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Département Génie industriel Rapport de synthèse Aspects énergétiques dans la p

Département Génie industriel Rapport de synthèse Aspects énergétiques dans la production du froid Année Universitaire 2009/10 2 Sommaire Partie I – Introduction 3 Partie II - Techniques de refroidissement 4 - Refroidissement par compression 4 - Refroidissement par absorption 8 - Les fluides frigorigènes 13 Partie III - Stockage d’énergie thermique 14 - Avantages et inconvénients du stockage du froid 14 - Réservoirs de stockage thermique 16 - Technologies de stockage d’énergie thermique 18 Partie IV - Résumé de la visite à l’unité de fabrication d’installations frigorifiques FROIDEL S.A.R.L. 21 Partie V – Conclusion 24 Partie VI – Bibliographie 25 3 Partie I - Introduction Historique : 1 - Le Froid avant les machines frigorifiques : - Glace Naturelle L’Homme des pays tempérés s’est rapidement rendu compte que les denrées périssables pouvaient être conservées dans de bien meilleures conditions l’hiver que l’été. L’utilisation du « froid naturel » s’est faite très tôt et aussi très longtemps puisqu’au début du 20ème siècle le marché de la glace naturelle était encore plus important que celui de la glace artificielle. La glace produite naturellement, sans machines, était : • soit issue, de façon permanente, de régions froides et transportée sur de longues distances ; • soit issue, de manière discontinue, des pièces d’eau des régions tempérées gelées par le froid hivernal. Il était nécessaire de conserver cette glace dans des édifices particuliers les « glacières » dont les parois devaient être thermiquement isolantes. • soit produite, toujours de manière naturelle, mais à l’instigation de l’homme, quand cela était possible. Ainsi, dans les pays au ciel très clair, on a pu produire de la glace dans des bassins largement ouverts vers le ciel. Le rayonnement thermique de l’eau permettait, dans certaines conditions atmosphériques, un refroidissement suffisant pour former de la glace. - Mélanges réfrigérants On s’est avisé, sans doute fortuitement, que le mélange de certains sels dans l’eau abaissait notablement la température de la solution ainsi obtenue. Le premier à avoir évoqué l’usage, en Inde, au 4ème siècle, de tels mélanges semble être l’écrivain arabe Ibn Abi Usaibia. L’usage du refroidissement de l’eau par l’emploi du salpêtre est cité par le médecin italien Zimara, à Padoue (1530) et le médecin espagnol, Blas Villafranca, à Rome (1550). On a ensuite découvert que le mélange de neige et de sels permettait d’atteindre des températures encore plus basses. Ces phénomènes ont été relatés par Battista Porta (1589) et Tancredo (1607). 2 - L’apparition des divers systèmes frigorifiques : Nous distinguerons deux grandes classes de systèmes frigorifiques : ceux qui consomment, pour fonctionner, de l’énergie mécanique ou son équivalent, les systèmes mécano- frigorifiques, et ceux qui consomment essentiellement de l’énergie thermique, les systèmes thermo-frigorifiques. 4 - Systèmes mécano-frigorifiques Parmi eux, deux familles se détachent : • Les systèmes à compression de vapeurs liquéfiables, • Les systèmes utilisant des cycles à gaz • Systèmes thermoélectriques - Systèmes thermo-frigorifiques On distingue, parmi ces systèmes frigorifiques consommant de l’énergie thermique : • les systèmes à absorption, • les systèmes à adsorption et thermo-chimiques • les systèmes à éjection Partie II – Techniques de refroidissement : 2 - Refroidissement par compression La façon la plus courante de produire du froid selon un procédé industriel consiste à utiliser le cycle dit à compression, dans lequel un fluide en circuit fermé est comprimé, condensé, détendu et évaporé. Principe de fonctionnement et performance : Le cycle frigoriﬁque idéal à compression de vapeur est représenté ci-dessous. Figure 1 : Schéma d’un cycle de refroidissement par compression Il est constitué de quatre transformations : 1-2 : une compression adiabatique et réversible. 2-3 : un refroidissement isobare par condensation. 3-4 : une détente irréversible sans échange de travail. 4-1 : et enﬁn un échauffement isobare par évaporation. 5 Il s’agit essentiellement d’un cycle de Rankine-Hirn inversé, sauf que la pompe est remplacée par une vanne. L’efficacité du refroidisseur est déterminée par le calcul du coefficient de performance (COP) de la machine frigorifique qui s’exprime par le rapport entre l’énergie frigorifique fournie et l’énergie consommée : COPf = Qf/W ; Qc = W + Qf avec :  Qc : énergie récupérée au condenseur  W : travail mécanique fourni  Qf : énergie fournie à l’évaporateur. Pour une machine idéale, le calcul du COP peut être effectué au moyen de la relation suivante : COPf = Tf/(Tc-Tf) avec :  Tf : température du fluide frigorigène à l’entrée de l’évaporateur (K)  Tc : température du fluide caloporteur à l’entrée du condenseur (K). En pratique, les COP réels des systèmes en fonctionnement sont à peu près la moitié des valeurs théoriques, jusqu’à des COP de 6 pour les refroidisseurs à compression. Les COP varient en fonction de la charge du refroidisseur ; il faut effectuer des calculs précis du COP pour optimiser le rendement de l’installation. Techniques de compression : Différents types de compresseurs sont envisageables selon l’utilisation du refroidisseur.  