Etude Du Circuit Frigorifique Cahier

ETUDE DU CIRCUIT FRIGORIFIQUE

SESSION :

Nom :

Prénom :

FC06

1) 1.1)

Généralités. Notion de chaleur.

La chaleur représente la quantité d’énergie que peut avoir un corps. La température de ce corps nous indique son niveau de chaleur. Pour obtenir une variation de température d’un corps, nous devrons selon l’objectif à atteindre, lui ajouter ou lui retirer de la chaleur. L’échange de chaleur se fait toujours du corps le plus chaud vers le corps le plus froid. L’échange de chaleur entre deux corps est d’autant plus rapide que leur différence de température est importante. L’échange de chaleur entre deux corps s’arrête dès que la différence de température entre les deux corps devient nulle. La quantité de chaleur à fournir à un corps est d’autant plus élevée que la masse du corps est importante. Pour pouvoir comptabiliser la quantité de chaleur nous devons utiliser une unité appelée JOULE. Le joule est l’unité légale depuis 1978, mais vu les quantités d’énergie mises en œuvre dans les installations, on parle en kilojoule (kJ). On peut encore trouver de nombreux documents utilisant encore d’autres unités :

Chaleur massique. Une des caractéristiques physiques d’un corps est sa capacité thermique massique. La capacité thermique d’un corps appelée chaleur massique, représente la quantité de chaleur qu’il faut ajouter ou retirer à un kilogramme de ce corps pour modifier sa température de 1K. Par exemple, la chaleur massique de l’eau est de 4,185 kJ/kg.K

Exemple : 1 kg d’eau à 10 °C + 4,185 kJ = 1 kg d’eau à 11°C. 1 kg d’eau à 11 °C - 4,185 kJ = 1 kg d’eau à 10°C. pour modifier la température de l’eau, il faut lui apporter ou retirer 4,185 kJ/kg.K, si on veux chauffer 5 litres d’eau de 5°C à 40°C, il faudra ajouter à l’eau 4,185  5  (40 –5) = 732,3 kJ. Nous venons d’appliquer la relation :

Q = c M  

Dans laquelle nous avons : Q :quantité de chaleur en kJ à fournir à un corps pour élever sa température d’une valeur initiale 1 à une température finale 2. c :chaleur massique du corps considéré en kJ/kg.K. M :masse du corps considéré en kg.  :différence de température (1 - 2) en °C ou K. 2

Tableau représentant les chaleurs massiques de différents corps :

3

1.2)

Changements d’état d’un fluide.

Si on observe la nature, on constate que l’environnement est composé par des corps se trouvant à l’état solide, liquide ou gazeux ; Parfois on peut trouver un même corps, selon les circonstances aux différents états : solide, liquide et gazeux. C’est le cas de l’eau dans la vie quotidienne.

vapeur

condensation

vaporisation

liquide

sublimation

liquide

solidification

fusion

solid e Un corps peut donc changer d’état physique, pour cela il suffit de lui ajouter ou de lui retirer de la chaleur. Les changements d’état physique sont appelés : la fusion, la vaporisation, la condensation, la solidification et la sublimation. La fusion : C’est le passage de l’état solide à l’état liquide, elle s’obtient en apportant de la chaleur au corps (exemple :fonte de la glace dans un verre de pastis). La vaporisation : C’est le passage de l’état liquide à l’état gazeux, elle s’obtient en apportant de la chaleur. La condensation : C’est le passage de l’état gazeux à l’état liquide, elle s’obtient en retirant de la chaleur (exemple :condensation de la vapeur d’eau sur la surface froide d’une vitre). La solidification : C’est le passage de l’état liquide à l’état solide, elle s’obtient en retirant de la chaleur (exemple :solidification du chocolat qui se refroidit). La sublimation : C’est le passage direct de l’état solide à l’état vapeur sans passer par l’état intermédiaire liquide (exemple :sublimation de la naphtaline). 4

Chaleur sensible : La chaleur sensible représente la quantité de chaleur qu’il faut ajouter ou retirer à un corps pour faire baisser ou augmenter sa température. Le changement de température est significatif. Exemple :

1 kg d’eau à 0°C + 41,85 kJ

=

1 kg d’eau à 10°C.

On peut observer à l’aide d’un thermomètre la montée progressive de la température Chaleur latente : La chaleur latente représente la quantité de chaleur qu’il faut ajouter ou retirer à une certaine masse d’un corps pour le faire changer d’état physique, ce phénomène s’opère à température constante.

1 kg de glace à 0°C + 335 kJ

=

1 kg d’eau à 0°C.

Si nous fournissons une quantité de chaleur de 335 kJ à un bloc de glace de 1 kg à 0°C, nous constatons que la glace fond progressivement tout en conservant la même température (0°C) jusqu’à obtenir 100% d’eau à 0°C. Changements d’états de l’eau :

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1.3)

Propriétés des fluides frigorigènes.

