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Les cycles frigorifiques - ESIReims 2020 / 2021 Froid industriel Les cycles fri

Les cycles frigorifiques - ESIReims 2020 / 2021 Froid industriel Les cycles frigorifiques Hélène MACCHI-TEJEDA helene.tejeda@gmail.com ESIReims 2020 - 2021 1 Jacques GUILPART Les cycles frigorifiques - ESIReims 2020 / 2021 Plan de la conférence 1. Les applications du froid dans le monde 2. Principes généraux de la production du froid 3. Les fluides frigorigènes 4. Les différents cycles frigorifiques 5. Technologie du froid 6. Dimensionnement d’une installation 2 Les cycles frigorifiques - ESIReims 2020 / 2021 Choisir une technologie … en fonction des besoins et des contraintes. C’est d’abord choisir un cycle adapté aux besoins. 3 Les cycles frigorifiques - ESIReims 2020 / 2021 4 Les cycles mono étagés 1. Les systèmes mono étagés à détente directe (sèche) 2. Les systèmes mono étagés alimentés en régime noyé 3. Les systèmes mono étagés à frigoporteur Les cycles bi étagés 4. Les cycles de type booster 5. Les systèmes biétagés à injection partielle et distribution de liquide HP 6. Les systèmes biétagés à injection partielle (ou totale) et distribution par pompe (recirculation) 7. Les faux bi-étagés à économiseur Plan Les cascades Les cycles frigorifiques - ESIReims 2020 / 2021 5 Les cycles mono étagés Les cycles mono étagés Les cycles frigorifiques - ESIReims 2020 / 2021 Les systèmes de production de froid Le plus simple et le moins cher … 6 Monoétagé, Détente Directe Les cycles mono étagés Les cycles frigorifiques - ESIReims 2020 / 2021 1. Les systèmes mono étagés à détente directe (sèche) 7 1 2 h 3 Ln(p) 4 Les cycles mono étagés 3 4 5 5 Φ0 Φc * Surchauffe utile : jusqu’en 5 (dans l’évaporateur) • Surchauffe non utile : de 5 en 1 (dans la conduite d’aspiration) Les cycles frigorifiques - ESIReims 2020 / 2021 1. Les systèmes mono étagés à détente directe (sèche) 8 Les cycles mono étagés 4 3 Bilan à l’évaporateur (système S1) : Bilan du système : Ce qui entre = ce qui sort € Φ0+ m . h4 = m . h1 € ⇒ Φ0 = m . (h1 −h4) Φ0+W . = Φk Unités : h en kJ.kg-1 € m . en kg.s-1 € m . . h en kJ.s-1, c' est à dire en kW S1 Les cycles frigorifiques - ESIReims 2020 / 2021 9 Il faut comprimer un gaz surchauffé (éviter les coups de liquide au compresseur) Conséquences : 1. Une grande partie de la batterie froide (= évaporateur) sert à cette surchauffe La batterie ne fonctionne pas dans des conditions optimales (elle préfère être « mouillée » par le frigorigène) 2. La température de refoulement est élevée ⇒ Pour le froid industriel, on préfère utiliser des cycles plus performants 1. Les systèmes mono étagés à détente directe (sèche) Les cycles mono étagés Les cycles frigorifiques - ESIReims 2020 / 2021 10 Représentation de l’ébullition dans l’évaporateur Evaporateur noyé Evaporateur à surchauffe ≈ 2000 à 4000 W.m-2.K-1 ≈ 100 W.m-2.K-1 Représentation EPTA, SIFA 2019 Les cycles mono étagés Les cycles frigorifiques - ESIReims 2020 / 2021 Ordres de grandeur à connaître h (W.m-2.K-1) Ebullition 2 000 à 4 000 (jusqu’à 10 000) Condensation 1 000 à 5 000 Liquide Convection forcée Convection naturelle 100 à 1 000 (200) 10 à 100 Air Convection forcée Convection naturelle 10 à 100 (30) 5 à 10 (8) EN PRATIQUE Air (en tunnel de refroidissement) 20 à 40 (25) Air (lit fluidisé) 40 à 80 (60) Contact (refroidisseur à plaques) 40 à 100 Immersion (en liquide) 100 à 200 11 Les cycles frigorifiques - ESIReims 2020 / 2021 12 1. Les systèmes mono étagés à détente directe (sèche) Domaines d’application : Avantages - Limites intrinsèques (si trop de Δp : taux de compression, et / ou trop chaud au refoulement 80-90°C, surchauffe sortie évaporateurs) Ratio classique : 2-3 kg de fluide par kW frigorifique (exemple : une machine de 10 kW contient… 20 à 30 kg de frigorigène) Petites puissances (quelques dizaines de kW) => Froid domestique et commercial Petit industriel (50 - 100 kW frigorifique) + investissements + simplicité, compacité Inconvénients : Les cycles mono étagés Les cycles frigorifiques - ESIReims 2020 / 2021 Taux de compression … et température de refoulement pour un cycle idéal entre 0°C (4,3 bar) et 35°C (13,5 bar), soit τ = 3,1 132°C NH3 Sc = 10°C 13 Les cycles mono étagés Les cycles frigorifiques - ESIReims 2020 / 2021 14 Les cycles mono étagés Si en Détente Directe le Δp est trop grand et / ou la température de refoulement est trop élevée => Que peut-on faire de mieux ? Les cycles frigorifiques - ESIReims 2020 / 2021 15 Les cycles mono étagés 1. Les systèmes mono étagés à détente directe (sèche) 2. Les systèmes mono étagés alimentés en régime noyé 3. Les systèmes mono étagés à frigoporteur Les cycles bi étagés 4. Les cycles de type booster 5. Les systèmes biétagés à injection partielle et distribution de liquide HP 6. Les systèmes biétagés à injection partielle (ou totale) et distribution par pompe (recirculation) 7. Les faux bi-étagés à économiseur Plan Les cascades Les cycles frigorifiques - ESIReims 2020 / 2021 RAPPEL Les deux modes d’alimentation des frigorifères* : 1- La détente directe de frigorigène 2- Les systèmes noyés noyé pompé noyé gravitaire *échangeur qui apporte le froid 16 Les cycles frigorifiques - ESIReims 2020 / 2021 1- La détente directe (détente sèche) de frigorigène … le détendeur ne s’ouvre que pour laisser passer le juste débit Pour être sûr de n’aspirer que des vapeurs au compresseur … La détente directe 17 Les cycles frigorifiques - ESIReims 2020 / 2021 • Applicable à tous types d’échangeurs (tubes ailettes, calandres, plaques, …) • Simple et souple de mise en œuvre • Zone de surchauffe défavorable au fonctionnement de l’ échangeur • Nécessité d’un bon réglage de la surchauffe • Gamme de puissance relativement faible (-> 50 – 80 kW) Bons échanges de chaleur (h ≈ 2 000 W.m-2.K-1) 3/4 à 4/5 de l’évaporateur Zone diphasique Zone de surchauffe Echanges dégradés (h ≈ 100 W.m-2.K-1) 1/4 à 1/5 de l’évaporateur La détente directe 18 Les cycles frigorifiques - ESIReims 2020 / 2021 Noyés ! toute la surface de l’échangeur est « mouillée » par le frigorigène ⇒ Bonnes performances d’échanges, échangeurs efficaces ⇒ Faibles pincements, COP améliorés ⇒ Systèmes très fréquents en industrie Dans la quasi-totalité des cas, ce sont des systèmes équipés de bouteilles (réservoirs, recievers, …) 2- Les systèmes noyés Bouteille BP en salle des machines Compresseur BP Compresseur HP Bouteille BP (souvent 4 à 6 m3) Pompe à frigorigène (liquide) Evaporateur(s) Condenseur Les systèmes noyés 19 Les cycles frigorifiques - ESIReims 2020 / 2021 2. Les systèmes mono étagés alimentés en régime noyé 20 Les cycles mono étagés 1 2 3 4 5 6 7 Bouteille séparatrice (basse pression) Pompe à frigorigène (liquide) Retour diphasique (liquide + vapeur) Compresseur Détendeur Condenseur Evaporateur Φ0 Φc . => Tracez le cycle frigorifique Les cycles frigorifiques - ESIReims 2020 / 2021 21 Les cycles mono étagés 1 2 3 4 5 6 7 Φ0 Φc . 1 2 3 4 5 6 7 Les cycles frigorifiques - ESIReims 2020 / 2021 22 Les cycles mono étagés 1 2 3 4 5 6 7 Φ0 Φc . 1) Calculer le débit € m . évap € m . évap € m . cp Ecrire le bilan enthalpique à l’évapo € Φ0+ m . évap h6 = m . évap h7 En déduire le débit circulant à l’évaporateur € m . évap = Φ0 h7 −h6 = Φ0 h7 −h5 2) Calculer le débit € m . cp Bilan enthalpique évapo + bouteille (système S1) S1 € Φ0+ m . cp h4 = m . cp h1 € ⇒ m . cp = Φ0 h1 −h4 = Φ0 h1 −h3 Les cycles frigorifiques - ESIReims 2020 / 2021 23 Les cycles mono étagés 1 2 3 4 5 6 7 € m . évap = Φ0 h7 −h5 € m . cp = Φ0 h1 −h3 Il n’y a aucun lien entre et : € m . évap € m . cp • Si la pompe est puissante, est très grand. Et à Φ0 constant, le bilan évaporateur indique que h7 " h5. C’est à dire que le titre en vapeur en sortie d’évaporateur tend vers 0 : on vaporise une faible fraction du débit. • A l’inverse, si est faible, x7 " 1, et à la limite, on tend vers une surchauffe nulle. Et on aurait : € m . évap € m . évap € m . évap = Φ0 h1 −h5 τ r = m . évap m . min = Φ0 h7 −h5 Φ0 h1 −h5 = h1 −h5 h7 −h5 = 1 x7 Les cycles frigorifiques - ESIReims 2020 / 2021 132°C NH3 2. Les systèmes mono étagés alimentés en régime noyé 24 Les cycles mono étagés Au lieu de 92°C précédemment en DD En noyé, on valorise (entre autre) cette partie de l’échange à l’évaporateur Les cycles frigorifiques - ESIReims 2020 uploads/Industriel/ 4-esireims-cycles-2021.pdf