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1 Chapitre II Dimensionnement d'une machine frigorifique à compression mécaniqu

1 Chapitre II Dimensionnement d'une machine frigorifique à compression mécanique II-1 Calcul des charges frigorifiques : Le bilan frigorifique II-1-1 Introduction: Le bilan frigorifique permet de déterminer la puissance frigorifique de l'installation afin d'en dimensionner les différentes composantes : L’évaporateur, le compresseur, le condenseur, le détendeur et accessoires annexes. Il doit être établi en conformité avec le cahier de charger régissant l'installation. Le bilan frigorifique consiste à calculer les différents apports de chaleur extérieurs et intérieurs de l’enceinte à refroidir. Par conséquent, le calcul des apports de chaleur se fait pendant la période la défavorable de l’année (période estivale). Les charges thermiques d'une chambre froide se répartissent en deux catégories : -Les charges thermiques externes -Les charges thermiques internes Les charges thermiques externes comprennent : • les charges dues aux apports de chaleur par transmission à travers l'enveloppe de la chambre froide (parois verticales, plancher bas et plancher haut) • les charges dues au renouvellement d'air • les charges dues à l'ouverture des portes Les charges thermiques internes se divisent en deux catégories que sont les charges dépendantes des produits entreposés et les charges indépendantes des produits entreposés. -Les charges thermiques internes dépendantes des produits entreposés comprennent : • les charges dues aux produits entrants • les charges dues à la respiration des produits (fruits et légumes) • les charges dues à la fermentation des produits (fromages) -Les charges thermiques internes indépendantes des produits entreposés comprennent : • les charges dues à l'éclairage • les charges dues au personnel • les charges dues aux chariots élévateurs et transpalettes • les charges dues à la présence éventuelle d’autres machines • les charges dues à la chaleur dégagée par le moteur de chaque ventilateur d'évaporateur • les charges dues au dégagement de chaleur des résistances électriques des évaporateurs Pour résumer : Apport de chaleur par transmission à travers les parois QP: Apport de chaleur par renouvellement et infiltration d’air QI: Apport de chaleur par les produits à refroidir ou la marchandise : QM Apport de chaleurs annexes (ventilateurs, dispositifs de dégivrage, éclairage, personnel, engins…) : QA La somme des différents apports de chaleur nous donne la quantité de chaleur totale « QT » à extraire de la chambre froide. Le calcul des apports de chaleurs est très important et doit être très précis, car une sous-estimation engendrera l’impossibilité d’atteindre les conditions initiales fixées, par contre une surestimation va affecter directement le coût de l’installation. 2 II-1-2 Bilan frigorifique journalier ou horaire -Le bilan frigorifique journalier représente la très grande majorité des cas d’études rencontrés, c’est le total des besoins en froid moyens en 24h. QT== QP+ QI +QM+ QA [Wh/jour] -Le bilan frigorifique horaire est calculé lorsqu’une durée maximale de mise en température des produits est exigée (surgélation, congélation rapide, crème glacée etc.). Pour une application dont les marchandises introduites doivent être refroidies en h heures : QT== (QP+ QI + QA)/24 +(QM /h) [W] II-1-3 Puissance frigorifique effective de l’installation Elle se détermine en adoptant comme durée quotidienne moyenne de fonctionnement, une valeur inférieure à 24h. En général 16 à 18h. Qeff = (QT/ 16 à 18h) [W] Car il faut tenir compte : -Des arrêts de l’installation (dégivrage), -et d’une éventuelle augmentation d’apports de chaleur. On se limite à QT/ 16 car il est inutile d’adopter des équipements surpuissants. Temps usuels fonctionnement de la machine frigorifique ou de l’ évaporateur Chambre négative, procédé industriel Machine commerciale, chambre positive Refroidissement rapide, surgélation, tunnel 18h à 20 h 14h à 16h Selon le cas : voir C.C.T.P. ou données du sujet II-1-3Conduite du calcul du bilan frigorifique : II-1-3-1 Les températures : • La température intérieure du milieu refroidi Өa • La température maximale des produits soumis au froid (température d’introduction) Өi • La température moyenne ambiante extérieure Өe : elle s’obtient par la somme de la température météorologique du mois le plus chaud et le plus froid divisée par deux en ajoutant trois degrés (valeur obtenu dans l’abaque qui montre la valeur à ajouter a Te selon l’orientation (Annexe N° 02) on aura : Өe = ( Өété max+ Ө été min)/2 +3°C Ex : Өe (Alger) =(29.9+21.2)/2 +3=28.6°C (tableau 1) Cette température ne tient pas compte de l’ensoleillement, elle ne concerne que les parois