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V. CALCUL DES MACHINES A COMPRESSION DE VAPEUR V. CALCUL DES MACHINES A COMPRES

V. CALCUL DES MACHINES A COMPRESSION DE VAPEUR V. CALCUL DES MACHINES A COMPRESSION DE VAPEUR 65 REGIME DE FONCTIONNEMENT Le calcul d’une machine frigorifique s’effectue sur la base du tracé du cycle frigorifique de la dite machine. Les principaux paramètres permettant d’effectuer le tracé de ce cycle frigorifique sont les suivants : – la température de condensation (pression de condensation) – la température d’évaporation (pression d’évaporation) – la surchauffe des vapeurs de FF à la sortie de l’évaporateur – le sous refroidissement du FF liquide à la sortie du condenseur. V. CALCUL DES MACHINES A COMPRESSION DE VAPEUR 66 Le régime de fonctionnement d’une machine frigorifique définit ses conditions de fonctionnement principalement : – la température de condensation – la température d’évaporation. Ces températures sont déterminées à partir des températures des médiums à savoir : – la température de l’air extérieur pour les condenseurs à air – la température de l’eau disponible pour les condenseurs à eau – la température à obtenir dans l’enceinte à refroidir pour les évaporateurs à air – la température de refroidissement du fluide pour les évaporateurs à eau. V. CALCUL DES MACHINES A COMPRESSION DE VAPEUR 67 LE CYCLE FRIGORIFIQUE Le cycle frigorifique de référence Le cycle frigorifique d’une machine frigorifique est habituellement représenté dans le diagramme thermodynamique enthalpie (h) - pression (Log P) appelé diagramme enthalpique ou diagramme de Mollier des frigoristes V. CALCUL DES MACHINES A COMPRESSION DE VAPEUR 68 Suivant le schéma de la machine frigorifique de la figure 10.0, le fluide frigorigène (FF) circulant dans le circuit frigorifique suit les évolutions suivantes : • entre 1 et 2 : compression des vapeurs de FF qui passent d’un niveau de basse pression (BP) à un niveau de haute pression (HP) • entre 2 et 3 : désurchauffe des vapeurs de FF HP • entre 3 et 4 : condensation des vapeurs de FF HP qui deviennent du FF liquide HP • entre 4 et 5 : sous refroidissement du FF liquide HP • entre 5 et 6 : détente du FF liquide HP qui devient un mélange de liquide BP et d’une faible quantité de vapeurs BP • entre 6 et 7 : évaporation du FF liquide BP qui devient des vapeurs de FF BP • entre 7 et 1 : surchauffe des vapeurs de FF BP V. CALCUL DES MACHINES A COMPRESSION DE VAPEUR 69 • Les différentes évolutions du FF de la machine frigorifique sont représentées sur le diagramme enthalpique, il s’agit du cycle frigorifique de la machine communément appelée cycle de référence ou cycle pratique par les frigoristes. V. CALCUL DES MACHINES A COMPRESSION DE VAPEUR 70 Le cycle frigorifique de référence (cycle pratique) est un compromis qui permet d’effectuer l’étude et le dimensionnement des machines frigorifiques avec une précision acceptable. En pratique, ce cycle est tracé sur les bases suivantes : – compression isentropique – détente isenthalpe – surchauffe de 5° C (pour étude de conception) ou SH mesurée – sous-refroidissement de 5° C (pour étude de conception) ou SR mesuré Le cycle frigorifique de référence (cycle pratique) permet de s’affranchir des cycles frigorifiques proposées par la théorie de la thermodynamique appliquée à savoir : – le cycle théorique – le cycle parfait – le cycle réel. Néanmoins, ces cycles présentent un grand intérêt pour l’étude théorique des systèmes thermodynamiques. V. CALCUL DES MACHINES A COMPRESSION DE VAPEUR 71 Le cycle théorique Ce cycle qui est représenté par le diagramme 1-2-3-4 est établi sur la base suivante : • pas de perte de charges dans les tubulures • pas de SH au niveau de l’évaporateur • pas de SR au niveau du condenseur. Les transformations thermodynamiques subies par le FF à l’intérieur de la machine sont les suivantes : • compression isentropique du FF vapeur entre les points 1 et 2 • condensation isothermique entre les points 2 et 3 • détente isenthalpe entre les points 3 et 4 • évaporation isothermique entre les points 4 et 1 V. CALCUL DES MACHINES A COMPRESSION DE VAPEUR 72 Le cycle parfait Ce cycle qui est représenté par le diagramme 1’-2’-3’-4’ est établi sur la base suivante : • pas de perte de charges dans les tubulures • SH au niveau de l’évaporateur • SR au niveau du condenseur Les transformations thermodynamiques subies par le FF à l’intérieur de la machine sont les suivantes : • compression isentropique entre les points 1’ et 2’ • condensation isothermique entre les points 2’ et 3 • SR du FF à la sortie du condenseur entre les points 3 et 3’ • détente isenthalpe