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Site: http://genie.industriel.iaa.free.fr LA MACHINE FRIGORIFIQUE Le froid est une technique de conservation utilisée en IAA. Il a pour objectif la réduction des activités métaboliques et physiologiques: − maintien de la fermeté: ralentisement des activités enzymatiques (pectinases, Béta galactosidase) − maintien de la couleur − ralentir la respiration C6H12O6 +6 02 ---> 6CO2 + 6 H2O + Chaleur − réduction des pertes en eau et en poids − Ralentissement le processus de senescence, garantie de la fraicheur − Garantir l'état sanitaire: limite de la croissance des microorganismes Plusieurs procédés sont disponibles. On distingue les process pour: la conservation − installation à détente directe (évaporateur) − installation à circuit secondaire (fluide frigorigéne) Pour le refroidissement Par le vide (Vacuum- cooling) Par l'eau glacé (hydro cooling) par l'air forcé (air cooling) par le froid humide I. Généralités Le froid est : − l'abscence d'energie − l'abscence de chaud − l'abscence de calorie NB: 0°F= - 18°C Source chaude= extérieur de l'enceinte frigorifique Source froide= intérieur de l'enceinte frigorifique G.I. D4.13/Chapitre 4 – La machine frigorifique Cours de Richard MATHIEU 1 A Point froid B Point chaud Isolant Site: http://genie.industriel.iaa.free.fr Le système est ouvert: on enlève les calories du point A vers le point B. Le système va permettre de transporter ces calories d'1 point A vers B et ce système, avec un changement, va pouvoir revenir au point froid et faire un travail. Le principe de la machine frigo suit des lois thermodynamiques. I. Le Cycle de CARNOT C'est une transformation idéale, c'est à dire que les performances dans les conditions de fonctionnementsont maximales. a) Les quatres temps théoriques: 1->2: compression adiabatique 2->3: liquéfaction (condensation) isobare et isotherme 3->4: détente adiabatique 4->1 évaporation du fluide corps pur (isobare et isotherme) Ce cycle idéal sert de référence pour le cycle réel d'une machine frigorifique. b) Echange d'énergie 1->2 : Adiabatique Q1-2= 0 ; W1-2= 1/(γ-1) *(P1V1-P0V0) et W1-2 >0. W1-2 est fournit par le compresseur. W1-2-3-4>0 2->3: Condensation exothermique Q4-1 = QC Q2-3 absorbée par l'évaporateur est prise à la source froide (noté Qf) 3->4 détente adiabatique Q3-4= 0 4->1 vaporisation G.I. D4.13/Chapitre 4 – La machine frigorifique Cours de Richard MATHIEU 2 P V (Kg/m3) 3 2 1 4 Qf Qc W1-2>0 P1 P2 V0 V3 V2 V1 Site: http://genie.industriel.iaa.free.fr c) coefficient de performence Le but recherché est la production de Qf. Cela se fait en évacuant Qc à l'extérieur mais aussi en absorbant le travail W, notamment celui qui est fourni par le compresseur au fluide (W1-2) Le coefficient η est défrini par le rapport: « recette »/ « dépense » Ce coefficient ou COPF = Qf /W = Qf/(-QF-QC) C'est un nombre positif sans dimension, supérieur à 1. Il peut être évalué à partir des diagramme: − enthalpie-pression − enthalpie-température − entropie-température et à partir de simples mesure de température effectué sur la machine. d) Deuxième principe de la thermodynamique La chaleur ne peut passer spontanément d'un milieu froid à un milieu chaud. L'énoncé de Carnot indique comment organiser le cycle de telle façon que le coefficient de performance soit le plus grand possible. 1) le système (fluide frigorigène) décrivant un cylce dans la machine ditherme doit échanger le de chaleur avec deux mileux extérieurs: l'un à tempéraure Tc, appelée source chaude laute à température Tf, inférieure à Tc appelée source froide. 2) Si le cycle décrit par le sysême est un cycle de Carnot évoluant entre deux sources de température Tf et Tc données; le coefficent de performance st le plus grand possible et s'exprime par: COPF maxi = TF/ (TC-TF) TC et TF en KELVIN e) Egalité de Carnot et Clausius Elle concerne toute machine dont le fluide décrirait un cycle idéal de Carnot QF/TF + QC/TC = 0 II. Production du froid Une installation de froid industriel est composée de trois parties: - la production proprement dite - la distribution - éventuellement, le stockage G.I. D4.13/Chapitre 4 – La machine frigorifique Cours de Richard MATHIEU 3 Site: http://genie.industriel.iaa.free.fr Industriellement, 3 systèmes sont utilisés : - le free cooling - les systèmes à compression mécanique - les systèmes à absorption a) Free cooling Le Free cooling n'est pas à proprement parler un système de production de froid. Il n'est applicable qu'à la réfrigération. Le free cooling consomme très peu d'énergie (une pompe et / ou un ventilateur) par rapport à la production de froid par compression mécanique. Il peut être utilisé seul (rarement), ou en pré-refroidissement avant une installation classique dont il permet de diminuer la puissance (par exemple, lorsque le produit à refroidir est chaud). Il