abritées. Pour les parois exposées au soleil, on se réfère au tableau 2 II-1-3-1 Apport de chaleur à travers les parois : On exécute tous les calculs relatifs aux pénétrations comme si les isolations thermiques existaient seules, il en résulte une petite marge de sécurité supplémentaire. Qp= q x S x Cmu 3 Avec: Qp : quantité de chaleur pénétrante à travers les parois par jour en [Wh/j] ; q : quantité de chaleur pénétrante par unité de surface par jour. en [Wh/m².j] Tableau 03 S : surface extérieur de la paroi. Cmu : coefficient multiplicateur de correction. Exercice 1 : 1) S=100m² PE=10cm ΔT=28 q=263Wh/j Qp=26300Wh/j 2) S=55m² LEP=16cm ΔT=46°C q=271 Wh/j Qp=55X271X1.2=17886 Wh/j 3) 2) S=96m² PUR=13cm ΔT=57 q=(437+375+452+389)/4 Qp=96X413.25X0.70=27770Wh/j Remarque: • Pour le calcul de Qp nous prendrons en compte les dimensions extérieures pour le calcul de la surface S. • Si l’épaisseur du revêtement intérieur n’est pas donnée on peut compter : -2.5 cm pour le revêtement intérieur des parois verticales et du plafond ; -8.5 cm environ pour celui du plancher. • Affin de déterminer les épaisseurs d’isolation d’une enceinte refroidie, on se donne pour base de calcul un flux thermique moyen exprimé en W/m² indépendant de la différence de température. Par convention le flux théorique à fixer est ente 6 et 12 W/m2. Une fois que la valeur du flux est déterminée, on la multiplie par 24 h pour avoir une valeur de pénétration de chaleur exprimée en [Wh/m²j] qui nous permettra de déterminer l'épaisseur de l'isolant suivant la différence de température entre l'intérieur et l’extérieur (tableau 3).Après avoir choisi l’isolation on vérifie le flux de chaleur pénétrant par les parois et on le compare avec le flux théorique choisi. Exercice 2 : Soit une chambre froide : Өa = +3°C Өe= +29°C partout PE= 10cm partout Li = 5.75 m Pi = 3.25 m Hi = 2.89 m Li, Pi, Hi sont respectivement la longueur, la profondeur et la hauteur intérieures de la chambre froide. Calculer Qp? -Calcul des dimensions extérieures: Le =5.75 + (0.10x2 + 0.025 x2) =6.00m Pe = 3.25 + (0.10x2 + 0.025 x2)=3.50m He = 2.89 + (0.10x2 + 0.025 +0.085) = 3.20m PE = 10cm et ΔT= 26°C , donc q = 244Wh/m².j 4 S = 6.00x3.20x2 +3.50x3.20x2 +3.50x6.00x2 = 102,8 m² Qp= 25083 Wh/J II-1-3-2 Apport de chaleur par infiltrations (par renouvellement d'air) Il s'agit de la chaleur provenant des entrées d'air par infiltration et par ouverture des portes. Qi = Vi x coeff1 x coeff2 Avec : Qi : quantité de chaleur due a l’infiltration d’air par jour en « Wh/j ». Vi : volume intérieur de la chambre froide en « m3 ». Coeff1 : apport calorifique moyen dépend du volume intérieur et de la différence de température. Table 4 Coeff2 : coefficient multiplicateur pour l’ouverture des portes. Table 4 Exercice 3 Calculer Qi pour un service normal pour le cas de l’exercice 2 : Vi= 5.75 x3.25x2.89 = 54 m3 Coeff1=228,8 Wh/ m3.j Table 4 Coeff2 =1 pour un service normal Qi = 12031 Wh/j II-1-3-3Apports de chaleur par la marchandise : Les produits introduits se trouvent presque toujours à une température supérieure à la température de la chambre froide. Ils dégagent une certaine quantité de chaleur aussi longtemps que leur température n'est pas tombée à la température d'entreposage. QM= m × [ (Cp Avant congélation ×∆Tintroduction- congélation)+L congélation + (Cp Après congélation ×∆T congélation- cœur des produits) ]/3.6 Avec : QM : apport de chaleur par la marchandise en [Wh/j] m : masse journalière moyenne de marchandise [Kg] Cp : chaleur massique en (KJ/Kg. °C). (Tableau 5) ∆T : différence de température °C ; L : Chaleur latente de congélation (KJ/Kg). Congélation ou surgélation des produits Cas du seul refroidissement des produits Exercice 4 : On demande de calculer la chaleur journalière à extraire de la viande de bœuf en quartiers dans un tunnel de congélation. Température d’ introduction des produits dans une chambre froide (Source : « Calcul des chambres froides ») 5 Introduction journalière : 3000Kg/j Température d’introduction : 5°C Température ambiante : -30°C Température obtenue au cœur des produits en 24h : -15°C m=3000Kg/j Cp Avant congélation= 3.22 KJ/Kg. °C ∆Tintroduction- congélation = 5- (-1.7) °C L congélation= 234 KJ/Kg Cp Après congélation=13.3°C ∆T congélation-cœur des produits = -1.7-(-15) QM = 231488 Wh/j Utilisation des informations : • une seule introduction par semaine T m=T/2 • plusieurs introductions à jours non consécutifs : m=Tmax/2 S D L M M J V 400 700 550 m=Tmax/2= 700/2+350Kg • plusieurs introductions à jours consécutifs ou non : m=(Tn+Tn+1) max/2.5 S D L M M J V 350 650 450 600 300 m= (450+600)/2.5 =420 Kg • aucune indication précise ne peut être recueillie : On admettra alors : uploads/Industriel/ chapitre-ii-1-final-bilan-frigorifique.pdf