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COURS DE FROID INDUSTRIEL Chapitre I : ETUDE THEORIQUE DE LA PRODUCTION DU FROI

COURS DE FROID INDUSTRIEL Chapitre I : ETUDE THEORIQUE DE LA PRODUCTION DU FROID BOP GORGUI Laboratoire de Froid/Climatisation – ESP/UCAD - DAKAR Page 1 Chapitre 1 : ETUDE THEORIQUE DE LA PRODUCTION DU FROID Introduction : La production du froid a pour objet d’éliminer la chaleur entrant dans une enceinte par échange thermique à la surface d’une batterie froide. La batterie froide est l’évaporateur d’une machine frigorifique à compression. Dans cet échangeur circule un fluide frigorigène qui passe de l’état liquide à l’état vapeur à une température et une pression suffisamment basses (température et pression d’évaporation) pour maintenir l’ambiance de la chambre froide à la valeur désirée. La vapeur du frigorigène est aspirée et comprimée par un compresseur de la pression d’évaporation à la pression de condensation à laquelle correspond la température de condensation du fluide frigorigène. Cette température est suffisamment élevée pour que la chaleur, prélevée par l’évaporateur, soit rejetée dans le milieu naturel (eau ou air) et pour que le fluide se re-liquéfie dans un second échangeur appelé condenseur. Le fluide condensé à la pression de condensation est détendu à la pression d’évaporation par un robinet appelé détendeur. Un système de production de froid constitué par l’évaporateur, le détendeur, le compresseur, le condenseur est une unité mécanique dont le rôle est de faciliter le changement d’état du fluide frigorigène, ce qui a pour effet d’absorber de la chaleur à l’évaporateur et d’en rejeter au condenseur. C’est le fluide frigorigène qui accomplit le transfert de chaleur. I- Le fluide frigorigène On appelle fluides frigorigènes des composés chimiques facilement liquéfiables et dont on utilise les changements d’états physiques comme source de production du froid (libération de la chaleur latente de vaporisation). Il existe un très grand nombre de fluides frigorigènes, nous ne pouvons les énumérer tous. Parmi eux un certain nombre ont été ou sont utilisés par l’industrie frigorifique, d’autres ne sont utilisés que pour la production de froid à de basses températures. Un fluide frigorigène parfait devrait présenter les qualités suivantes : 1- Chaleur latente de vaporisation très élevée ; 2- Point d’ébullition, sous la pression atmosphérique, suffisamment bas compte tenu des conditions de fonctionnement désirées (température d’évaporation) ; 3- Faible rapport de compression, c'est-à-dire faible rapport entre les pressions de refoulement et d’aspiration ; 4- Faible volume massique de la vapeur saturée, rendant possible l’utilisation d’un compresseur et de tuyauteries de dimensions réduites ; 5- Température critique très élevée ; 6- Pas d’action sur le lubrifiant employé conjointement avec le fluide ; 7- Composition chimique stable dans les conditions de fonctionnement de la machine frigorifique ; 8- Pas d’action sur les métaux composant le circuit (ainsi, par exemple l’ammoniac attaque le cuivre). Pas d’action sur les joints ; 9- Non inflammable et non explosif en mélange avec l’air ; 10- Sans effet sur la santé du personnel ; 11- Sans action sur les denrées à conserver ; COURS DE FROID INDUSTRIEL Chapitre I : ETUDE THEORIQUE DE LA PRODUCTION DU FROID BOP GORGUI Laboratoire de Froid/Climatisation – ESP/UCAD - DAKAR Page 2 12- Sans odeur ou n’ayant qu’une faible odeur non désagréable ; 13- Fuites faciles à détecter et à localiser par méthode visuelle ; 14- Pas d’affinité pour les constituants de l’atmosphère ; 15- Etre d’un coût peu élevé et d’un approvisionnement facile ; 16- Pas d’action sur la couche d’ozone. Aucun des fluides employés ne possède l’ensemble de ces qualités. II- Le diagramme enthalpique Les corps (eau, fluide frigorigène) changent d’état, de pression, d’enthalpie, de température. Le diagramme enthalpique permet de représenter et relier graphiquement ces différents paramètres. Par la suite il permettra de suivre l’évolution du fluide frigorigène dans le circuit frigorifique. Le diagramme comprend en abscisses les enthalpies et en ordonnées les pressions absolues. Une courbe « en cloche », dite de saturation du fluide frigorigène, assure le découpage du diagramme en trois zones (liquide, liquide-vapeur, vapeur). Il est constitué de différentes familles de courbes représentant les grandeurs physiques du fluide frigorigène : - les isenthalpes : ce sont les droites d’enthalpie constante, elles sont verticales, - les isobares : ce sont les droites de pression constante, elles sont horizontales, - les isothermes : ce sont les courbes de température constante, - les isentropes : ce sont les courbes d’évolution du fluide lors de la compression, - les isochores : ce sont les courbes de volume massique constant, - les isotitres : elles sont situées dans la zone liquide-vapeur, elles représentent le pourcentage de vapeur constant dans le mélange liquide-vapeur. COURS DE FROID INDUSTRIEL Chapitre I : ETUDE THEORIQUE DE LA PRODUCTION DU FROID BOP GORGUI Laboratoire de Froid/Climatisation – ESP/UCAD - DAKAR Page 3 Figure 1 : Constitution du diagramme enthalpique III- Machine à compression simple Le fonctionnement d’une telle machine est représenté par la figure 2. 