Historique : Année Historique Constatations 1834 L’américain Jacob Perkins dépose un brevet concernant L’utilisation de cette machine se une machine frigorifique fonctionnant à la vapeur et trouva limitée vu la grande utilisant comme fluide frigorigène de l’oxyde d’éthyle. inflammabilité de ce fluide frigorigène. 1876 Karl von Linde utilise l’ammoniac comme fluide Essor de l’utilisation des frigorigène. installations frigorifiques à compression mécanique. 1880 Introduction d’un nouveau fluide : Il permit le démarrage des -l’anhydride carbonique. installations frigorifiques embarquées dans les navires. 1920 Introduction de deux nouveaux fluides : Essor des petites machines -l’anhydride sulfureux. frigorifiques à usage domestique ou -chlorure de méthyle. commerciale. 1930 Apparition des premiers hydrocarbures fluorés et Amélioration considérable des chlorés (chlorofluorocarbures) (CFC) installations frigorifiques par rapport à ses fluides possédant de grandes qualités thermodynamiques. On appelle “f1uides frigorigènes” des composés chimiques facilement liquéfiables et dont on utilise les changements d’états physiques comme source de production de froid (absorption de la chaleur latente de vaporisation) et de chaud (libération de la chaleur latente de condensation). Ils ont la particularité d’avoir, sous la pression atmosphérique, une température d’ébullition très faible. Cette propriété est utilisée pour maintenir l’évaporateur à une température inférieure à celle du milieu à refroidir. Comparaison des températures d’ébullition de plusieurs fluides à pression atmosphérique : EAU

R22

R134a

40,8°C

100° C

26,4°C

Si on verse du R22 dans un récipient, il entre directement en ébullition à une température de – 40,8°C, c’est le point d’ébullition du R22 sous pression atmosphérique. La même expérience donne –26,4°C avec du R134a, -33°C avec de l’ammoniac, etc…, par contre l’eau doit être chauffée jusqu’à 100°C pour obtenir son ébullition sous pression atmosphérique, l’alcool devra être chauffé a 70°C pour obtenir son ébullition. 6

Il existe un très grand nombre de fluides frigorigènes ou chacun sera utilisé en fonction des domaines d’utilisation. Domaine d’utilisation: Très basses températures (cryogénie) : de -273 a -210°C Basses températures (pétrochimie) -210 a -100°C Froid commercial : > -100°C Principaux fluides actuels: Les fluides frigorigènes actuellement utilisés, qu’il s’agisse d’un fluide frigorigène dont la fabrication est interdite depuis le 31 décembre 1994, d’un fluide frigorigène de transition ou d’un fluide frigorigène de substitution sont : dérivés fluorés et chlorés d’hydrocarbures (CFC), fluides peu à peu supprimés car très nocifs pour l’environnement.. composés inorganiques purs : Ammoniac (NH3). composés organiques purs :R134a. les hydrochlorofluoroscarbures (HCFC). les hydrofluoroscarbures (HFC). mélanges azéotropiques (composés de plusieurs fluides purs mais se comportant comme un seul composant :la température de condensation et d’évaporation est la même, exemple :le R 502 est composé de 48,8% de R22 et de 51,2% de R115). mélanges zéotropiques (ou non azéotropique), qui se composent de plusieurs fluides frigorigènes purs mais qui ne se comportent plus comme un fluide frigorigène à un seul composant, lors des phases de changement d’état liquide vapeur ou vapeur liquide, il y a un glissement pouvant aller jusqu'à 4.5K (certains fluides du mélange s’évaporent ou se condensent avant les autres), précautions à prendre pendant la charge d’une installation ou en cas de fuite (modification du mélange). Tableau des caractéristiques des fluides les plus courants et de leurs remplaçants :

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O.D.P (potentiel d’altération de la couche d’ozone) :permet de classer les différents fluides en fonction de leur action sur la couche d’ozone en prenant comme référence un des fluides le plus polluant, le CFC 11 (O.D.P. de 1) G.W.P (potentiel d’action sur l’effet de serre) :pour un gaz donné, son potentiel de réchauffement est rapporté le plus souvent à celui obtenu par la même quantité de dioxyde de carbone.

Codification des fluides frigorigènes: Si les fluides frigorigènes anciens ont des noms chimiques faciles a retenir, il n’en est pas de même des fluides frigorigènes chlorofluorés. Une désignation numérique liée a la formule chimique du fluide a été instaurée. Le numéro de code ainsi formé étant précédé par la lettre R signifiant réfrigérant. Le nombre désignant le fluide sera compose en respectant les conventions suivantes : - le chiffre des unités indique le nombre d’atomes de FLUOR — le chiffre des dizaines indique le nombre d’atomes d’HYDROGENE plus 1 - le chiffre des centaines indique le nombre d’atomes de CARBONE moins 1. - les atomes de chlore ne sont pas pris en considération. - la lettre B (placée après le nombre) indique la présence de BROME. Le nombre d’atomes de brome est défini par le chiffre qui suit cette lettre. 8