Les refroidisseurs équipés d’un compresseur à pistons sont généralement utilisés pour des puissances frigorifiques relativement modérées (inférieures à 1,5 MW) et ont un coefficient de performance plus bas que celui des autres types de refroidisseurs, ce qui réduit leur utilisation dans le domaine du froid urbain. Cette technique est bien connue et facile à exploiter. Il faut noter qu’il existe des compresseurs à pistons dont les puissances frigorifiques vont jusqu’à 30 MW et qui peuvent produire du froid jusqu’à des températures cryogéniques. Ils sont très efficaces, mais leurs coûts d’investissement et d’entretien sont élevés. 6 Figure 2 : Compresseur à piston  Les compresseurs à vis deviennent d’un emploi plus courant et sont disponibles avec des puissances frigorifiques qui les rendent plus adaptés aux applications de froid urbain (jusqu’à 7 MW). On porte de plus en plus d’intérêt aux compresseurs à vis, particulièrement dans le cas d’une utilisation avec l’ammoniac, car ils sont très efficaces et bien adaptés aux taux de compression élevés de l’ammoniac. Cependant, par rapport aux compresseurs à piston, leur bruit pose un problème potentiel. Mais, comparés aux compresseurs centrifuges, ils restent très efficaces avec de l’eau de refroidissement à basse température. Figure 3 : Compresseur à vis  Les compresseurs centrifuges sont les plus courants dans le domaine du froid urbain. Leur puissance frigorifique peut atteindre 25 MW et ils s’adaptent facilement aux variations de charge, jusqu’à un minimum de 40 %. Au-dessous de cette charge minimale, des 7 phénomènes d’instabilité sont susceptibles de se produire. Leur fiabilité, leur coût de fonctionnement par mégawatt et leurs faibles dimensions sont aussi des avantages certains. La différence de prix entre les compresseurs à vis et les compresseurs centrifuges doit être évaluée sur la base des projets spécifiques. Lorsque les températures du condenseur et de l’évaporateur ont été fixées, il faut éviter les grandes pressions différentielles par le choix d’un fluide frigorigène approprié. Figure 4 - Refroidisseurs centrifuges dans la centrale Moteurs utilisés dans les refroidisseurs à compression : En raison de leur faible coût d’investissement et de fonctionnement, les moteurs électriques sont ceux choisis le plus fréquemment pour l’entraînement des refroidisseurs à compression. D’autres dispositions peuvent toutefois être envisagées. Les turbines à vapeur sont utilisées dans un certain nombre de réseaux de froid urbain aux États-Unis. Certains procédés industriels et l’incinération de déchets sont générateurs de sous-produits (chaleur ou vapeur) qui peuvent être obtenus gratuitement. Dans de tels cas, les turbines à vapeur peuvent assurer le fonctionnement des refroidisseurs sans coût énergétique supplémentaire. En raison de l’augmentation du prix de l’électricité en été dans certains pays et de la disponibilité du gaz naturel à un prix relativement bas, les moteurs à combustion et les turbines à gaz sont également utilisés. Les turbines à vapeur et les moteurs à combustion sont parfois préférés car ils fonctionnent même en cas de panne d’électricité. Bien que les moteurs à combustion aient un meilleur rendement que les turbines à vapeur, celles-ci apportent une meilleure sécurité puisqu’il est possible d’alimenter la turbine couplée au refroidisseur à partir de plusieurs chaudières et, ainsi, de disposer de plusieurs combustibles. Dans le choix d’une réalisation par turbine ou moteurs, il faudra prendre en compte les coûts d’exploitation qui sont bien plus élevés pour les moteurs. 8 2 - Refroidissement par absorption Le processus d’absorption est une autre technique industrielle pour la production d’eau glacée. Elle est utilisée en Europe mais, plus encore, aux États-Unis et au Japon, où l’on a beaucoup fait pour améliorer ses performances. Les refroidisseurs à absorption utilisent directement la chaleur comme source première d’énergie pour produire le froid, au lieu d’énergie mécanique, comme c’est le cas des refroidisseurs à compression. Selon la technique employée, la source chaude peut être constituée par de la vapeur d’eau, de l’eau chaude, ou encore les fumées provenant de la combustion directe de gaz. L’utilisation des refroidisseurs à absorption est extrêmement souple. Ils peuvent être intégrés à un réseau de chauffage urbain par vapeur, eau chaude ou gaz. Il s’agit là de la pratique dominante en matière de froid urbain en Allemagne comme au Japon. Ils peuvent également être utilisés dans l’industrie. Leur utilisation uploads/Industriel/ rapport-de-synthese.pdf