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EQUIPEMENTS FRIGORIFIQUES Prof. Nihel Ben Amar INSAT 2020 ABSTRACT Cette partie

EQUIPEMENTS FRIGORIFIQUES Prof. Nihel Ben Amar INSAT 2020 ABSTRACT Cette partie de cours expose la technologie des équipements frigorifiques. Elle est à l’attention des étudiants de la Ch2 et de la Bio2. Technologie des appareils frigorifiques CH2 et Bio2 Prof. Nihel Ben Amar, INSAT, 19/04/2021 ______________________________________________________ 2 TECHNOLOGIE DES APPAREILS FRIGORIFIQUES 3 COMPRESSEURS FRIGORIFIQUES 3 COMPRESSEUR A PISTON 5 COMPRESSEUR A VIS 5 COMPRESSEUR CENTRIFUGE 6 SELECTION DU COMPRESSEUR 6 EVAPORATEUR 6 CONDENSEUR 8 DETENDEUR 8 FILTRE DESHYDRATEUR 9 CLAPET DE NON RETOUR 9 FLUIDES REFRIGERANTS 10 Technologie des appareils frigorifiques CH2 et Bio2 Prof. Nihel Ben Amar, INSAT, 19/04/2021 ______________________________________________________ 3 Technologie des appareils frigorifiques Nous exposons dans ce chapitre la technologie des équipements de la machine frigorifique à compression mécanique. Ces équipements seraient les mêmes pour la Pompe à chaleur à compression mécanique. Les appareils principaux sont : • L’évaporateur qui est placé dans le milieu froid où on souhaite produire du froid, • Le condenseur est placé dans le milieu chaud (pour une PAC, il sera placé à l’endroit où on souhaite produire de la chaleur), • Le compresseur qui comprime le fluide frigorigène de la basse pression (pression d’évaporation) à la haute pression (pression de condensation), • et le détendeur qui détendra le fluide de la haute pression à la basse pression. D’autres appareils auxiliaires tels que la bouteille anti-coup de liquide, la bouteille intermédiaire, le clapet de non-retour, le filtre déshydrateur, … et bien d’autres pour la régulation et le contrôle ne seront pas exposés ici. Compresseurs frigorifiques Il existe plusieurs types de compresseurs frigorifiques qui se distinguent par leurs modes de fonctionnement. Une première classification peut les rassembler en : • Compresseurs hermétiques Dans cette famille, le compresseur et son moteur d’entraînement sont dans une même enveloppe (carter) et aucune intervention n’est possible ni sur le moteur ni sur le compresseur (figure 1). Le fait que l’ensemble soit dans une même enceinte annule les risques de fuite mais fait apparaitre de nouvelles contraintes dont le refroidissement du moteur s’effectueant par le fluide frigorigène lui-même. Cet échauffement est préjudiciable au cycle frigorifique puisque la température à l’aspiration du compresseur s’en trouve augmentée. Le compresseur hermétique est couramment utilisé pour les petites et moyennes puissances : climatiseurs, armoires de climatisation, pompes à chaleur, … • Compresseurs ouverts Technologie des appareils frigorifiques CH2 et Bio2 Prof. Nihel Ben Amar, INSAT, 19/04/2021 ______________________________________________________ 4 Le moteur est dissocié du compresseur et raccordé par un manchon ou une courroie (figure 1.b). L’accès aux différents éléments est possible en cas de maintenance ou réparation. Les avantages de ce type de compresseurs ne compensent pas le défaut d’étanchéité, source de fuites… inacceptables dans un contexte “zéro-fuite” de fluide réfrigérant. • Compresseurs hermétiques accessibles dit compresseur semi-hermétique La partie compresseur est accessible faisant bénéficier des avantages du groupe ouvert : l’accès aux mécanismes et de l’avantage du groupe hermétique : la limitation des fuites. Cependant l’étanchéité reste imparfaite et le prix est sensiblement plus élevé que pour le compresseur hermétique. Le compresseur semi-hermétique est utilisé pour les moyennes puissances. Figure 1.a : compresseur hermétique Figure 1.b : compression ouvert On peut rencontrer une autre classification sur la base de la pression d’évaporation : • Les compresseurs BP : fonctionnant à des pressions d’évaporation correspondantes à de basses températures de vapeur saturante variant entre - 40 à - 15°C, • Les compresseurs MP : température d’évaporation moyenne -15 à -5°C, • Les compresseurs HP : température d’évaporation haute -5 à 10°C. En ce qui concerne le type de compresseurs, nous nous limiterons à la description de ceux qui sont les plus communément utilisés. Technologie des appareils frigorifiques CH2 et Bio2 Prof. Nihel Ben Amar, INSAT, 19/04/2021 ______________________________________________________ 5 Compresseur à piston Le compresseur à piston est formé d’un ou plusieurs cylindres obturés chacun par un piston lequel se déplace et comprime le fluide frigorigène. • Le compresseur à piston classique (ouvert) offre une puissance de réfrigération pouvant atteindre 500 kW, • Le compresseur à piston semi-hermétique de puissance de réfrigération de 400 kW maximum, • Le compresseur hermétique à piston (le compresseur et le moteur sont enfermés dans une enveloppe soudée) de puissance de réfrigération 30 kW maximum. Compresseur à vis Également appelé compresseur volumétrique, ce type de compresseur ouvert ou fermé fonctionne avec une vis hélicoïdale. Cette pièce maîtresse se