Exemple 1 Le dichlorodifluorométhane dont la formule correspond a CC1 2F2 sera désigné dans la nomenclature par R 12. — le nombre des atomes de fluor fournissant le chiffre des unités soit 2 — le nombre des atomes d’hydrogène fournissant les chiffres des dizaines soit 0+1=1 Exemple 2 Le dichlorotétrafluoroéthane dont la formule correspond a C2C12F4 sera désigné par R 114. — nombre d’atomes de fluor : 4 — nombre d’atomes d’hydrogène : 0+1=1 - nombre d’atomes de carbone : 2—1=1 Les mélanges azéotropes pour lesquels aucune formule chimique ne peut être définie ont une numérotation qui se situe dans la série numérique 500, les différents mélanges étant répertoriés par ordre d’apparition chronologique ( R 500, R 501, R 502 ..) Les fluides frigorigènes d’origine inorganique sont répertoriés dans la série 700. Leur numéro de code est constitué ainsi : — le chiffre des centaines est 7 — les chiffres des dizaines et unités représentent la masse molaire du fluide Exemple Ammoniac NH3 : masse molaire = 17 référence numérique R 717 On peut trouver d’autres dénominations pour ces fluides frigorigènes - Forane marque déposée Atochem (groupe Elf Aquitaine) - Fréon : marque déposée Dupont de Nemours - Fligène : marque déposée Péchiney - St Gobain

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1.4)

Production de froid.

Que se passe t-il quand la pression environnante d’un fluide augmente ? Exemple : Prenons le cas de l’eau, les valeurs de changement d’état de l’eau nous semblent toujours les mêmes ou sensiblement les mêmes car la pression atmosphérique est très peu variable et ses variations ne suffisent pas à modifier considérablement les valeurs de température de changement d’état. Pour qu’il y ait des différences de températures significatives de changement d’état d’un fluide, il faut faire varier la pression de manière importante. Prenons l’exemple de la cocotte minute. Le rôle de la cocotte minute est de cuire plus rapidement les aliments pour un gain de consommation d’énergie, or la température d’ébullition de l’eau à pression atmosphérique étant de 100°C, pour cuire plus vite les aliments, cette température devrait être plus élevée mais il n’y aurait plus d’eau car cette eau serait évaporée. La solution consiste à augmenter la pression dans le récipient afin de maintenir l’eau sous forme liquide a plus de 100°C et ainsi pour cuire les aliments plus vite. Pression atmosphérique 1 bar Température 20°C

Pression atmosphérique 1 bar Température 100°C

Pression atmosphérique 1,1 bar Température 110°C

Pression atmosphérique 1,2 bar Température 120°C

Cette exemple permet de démontrer que la température d’ébullition de l’eau est fonction de la pression qui l’environne. Cette expérience est valable pour n’importe quel type de fluide. La température d’ébullition d’un fluide en fonction d’une pression est également différente en fonction du type de fluide. A pression atmosphérique, l’eau s’évapore à 100°C et l’alcool à 70°C. Un fluide, pour s’évaporer, utilise une certaine quantité de chaleur, c’est le cas de la transpiration. Le corps humain a une température interne d’environ 37°C. Cette chaleur étant produite part la circulation du sang dans les vaisseaux sanguins, dans le cas d’une augmentation du rythme cardiaque (effort physique important ou effort sportif) la température du corps devrait logiquement augmentée. 10

Pour éviter cette augmentation de température, le corps rejette de l’eau par les pores de la peau. Cette eau s’évapore en utilisant la chaleur du corps humain, et ainsi, il se refroidi. Pourquoi ne pas utiliser ce phénomène de prendre de la chaleur par évaporation pour refroidir ? Exemple d’un système de production de froid avec de l’eau : Chauffons de l’eau dans ce cylindre obturé par un piston, quand la température de l’eau sera à 160°C, la pression sera de 6 bars.

Arrêtons de chauffer, si on abaisse le piston et qu’on le bloque dans cette nouvelle position, que se passe-t-il ? 1er temps : immédiatement une partie de la vapeur d’eau se condense et le niveau de l’eau monte, la pression augmente à 11 bars et la température atteint 180°C.

2ième temps : après un certain temps (échange de chaleur avec l’extérieur), la température chute à 160°C et la pression revient à 6 bars.

3ième temps : si on ramène alors le piston dans sa position initiale, que se passe-t-il ? une partie de l’eau repasse à l’état vapeur, la pression et la température chutent. On aura par exemple 4 bars et 140°C.

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Nous avons très rapidement fait passer l’eau de 160 à 140°C, ce qui se traduit par une chute de température de 20°C. Nous avons ainsi produit du froid, ce froid est obtenu en abaissant rapidement la pression du récipient. Nous avons vu ultérieurement qu’en abaissant la pression environnant un fluide liquide, on abaissait sa température d’évaporation et que le phénomène d’évaporation d’un fluide utilisait de la chaleur pour cette évaporation. Cette chute de température est intéressante mais elle n’est pas envisageable pour un système de réfrigération car les températures sont trop élevées. Réalisons une nouvelle expérience : Au contact de notre main, possédant une certaine quantité de chaleur, l’essence et l’éther se vaporisent. Elles passent donc de l’état liquide à l’état gazeux en prenant une certaine quantité de chaleur à notre main. C’est cette perte de chaleur par la main, qui abaissant sa température donne une sensation de froid. Cette sensation de froid est d’autant plus grande que l’évaporation est plus rapide (cas de l’éther).

Cette expérience fonctionne également avec de l’eau aspergée sur la main. En agitant la main mouillée pour favoriser l’évaporation, on ressent une sensation de fraîcheur due à l’évaporation de cette eau.

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1.5)

Le circuit frigorifique.

