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14 mars 2003 Introduction 277 10 Cycles frigoriﬁques 10.1 Introduction Dans la

14 mars 2003 Introduction 277 10 Cycles frigoriﬁques 10.1 Introduction Dans la section 9.1, on a considéré des machines thermiques constituées de quatre processus distincts, mettant en œuvre soit des dispositifs à circulation de ﬂuide (systèmes ouverts en régime), soit un système fermé à frontière mobile. Le ﬂuide actif pouvait soit subir des changements de phase ou au contraire rester dans une seule phase au cours du cycle. On a ensuite traité le cas particulier de dispositifs à circulation de ﬂuide constitués de deux échanges de chaleur isobares et de deux variations de pression adiabatiques, et donc isentropiques. On considère à présent le cycle de réfrigération idéal constitué exactement des mêmes processus, si ce n’est qu’ils sont parcourus en sens inverse, de sorte que sa représentation dans un diagramme p −v est la suivante. ◀◀◀Contents Back ▶▶▶ Cycles frigoriﬁques 14 mars 2003 Introduction 278 Si le cycle est entièrement à l’intérieur de la cloche de saturation, il s’agit d’un cycle de Carnot, comme dans le cas des cycles moteurs. Cette fois encore, le travail net reçu est l’aire à l’intérieur de la courbe décrite par le cycle, que les transformations aient lieu dans un dispostif à circulation de ﬂuide ou dans un système fermé à frontière mobile. En principe, tout cycle moteur inversé peut être utilisé pour réaliser une machine ﬁrgoriﬁque. En pratique, seuls quelques uns sont utilisés, à savoir, par ordre d’importance, les cycles de Rankine-Hirn, de Joule, et de Stirling-Ericsson. ◀◀◀Contents Back ▶▶▶ Cycles frigoriﬁques 14 mars 2003 Introduction 279 En outre, il existe des cycles frigoriﬁques à trois sources de chaleur (trithermes), qui permettent un fonctionnement sans apport de travail : les machines à absorption. On peut classer les machines frigoriﬁques selon les applications et les plages de température correspondantes : De l’ambiance à 5-10 ˚C : conditionnement d’air, applications alimentaires, .. . De +10˚C à -18˚C : conservation des denrées alimentaires, production de glace, congélation. De -18˚C à ∼-40 ˚C : surgélation (conservation de denrées périssables pendant plusieurs mois). Jusque -200˚C : applications industrielles notamment liées à l’industrie chimique ou alimentaire : liquéfaction de l’air et du gaz naturel, lyophilisation. Sous -200˚C : En dessous de la température de liquéfaction de l’azote (77 K), on entre dans la zone des très basses températures. Les applications industrielles sont très limitées (propulsion par fusée à hydrogène et oxygène liquide, aimants à très haute induction, . .. ). ◀◀◀Contents Back ▶▶▶ Cycles frigoriﬁques 14 mars 2003 Cycle frigoriﬁque à compression de vapeur 280 10.2 Cycle frigoriﬁque à compression de vapeur Le cycle frigoriﬁque idéal à compression de vapeur est représenté ci-dessous. Il est constitué de quatre transformations : une compression adiabatique et réversible 1 −2, un refroidissement isobare par condensation 2 −3, une détente irréversible sans échange de travail 3 −4, et enﬁn un échauffement isobare par évaporation 4 −1. Il s’agit essentiellement d’un cycle de Rankine-Hirn inversé, sauf que la pompe est remplacée par une vanne. ◀◀◀Contents Back ▶▶▶ Cycles frigoriﬁques 14 mars 2003 Cycle frigoriﬁque à compression de vapeur 281 10.2.1 Performances Compression adiabatique et réversible w = h2 −h1 Refroidissement isobare q = h3 −h2 (p = psat(TC)). Détente irréversible h4 = h3 Échauffement isobare qF = h1 −h4, grandeur que l’on appelle la production frigoriﬁque nette (PFN). La puissance frigoriﬁque nette ˙ QF = ˙ m(h1 −h4). L’efﬁcacité frigoriﬁque, ou encore coefﬁcient de performance, vaut εfr = h1 −h4 h2 −h1 (10.1) alors que le rendement exergétique ηex = εfr εfr,Carnot = εfr(TC TF −1) < 1 (10.2) ◀◀◀Contents Back ▶▶▶ Cycles frigoriﬁques 14 mars 2003 Cycle frigoriﬁque à compression de vapeur 282 Le compresseur est le plus souvent de type volumétrique (à piston, à palette ou à vis). Une caractéristique importante est la puissance volumétrique par unité de débit volumétrique aspiré par le compresseur, appelée production frigoriﬁque volumétrique (PFV) : PFV = qF v1 = h1 −h4 v1 Mais le volume aspiré par le compresseur peut être très différent du volume balayé par le piston, qui conditionne l’encombrement et le prix de la machine. On déﬁnit donc le coefﬁcient de remplissage kv comme suit kv = volume aspiré volume balayé Considérons à titre d’exemple un compresseur volumétrique de volume mort ϵ et de volume balayé Vb. ◀◀◀Contents Back ▶▶▶ Cycles frigoriﬁques 14 mars 2003 Cycle frigoriﬁque à compression de vapeur 283 Le gaz restant dans le volume mort à la ﬁn du refoulement occupe après détente à la pression d’admission V2 = ϵ pref padm ! 