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Comparaison entre deux installations frigorifiques CM06 CM06 : CONDUITE DE PROC

Comparaison entre deux installations frigorifiques CM06 CM06 : CONDUITE DE PROCEDE COMPARAISON ENTRE DEUX INSTALLATIONS FRIGORIFIQUES Nom du Suiveur : Jean Paul Faux Groupe d’étude : BOUHYA Aicha GP05 AI CHARUEL Amandine GP04 TE ORIOL Fabienne GP04 TE REZGUI Lassad GP05 QSE Au 07 1 Comparaison entre deux installations frigorifiques CM06 REMERCIEMENTS Nous remercions Jean Paul Faux, Enseignant à l’Université de Technologie de Compiègne et Ingénieur Conseil, suiveur du projet Cm06, d’avoir pris le temps de nous encadrer. Il nous a expliqué, aidé et conseillé dans notre projet. Nous le remercions pour l’organisation de la visite à l’usine Bonduelle, qui nous a permis de mieux comprendre les installations frigorifiques. Nous avons pu voir en pratique ce que nous connaissons en théorie. Nous avons pu comparer nos données avec celles de l’usine Bonduelle. Nous remercions les ingénieurs de l’usine Bonduelle de nous avoir permis cette visite et de nous avoir fourni de nombreuses explications. Au 07 2 Comparaison entre deux installations frigorifiques CM06 SOMMAIRE COMPARAISON ENTRE DEUX INSTALLATIONS FRIGORIFIQUES................................................1 SOMMAIRE................................................................................................................................3 LISTE DES FIGURES...................................................................................................................5 LISTE DES TABLEAUX...............................................................................................................6 LISTE DES EQUATIONS..............................................................................................................7 INTRODUCTION.........................................................................................................................8 I LES INSTALLATIONS FRIGORIFIQUES..................................................................................9 .I.1 L’installation à compression......................................................................................9 .I.2 L’installation à absorption.......................................................................................10 II ELEMENTS DE CHOIX DES PROCÉDÉS ET DES FLUIDES FRIGORIGENES............................12 .II.1 Les procédés.............................................................................................................12 .II.2 Les fluides frigorigènes............................................................................................13 III DIMENSIONNEMENT DE L’INSTALLATION FRIGORIFIQUE.................................................14 .III.1 Chambre froide........................................................................................................14 .III.2 Tunnel de surgélation...............................................................................................22 IV BILANS DE MATIÈRE ET ÉNERGIE.....................................................................................24 .IV.1 Hypothèses de simplification...................................................................................24 .IV.2 Circuit en compression mécanique..........................................................................24 .IV.3 Circuit à absorption.................................................................................................30 V SCHÉMAS DES PROCÉDÉS.................................................................................................39 .V.1 Circuit BP et HP en compression.............................................................................39 .V.2 Circuit BP en compression et HP en absorption.....................................................40 VI DIMENSIONNEMENT DES COMPOSANTS DU CIRCUIT........................................................42 .VI.1 Dimensionnements des échangeurs.........................................................................42 .VI.2 Dimensionnement des colonnes d’absorption et de désorption...............................50 .VI.3 Dimensionnement de conduites dans le cycle à absorption.....................................52 .VI.4 Choix des Compresseur...........................................................................................53 .VI.5 Dimensionnements et choix des pompes..................................................................55 .VI.6 Tunnels de surgélation.............................................................................................59 