Réalisation d’un circuit frigorifique. Obtention du froid. Prenons un récipient sous pression, ce récipient contient un fluide à une pression de 10 bars.

Ce récipient comporte un tube plongeur raccordé à une vanne ¼ de tour à l’extérieur. La vanne étant fermée, la pression dans le récipient ne varie pas, il n’y a pas d’ébullition, le système est stabilisé. Que va-t-il ce passer quand on ouvre la vanne ?

Le fluide sous pression va être expulsé du récipient sous forme liquide, après la vanne le fluide va subir une forte dépression (de 10 à 1 bar), ce qui va créer son évaporation d’où chute de température au niveau de la vanne. Ce système est intéressant pour abaisser la température mais son cycle de vie est relativement court, au fur et à mesure que le récipient ce vide, la pression interne du récipient diminue donc l’évaporation du fluide au niveau de la vanne est de moins en moins importante et une fois le récipient vide, il faut à nouveau le remplir. De plus, le fluide ne pouvant être de l’eau (température d’évaporation trop élevée) son coût peut être très élevé donc ce système n’est pas rentable. Il faut donc trouver un moyen afin de recycler ce fluide pour pouvoir le réutiliser à nouveau. Recyclage du fluide. Nous avons constater dans les expériences précédentes qu’un fluide sous forme vapeur doit être comprimé pour passer à l’état liquide, de plus ce fluide se condensera plus facilement si la paroi ou il se condense est froide. Cas de la vapeur d’eau qui se condense sur une vitre extérieur. L’équipement capable de comprimer un fluide sous forme vapeur ou gazeuse est le compresseur, couramment utilisé dans l’industrie automobile par exemple. Cet appareil est également utilisé dans les installations frigorifiques. 13

Raccordons notre compresseur sur le circuit existant ainsi qu’un récipient de condensation et regardons ce qu’il s’y passe. Le tube plongeur ainsi que la vanne sont supprimés, le fluide s’évapore dans le récipient puisque le compresseur aspire ses vapeurs.

A

B

-Le fluide dans le récipient A s’évapore car sa pression diminue, cette évaporation crée un abaissement de la température de ce récipient. -Le compresseur comprime les vapeurs de fluides et les envoient dans le récipient B. -Les vapeurs de fluide comprimées se condensent dans le récipient B au contact de sa paroi, le récipient B se réchauffe. Cette installation est intéressante, elle permet de recycler le fluide, mais au bout d’un moment, le récipient A sera vide et le B remplit, il faut trouver un moyen pour ramener le fluide du récipient B vers le récipient A. Recyclage du fluide. Il y a la possibilité d’inverser les bouteilles mais elle demanderait une intervention régulière pas très pratique pour le fonctionnement continu du système. Le moyen consiste à placer une tuyauterie de retour du récipient B au récipient A avec une vanne créant une dépression importante avant le récipient A pour favoriser l’évaporation du fluide et ainsi le refroidissement.

A

B

14

Le système est réalisé, on peut toutefois y apporter quelques modifications et ajouter quelques éléments. Circuit frigorifique complet. 8

1

9

7

5

6

2

4 3

Repère 1 2 3 4 5 6 7 8 9

Elément Compresseur Condenseur Bouteille liquide Déshydrateur Voyant liquide Electrovanne Détendeur Evaporateur Bulbe du tube capillaire

-Le récipient A et le récipient B sont remplacés par des tuyauteries (avec des ailettes), elles permettent un meilleur échange avec le milieu extérieur car la surface d’échange est augmentée (comme les ailettes sur un radiateur). -L’échangeur ou le fluide s’évapore s’appelle l’évaporateur, s’est lui qui est chargé d’abaisser la température du local ou il se trouve en captant ses calories.

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-L’échangeur ou le fluide se condense s’appelle le condenseur, il est chargé de condensé le fluide en évacuant la chaleur récupérée par l’évaporateur et produite par le compresseur. -Le compresseur est chargé de faire circuler le fluide dans l’installation en le comprimant afin de pouvoir le détendre plus facilement avant l’évaporateur. -le fluide, une fois condensé, est récupéré dans un récipient appelé bouteille liquide, chargée de compenser les variations de débit dans l’installation et surtout au niveau du détendeur. -avant l’évaporateur, se trouve un élément chargé de détendre le fluide et donc de forcé son évaporation avant d’entrer dans l’évaporateur, cet élément s’appelle le détendeur. Le détendeur possède un bulbe branché à la sortie du détendeur, ce bulbe a pour rôle de réguler l’ouverture ou la fermeture du détendeur en fonction des besoins et surtout d’éviter d’arriver sous forme liquide au compresseur se qui risquera de l’endommager (un fluide sous forme liquide n’est pas compressible, un compresseur étant de type volumétrique, il ne le supporterai pas). -avant le détendeur se trouve un déshydrateur, chargé de retenir l’humidité (éviter le givre dans le détendeur et éviter la production d’acide par réaction chimique entre le fluide frigorigène, l’eau et l’huile de lubrification) et de retenir les impuretés (oxydation due au brasage). -on trouve après le déshydrateur un voyant liquide qui permet de voir si on est effectivement en liquide avant le détendeur et si il n’y a pas d’humiditer (pastille hygrométrique au milieu :jaune = humidité, verte = pas d’humidité). -juste avant le détendeur, on peu avoir une électrovanne jouant le rôle de régulateur ou de sécurité pour le fonctionnement de l’installation.