peut arriver que l'installation de free cooling suffise au refroidissement en hiver (air ambiant froid) et que le couplage soit nécessaire pour les autres saisons. Cette technique a des temps de retour excellents et doit être exploitée à chaque fois que possible b) compression mécanique Ils sont les systèmes les plus classiquement rencontrés, à plus de 90 % dans l'industrie. Ce système consomme de l'énergie mécanique, essentiellement fournie par consommation d'électricité dans le compresseur, mais aussi dans les auxiliaires (pompes, ventilateurs des condenseurs…). Ce système s'applique à tous les niveaux de température et de puissance frigorifique, avec le ou les frigorigène(s) adéquat(s) et des variantes (systèmes polyétagés, en cascade…). c) Les systèmes à absorption Ils utilisent de l'énergie thermique. Le plus répandu est le système à absorption continu, avec une solution de bromure de lithium. Ces systèmes ne sont utilisables que pour du froid positif.Le rendement est moindre par rapport aux systèmes à compression mécanique, mais la source chaude peut être de la chaleur perdue sur les procédés, donc "gratuite". C'est ainsi qu'une cogénération (production simultanée d'électricité et de chaleur) peut devenir une trigénération quand une partie de la chaleur est utilisée pour produire du froid. De plus, les fluides frigorigènes utilisés n'ont aucune contribution à la destruction de la couche d'ozone et à l'effet de serre. G.I. D4.13/Chapitre 4 – La machine frigorifique Cours de Richard MATHIEU 4 Site: http://genie.industriel.iaa.free.fr III. Organisation générale VI. Compression Mecanique: organisation de l'installation G.I. D4.13/Chapitre 4 – La machine frigorifique Cours de Richard MATHIEU 5 Site: http://genie.industriel.iaa.free.fr a) Organes: description et rôle Le compresseur : il aspire les vapeurs provenant de l'évaporateur (vapeur se situant à un bas niveau de température et de pression) et les comprime jusqu'à un plus haut niveau de température et de pression. Le condenseur : il évacue la chaleur contenue dans le fluide afin de le liquéfier. Donc pour liquéfier le fréon, on va échanger de la chaleur avec un médium qui peut être de l'air ou de l'eau AB désurchauffe (évacuation par chaleur sensible) BC condensation (évacuation par chaleur latente) CD sous refroidissement (évacuation par chaleur sensible) G.I. D4.13/Chapitre 4 – La machine frigorifique Cours de Richard MATHIEU 6 Site: http://genie.industriel.iaa.free.fr Le détendeur : son rôle est de créer une grande perte de charge (baisser la pression) pour permettre la vaporisation (ébullition) à basse température dans l'évaporateur. Il régule aussi la quantité de liquide arrivant à l'évaporateur en fonction des besoins de "froid" (uniquement pour les détendeurs thermostatiques). Le débit de fréon pour les tubes capillaire est fonction: du diamètre intérieur (de 0.6 à 1.5 mm), de la longueur (de 1.80 m à 3.50 m), de la différence de pression entre le condenseur et l'évaporateur L'évaporateur : il collecte la chaleur du milieu à refroidir pour que le fluide froid et à basse pression, absorbe celle-ci et passe de l'état liquide à l'état de vapeur. AB : évaporation (aspiration de chaleur latente) BC : surchauffe (aspiration de chaleur sensible) Froid positif: température de détente: -10 à -20 Froid négatif: tempétature de détente: -30 à -70°C b) Installation à détente directe G.I. D4.13/Chapitre 4 – La machine frigorifique Cours de Richard MATHIEU 7 Site: http://genie.industriel.iaa.free.fr Le fluide frigorigène refroidit directement le produit en s'évaporant. Il n'y a pas de fluide intermédiaire. C'est le système de distribution le plus efficace énergétiquement, cependant il est moins modulable : il est plus difficile d'ajouter des usages sur le conduit de frigorigène qui est sous pression. c) Installation à détente indirecte G.I. D4.13/Chapitre 4 – La machine frigorifique Cours de Richard MATHIEU 8 Site: http://genie.industriel.iaa.free.fr Le fluide frigorigène refroidit un fluide intermédiaire appelé fluide frigoporteur, qui assure le transfert du froid par un circuit frigoporteur vers les éléments concernés. D'un point de vue énergétique, ce système est moins efficace à cause de l'opération supplémentaire d'échange de chaleur et de la présence de pompes sur le circuit frigoporteur. Il est également plus complexe. Cependant, pour une installation étendue dans l'espace ou qui est souvent remodelée, le refroidissement indirect est plus souple. De plus, il permet de confiner et de limiter la charge de fluide frigorigène ce qui est intéressant lorsque celui-ci est dangereux (NH3 par exemple) ou pour limiter les fuites quand celui-ci a une contribution forte à l'effet de serre. G.I. D4.13/Chapitre 4 – La machine frigorifique Cours de Richard MATHIEU 9 uploads/Industriel/ d4-13-ch4-machine-frigorifique.pdf