Froid et Environnement Denis LEDUCQ, Cemagref 2009 1 Table des matières 1 Génér

Froid et Environnement Denis LEDUCQ, Cemagref 2009 1 Table des matières 1 Généralités sur les systèmes frigorifiques 4 1.1 Principe de production du froid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1.1.1 Cycle monotherme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1.1.2 Cycle frigorifique ditherme . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 1.1.3 Cycle frigorifique tritherme . . . . . . . . . . . . . . . . 14 1.1.4 Efficacité du cycle à compression de vapeur . . . . . . . . 16 2 Préserver la couche d’ozone 20 2.1 Les frigorigènes et la couche d’ozone . . . . . . . . . . . . . . . 21 2.2 Protocole de Montréal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 2.3 Règlement européen 2037/2000/CE du 29/06/2000 . . . . . . . . 24 2.4 Réglementation française : Décret du 07/12/1992 modifié en 98 . . 26 3 Limiter le réchauffement planétaire 27 3.1 Froid et effet de serre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 3.2 Protocole de Kyoto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 3.3 Réglement européen 842/2006 relatif à certains gaz à effet de serre fluorés (F-Gas) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 3.3.1 Directive 2006/40 concernant les systèmes de climatisa- tion de véhicules à moteur . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 3.4 Décret français 737/2007 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 3.5 TEWI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 4 Les fluides frigorigènes 34 4.1 Critères de choix d’un fluide frigorigène . . . . . . . . . . . . . . 35 4.1.1 Dénomination des fluides Rxyz . . . . . . . . . . . . . . 36 4.1.2 Principaux fluides frigorigènes . . . . . . . . . . . . . . . 36 4.2 L’ammoniac : un fluide très réglementé . . . . . . . . . . . . . . 38 2 TABLE DES MATIÈRES 3 4.2.1 Risques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 4.2.2 Réglementation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 Chapitre 1 Généralités sur les systèmes frigorifiques 4 CHAPITRE 1. GÉNÉRALITÉS SUR LES SYSTÈMES FRIGORIFIQUES 5 1.1 Principe de production du froid Produire du froid est un terme impropre, bien que très souvent utilisé. Un cycle permettant de produire du froid ne "produit" rien, mais transporte de la chaleur d’une source froide vers une source chaude. Le problème est que ce transfert du froid vers le chaud ne peut se faire de manière spontanée. Ceci a été énoncé par Clausius et est l’un des énoncés du second principe de la thermodynamique : "La chaleur ne peut passer spontanément d’un corps froid vers un corps chaud" 1.1.1 Cycle monotherme Il est cependant impossible de retirer de la chaleur d’un corps à partir d’un cycle monotherme (utilisant une seule et unique source de chaleur, figure 1.1). En effet, le premier principe s’écrit dans ce cas : xxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxx T Q W FIGURE 1.1 – Cycle monotherme Q+W = 0 (1.1) et le second principe : Q T +∆S = 0 (1.2) où Q est la chaleur reçue de la source de chaleur à la température T, W l’énergie mécanique reçue, et ∆S l’entropie créée au cours du cycle (qui ne peut être que positive ou nulle). Puisque ∆S ≥0, l’équation 1.2 a pour conséquence que Q doit être négatif. Ainsi, lors d’un cycle monotherme, la chaleur ne peut être que cédée à l’extérieur (on chauffe la source) et le travail reçu de l’extérieur. CHAPITRE 1. GÉNÉRALITÉS SUR LES SYSTÈMES FRIGORIFIQUES 6 Il est donc impossible de créer un cycle monotherme refroidissant un corps et entraînant un moteur par la même occasion ! Dommage! (Un exemple souvent cité d’un tel système, s’il était possible, serait un bateau pompant l’énergie calorifique de la mer, laissant derrière lui un sillon de glace dans la mer, et entraînant son propre moteur avec l’énergie récupérée). Lors d’un cycle monotherme, la chaleur ne peut qu’être cédée à la source de chaleur (Q < 0), et l’énergie mécanique reçue par le fluide (W > 0). Il n’est donc pas possible de réaliser un cycle frigorifique monotherme. 