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2)

Etude du circuit frigorifique.

2.1) Cycle de compression. Evolution du piston. Montée du piston.

Bar 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2

B B Compression A A

10

20 30

40

50

60 70

80

90 100% (volume du cylindre)

Cette évolution correspond à la montée du piston dans le cylindre, au point A, la totalité du volume du cylindre est rempli de vapeur à une pression d’aspiration donnée, dans cet exemple entre 2 et 3 bar. Le piston va ce déplacer de A vers B, ce qui entraîne une diminution du volume occupé par la vapeur dans le cylindre et par conséquent une augmentation de sa pression : c’ est la compression. La courbe A-B représente l’ évolution de la pression pendant la phase de compression des vapeurs. Espace nuisible. Phase de refoulement des vapeurs (légère montée du piston).

Bar 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2

Chambre de refoulement.

Refoulement

C

C

B

B

A 10

20 30

40

50

60 70

80 17

90 100%

Au point B, la pression dans la cylindre étant sensiblement supérieure à celle régnant dans la chambre de refoulement provoque l’ ouverture du clapet, évacuant les vapeurs dans cette même chambre. On remarque un espace entre la course maximale du piston en bout de compression et la plaque à clapets. Cet espace nécessaire (pour la course du clapet d’ aspiration), est nuisible dans la mesure ou une partie des vapeurs ne sera pas refoulée et restera dans le cylindre lors de sa redescente. Après équilibre des pressions entre le cylindre et la chambre de refoulement, le clapet reprend sa place initiale en position fermée. Descente du piston.

Phase de détente.

Bar 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2

Chambre d’ aspiration.

C

C

B

Détent e

D

D

10

20 30

A 40

50

60 70

80

90

100%

Le piston redescend jusqu’ à sa position initiale, la détente observée sur le diagramme au moment de la re-descente correspond à la détente des vapeurs restées dans l’ espace nuisible pendant le refoulement. La course entre C et D correspond uniquement à la détente de cette vapeur. Quand le piston ce trouve à la position intermédiaire D, la pression dans le cylindre est égale à la pression régnant dans la chambre d’aspiration. La pression dans le cylindre ne suffit plus à maintenir la fermeture du clapet d’ aspiration, celui-ci s’ouvre sous la poussée des vapeurs de la chambre d’aspiration.

18

Phase d’ aspiration.

Bar 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2

C

B D

D Aspiration

10

20 30

40

A

A

50

60 70

80

90 100%

La distance D-A correspond à la course réelle de l’aspiration, à chaque tour du vilebrequin, pour chaque cylindre, le compresseur va réellement aspirer un volume de vapeur correspondant au volume compris entre D et A.Le volume aspiré D-A représente environ d’après le diagramme 80% du volume du cylindre alors que le volume balayé correspond à environ 92% le volume du cylindre, cet écart est du à l’espace nuisible. Le rapport du volume aspiré sur le volume balayé correspond au rendement volumétrique du compresseur. Rendement volumétrique =volume aspiré /volume balayé

v=Va /Vb

Volum e balayé

Volume aspiré

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2.2) Détermination du débit massique. Le circuit frigorifique est un circuit fermé, il forme une boucle dans laquelle le fluide circule grâce à l’ action du compresseur. A chaque descente, le compresseur aspire une masse M du fluide sous forme vapeur. A chaque montée, le compresseur refoule la même masse M de fluide, cette masse M fait ensuite le tour du circuit en passant par le condenseur, le détendeur puis par l’évaporateur pour revenir au compresseur.

M

M

Le débit massique est constant dans tout le circuit. Pour déterminer le débit massique Qm il faut connaître : - le débit volumique Qv des vapeurs aspirées par le compresseur en m3/s - le volume massique v des vapeurs à l’aspiration du compresseur en m3/kg Qm=Qv/v Le volume aspiré par le compresseur indique la quantité de vapeur qu’il aspire à chaque seconde. Le volume massique des vapeurs saturantes peut être lu sur des tables thermodynamiques ou directement sur le diagramme enthalpique. Exemple : Pour une pression d’aspiration de 3 bars abs et une surchauffe de 7°C,le volume massique est de 0,08 m3/kg Si le compresseur aspire 10 m3/h de vapeur ,le débit massique sera : v=0,08m3/kg Qm=Qv/v (kg/s)=(m3/s)/(m3/kg) Qv=10/3600s=0,00278m3/s Qm=0,00278/0,08=0,34kg/s ou 10/0,08=125kg/h Taux de compression. Le rendement volumétrique v est fonction de l’espace nuisible. En effet, la course de détente est d’autant plus importante que l’espace nuisible sera grand. Le rendement volumétrique dépend du taux de compression . 20