compose de deux éléments qui tournent l'un vers l'autre : un rotor mâle et un rotor femelle (figure 2). Par la rotation, l'espace entre eux diminue et la compression s'effectue comprimant le fluide frigorigène gazeux. Selon la longueur, le profil de la vis et la forme de l'orifice de refoulement, la pression est plus ou moins forte. La pression nominale d'un compresseur à vis varie entre 5 et 13 bar et sa puissance de réfrigération est à partir de 20 kW. Le compresseur à vis est pratique, il n'a pas de soupape, son débit est important, mais sa puissance ne peut pas égaler celle d’un compresseur à piston. Figure 2 : compression à vis Technologie des appareils frigorifiques CH2 et Bio2 Prof. Nihel Ben Amar, INSAT, 19/04/2021 ______________________________________________________ 6 Compresseur centrifuge La compression du fluide est réalisée par la force centrifuge générée par une roue à aubes ; l’énergie cinétique produite est convertie en énergie de pression. Ces compresseurs sont souvent choisis dans des applications industrielles de grosses puissances pouvant atteindre une puissance de réfrigération de 1 000 kW. Sélection du compresseur Pour sélectionner un compresseur frigorifique, il faut connaître : • Le fluide frigorigène, • Le régime de fonctionnement de l’installation • La puissance frigorifique ou le débit volume balayé (donnée fournisseur) Le compresseur consomme, sur son arbre, une puissance effective Peff : m i is m eff h h q P   1 2 − = On choisit un moteur légèrement surpuissant de 10 à 30 % c.à.d. : eff m P ou P 3 , 1 1 , 1 = La puissance électrique est nécessaire est donc : elec m eff elec P P  = elec m  étant le rendement du moteur électrique. Evaporateur L’évaporateur est un échangeur de chaleur au sein duquel le fluide frigorigène récupère la chaleur d’un médium (un autre fluide ou l’ambiance), chaleur qui lui permet de s’évaporer voire même se surchauffer. Les évaporateurs sont de types : • Les batteries à ailettes pour la réfrigération et la climatisation qui peuvent être muraux (figure 3.a) ou plafonniers (figure 3.b), • Les tubes et calandre pour les refroidisseurs de fluides (eau ou autre). Technologie des appareils frigorifiques CH2 et Bio2 Prof. Nihel Ben Amar, INSAT, 19/04/2021 ______________________________________________________ 7 Figure 3.a : évaporateur mural Figure 3.b : évaporateur plafonnier Figure 3.c : échangeur tubes et calandre. (voir site https://www.youtube.com/watch?v=8mZLj1e7Afo) L’échangeur à tubes et calandre est un échangeur dans lequel un faisceau de tubes est disposé dans une enveloppe unique, généralement cylindrique, appelée calandre (figure 3.c). L’un des fluides circule dans les tubes et l’autre autour des tubes à l’intérieure de la calandre. Le parcours du fluide de la calandre peut être rallongé, il s’en suit une augmentation de la surface d’échange et de la chaleur échangée. On peut également augmenter le parcours du fluide qui passe à l’intérieur des tubes en créant plusieurs passages dans les tubes. Technologie des appareils frigorifiques CH2 et Bio2 Prof. Nihel Ben Amar, INSAT, 19/04/2021 ______________________________________________________ 8 Condenseur Le condenseur est l’échangeur de chaleur au sein duquel le fluide frigorigène va céder sa chaleur au fluide de refroidissement. Les condenseurs sont majoritairement à air (pour les petites et moyennes installations) : on les désigne par condenseurs à air (figure 4). Pour des puissances plus importantes on peut trouver les tours de refroidissement. Figure 4 : Condenseurs à air. Détendeur Le détendeur est l’appareil qui permet de diminuer la pression du fluide (qui arrive du condenseur) à une basse pression avant son admission dans l’évaporateur. Il y a différent types de détendeur : le capillaire, à égalisation de pression externe (figure 5), … Quel que soit le type de détendeur, le fluide après sa détente se retrouve sous forme de mélange liquide-vapeur alors qu’au départ c’était du liquide. On dit que la détente s’est accompagnée d’une vaporisation partielle du fluide. Technologie des appareils frigorifiques CH2 et Bio2 Prof. Nihel Ben Amar, INSAT, 19/04/2021 ______________________________________________________ 9 Figure 5 : détendeur thermostatique à égalisation de pression externe. Figure 6 : filtre déshydrateur. Filtre déshydrateur Le filtre déshydrateur est un filtre de sécurité qui permet d’éliminer les impuretés et l’humidité qui peuvent provenir des infiltrations d’air dans le circuit frigorifique. La matière intérieure est adsorbante et de ce fait le filtre une fois saturé, il doit être remplacé (figure 6). Clapet de non retour Pour qu’il n’y ait pas migration du fluide des points chauds vers les points froids du circuit, on place dans le circuit frigorifique un clapet de non retour. Celui-ci a pour rôle, une fois le système arrêté, d’empêcher la migration du fluide vers l’évaporateur. Technologie des appareils frigorifiques CH2 et Bio2 Prof. Nihel Ben Amar, INSAT, 19/04/2021 ______________________________________________________ 10 uploads/Science et Technologie/ 09-technologie-des-appareils-frigorifiques.pdf