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PARTIE C : LES MACHINES FRIGORIFIQUES A COMPRESSION Ayadi. M 35 I- Principe Une

PARTIE C : LES MACHINES FRIGORIFIQUES A COMPRESSION Ayadi. M 35 I- Principe Une installation frigorifique et une machine thermique à deux sources fonctionnant en régime inverse de celui des machines motrices. Etant donné une source TF (TF < TC), on fait décrire au fluide frigorifique un cycle fermé au cours duquel il soutire à la source froide une quantité de chaleur QF, puis cède à la source chaude une quantité de chaleur QC. D’après la convention des signes de la thermodynamique, QF est positif et QC est négative. D’après le second principe, ce transfert de chaleur de la source froide à la source chaude ne peut pas se faire sans l’intervention d’un travail mécanique extérieur, le fonctionnement d’une machine frigorifique impliquera donc la présence d’une source extérieure d énergie. Ainsi dans une machine frigorifique, le fluide frigorigène reçoit, au cours d’un cycle, une quantité d’énergie QF prise à la source froide à TF et cède une quantité de chaleur QC à la source chaude à TC. par conséquent, il reçoit un travail W qui serait égal, d’après le bilan du premier principe appliqué à un cycle (transformation fermé) à : W = - (QC + QF) II- Le coefficient de performance 1- Cas d’effet frigorifique L’effet utile de la machine est QF désigné également sous le nom d’effet frigorifique. On appelle coefficient de performance d’effet frigorifique par unité de travail : COP = QF / W = QF / - (QF + QC) Contrairement aux rendements, toujours inférieurs à l’unité, le COP d’effet frigorifique est supérieur à l’unité dans la plupart des cas. Il est fonction des températures extrêmes entre lesquelles évolue le cycle. Ayadi. M 36 Source froide Source chaude Machine thermiqu e Milieu extérieur QC QF W TC TF 2- Cas d’une pompe à chaleur L’effet utile d’une pompe à chaleur est la quantité QC fournie à la source chaude utilisé en générale pour la chauffer. Dans ce cas le COP de la machine est défini par : COP = QC / W = QC / - (QF + QC) III-Les fluides frigorigènes 1- Propriétés thermodynamiques On recherche des fluides qui auront une bonne efficacité, d’où des fluides qui ont une chaleur de vaporisation élevée et qui absorbent un travail W plus réduit. 2- Propriétés physiques - Il faut essayer d’avoir une chaleur de vaporisation au m3 de volume aspiré qui doit être la plus grande possible pour limiter les dimensions de l’installation. - L’intervalle entre la pression du condenseur et la pression de l’évaporateur doit être adaptée au compresseur utilisé. - La pression de l’évaporateur ne doit pas être inférieure à la pression atmosphérique pour éviter des rentrées d’air humide dans l’évaporateur. 3- Sécurité du matériel et du personnel Le fluide utilisé doit être non corrosif, ininflammable et non toxique. 4- Le facteur écologique Ce facteur est devenu primordial au cours des dernières années. Le fluide frigorigène ne doit pas avoir une influence destructrice sur la couche d’ozone qui entoure le globe. 5- les fluides frigorigènes industriels a- Les fréons Il s’agit du nom d’une marque commerciale utilisé dans la pratique pour désigner les fluides obtenus par substitution d’atomes de chlore, de fluor ou du brome sur des hydrocarbures (méthane, éthane…etc.). Ces fluides frigorigènes, désignés par une formule chimique, sont répertoriés, d’après les normes par la lettre R (réfrigérant) suivi de 2 ou 3 chiffres. Avantages : - la chaleur de vaporisation est importante. - Les pressions d’évaporation et de condensation aux températures usuelles sont compatibles avec le taux de compression admissible par les compresseurs. Inconvénients : - Les fréons diffusent très facilement, dissolvent le caoutchouc naturel et les huiles de graissage. - Ils attaquent les métaux en présence d’humidité ce qui nécessite l’utilisation de déshydratant dans le circuit. Ayadi. M 37 - Ils se décomposent en présence de flamme en donnant surtout le phosgène (COCl2) qui est très dangereux. b- L’ammoniac (NH3) Il est préféré aux fréons dans les installations de grande puissance vu que la production frigorifique au m3 aspiré est plus grande. L’humidité peut être tolérée et la détection des fuites est facile. Inconvénients : - Il est moins stable que les fréons, d’où la nécessité de purger les gaz incondensables. - Il attaque le cuivre et ses alliages, ce qui est désavantageux pour les petites installations où il est économique d’utiliser des échangeurs en cuivre. - L’odeur de l’ammoniac est toxique. IV- Diagrammes thermodynamiques employés dans l’industrie frigorifique 1- Généralités Dans l’industrie frigorifique, on utilise très souvent le diagramme enthalpique : diagramme pression – enthalpie. Ce diagramme comporte : courbe de saturation séparant les domaines liquide et vapeur, les courbes d’égales températures, d’égales volumes et d’égales entropies. Dans ce diagramme le tracé des cycles des machines frigorifiques à une forme trapézoïdale. 