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Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie énergétique B 9 745 − 1 Production de froid Exemples de calcul de machines par Georges VRINAT Ingénieur du Conservatoire national des arts et métiers et de l’Institut français du froid industriel Ancien Directeur projet et développement de la société SAMIFI-BABCOCK 1. Changement de frigorigène .................................................................. B 9 745 - 2 1.1 Données du système avant changement .................................................. — 2 1.1.1 Cycle de référence .............................................................................. — 3 1.1.2 Calcul des performances.................................................................... — 3 1.2 Performances après changement de ﬂuide............................................... — 3 2. Groupe refroidisseur d’eau glacée...................................................... — 4 2.1 Données du problème................................................................................. — 4 2.2 Bases de déﬁnition du groupe.................................................................... — 4 2.2.1 Puissance frigoriﬁque brute............................................................... — 4 2.2.2 Températures du cycle ....................................................................... — 4 2.3 Choix du compresseur ................................................................................ — 4 2.4 Choix de l’évaporateur................................................................................ — 5 2.5 Choix du condenseur .................................................................................. — 5 2.6 Étude du circuit............................................................................................ — 5 2.6.1 Points principaux................................................................................ — 5 2.6.2 Calcul des débits................................................................................. — 5 2.6.3 Dimensionnement des tuyauteries ................................................... — 6 3. Circuit frigoriﬁque pour surgélateur industriel .............................. — 6 3.1 Données du problème................................................................................. — 6 3.2 Bases de déﬁnition du circuit ..................................................................... — 6 3.2.1 Puissance frigoriﬁque nécessaire...................................................... — 6 3.2.2 Températures du cycle ....................................................................... — 7 3.3 Choix des compresseurs............................................................................. — 7 3.4 Choix du condenseur .................................................................................. — 8 3.5 Appareils auxiliaires.................................................................................... — 8 3.5.1 Points principaux................................................................................ — 8 3.5.2 Calcul des débits................................................................................. — 9 3.5.3 Détermination de l’économiseur pour un séparateur de liquide vertical.............................................. — 9 3.5.4 Détermination du séparateur de liquide basse pression de type horizontal................................... — 9 3.5.5 Pompe de circulation.......................................................................... — 9 3.5.6 Tuyauteries principales ...................................................................... — 10 4. Bilan frigoriﬁque d’une chambre froide............................................ — 10 4.1 Refroidissement des denrées ..................................................................... — 10 4.2 Refroidissement des matériaux de conditionnement .............................. — 10 4.3 Chaleur métabolique des denrées ............................................................. — 10 4.4 Échanges thermiques par les parois de la chambre froide...................... — 10 4.5 Échanges atmosphériques.......................................................................... — 11 4.6 Éclairage....................................................................................................... — 12 4.7 Moteurs et engins en fonctionnement dans la chambre ......................... — 12 4.8 Personnes présentes ................................................................................... — 12 4.9 Ventilation interne de la chambre .............................................................. — 12 4.10 Majoration. Puissance frigoriﬁque............................................................ — 12 PRODUCTION DE FROID _________________________________________________________________________________________________________________ Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. B 9 745 − 2 © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie énergétique es exercices ont pour but de familiariser le lecteur aux calculs des composants essentiels des circuits frigoriﬁques à savoir les compresseurs et les échangeurs. Ils ne prennent pas en compte les accessoires indispensables tels que les dis- positifs de sécurité, l’automaticité et le contrôle. Le choix de ces appareils se fait dans les catalogues des fournisseurs et ne nécessite aucun calcul précis. L’exercice concernant le changement de frigorigène est applicable à des frigorigènes différents mais de même nature (halogénés). Ainsi, il est possible de transposer l’exercice traitant le groupe refroidisseur d’eau glacée à un autre frigorigène, étant entendu que les performances des échangeurs ne sont que peu ou pas modiﬁées par l’emploi d’un autre frigorigène. Le dernier exercice est relatif au calcul du bilan thermique d’une chambre froide. En fait, il faut le considérer beaucoup plus comme une méthodologie qu’un exercice d’application. Son intérêt réside dans sa portée générale car la méthode est