Le taux de compression tient compte des conditions de fonctionnement. Il se calcule de la manière suivante :  = Pr/Pa Pr :pression absolue mesurée au refoulement du compresseur en bar. Pa :pression absolue mesurée à l’aspiration du compresseur en bar. En bureau d’étude, on admet qu un compresseur à pistons a un rendement proche de celui donné par la relation suivante : v = 1 – 0,05   Exemple pour une pression absolue de refoulement de 11 bars et une pression absolue d’aspiration de 3 bars, le rendement volumétrique sera de :  = Pr/pa  = 11/3 = 3,6 v = 1 – 0,05  3,6  0,81 On aura un rendement volumétrique d’ environ 81% Nous avons vu précédemment que la caractéristique principale d’un compresseur correspond à son volume balayé, il s’exprime en m3/h, il représente le volume balayé par les pistons pendant une heure de fonctionnement. Il dépend de la dimension des cylindres et de la vitesse de rotation des cylindres. Calcul de la cylindrée : C = ((   D² ) / 4)  ( L  n )

L D

C :cylindrée en cm3. D :alésage en cm. L :course du piston en cm. n :nombre de cylindres. Le volume balayé, qui dépend de la cylindrée et de la vitesse de rotation du compresseur ce calcul ainsi : Vb = ( 60  C  N ) / 10e6 Vb :volume balayé en m3/h. C :cylindrée du ou des pistons en cm3. N :vitesse de rotation du compresseur en tr/mn.

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Exercice 1 : Soit un compresseur ayant les caractéristiques suivantes : Alésage = 60 mm. Course = 70 mm. Nombre de cylindres = 2. Vitesse de rotation = 1400 tr/mn. Pression absolue de refoulement = 15 bars. Pression absolue d’ aspiration = 3 bars. Calculer : - la cylindrée du compresseur en cm3. - le volume balayé du compresseur en m3/h. - le taux de compression du compresseur. - le rendement volumétrique du compresseur. - le volume aspiré du compresseur en m3/h. Cylindrée du compresseur : C = ((   D² ) / 4)  ( L  n ) Volume balayé du compresseur : Vb = ( 60  C  N ) / 10e6 Tau de compression du compresseur :  = Pr/pa Rendement volumétrique du compresseur : v = 1 – 0,05   Volume aspiré du compresseur à l’aide de la formule du rendement : v=Va /Vb Exercice 2 : Soit un compresseur ayant les caractéristiques suivantes : Alésage = 80 mm. Course = 90 mm. Nombre de cylindres = 4.Vitesse de rotation = 1400 tr/mn. Pression absolue de refoulement = 12 bars. Pression absolue d’ aspiration = 3 bars. Volume massique à l’aspiration = 0.008m3/kg Calculer : - la cylindrée du compresseur en cm3. - le volume balayé du compresseur en m3/h. - le taux de compression du compresseur. - le rendement volumétrique du compresseur. - le volume aspiré du compresseur en m3/h. - le débit massique du fluide Qm en kg/h.

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3) 3.1)

Etude du diagramme enthalpique. Description du diagramme.

Le diagramme enthalpique : Le diagramme enthalpique représente toutes les évolutions d’un fluide dans les équipements d’une installation frigorifique. Chaque fluide ayant des propriétés thermodynamiques différentes, on aura un type de diagramme par type de fluide. Exploitation du diagramme : L’axe des abscisses représente l’évolution de l’enthalpie. L’axe des ordonnées représente l’évolution de la pression absolue. Une courbe appelée courbe de saturation sépare le diagramme en trois parties.

Pression absolue

Courbe de saturation

Enthalpie

Enthalpie : quantité d’énergie en kJ/kg. Pression absolue : pression relative indiquée par un manomètre à laquelle on ajoute la pression atmosphérique (1013 mb) La zone située à gauche de la courbe de saturation représente les caractéristiques du fluide frigorigène à l’état liquide.

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La zone située à l’intérieur de la courbe de saturation représente les caractéristiques du fluide à l’état liquide + vapeur. La zone située à droite de la courbe de saturation représente les caractéristiques du fluide à l’état vapeur surchauffée. A l’intérieur de la courbe de saturation, nous avons les courbes représentatives du titre de vapeur qui détermine la proportion de vapeur par rapport à celle de liquide.

X=

masse vapeur masse liquide + masse vapeur

Une évolution isobare sur le diagramme correspondra à un tracé // a une droite de pression absolue. Une évolution isenthalpe sur le diagramme correspondra à un tracé // à une droite enthalpique. Un point situé à un endroit quelconque sur la courbe de saturation représentera un état saturé liquide sur la partie gauche de la courbe de saturation et un état saturé vapeur sur la partie droite de la courbe de saturation. Les courbes de température : Les courbes de température ont une évolution particulière sur le diagramme enthalpique : -

dans la zone liquide du diagramme, elles sont // aux droites isenthalpes. dans la zone liquide + vapeur, les sont // aux droites isobares. dans la zone vapeur, elles sont en arc de cercle.

24

Chaque point relevé sur cette isotherme (même température) aura la même valeur de température. Evolution des enthalpies, températures et état d’un point sur une droite de même pression (isobare). Tableau de valeurs :

point

pression

enthalpie

température

A B C D E

Le passage de l’état liquide à l’état gazeux de B vers D s’effectue sans variation de température, cette portion de droite représente la chaleur latente de vaporisation Les courbes de volume massique : 25

état

Le volume massique représente le volume occupé par une masse de 1 Kg de ce corps, il est exprimé en m3 / Kg. Les courbes de volume massique sont appelées isochores (à volume constant pour tous les points situés sur une même ligne), ces courbes sont inclinées et traversent les zones de mélange et de vapeur.