2- Description - La courbe de saturation séparant le domaine liquide, liquide – vapeur et vapeur surchauffée présente une certaine inclinaison plus au moins accentuée suivant la nature du fluide. - Les isothermes sont sensiblement verticales dans la zone liquide, si elles ne sont pas tracées, on admet leur verticalité. Elles sont horizontales dans la zone d’équilibre liq – vapeur. - Les isochores (courbes d’égales volumes) subissent une diffraction au niveau de la courbe de saturation. - Les isentropes (courbes d’égales entropies) ne présentent pas de variation de pente au passage par la courbe de saturation. - Le diagramme comporte dans la zone d’équilibre liq– vapeur, les isotitres (courbes d’égales titre de vapeur). Ayadi. M 38 P h T = cst Titre x = cst S = cst V = cst Point critique liquide Liq + Vap Vapeur surchauffée V- Cycle théorique des machines frigorifiques à compression Une machine frigorifique à cycle continu comporte : - Un évaporateur : dans lequel le fluide frigorigène s’évapore en absorbant la chaleur fournie par le milieu à refroidir. - Un compresseur : aspire la vapeur formée et la refoule au condenseur sous forme de vapeur surchauffée à température élevée. - Un condenseur : permettant la désurchauffe de la vapeur et sa condensation à une température supérieur à celle du milieu de refroidissement (air ou eau). - Un détendeur : faisant passer le fluide condensé à la basse pression tout en réglant le débit de fluide frigorigène à admettre dans l’évaporateur. Nous avons donc deux pressions bien distinctes dans un circuit frigorifique : - La partie basse pression P2 : depuis la sortie du détendeur, l’évaporateur jusqu’à l’aspiration du compresseur. - La partie haute pression P1 : depuis le refoulement du compresseur, jusqu’à l’entrée du détendeur. On fournit un travail W au compresseur pour extraire une quantité de chaleur QF à la source froide et restituer une quantité de chaleur QC à la source chaude. Le cycle théorique est représenté ci dessous : Ce cycle comporte les phases suivantes : - AB : compression isentropique (de P2 à P1) : c’est une évolution à entropie constante (S = cst). En B, la vapeur est surchauffée à la température de fin de compression notée TB à la pression P1 du condenseur. Ayadi. M 39 P h S = cst B A C C’ D P1 P2 B’ B’ - BC : refroidissement (BB’) de la vapeur surchauffée, admise dans le condenseur en B, de TC à T1 qui est la température de condensation à P1 , puis condensation à température et à pression constantes sur le palier B’C’, en C’ le fluide est à l’état de liquide saturé et en fin le sous refroidissement C’C est bénéfique, il améliore l’efficacité du cycle. Le sou refroidissement est obtenu par une surface d’échange importante du condenseur, ou le fluide de refroidissement du condenseur (air ou eau) est suffisamment froid, ou encore certaines installations comportent un sous refroidisseur en série avec le condenseur. La chaleur totale cédée par le fluide frigorigène à pression constante est égale à la différence d’enthalpie : QC = hC - hB - CD: détente isenthalpe (h = cst et P1 tend vers P2), le détendeur est un simple capillaire ou une petite vanne créant une perte de charge suffisante pour faire passer la pression de P1 à P2. Le travail récupéré et la chaleur échangée au niveau de cette machine sont négligeables, donc on a une détente isenthalpe : ΔhCD = 0 → hC = hD. - DA : évaporation à P2 et T2 constantes (production du froid), le point D se trouve dans la zone d’équilibre liquide – vapeur, par conséquent, le fluide est admis dans l’évaporateur avec une petite proportion de vapeur déjà formée en cours de la détente. Certaines installations comportent un séparateur de liquide permettant aux vapeurs formées d’être aspirées directement par le compresseur de façon que l’évaporateur n’est alimenté que par du liquide. La chaleur absorbée par l’évaporation à pression constante égale à la différence d’enthalpie, constituant la production du froid (en frigorie / kg avec 1 frigorie = 1 kcal) : Pf = QF = hA – hD. 1- Efficacité théorique du cycle D’après la définition du coefficient de performance d’effet frigorifique : COP = QF / W uploads/Industriel/ cours-frigo-partie-ii.pdf