VII HQSE..............................................................................................................................60 .VII.1 Sécurité....................................................................................................................60 .VII.2 Environnement.........................................................................................................67 .VII.3 Qualité et hygiène....................................................................................................67 VIII EVALUATION ECONOMIQUE DES PROCÉDÉS..............................................................69 .VIII.1 Evaluation des différents composants...............................................................69 .VIII.2 Tableaux récapitulatifs......................................................................................70 CONCLUSION..........................................................................................................................72 BIBLIOGRAPHIE..................................................................................................................73 Au 07 3 Comparaison entre deux installations frigorifiques CM06 ANNEXES...............................................................................................................................75 ANNEXE 1 : CARACTÉRISTIQUES THERMOPHYSIQUES DU CO2...............................................76 ANNEXE 2 : CARACTÉRISTIQUES THERMOPHYSIQUES DU NH3..............................................77 ANNEXE 3 : DIAGRAMME DE MERKEL...................................................................................78 ANNEXE 4 : DIAGRAMME D’OLDHAM.....................................................................................79 ANNEXE 5 : DIMENSIONNEMENT DU SÉPARATEUR DE LIQUIDE..............................................80 ANNEXE 6 : DOCUMENTATION SUR LES POMPES SELECTIONNÉE............................................82 ANNEXE 7 : PROGRAMME DE DIMENSIONNEMENT DES ECHANGEURS....................................84 ANNEXE 8 : ECHANGEURS STANDARDISÉS EXISTANTS...........................................................85 ANNEXE 9 : COURBE GENERALISÉE DES PERTES DE CHARGES...............................................87 ANNEXE 10 : DETERMINATION DU HEPT/HUT EN FONCTION DU GARNISSAGE........................87 ANNEXE 11 : GRAPHES POUR L’ÉVALUATION ÉCONOMIQUE...................................................88 Au 07 4 Comparaison entre deux installations frigorifiques CM06 LISTE DES FIGURES FIGURE 1 : INSTALLATION FRIGORIFIQUE À COMPRESSION À UN ÉTAGE..................................9 FIGURE 2 : PRINCIPE DE LA COMPRESSION BI-ÉTAGÉE...........................................................10 FIGURE 3 : PRINCIPE D'UN MACHINE FRIGORIFIQUE À ABSORPTION......................................12 FIGURE 4 : TRACÉ DU CYCLE DE L’ÉTAGE BP AU CO2 DANS LE DIAGRAMME H-LOGP.......25 FIGURE 5 : TRACÉ DU CYCLE DU NH3 DANS LE DIAGRAMME H-LOGP.................................28 FIGURE 6 : DIAGRAMME D’OLDHAM ET REPRÉSENTATION DU CYCLE THÉORIQUE DE L’ABSORPTION À DEUX ÉTAGES..............................................................................................30 FIGURE 7 : ABSORBEUR BP....................................................................................................31 FIGURE 8 : DÉSORBEUR BP....................................................................................................32 FIGURE 9 : ABSORBEUR HP...................................................................................................32 FIGURE 10 : DÉSORBEUR HP.................................................................................................33 FIGURE 11 : ECHANGEUR INTERSOLUTION EI1......................................................................36 FIGURE 12 : ECHANGEUR INTERSOLUTION EI2......................................................................37 FIGURE 13 : REPRÉSENTATION DE LA VARIATION DES TEMPÉRATURES CHAUDES ET FROIDES DANS UN REPÈRE T,X..............................................................................................................42 FIGURE 14 : ECHANGEUR MULTITUBULAIRE À CONTRE-COURANT........................................43 FIGURE 15 : REPRÉSENTATION DEL'ABSORBEUR BP..............................................................52 FIGURE 16 : ILLUSTRATION DU PACKAGE COMPRESSEUR GRASSO 45 HP...........................54 FIGURE 17 : ILLUSTRATION DU PACKAGE COMPRESSEUR P-3................................................54 FIGURE 18: PHOTO D'UNE POMPE SALMSON À CANAL LATÉRAL EN INOX 316L....................56 