Les courbes isochores permettent d’effectuer les calculs de débit et les vitesses de circulation au niveau de l’aspiration et du refoulement du compresseur. Remarque : -les courbes de volume massique débutent dans la zone liquide + vapeur après la courbe de saturation liquide car avant le fluide étant quasiment entièrement en liquide, le volume massique ne changera pratiquement pas. les courbes d’entropie : L’entropie permet de déterminer l’état du fluide en fin de compression, les valeurs sont données en Kj/Kg/°K. Les courbes d’entropie sont appelées isentropes (à entropie constante pour tous les points situés sur une même ligne), ces courbes sont inclinées et traversent les zones de vapeur.

Point critique

La courbe de traçage du travail du compresseur suit les courbes isentropes sur le diagramme. Le point critique : 26

Le point critique sur un diagramme nous donne la limite de pression et de température admissible par un fluide au-delà duquel ce même fluide va perdre ses propriétés thermodynamiques. Evolution complète d’un point sur une droite de même pression (isobare).

Tableau de valeurs : point

pression

enthalpie

température

A B C D E

3.2) Tracé du cycle frigorifique : 27

Volume massique

entropie

état

L’aspiration : SORTIE EVAPORATEUR

ENTREE COMPRESSEUR

Evolution du fluide : Température : Pression : Volume spécifique : Enthalpie : Entropie : Etat :

Entre A et B les vapeurs sont surchauffées, la différence d’enthalpie entre A et B correspond à la chaleur prise par la vapeur dans la tuyauterie d’aspiration (en milieu ambiant donc température plus élevée).

28

La compression : ENTREE COMPRESSEUR

SORTIE COMPRESSEUR

Evolution du fluide : Température : Pression : Volume spécifique : Enthalpie : Entropie : Etat :

Pendant la compression, les vapeurs suivent la courbe S ( entropie) , le point de refoulement se situe à l’intersection de cette courbe avec l’isobare de la pression de refoulement. Entre B et C les vapeurs sont comprimées, la différence d’enthalpie entre B et C donne l’énergie dépensée pour effectuer la compression (Wth) en KJ/Kg.

29

Le refoulement : SORTIE COMPRESSEUR

ENTREE CONDENSEUR

Evolution du fluide : Température : Pression : Volume spécifique : Enthalpie : Entropie : Etat :

Au refoulement, les vapeurs suivent la courbe isobare. Entre C et D, les vapeurs subissent une , il y a échange thermique entre la tuyauterie de refoulement très chaude et le milieu ambiant.

30

La condensation : ENTREE CONDENSEUR

SORTIE CONDENSEUR

Désurchauffe

Condensation

Sous refroidissement

Evolution du fluide : Température : Pression : Volume spécifique : Enthalpie : Entropie : Etat :

Pendant la phase de condensation, le condenseur est chargé de céder de la chaleur à l’air ambiant, au niveau du condenseur on observe 3 zones : - la zone de désurchauffe - la zone de condensation - la zone de sous-refroidissement

31

Le sous refroidissement dans le condenseur. Le sous-refroidissement dans le condenseur représente la différence entre la température de condensation du fluide frigorigène lue au manomètre avec la température lue à l’aide d’un thermomètre sur la ligne liquide après le condenseur (écart compris entre 4 à 7°C). Le sous refroidissement nous donne des renseignements très précis sur le bon fonctionnement ou non de l’installation frigorifique. Mesure du sous-refroidissement :

P = 14 bars Température de condensation = 38°C Température lue au manomètre 34°C

Sous refroidissement = 38 – 34 = 4°C

Un sous-refroidissement trop petit indique un manque de fluide frigorigène dans le condenseur, un sous-refroidissement trop grand indique un excès de fluide frigorigène dans le condenseur.

32

----°C

La ligne liquide : SORTIE CONDENSEUR

ENTREE DETENDEUR

Evolution du fluide : Température : Pression : Volume spécifique : Enthalpie : Entropie : Etat :

33

La détente : ENTREE DETENDEUR

SORTIE DETENDEUR

Evolution du fluide : Température : Pression : Volume spécifique : Enthalpie : Entropie : Etat :

Au passage du fluide dans le détendeur, le fluide se détend avec une légère vaporisation, il n’y a pas d’échange de chaleur donc l’enthalpie est la même. Comme il n’y a pas d’échange de chaleur pendant la traversée du détendeur et que le fluide se vaporise partiellement, le liquide pour se vaporiser ne peut prendre de la chaleur qu’à luimême d’où cette chute de température.

34

L’évaporation :

ENTREE EVAPORATEUR

SORTIE EVAPORATEUR

Evolution du fluide : Température : Pression : Volume spécifique : Enthalpie : Entropie : Etat :

Pendant l’ évaporation, le tracé du fluide est parallèle aux droites isobares. Pendant la phase d’ évaporation, on observe deux zones : - la phase d’ évaporation. - la phase de surchauffe.

35

La surchauffe dans l’évaporateur. La surchauffe représente la différence de température entre la température d’évaporation lue sur le manomètre BP et la température lue au niveau du bulbe à l’aide d’un thermomètre digital équipé d’une sonde de contact. Valeur devant être comprise entre 4 et 7°C.

