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République Algérienne Démocratique et Populaire Ministère de l'Enseignement Sup

République Algérienne Démocratique et Populaire Ministère de l'Enseignement Supérieur et de la Recherche Scientifique Université Mohamed khider de Biskra Faculté des Science et de la Technologie Département de chimie industrielle Présenté par : Dirigée par: BADRI HOUSSAM EDDINE DR HUSSIEN BERICHE CHAMSSEDDINE LAMRI IMAN LOURGLI AMEL MNASER MUOHAMD GUEMIDA NADJIB Année Universitaire 2019/2020 1 Cycles frigorifiques simples en cascade Plan de travail : 1. INTRODUCTION 2. Composants principaux 3. Comment fonctionne une installation en cascade 4. Cascade frigorifique à 2 étages 5. Température critique et point triple 6. Définition du cycle de réfrigération 7. cycle cascade 8. Systèmes en cascade 9. Objectif 10.Fonctionnement du système de réfrigération en cascade 11.Quelles sont les étapes du système de réfrigération en cascade 12.Advantages of Cascade Refrigeration over Conventional Refrigeration :  Low Operating Cost and Energy Efficient  Low Temperature Operation  Easy Maintenance  Higher COP and Lower Compressor Work 13.Applications du système de réfrigération en cascade 14.L'installation Groupe frigorifique cycle cascade comprend les équipements principaux suivant :  Inconvénients  Remarque 15.Conclusion INTRODUCTION De nombreuses méthodes peuvent être utilisées pour la séparation des mélanges gazeux, certaines sans changement d’état, soit à l’ambiante, soit à 2 plus basse température. Cependant, les plus employées dans l’industrie font appel à la liquéfaction, donc aux basses températures ; c’est le cas de la distillation et de la condensation fractionnée. Une partie des produits de la séparation peut être demandée à l’état liquide. On combine alors séparation et liquéfaction dans une même unité. Dans d’autres cas, la liquéfaction est une fin en soi ; c’est le cas du gaz naturel, pour son transport par voie maritime, et aussi de l’hydrogène pour son utilisation comme carburant de fusées (Ariane...). De nombreuses techniques s’appuyant sur certaines propriétés physiques ou physico-chimiques des constituants de mélanges gazeux peuvent être mises en œuvre pour les séparer. Parmi celles-ci, nous développerons les plus utilisées industriellement : perméation, adsorption, absorption, distillation et condensation fractionnée. En ce qui concerne les applications de ces techniques, nous ne décrirons que les installations ayant un caractère industriel, par opposition à celles que l’on rencontre plutôt dans les activités de recherche (comme c’est souvent le cas encore pour des températures inférieures à 4 K) et aussi par opposition aux installations de petite taille. Les sujets traités sont les suivants :  les gaz de l’air (oxygène et azote) : appareils de séparation d’air, avec ou sans production à l’état liquide d’une partie des composants ;  le gaz naturel : unités de liquéfaction et chaînes de transport ;  l’ammoniac : unités de production de gaz de synthèse de l’ammoniac utilisant le lavage à l’azote liquide ;  les mélanges de H2 , CO, CH4 ... (dont les gaz de purge des unités d’ammoniac), essentiellement pour la production d’hydrogène, de monoxyde de carbone et de méthane ;  la liquéfaction de l’hydrogène et de l’hélium. Composants principaux Pour réaliser un circuit frigorifique, il faut au moins cinq composants : 3  un fluide frigorigène dont on provoque les changements d'état pour qu'il prenne ou cède principalement sa chaleur latente à l'endroit voulu ;  un compresseur, dont le rôle est de fournir l'énergie mécanique au fluide frigorigène pour lui permettre d'évoluer ;  un condenseur où le fluide frigorigène se condense et cède l'énergie au milieu que l'on veut chauffer ;  un réducteur de pression1, souvent improprement appelé détendeur2, qui permet d'abaisser le point d'ébullition du fluide frigorigène ;  un évaporateur où le fluide frigorigène s'évapore en prenant l'énergie nécessaire au milieu que l'on veut refroidir. Après être passé dans l'évaporateur, le fluide frigorigène revient au compresseur et le cycle frigorifique recommence. Comment fonctionne une installation en cascade ! Le principe de fonctionnement d'une cascade repose sur le cycle frigorifique traditionnel de type a compression de vapeur et changement d’états. Une cascade est constituée d’une succession d’installation thermodynamique (compresseur, condenseur, détendeur, évaporate ur), en générale deux voire trois en fonction de l’utilisation et de la température visée. Ces installations comprennent des circuits frigorifiques qui utilisent des fluides frigorigènes travaillant à des niveaux de température différents et couplés thermiquement par un échangeur. Cascade frigorifique à 2 étages L’étage haute pression (1er étage) possède une source chaude (condenseur) classique refroidie par air ou par eau. Sa source froide (évaporateur) est en contact avec la source chaude de l’étage basse pression (2em étage) grâce à un échangeur à contre-courant. L’évaporateur à air ou à eau de l’étage basse pression soustrait la chaleur au milieu considéré. 