applicable à tous les types de chambres froides qu’elles soient à température supérieure à 0 oC (denrées fraîches ou vivantes) ou inférieure à 0 oC (stockage des denrées et produits surgelés). Elle peut également servir de guide pour le calcul du bilan d’un système de réfrigération ou de congélation de produits en considérant que tous les postes sont thermiquement couverts en une heure de fonctionnement de la machine frigoriﬁque. L 1. Changement de frigorigène Compte tenu des problèmes causés par certains frigorigènes (CFC) sur l’environnement et, en particulier, sur la couche d’ozone et l’effet de serre additionnel, la production du CFC 12 (CF2CI2) est arrêtée depuis le 1er janvier 1995. Les procédures légales de récupération de ce ﬂuide sur des installations existantes ont été mises en place, mais les quantités récupérées ne peuvent sufﬁre à l’entretien des machines restant en service. Si l’installation utilisant du R 12 n’est pas trop ancienne, on peut envisager d’en prolonger l’existence en remplaçant son frigorigène par le R 134a dont les caractéristiques, vis-à-vis de l’environnement, comparées à celles du R 12 sont les suivantes : (0) Le but de cet exemple est de montrer comment recalculer, avant toute intervention sur l’installation, les nouvelles performances du système avec le nouveau frigorigène. Le circuit considéré dans cette application est un groupe de refroidissement d’eau glacée. La méthode consiste à déduire des performances de la machine, fonctionnant au R 12, celles qu’aura cette même machine avec du R 134a. Pour cela on admet, sans faire de grosse erreur, que, pour des taux de compression voisins, les valeurs des rendements volumé- trique ηV et effectif ηeff du compresseur demeurent utilisables. À partir d’un relevé complet du cycle avant transformation, on évalue les deux rendements ηV et ηeff qui vont servir au calcul des nouvelles puissances frigoriﬁque et absorbée. 1.1 Données du système avant changement Le circuit frigoriﬁque (ﬁgure 1) renferme un compresseur ouvert, à simple effet, dont les caractéristiques de construction sont les suivantes : — alésage (diamètre du piston)....................................D = 80 mm — course (déplacement du piston) ...............................c = 70 mm — nombre de cylindres ........................................................... n = 4 — vitesse de rotation ....................................... N = 1 450 tr · min–1 Son rendement volumétrique peut se représenter par la loi linéaire : ηV = 1 – a τ (1) avec τ taux de compression tel que (rapport des pressions absolues de refoulement et d’aspiration). Les conditions de fonctionnement relevées avant changement de ﬂuide sont les suivantes : — température d’évaporation................................................θF = 0 oC — température de condensation ................................ θC = + 40 oC — surchauffe utile sortie évaporateur.....................................10 K — sous-refroidissement sortie condenseur..............................5 K — puissance frigorifique dans ces conditions........................φF = 59,70 kW (frigorifique) — puissance effective absorbée ............................ Peff = 15,10 kW Fluide R 12 R 134a potentiel de dégradation de l’ozone (ODP).. 1 0 potentiel d’effet thermique (GWP)................ 3,06 0,30 ODP : ozone depletion potential GWP : global warming potential τ pC pF - - - - - - - - = _________________________________________________________________________________________________________________ PRODUCTION DE FROID Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie énergétique B 9 745 − 3 1.1.1 Cycle de référence Les différentes valeurs du tableau 1 sont issues du logiciel Thermoﬂuid ou des tables de vapeur éditées par la société Dehon. (0) 1.1.2 Calcul des performances Les relevés du tableau 1 vont permettre de calculer successive- ment les paramètres suivants : — débit-masse de frigorigène circulant : — puissance théorique de compression : (h2 – h1) = 0,479 × (379,16 – 357,97) = 10,15 kW — débit-volume aspiré par le compresseur : — débit-volume engendré par le compresseur : — rendement volumétrique du compresseur : ηV = débit-volume aspiré/débit-volume engendré — coefficient a de l’équation (1) qui exprime ce rendement : • taux de compression.................................... 1 – a × 3,12 = 0,820 • coefﬁcient........................................... — rendement effectif du compresseur : 1.2 Performances après changement de ﬂuide On envisage le fonctionnement de la machine avec le R 134a, en conservant les valeurs des températures d’évaporation et de conden- sation, ainsi que la surchauffe et le sous-refroidissement relevés avec le R 12. On admet que le coefﬁcient a calculé (§ 1.1.2) est encore valable avec ce ﬂuide et que le rendement effectif est inchangé. À partir du logiciel ou des tables de vapeur du R 134a (CFH2 – CF3), on détermine les valeurs du tableau 2 qui permettent les calculs suivants. (0) I Nouvelle puissance frigoriﬁque — taux de compression : τ ’ = pC /pF = 10,164/2,920 = 3,48 — rendement volumétrique : — débit-masse : — puissance frigorifique : Figure 1 – Circuit frigoriﬁque de refroidissement d’eau glacée fonctionnant soit au R12, soit au R134a Tableau 1 – Caractéristiques du circuit de refroidissement d’eau glacée fonctionnant au R 12 Point particulier (ﬁgure 1) Pression absolue p Température Enthalpie massique h Volume massique v (bar) (oC) (kJ · kg–1) (m3 · kg–1) Vapeur surchauffée ...... 1 3,080 + 10 357,97 0,058 3 Vapeur surchauffée ...... 2 9,607 + 55,7 379,16 0,021 2 Liquide sous-refroidi..... 3 9,607 + 35 233,52 0,8 × 10–3 Liquide détendu ............ 4 3,080 0 233,52 (1) Vapeur saturée.............. 5 3,080 0 351,47 0,108 8 (1) Après détente, le frigorigène est à l’état diphasique, son titre en vapeur est alors x4 = 0,22. m ˙ φF h1 h4 – ( ) - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 59,70 357,97 233,52 – ( ) - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - uploads/Industriel/ production-de-froid-exemples-de-calcul-de-machines 1 .pdf