4 Figure 2 : Schéma de fonctionnement d’une machine frigorifique Isotherme Isochore Isobare Isentrope Isotitre Enthalpie H kJ/kg Point critique Pression absolue P bar Isenthalpe Condenseur Compresseur 4 Bouteille de réserve de FF EV Utilisation (-) Evaporateur Détendeur Rejet (+) P Cd Sens de circulation du 1 2 3 4’ 5 COURS DE FROID INDUSTRIEL Chapitre I : ETUDE THEORIQUE DE LA PRODUCTION DU FROID BOP GORGUI Laboratoire de Froid/Climatisation – ESP/UCAD - DAKAR Page 4  Compresseur Le compresseur est l’élément mécanique de la machine frigorifique. Il a pour rôle d’aspirer les vapeurs produites par la vaporisation du fluide frigorigène dans l’évaporateur à une pression faible correspondant aux conditions de fonctionnement, et de refouler à haute pression les vapeurs comprimées dans le condenseur afin de permettre leur condensation par refroidissement. Le fluide a subi une compression polytropique qui a eu pour effet d’élever la température du fluide refoulé. Le principe de Mayer nous permet de calculer l’apport thermique lié à la compression du fluide. La valeur de ce travail nous est donnée par kilogramme de fluide en circulation dans l’installation par lecture directe d’un diagramme enthalpique. Sa valeur est égale à la différence des enthalpies entre l’état du fluide à la sortie du compresseur et son état à l’entrée (figure 3). Sur la base de leur fonctionnement, on distingue deux groupes principaux de compresseurs, qui sont : - Volumétriques ; - Centrifuges.  Evaporateur L’évaporateur est un échangeur de chaleur dont le rôle consiste à absorber le flux thermique provenant du médium à refroidir. Le passage du flux thermique du fluide frigorigène au milieu extérieur est d’ailleurs régi par les mêmes lois physiques quel que soit le type d’appareil considéré, condenseur ou évaporateur et dépend : a- du coefficient global de transmission de chaleur K de l’évaporateur ; b- de la surface S de l’évaporateur ; c- de la différence de température entre l’évaporateur et le milieu à refroidir. Sa puissance est donnée par : e e e e T S K    La classification des évaporateurs permet de distinguer deux types d’évaporateurs : - évaporateurs refroidisseurs d’air ; - évaporateurs refroidisseurs de liquide.  Condenseur Le condenseur comme l’évaporateur est un échangeur de chaleur. Il sert à transmettre au médium de refroidissement (air ou eau) la chaleur contenue dans les vapeurs refoulées par le compresseur. Sa puissance est : c c c c T S K    Selon le mode de refroidissement du fluide frigorigène, on distingue deux types de condenseur : - condenseurs à air, - condenseurs à eau. COURS DE FROID INDUSTRIEL Chapitre I : ETUDE THEORIQUE DE LA PRODUCTION DU FROID BOP GORGUI Laboratoire de Froid/Climatisation – ESP/UCAD - DAKAR Page 5  Détendeur L’alimentation en fluide frigorigène de l’évaporateur d’une installation nécessite un appareillage qui aura pour rôle de n’injecter à l’évaporateur que la quantité de fluide frigorigène juste nécessaire pour absorber l’apport calorifique en provenance du milieu à refroidir. Pour réaliser ce programme, il existe plusieurs types d’appareils fonctionnant suivant des principes différents, mais qui ont tous un point commun : ils constituent la séparation entre la partie haute pression et la partie basse pression du circuit frigorifique. Le fluide frigorigène entrera donc dans ces appareils à l’état liquide et sous la pression de condensation (aux pertes de charge prés) ; lors de son passage à travers l’orifice calibré, il subira une chute de pression, se vaporisera partiellement en se refroidissant et sortira du détendeur sous forme d’un mélange liquide - vapeur d’autant plus riche en vapeur que la pression d’évaporation sera basse, puisque le liquide restant doit être plus refroidi. Il existe plusieurs types de détendeurs dont : - les détendeurs capillaires, - les détendeurs manuels, - les détendeurs thermostatiques, - les détendeurs électroniques, etc. III-1- Puissance frigorifique Par définition, la puissance frigorifique d’un évaporateur ou d’un groupe frigorifique est la quantité de froid produite (ou chaleur absorbée) par une machine fonctionnant dans des conditions déterminées. La puissance d’une machine frigorifique sera donc la quantité de watts (joule par seconde) produite en régime permanent; D’une manière générale :   ' 4 1 0 h h qm    où qm représente le débit de masse du fluide frigorigène et h1 et uploads/Industriel/ chapitre-1-coursfroid 2 .pdf