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1 PRODUCTION DE FROID 2 Sommaire Préambule ....................................

1 PRODUCTION DE FROID 2 Sommaire Préambule ............................................................................................................................................ 3 Introduction ......................................................................................................................................... 5 I) Recherches Bibliographies sur le Procédé ............................................................................. 6 1) Les procédés à compression mécanique ......................................................................................... 6 2) Les procédés à compression thermique à sorption ........................................................................ 7 3) La réfrigération thermoélectrique ................................................................................................... 8 II) Choix du procédé - La production de froid par absorption ................................................. 9 III) Bilans sur le procédé .............................................................................................................. 14 1) Détermination des températures et des pressions dans l’installation ........................................ 15 2) Bilan de matière sur l’installation .................................................................................................. 17 3) Bilan thermique et énergétique sur l’installation ......................................................................... 19 4) Bilan sur les colonnes ..................................................................................................................... 21 5) Coefficient de performance du système ....................................................................................... 25 6) Schéma bilan ................................................................................................................................... 25 IV) Dimensionnement de l’installation ....................................................................................... 27 1) Choix du matériau et calcul préliminaire des épaisseurs ............................................................. 27 2) Dimensionnement des colonnes.................................................................................................... 29 a) Colonne d’absorption : ............................................................................................................ 29 b) Colonne à distiller : .................................................................................................................. 30 3) Dimensionnement des échangeurs ............................................................................................... 38 a) Dimensionnement du condenseur .......................................................................................... 38 b) Dimensionnement de l’évaporateur ....................................................................................... 54 c) Dimensionnement de l’échangeur thermique à serpentin : colonne d’absorption ................... 67 d) Dimensionnement de l’échangeur de chaleur à faisceau tubulaire ....................................... 73 e) Echangeurs de la colonne de séparation ................................................................................. 81 f) Dimensionnement du condenseur partiel .................................................................................. 87 4) Dimensionnement des canalisations ............................................................................................. 96 5) Calcul des pertes de charges .......................................................................................................... 97 6) Pompe et robinetterie .................................................................................................................... 98 a) Robinetterie ............................................................................................................................. 98 b) Pompe .................................................................................................................................... 101 V) Système de régulation .......................................................................................................... 103 VI) Sécurité du procédé .............................................................................................................. 105 Conclusion ........................................................................................................................................ 106 3 Table des figures .............................................................................................................................. 110 Table des tableaux ........................................................................................................................... 112 Table des annexes ............................................................................................................................ 114 4 Préambule Les premières utilisations du froid remontent à une période inconnue. En effet on sait que dès l’Antiquité, les Romains avaient déjà compris que les aliments se conservaient mieux lors de l’hiver lorsqu’il faisait plus froid. C’est pourquoi ils stockaient leurs denrées alimentaires dans des cavernes où la température ambiante était bien plus fraîche qu’à l’extérieur. Ainsi lors de la révolution industrielle la maitrise de cet élément devient un enjeu pour optimiser les procédés industriels et pour améliorer notre confort. C’est en 1862 que fut présentée par Ferdinand Carré la première machine à fabriquer de la glace lors de l’exposition universelle de Londres. Cette machine pouvait donc produire de la glace de manière industrielle ce qui était une innovation pour l’époque. Elle fonctionnait avec le procédé d’absorption que nous détaillerons plus tard. Ensuite en 1870, Tellier conçut la première armoire conservatrice d’aliment, connu sous le nom de réfrigérateur. Quelques années plus tard Tellier réussit à transporter de la viande depuis la France et jusqu’en Argentine en installant une chambre froide dans un navire. Pour l’époque c’était la première fois qu’un tel voyage fut réalisé. Ce voyage permis de développer par la suite les échanges entre les différents pays du globe et notamment les échanges de viandes et de poisson. Le froid produit dans cette chambre était dû à un procédé utilisant la compression mécanique. Ainsi deux types de machines à froid se distinguaient, les machines à absorption ou à compression. D’autres procédés furent conçut mais ces derniers sont peu utilisés dans l’industrie car ils sont moins performants et moins facile à mettre en place. Le froid a de nombreuses utilisations dans l’industrie, tant pour refroidir des fluides ou conserver des produits par exemple. Dans l’industrie on retrouve majoritairement le froid dans les secteurs de l’agro- alimentaire, de la chimie et de la pétrochimie. Plus communément le froid est aussi utilisé dans le domaine médical pour conserver le plasma sanguin par exemple. Puis pour notre confort les applications du froid sont la climatisation et la réfrigération. 