1.1.2 Cycle frigorifique ditherme Pour mettre en oeuvre un cycle frigorifique, il est donc nécessaire de disposer d’au moins deux sources de chaleur (figure 1.2. L’une sera appelée source froide (celle dont on va extraire la chaleur) et l’autre la source chaude (celle où l’on va rejeter la chaleur). Appliquons le premier principe à un cycle décrit entre ces deux xxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxx Tf Qf W xxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxx Tc -Qc FIGURE 1.2 – Cycle ditherme sources : Qf +Qc +W = 0 (1.3) où Qf est la chaleur reçue de la source froide, Qc la chaleur reçue de la source chaude et W l’énergie mécanique reçue. Le second principe nous permet d’écrire, pour un cycle réversible et en supposant que les échanges de chaleur se font à la CHAPITRE 1. GÉNÉRALITÉS SUR LES SYSTÈMES FRIGORIFIQUES 7 température des sources : Qf Tf + Qc Tc = 0 (1.4) d’où Qc = −Qf Tc Tf (1.5) Si on reporte cette expression dans l’équation 1.3, on obtient : W = Qf  Tc Tf −1  (1.6) La température Tc de la source chaude étant supérieure à la température de la source froide Tf , et si la chaleur Qf est positive (on souhaite refroidir, donc extraire de la chaleur de la source froide), le travail reçu W est donc positif. Il faut donc ainsi nécessairement apporter un travail mécanique lors d’un cycle ditherme pour obtenir un effet frigorifique. Coefficient de performance Le coefficient de performance d’un cycle frigorifique, noté COP se définit comme le rapport entre ce que l’on récupère (la chaleur extraite de la source froide) par rapport à ce que l’on apporte (l’énergie mécanique). On a ainsi : COP = Qf W (1.7) Dans le cas du cycle ditherme, en reprenant l’expression 1.6, on obtient l’ex- pression du coefficient de performance dans le cas d’un cycle réversible : COP = 1  Tc Tf −1  (1.8) d’où l’expression de l’efficacité maximum pouvant être atteinte par un cycle di- therme (efficacité de Carnot) : COP = Tf Tc−Tf (1.9) CHAPITRE 1. GÉNÉRALITÉS SUR LES SYSTÈMES FRIGORIFIQUES 8 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Tf Tc 4 5 6 7 8 9 10 11 12 FIGURE 1.3 – Efficacité de Carnot en fonction des températures des sources Cycle de Carnot Sadi Carnot a posé en 1824 dans son ouvrage "Réflexions sur la puissance mo- trice du feu et les machines propres à développer cette puissance" les bases d’un cycle idéal entre deux sources de chaleur, connu depuis sous le nom de "cycle de Carnot". Celui-ci est composé de deux isentropes adiabatiques et de deux iso- thermes. Un exemple (cycle moteur) est donné dans la figure 1.4 et l’efficacité de ce cycle est donnée par la formule 1.9. Si l’on fait fonctionner ce cycle en sens opposé, on obtient un cycle qui absorbe de la chaleur à la source froide et qui en dégage à la source chaude. Il s’agit donc bien d’un cycle frigorifique, on parle alors communément de "cycle inverse". Les cycles réels à compression de vapeur, tels que celui présenté dans la figure 1.8 diffèrent principalement du cycle présenté dans la figure 1.4 en deux points : – on effectue la compression d’un gaz, et non d’un mélange diphasique – le gaz est détendu sans récupération d’énergie mécanique, cette détente n’est donc pas isentropique En effet, la technologie ne permet uploads/Ingenierie_Lourd/ cours-froid-environnement.pdf

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Ingénierie cycle chapitre xxxxxxxxxxx source fluide
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