FIGURE 19 : SCHÉMA DU MONTAGE DES POMPES CAM3 AU NIVEAU DU PREMIER ABSORBEUR............................................................................................................................58 FIGURE 20 : PHOTO D'UNE VUE EN COUPE D’UNE POMPE CAM3..........................................58 FIGURE 21 : TUNNEL DE SURGÉLATION « FLOFREEZE » DE FRIGOSCANDIA..........................59 FIGURE 22: BOUTON D'ARRÊT D'URGENCE, SITE BONDUELLE...............................................66 FIGURE 23 : EQUIPEMENTS ET EXPLICATIONS POUR LE PERSONNEL......................................67 Au 07 5 Comparaison entre deux installations frigorifiques CM06 LISTE DES TABLEAUX TABLEAU 1: POINTS DE L’ÉTAGE BP AU CO2 ET LEURS CARACTÉRISTIQUES.......................24 TABLEAU 2 : POINTS DE L’ÉTAGE HP AU NH3 ET LEURS CARACTÉRISTIQUES......................28 TABLEAU 3 : POINTS DE L’ÉTAGE HP À ABSORPTION NH3/EAU ET LEURS CARACTÉRISTIQUES................................................................................................................29 TABLEAU 4 : RÉCAPITULATIF DES DÉBITS DANS LE CIRCUIT À ABSORPTION.........................32 TABLEAU 5 : RÉCAPITULATIF DES COP DES DIFFÉRENTS ÉTAGES.........................................37 TABLEAU 6 : COP GLOBAUX.................................................................................................37 TABLEAU 7 : CARACTÉRISTIQUES THERMOPHYSIQUES DU NH3...........................................46 TABLEAU 8 : CARACTÉRISTIQUES THERMOPHYSIQUES DE L’AIR...........................................46 TABLEAU 9: CARACTÉRISTIQUES THERMOPHYSIQUES DU NH3 PUR.....................................46 TABLEAU 10 : CARACTÉRISTIQUES THERMOPHYSIQUES DU MÉLANGE NH3/EAU.................48 TABLEAU 11 : DÉTERMINATION DE LA LONGUEUR DE TUBES DU CONDENSEUR À COMPRESSION HP...................................................................................................................48 TABLEAU 12 : DÉTERMINATION DE LA LONGUEUR DE TUBES DU CONDENSEUR À ABSORPTION HP 48 TABLEAU 13 : DÉTERMINATION DE LA LONGUEUR DE TUBES POUR L’ÉCHANGEUR INTER SOLUTION 1............................................................................................................................48 TABLEAU 14 : DÉTERMINATION DE LA LONGUEUR DE TUBES POUR L’ÉCHANGEUR INTER SOLUTION 2............................................................................................................................48 TABLEAU 15 : DÉTERMINATION DES MASSES VOLUMIQUES...................................................49 TABLEAU 16 : RÉCAPITULATIF DES CARACTÉRISTIQUES POUR LA COLONNE À ABSORPTION BP 50 TABLEAU 17 : RÉCAPITULATIF DES CARACTÉRISTIQUES POUR LA COLONNE À ABSORPTION HP 50 TABLEAU 18 : VALEUR DES DÉBITS, MASSE VOLUMIQUE, VITESSE, SURFACE ET DIAMETRE DES CONDUITES POUR L’ABSORPBEUR BASSEPRESSION(BP)..................................................51 TABLEAU 19 : CONDITIONS DE CONCEPTION.........................................................................52 TABLEAU 20 : CARACTÉRISTIQUES GÉNÉRALES DU PACKAGE COMPRESSEUR DU CIRCUIT CO2........................................................................................................................................52 TABLEAU 21 : DONNÉES DE CONCEPTION CIRCUIT À COMPRESSION NH3............................53 TABLEAU 22 : CARACTÉRISTIQUES GÉNÉRALES DU PACKAGE P-3 POUR LE CIRCUIT NH3...53 TABLEAU 23 : DONNÉES NÉCESSAIRE AU CHOIX DE LA POMPE DU CIRCUIT À C02...............55 TABLEAU 24 : DONNÉES NÉCESSAIRE AU CHOIX DE LA POMPE DU CIRCUIT À NH3 À COMPRESSION.........................................................................................................................55 TABLEAU 25 : RÉCAPITULATIF DES DONNÉES POUR LE CHOIX DES POMPES DU CIRCUIT NH3 À ABSORPTION........................................................................................................................56 Au 07 6 Comparaison entre deux installations frigorifiques CM06 TABLEAU 26 : CARACTÉRISTIQUES PHYSIQUES DE L'AMMONIAC..........................................59 TABLEAU 27 : PROPRIÉTÉS PHYSIQUES DE DIOXYDE DE CARBONE.......................................62 TABLEAU 28 : VALEURS DES COEFFICIENTS D’ACTUALISATION DES PRIX..............................68 TABLEAU 29 : COÛTS POUR L’INSTALLATION EN COMPRESSION AU CO2.............................69 TABLEAU 30 : COÛTS POUR L’INSTALLATION EN COMPRESSION AU NH3.............................69 TABLEAU 31 : COÛTS POUR L’INSTALLATION EN ABSORPTION AVEC LE COUPLE NH3/EAU..70 TABLEAU 32 : COÛTS DES INSTALLATIONS FRIGORIFIQUES...................................................70 