entre les points 3’ et 4’ • évaporation isothermique entre les points 4’ et 1 • SH du FF à la sortie de l’évaporateur entre les points 1 et 1’ V. CALCUL DES MACHINES A COMPRESSION DE VAPEUR 73 Le cycle réel Ce cycle qui est représenté par le diagramme 1’’-2’’’-3’-4’ (cf. figure 10.2) est établi sur la base suivante : – la compression est polytropique, le point 1’ se translate au point 1’’ (l’intégralité du travail de compression n’est pas transmise au FF à cause des échanges thermiques entre le système et le milieu extérieur) – le point 2’ devient 2’’’ pour tenir compte : • de l’énergie perdue (notion de rendement indiqué) • des pertes mécaniques • es PDC au refoulement du compresseur En réalité aucun des trois cycles précités ne sont pas véritablement utilisés par les frigoristes qui utilise le cycle frigorifique de référence. V. CALCUL DES MACHINES A COMPRESSION DE VAPEUR 74 V. CALCUL DES MACHINES A COMPRESSION DE VAPEUR CALCUL DES CARACTERISTIQUES Les caractéristiques thermodynamiques d’une machine frigorifique sont regroupés suivant 4 catégories que sont : les caractéristiques thermiques la production frigorifique massique la production frigorifique volumique le débit masse de fluide frigorigène la production frigorifique les caractéristiques géométriques du compresseur le volume balayé le volume géométrique la course l’alésage le rendement volumétrique les caractéristiques mécaniques le travail la pression moyenne indiquée les caractéristiques qualitatives le taux de compression le rendement le coefficient de performance le degré de qualité 75 La production frigorifique est à la base du dimensionnement (ou du choix) de la machine frigorifique, elle est déterminée à partir du bilan thermique du médium à refroidir (calcul du bilan thermique la charge d’une chambre froide). Le régime de fonctionnement permet de faire le choix ou le dimensionnement de la machine suivant les conditions de fonctionnement. Le tracé du cycle frigorifique de référence permet d’effectuer le calcul de différents paramètres de la machine (débit massique, débit volumique, débit volumique balayé, taux de compression, production frigorifique spécifique, production calorifique spécifique…). Le calcul des caractéristiques sera effectué sur la base du cycle frigorifique de référence de la machine frigorifique . Outre les caractéristiques citées ci-dessus, il est défini également des caractéristiques (relations à partir du cycle frigorifique) pour les échangeurs de chaleurs que sont les évaporateurs et les condenseurs. V. CALCUL DES MACHINES A COMPRESSION DE VAPEUR 76 Production frigorifique massique nette La production frigorifique massique nette (ou utile) représente la différence des enthalpies du FF entre la sortie et l’entrée et la chambre froide soit : V. CALCUL DES MACHINES A COMPRESSION DE VAPEUR Impossible d’afficher l’image. 6 7 _ h h q nette fm − = Sur le cycle frigorifique, la surchauffe (SH = h1 - h7) est le somme de deux surchauffes : •celle qui a lieu à l’intérieur de l’évaporateur dans la chambre froide (SH = h7’ - h1) •celle qui a lieu sur la tuyauterie d’aspiration hors de la chambre froide (SH = h1 - h7’) 77 Production frigorifique massique brute La production frigorifique massique brute représente la différence des enthalpies du FF entre l’aspiration du compresseur et l’entrée de l’évaporateur (ou de la tuyauterie de la chambre froide) soit : Qfm_brute = h1 –h6 • qfm-brute : puissance frigorifique massique brute par kg de FF (en kJ/kg) V. CALCUL DES MACHINES A COMPRESSION DE VAPEUR 78 Production frigorifique volumique nette C’est le rapport de la production frigorifique massique nette (utile) au volume massique des vapeurs de FF à l’aspiration du compresseur (point 1 du cycle : v1) soit : • qfv-nette : puissance frigorifique volumique nette par m3 de kg de FF aspiré par le compresseur • qfv-nette est exprimé en kJ/m3 ; v1 étant exprimée en m3/kg V. CALCUL DES MACHINES A COMPRESSION DE VAPEUR Impossible d’afficher l’image. 1 _ _ v q q nette fm nette fv = 79 Production frigorifique volumique brute C’est le rapport de la production frigorifique massique brute au volume massique des vapeurs de FF à l’aspiration du compresseur (point 1 du cycle : v1) soit : • qfv-brute : puissance frigorifique volumique brute par m3 de kg de FF aspiré par le compresseur • qfv-brute est exprimé en kJ/m3 ; v1 étant exprimé en m3/kg V. CALCUL DES MACHINES A COMPRESSION DE VAPEUR Impossible d’afficher l’image. 1 _ _ v q q brute fm brute fv = 80 Débit masse de fluide frigorigène C’est le rapport de la production frigorifique nette uploads/Industriel/ cours-de-technique-frigorifique-part2.pdf