4 Couple de fluide utilisé par un cycle en cascade :  NH3/CO2  R134a/C02  R290/CO2  R448/R23  HC/CO2 Les pressions de saturation des fluides utilisés dans l’étage basse température peuvent devenir très importantes avec l’augmentation de la température, en fonctionnement ou à l’arrêt. Exemple, le R32 à 20°C sa pression est de 42 Bar. Il est donc nécessaire d’avoir un dispositif de sécurité pour limiter la pression en augmentant le volume, généralement c’est une réserve tampon agissant comme vase d’expansion. Le dimensionnement de ce vase doit tenir compte de la température maximale de la zone ou est mis en place la cascade. Des soupapes de sécurité viennent compléter l’ensemble. Le premier étage est tout d’abord mis en service, petit à petit par manque d’échange dans l’échangeur à plaque, la température et la pression vont baisser côté basse pression de l’étage 1. Lorsque cette température atteindra sa valeur de consigne, par exemple -20 °C, alors on autorisera le fonctionnement du 2em étage. La régulation de puissance, donc le volume aspiré des compresseurs est pilotée par des variateurs de fréquence. La fréquence minimum de fonctionnement sera choisie en fonction du type de compresseur, piston, scroll et des données du constructeur. Le ventilateur condenseur est aussi commandé par un variateur pour réguler la pression HP.Le ventilateur de l’évaporateur peut être a vitesse fixe. Les 5 détendeurs sont soit mécanique de type a égalisation externe, soit électronique, ce dernier étant plus fiable et plus précis. Une régulation PID gère l’ensemble du système. Température critique et point triple Les fluides utilisés dans les cascades ont des températures d’évaporation très basse mais possèdent des températures critiques assez faibles. Les conditions de températures de condensation de l’étage basse pression doivent rester en dessous du point de température critique du fluide utilisé qui est généralement assez bas, 31°C pour le CO2, 25°C pour le R23.Rappelons qu’à la température critique le changement d’état vapeur/liquide n’est plus possible. Pour atteindre de très basse température dans une enceinte il faut des températures d’évaporation encore plus basses, au-delà d’une certaine limite suivant les fluides il y a risque d’atteindre un état physique appelé le point triple. Le point triple correspond à une coexistence possible entre les états physiques solide, liquide et gazeux. Définition du cycle de réfrigération: Le cycle frigorifique est un cycle thermodynamique. Il permet d'abaisser la température d'un milieu relativement froid (la source froide) et simultanément d'augmenter la température d'un autre milieu relativement chaud (la source chaude) au moyen d'une dépense d'énergie mécanique. 6 cycle cascade Il est composé par deux sous cycles à absorption, ces deux cycles élémentaires, chacun semblable à un cycle simple étage avec la seule différence est que le deuxième étage fonctionne à une température d’évaporation plus élevée et le condenseur du premier fonctionne à une température plus basse. Ces deux étages sont liés au niveau de l’évapo-condenseur, où la quantité de chaleur perdue par l’un est gagnée parl’autre Systèmes en cascade Le système en cascade utilise un réfrigérant pour condenser un autre réfrigérant primaire fonctionnant à la température d'évaporateur souhaitée. Cette approche est généralement utilisée pour des niveaux de température inférieurs à -80 degrés Fahrenheit, lorsque des hydrocarbures légers ou d'autres gaz et vapeurs à bas point d'ébullition sont en cours de refroidissement. Pour une efficacité globale maximale du système, les liquides de refroidissement des deux systèmes superposés sont différents. Typique pour le type de système qui peut être agencé pour s'adapter à une charge de refroidissement initiale de 600 tonnes à -160 °F. L'éthylène est le réfrigérant traité dans les compresseurs centrifuges (dans certaines conceptions, ces trois unités peuvent être combinées dans un seul boîtier de compresseur), il y a un refroidissement intermédiaire instantané (econ) et un sous-refroidissement liquide pour l'évaporateur. L'éthylène se condense en vaporisant le propylène à - 50 degrés Fahrenheit. Le propylène est un système distinct qui utilise des compresseurs centrifuges et des condenseurs à eau. 7 Objectif Les cycles de réfrigération en cascade sont couramment utilisés pour liquéfier le gaz naturel, qui se compose principalement de séries hydrocarbures- paraffines, dont le méthane a un point d'ébullition inférieur à la pression atmosphérique. La température de réfrigération peut être fournie dans le triple cycle de réfrigération successif, utilisant du propane, de l'éthane et du méthane. Cela permet l'étude et la discussion du phénomène de surchauffe 8 Fonctionnement du système de réfrigération en cascade Considérons d'abord le cycle à haute température. Le compresseur de ce cycle est appelé compresseur haute température. Le réfrigérant dans ce cycle est comprimé par le compresseur et envoyé au uploads/Finance/ hsyn.pdf