LISTE DES EQUATIONS ÉQUATION 1.....................................................................................................................................................28 ÉQUATION 2.....................................................................................................................................................31 ÉQUATION 3.....................................................................................................................................................41 ÉQUATION 4.....................................................................................................................................................47 ÉQUATION 5.....................................................................................................................................................48 ÉQUATION 6.....................................................................................................................................................52 ÉQUATION 7.....................................................................................................................................................54 ÉQUATION 8.....................................................................................................................................................54 ÉQUATION 9.....................................................................................................................................................54 ÉQUATION 10...................................................................................................................................................56 Au 07 7 Comparaison entre deux installations frigorifiques CM06 INTRODUCTION Le sujet de notre étude est intitulé « Comparaison entre deux installations frigorifiques bi étagées. Les deux installations frigorifiques sont destinées à fournir la puissance nécessaire pour un tunnel de surgélation de 10 t/h équivalent petits pois et une chambre de stockage de 5000 m3 à -25°C ». Elles se différencient dans la manière d’effectuer la compression dans le deuxième étage haute pression de l’installation. L’une des installations fonctionne par compression mécanique dans les deux étages, sachant que le fluide frigorigène est l’ammoniac pour l’étage haute pression et le dioxyde de carbone pour l’étage basse pression. L'autre installation possède le même étage basse pression fonctionnant au CO2 en compression mécanique tandis que l’étage haute pression fonctionne en compression thermique avec l’absorption de l’ammoniac par l’eau. Le but de notre étude est de comparer les coefficients de performances et les coûts des deux installations pour juger quelle installation est la plus intéressante d’un point de vue industriel. Au 07 8 Comparaison entre deux installations frigorifiques CM06 I LES INSTALLATIONS FRIGORIFIQUES ..I.1 L’installation à compression ..I.1.1 Fonctionnement Toute installation frigorifique à compression se compose de quatre parties principales (Figure 1) qui sont l’évaporateur, le compresseur, le condenseur et le détendeur. Ces différents éléments étant reliés entre eux par un réseau de tuyauteries adéquats. Ce circuit est rempli d’un liquide facilement vaporisable, le fluide frigorigène. Figure 1 : Installation frigorifique à compression à un étage La description des composants de l’installation frigorifique permet de comprendre son fonctionnement :  L’évaporateur vaporise le frigorigène en prélevant de la chaleur au frigoporteur qui se refroidit de q f1 à q f2. La vapeur sortant de cet évaporateur est saturée. L’évaporation s’effectue à la température de vaporisation q F , correspondant à la pression d’évaporation pF . On a : q F < q f2 < q f1  Le compresseur aspire, sous la pression pF , la vapeur de frigorigène issue de l’évaporateur et la comprime jusqu’à la pression pC pour la rejeter dans le condenseur.  Le condenseur condense le frigorigène en cédant la chaleur au caloporteur qui s’échauffe de q c1 à q c2 . Le liquide frigorigène quittant cet échangeur est saturant. La condensation s’effectue à la température de condensation qC correspondant à la pression de condensation pC . On a : q C > q c2 > q c1  Le régleur (ou détendeur ) alimente en frigorigène l’évaporateur sans excès ni défaut. Le frigorigène y subit la détente de pC à pF . Au 07 9 Comparaison entre deux installations frigorifiques CM06 ..I.1.2 Circuit bi-étagé Un tel cycle se développe entre trois niveaux de pression pC > pi > pF auxquels correspondent trois niveaux de température de saturation du frigorigène q C > q i > q F où pi uploads/s3/ cm06.pdf