1 k (détente isentropique de gaz parfait). Le volume aspiré vaut donc Vasp = ϵ + Vb −V2 = Vb −ϵ         pref padm ! 1 k −1         ◀◀◀Contents Back ▶▶▶ Cycles frigoriﬁques 14 mars 2003 Cycle frigoriﬁque à compression de vapeur 284 de sorte que kv = 1 −ϵ Vb         pref padm ! 1 k −1         Il dépend donc des caractéristiques constructives du compresseur, mais aussi du rapport de compression, lié aux températures des sources. La production frigoriﬁque par unité de volume balayé vaut par conséquent PFVb = PFV kv Elle diminue rapidement avec la température de la source froide, en raison de l’augmentation de v1 et de la diminution de kv et ﬁnit par s’annuler pour la température telle que kv = 0, qui constitue donc la température minimum de fonctionnement. ◀◀◀Contents Back ▶▶▶ Cycles frigoriﬁques 14 mars 2003 Cycle frigoriﬁque à compression de vapeur 285 10.2.2 Écarts par rapport au cycle idéal Les performances des cycles réels sont réduits en raison des écarts suivants par rapport au cycle idéal : – condenseur non parfait : Tcond > TC ; – évaporateur non parfait : Tevap < TF ; – irréversibilités et échanges de chaleur dans le compresseur ; – pertes de charge dans les tuyauteries et les échangeurs ; – surchauffe de la vapeur entre la sortie de l’évaporateur et l’entrée du compresseur due aux défauts d’isolation. ◀◀◀Contents Back ▶▶▶ Cycles frigoriﬁques 14 mars 2003 Choix du ﬂuide frigorigène 286 10.3 Choix du ﬂuide frigorigène Le choix du ﬂuide frigorigène est dicté par un ensemble de contraintes thermodynamiques et technologiques, dont on va discuter les principales : Plage de température Le ﬂuide doit être tel que TF et TC soient comprises entre le point triple et le point critique. De plus, il est souhaitable que p1 = psat(TF) soit supérieure à la pression atmosphérique (pour éviter des rentrées d’air dans le système, et pour réduire l’encombrement — PFV∝p1), et que p2 = psat(TF) soit inférieure à 2 MPa. Enﬁn, il est souhaitable d’avoir pcond/pevap aussi faible que possible, d’une part pour des raisons de coût du compresseur, et d’autre part pour limiter la température T2 en ﬁn de compression, qui doit être compatible avec la stabilité thermique et chimique du ﬂuide. Efﬁcacité frigoriﬁque Il est évidemment avantageux d’avoir une efﬁcacité frigoriﬁque aussi élevée que possible, ce qui implique de maximiser le rendement exergétique. Ce dernier ne dépend que du ﬂuide et des températures des sources. ◀◀◀Contents Back ▶▶▶ Cycles frigoriﬁques 14 mars 2003 Choix du ﬂuide frigorigène 287 Compatibilité avec les huiles de lubriﬁcation Un problème spéciﬁque se pose si la solubilité de l’huile dans le ﬂuide varie fortement avec la température, à savoir la séparation de deux phases liquides dans l’évaporateur. Toxicité Les ﬂuides sont classés en 6 groupes de toxicité décroissante. Certains ﬂuides employés abondamment dans le passé ont été abandonnés en raison de leur grande toxicité (SO2). Les réfrigérants utilisés dans les appareils domestique doivent être non toxiques. ◀◀◀Contents Back ▶▶▶ Cycles frigoriﬁques 14 mars 2003 Choix du ﬂuide frigorigène 288 Compatibilité avec les matériaux de construction Le réfrigérant doit être physiquement et chimiquement inerte vis-à-vis des matériaux de construction. Nocivité pour l’environnement Bien que le cycle frigoriﬁque à compression de vapeur soit fermé, des fuites de réfrigérant peuvent se produire, en particulier lors du démantèlement de l’installation. Il importe donc qu’il soit aussi peu nocif que possible pour l’environnement. Coût Pour les grandes installations, le coût du réfrigérant est important. En raison de ces diverses contraintes, une très grande variété de ﬂuides sont utilisés comme réfrigérants. Les plus répandus sont certainement les hydrocarbures ﬂuorés saturés connus sous le nom commercial de fréon, ou encore de chloro-ﬂuoro-carbones (CFC). On les désigne selon la nomenclature R-ijkBr, due à l’Institut International du Froid, ◀◀◀Contents Back ▶▶▶ Cycles frigoriﬁques 14 mars 2003 Choix du ﬂuide frigorigène 289 avec i = nombre d’atomes de carbone −1 j = nombre d’atomes d’hydrogène + 1 k = nombre d’atomes de ﬂuor r = nombre d’atomes de brome Par conséquent, les réfrigérants à deux chiffres sont ceux comprenant un seul atome de carbone, p. ex. R-22 pour C H Cl F2. La présence du ﬂuor rend ces composés très stables, ininﬂammables et non toxiques. Ils sont compatibles avec les matériaux de construction, certaines huiles et les élastomères. Leur très grande stabilité, en particulier des composés sans atome d’hydrogène, uploads/Industriel/ 10-cycle-frigorifique-pdf.pdf