5 Introduction L’objectif de ce projet est de dimensionner une installation pour une production de froid. La chambre froide à dimensionner doit délivrer une puissance de 70 kW avec une température interne de -18°C. Nous avons à notre disposition de l’eau froide à 15°C et de la vapeur à 3 bars. Nous allons tout d’abord déterminer les différents procédés permettant la production de froid. Ensuite, nous choisirons le procédé à dimensionner. Nous réaliserons un schéma de principe pour comprendre le fonctionnement du procédé. Puis, nous établirons le bilan matière et énergétique pour pouvoir ensuite pré-dimensionner les appareils. Pour ce qui est de la partie technologique, nous réaliserons d’abord le schéma de procédé puis nous dimensionnerons chacun de nos appareils, Ensuite, nous établirons un système de régulation. 6 1 4 I) Recherches Bibliographies sur le Procédé La réfrigération peut consister à abaisser la température dans un espace donné et permettant de maintenir des produits à une température suffisamment basse pour les conserver. Pour la production de froid, il existe trois catégories principales de procédés :  Les procédés à compression mécanique ;  Les procédés à compression thermique à sorption ;  La réfrigération thermoélectrique. 1) Les procédés à compression mécanique Lors de cours de thermodynamique, nous avons étudié ce type de procédé. Figure 1 : Schéma de principe du procédé à compression mécanique Dans ce circuit, circule un fluide frigorigène qui va successivement se vaporiser et se condenser afin de refroidir le milieu ambiant. 1) Le fluide en sortie de l’évaporateur est dans son état gazeux. Il passe ensuite à travers le compresseur pour monter en pression et favoriser la condensation. En effet, plus la pression est élevée, moins l’énergie nécessaire à la condensation est importante. 2) Le gaz arrive comprimé dans le condenseur. Le rôle du condenseur est de restituer au fluide frigorigène son état initial (liquide) pour pouvoir capter au mieux l’énergie de l’environnement nécessaire à la vaporisation. Condenseur Évaporateur Compresseur Vanne de détente 2 3 7 Les chiffres écrits de la sorte [1] correspondent à des références listées en fin de rapport. 3) En sortie du condenseur, le fluide frigorigène est dans son état liquide. Il va passer à travers la vanne de détente. Elle règle la quantité de fluide frigorigène à admettre dans l’évaporateur. 4) Le fluide détendu va maintenant passer à travers l’évaporateur. C’est grâce à cet appareil que nous allons produire le froid. En effet, le fluide frigorigène détendu va vouloir se vaporiser, il va donc capter de l’énergie au milieu ambiant pour changer d’état ce qui va refroidir le milieu. 2) Les procédés à compression thermique à sorption Absorption liquide : Figure 2 : Schéma de principe du procédé à compression thermique Ce procédé diffère avec celui à compression mécanique seulement au niveau du compresseur. En effet, dans ce procédé, le système d’absorption composé de la pompe, de l’absorbeur et du séparateur remplace le compresseur. Dans ce système, la montée en pression s’effectue par le biais d’une pompe grâce au système d’absorption qui permet d’avoir le fluide frigorigène sous état liquide avec de l’eau. Ensuite, le séparateur permet de refouler le fluide frigorigène dans son état gazeux sans présence d’eau. On peut aussi réaliser le même type de procédé en remplaçant l’absorbeur par un adsorbeur. Condenseur Évaporateur Vanne de détente Séparateur Absorbeur Pompe 8 Pour ce procédé, nous utilisons principalement de l’énergie thermique (au séparateur) alors que pour un procédé classique, on utilise plus de l’énergie mécanique (pour le compresseur). 3) La réfrigération thermoélectrique Ce procédé inventé par un dénommé Peltier repose sur le fait que du courant continu circulant au point de liaison de différents métaux engendre du froid ou de la chaleur. Le refroidissement thermoélectrique est une technique de refroidissement utilisant la thermoélectricité. On utilise pour cela des composants nommés « modules Peltier » qui transforment un courant électrique en une différence de température. Ce module est alimenté par un courant et présente deux faces, l’une dite froide et l’autre chaude. L’objet à refroidir doit se mettre sur la face froide, tandis qu’il est nécessaire d’avoir un mécanisme d’évacuation de la chaleur de l’autre côté (ventilateurs...). Un module Peltier est constitué d’une série de « couples » constitués d’un matériau semi-conducteur sélectionné pour que les électrons puissent jouer le rôle de fluide caloporteur. Ainsi lorsque ce module est traversé par un courant, les électrons vont se déplacer vers une des faces du module provoquant l'échauffement de celle-ci et le refroidissement de l'autre. Cependant ce procédé est très peu répandu car le froid produit est très faible. 9 II) Choix du procédé - La production de froid par absorption Pourquoi ce choix ? Ce choix nous a été imposé par le professeur afin de mettre en application le maximum de connaissances acquises au cours de la formation. En effet, ce procédé met en œuvre deux procédés de séparation qui sont l’absorption et la distillation. Choix du fluide – Le couple eau-ammoniac [4] Pour ce type d’installation, nous devons choisir un binaire. Il en existe plusieurs :  Ammoniac - eau  Bromure de lithium – eau  Glycols-fréons Nous choisirons le binaire ammoniac-eau car les autres binaires sont généralement utilisés pour des petites machines ménagères et pour un froid climatique. Or, pour notre installation, nous voulons obtenir une température inférieure à 0℃. Il est recommandé de choisir dans ce cas le binaire eau- ammoniac. D’autre part, l’eau a la capacité d’absorber à froid uploads/Industriel/ production-de-froid.pdf