NOTIONS PRELIMINAIRES 9 Densité et volume spécifique La densité ρ est la masse d’une matière par rapport à un volume de 1 m3. Le volume spécifique v est le rapport d’une substance à une masse de 1 kg. I. NOTIONS PRELIMINAIRES 10 La puissance La puissance est le rapport de l’énergie fournie ou absorbée sur l’unité de temps. L’unité légale est le Watt (W). Conversion d’unités : – 1 kW = 860 kCal/h – 1 kCal/h = -1 Fg/h = 1,163 W – 1 cv (cheval) = 736 W I. NOTIONS PRELIMINAIRES 11 I. NOTIONS PRELIMINAIRES Changement d’état: Etat Solide Etat liquide Etat vapeur Fusion Solidification Vaporisation Condensation Sublimation Condensation solide ou sublimation inverse La maîtrise des deux états de la matière que sont la phase liquide et la phase vapeur est primordiale en froid. 12 Ainsi sont définis les termes suivants : – la chaleur latente de congélation ou chaleur latente de fusion suivant qu’on passe de la phase liquide vers la phase solide ou vice versa ; pour l’eau cette chaleur latente est de 334.8 kJ/kg (80 kcal/kg) à la pression atmosphérique, la température de congélation étant de 0°C à cette pression – la chaleur latente de vaporisation ou de condensation suivant qu’on passe de la phase liquide à la phase vapeur ou vice versa ; pour l’eau cette chaleur latente est de 2254.7 kJ/kg (539 kcal/kg) à la pression atmosphérique, la température d’évaporation étant de 100°C à cette pression I. NOTIONS PRELIMINAIRES 13 En rappel, il existe pour tout corps pur, une relation pression température si et seulement si la vapeur est en contact avec le liquide qui lui a donné naissance. A chaque corps correspond une courbe de changement d’état représenté dans le diagramme thermodynamique pression (Log P) – enthalpie (h) appelé diagramme enthalpique ou diagramme de Mollier des frigoristes. I. NOTIONS PRELIMINAIRES 14 I. NOTIONS PRELIMINAIRES Changement d’état de l’eau pure 15 I. NOTIONS PRELIMINAIRES 16 II.1 Fluides frigorigènes 17 II.1 Les fluides frigorigènes Définition : substance chimique dont la température d’évaporation à la pression atmosphérique est inférieure à la température ambiante, autrement dit le fluide frigorigène devient liquide à cette ambiance. Encore appelé réfrigérant ou fréon 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. 18 Le changement d’étant 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. Fluide (Liquide) Chaleur sensible nécessaire pour chauffer le liquide de 1°C (kJ/kg°C) Chaleur latente nécessaire pour évaporer le liquide à la pression atmosphérique (kJ/kg°C) Eau R12 R22 4.18 0.98 1.40 2250 169 231 Les valeurs de ce tableau permettent de conclure que la quantité de chaleur absorbée durant l’évaporation est équivalente au fait d’avoir élevé la température de : • 538°C environ pour l’eau • 170°C environ pour le R12 et le R22 C’est la raison pour laquelle l’évaporation et la condensation sont partout présentes dans la production du froid. II.1 Les fluides frigorigènes 19 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 • 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) • avoir un faible rapport de compression, c’est à dire faible rapport entre les pressions de refoulement et d’aspiration II.1 Les fluides frigorigènes 20 • 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 • 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 Il faut bien comprendre qu’aucun des fluides utilisés ne possède l’ensemble de ces qualités. II.1 Les fluides frigorigènes 21 II.1 Les fluides frigorigènes Exemple du R22 Nom du fluide R22 Famille HCFC (hydrochlorofluoroacarbone) Formule chimique CHF2Cl Couleur Incolore Odeur Très légèrement éthérée Température critique 96°C Pression critique 49.8 bar Température d’ébullition à la pression atmosphérique -40.9°C Solubilité de l’eau dans le produit 0.13% en masse Potentiel d’appauvrissement de la couche d’ozone 0.05 Potentiel d’effet de serre global à 100 ans 1 700 Informations toxicologiques Non nocif par inhalation Décomposition thermique à haute température en produits toxiques et corrosifs Gelures possibles par projection du gaz liquéfié Précautions individuelles Eviter le contact avec la peau (gants), les yeux (lunettes) uploads/s3/ cours-de-technique-frigorifique-part1-pdf.pdf