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1 I.U.T. de Saint-Omer Dunkerque D´ epartement G´ enie Thermique et ´ energie C

1 I.U.T. de Saint-Omer Dunkerque D´ epartement G´ enie Thermique et ´ energie COURS DE MACHINES FRIGORIFIQUES Olivier PERROT 2010-2011 2 Avertissement : Ce cours de machines frigoriﬁques propose d’aborder le principe des ma- chines frigoriﬁques ` a compression ou ` a absorption. L’analyse qui en r´ esulte se base sur l’´ etude des cycles thermodynamiques dans diﬀ´ erents diagrammes. Cette pr´ esentation n’aborde donc pas le point de vue technologique des diﬀ´ erentes machines. Le vocabulaire employ´ e est donc celui de la thermody- namique (Cours 1er semestre Thermodynamique). Cette pr´ esentation r´ esulte de la lecture de nombreux ouvrages et documents dont la plupart ne sont pas cit´ es dans la bibliographie. En particulier, je me suis largement inspir´ e du polycopi´ e du professeur R. Houdart, ainsi que des nombreux documents accessibles en ligne. 3 Bibliographie : 1. H. NOACK et R. SEIDEL, Pratique des installations frig- oriﬁques, Editions PYC 2. P.J. RAPIN et P. JACQUARD, Installations frigoriﬁques, Editions PYC Table des mati` eres 1 G´ en´ eralit´ es sur le froid 8 1.1 Bref historique de la production de froid . . . . . . . . . . . 9 1.2 Applications industrielles du froid . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1.3 Production de froid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1.4 Cycle frigoriﬁque de Carnot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 1.5 D´ eﬁnitions caract´ eristiques du cycle frigoriﬁque . . . . . . . . 11 1.6 Coeﬃcient de performance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 1.7 Rendement du cycle : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 2 Diagrammes frigoriﬁques 14 2.1 Propri´ et´ es du diagramme T −S . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 2.2 Diagramme enthalpique : diagramme des frigoristes . . . . . . 18 2.2.1 Diagramme enthalpique : propri´ et´ es . . . . . . . . . . . 18 3 Machines ` a compression m´ ecanique simple 24 3.1 Machines frigoriﬁques : principe . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 3.2 Repr´ esentation du cycle frigoriﬁque th´ eorique . . . . . . . . . 24 3.3 Bilan thermique du cycle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 4 Machines ` a compression ´ etag´ ee 28 4.1 Principe de la compression bi´ etag´ ee . . . . . . . . . . . . . . . 28 4.1.1 Principe par refroidissement dans une compression bi- ´ etag´ ee . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 4.1.2 Cycle dans le diagramme entropique . . . . . . . . . . 29 4.1.3 Cycle dans le diagramme ln(P) −h . . . . . . . . . . . 30 4.2 Machines ` a injection partielle . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 4.2.1 Description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 4.2.2 Bilan enthalpique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 4.3 Machines ` a injection totale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 4.3.1 Description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 4 TABLE DES MATI` ERES 5 4.3.2 Machines en cascades : application : liqu´ efaction de l’azote . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 5 Description simpliﬁ´ ee du rendement volum´ etrique 37 5.1 Notion de rendement volum´ etrique . . . . . . . . . . . . . . . 37 5.2 D´ eﬁnitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 5.3 Cycle du compresseur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 5.4 Repr´ esentation du cycle du compresseur dans le diagramme de Clapeyron . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 5.5 D´ eﬁnition du rendement volum´ etrique . . . . . . . . . . . . . 39 5.6 Expression du rendement volum´ etrique r´ esultant d’un espace mort . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 5.7 ´ Enum´ eration des autres eﬀets susceptibles de r´ eduire le ren- dement volum´ etrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 6 Caract´ eristiques des ﬂuides frigoriﬁques 43 6.1 Fluides frigoriﬁques : nomenclature . . . . . . . . . . . . . . . 43 6.2 Les gaz ﬂuor´ es et l’environnement . . . . . . . . . . . . . . . . 45 6.2.1 L’appauvrissement de la couche d’ozone . . . . . . . . 45 6.2.2 Les gaz ` a eﬀet de serre . . . . . . . . . . . . . . . . 47 7 M´ elanges binaires 51 7.1 R` egle des phases : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 7.2 Loi de Raoult . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 7.2.1 D´ eﬁnitions pr´ eliminaires . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 7.2.2 Loi de Raoult . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 7.2.3 ´ Evolution de l’´ equilibre en fonction de la temp´ erature : application ` a la distillation . . . . . . . . . . . . . . . . 57 8 Machines ` a absorption liquide 58 8.1 Sch´ ema de principe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 8.2 Fonctionnement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 8.3 Cycle d’Oldham . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 8.4 Calcul des coordonn´ ees des points du cycle . . . . . . . . . . . 64 8.5 Calcul du coeﬃcient de performance . . . . . . . . . . . . . . 67 9 Liqu´ efaction des gaz 70 9.1 Historique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 9.2 Cycle de Linde : diagramme P-V . . . . . . . . . . . . . . . . 71 9.3 Cycle de Linde : diagramme T-S . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 9.4 Rappel sur la d´ etente de Joule-Thomson . . . . . . . . . . . . 73 TABLE DES MATI` ERES 6 uploads/Industriel/ cours-machines-frigorifiques.pdf