P = 4,5 bars Température d’évaporation = 3°C

Mesure de la surchauffe :

Température lue au manomètre 10°C Surchauffe = 10 – 3 = 7°C ----°C

Une surchauffe trop grande indique un manque de fluide dans l’évaporateur. Une surchauffe trop petite indique un excès de fluide dans l’évaporateur, très dangereux car risque de coup de liquide au compresseur.

36

Tracé frigorifique complet avec représentation des équipements :

37

3.3) Exploitation du diagramme enthalpique. Tracé du cycle frigorifique sur le diagramme enthalpique en fonction des valeurs mesurées sur une installation. Exemple : Installation au R134a de vitrine de congélation dans un magasin de produits congelés. Pression lue au manomètre : BP = 1 bar HP = 12 bar. Température lue à l’aide d’un thermomètre digital près du bulbe du détendeur : -4°C Température lue à l’aide d’un thermomètre digital à la sortie du condenseur : 44°C

Tableau de valeurs :

Points

Pression Bar

Enthalpie KJ/kg

13

Températur e °C - 4°C

Entropie KJ/kg/K

Etat

397

Volume massique M3/kg 0,01

1

1,76

62

438

0,0175

1,76

13

42

258

2

-10

258

Vapeur surchauffée Vapeur surchauffée Liquide sous refroidi Liquide + partiellement vapeur

2

2

3 4

38

0,0350

4

1

2 3

Tracé du cycle frigorifique sur le diagramme enthalpique en fonction des valeurs mesurées sur une installation. 39

Exercice 1 : Installation au R 22 de climatiseur dans une station service. Pression lue au manomètre : BP = 5 bar HP = 15 bar. Surchauffe mesurée à l’aide d’un thermomètre digital comparée à la valeur lue sur le manomètre BP:5°C. Sous refroidissement mesuré à l’aide d’un thermomètre digital comparée à la valeur lue sur le manomètre HP:8°C. Tableau de valeurs : Points

Pression

Températur e

Enthalpie

1 2 3 4

40

Volume massique

Entropie

Etat

Exercice 2 : Installation au R 717 (ammoniac) de patinoire dans un complexe sportif. Pression lue au manomètre : BP = 0,5 bar HP = 10 bar. Surchauffe mesurée à l’aide d’un thermomètre digital comparée à la valeur lue sur le manomètre BP:2°C. Sous refroidissement mesuré à l’aide d’un thermomètre digital comparée à la valeur lue sur le manomètre HP:5°C. Tableau de valeurs :

Points

Pression

Températur e

Enthalpie

1 2 3 4

41

Volume massique

Entropie

Etat

4)

Technologie du matériel.

4.1)

Compresseurs.

Le compresseur a toujours été considéré comme le cœur des installations frigorifiques car c’est le seul organe mécanique, c’est donc aussi le composant le plus fragile de l’installation. Rôle : Le compresseur à pour rôle de faire circuler le fluide frigorigène dans l’installation et grâce la pression de refoulement élevée les vapeurs se condensent plus facilement. Types : Il existe deux grandes familles : - compresseurs volumétriques : type alternatif à pistons. type à vis. type rotatif. -

compresseurs centrifuges.

Conception des compresseurs volumétriques type alternatif à pistons : L’assemblage moteur compresseur peut-être du type : - ouvert : le moteur est totalement à l’extérieur du compresseur et est accouplé à celui-ci soit directement en bout d’arbre, soit par poulie et courroies. Une garniture d’étanchéité est nécessaire au passage de l’arbre du compresseur. - semi-hermétique : Le moteur accolé au compresseur est refroidi en grande partie par le fluide frigorigène aspiré par le compresseur, le moteur est démontable. - Hermétique : Le moteur est situé à l’intérieur de la cloche où se trouve le compresseur et n’est pas démontable. Principe de fonctionnement du mouvement de rotation en mouvement de translation : Le principe de fonctionnement d’un compresseur de type alternatif à piston est comparable mécaniquement à un moteur de véhicule, il est basé sur le principe d’un entraînement rotatif par un moteur souvent électrique transformé en mouvement de translation par un ensemble de pièce mécaniques. Ces pièces sont : -Le moteur électrique, chargé d’apporter le mouvement de translation. -le vilebrequin chargé, de transformer le mouvement de rotation en translation. La bielle, chargée de transmettre le mouvement de la bielle au piston. -le piston, chargé de comprimer le fluide frigorigène dans le cylindre.

42

Représentation schématique des différentes pièces intervenants dans le fonctionnement du compresseur :

Le piston : Le moteur électrique : Le vilebrequin : La bielle :

Schémas représentants le principe de fonctionnement du système rotatif en système alternatif (regarder rapidement les images de la gauche vers la droite et de haut en bas) :

cylindre

43

Représentation de différents types de compresseur volumétriques de type alternatifs et de leurs principaux éléments :

Compresseurs hermétiques :

44

Compresseurs semi hermétiques :

Compresseurs ouverts :

Compresseur volumétrique à vis :

45

Vue en coupe :

Lubrification des compresseurs semi hermétiques et ouverts :

46

systèmes de réduction de puissance des compresseurs poly-cylindres :

47

48

4.2) condenseurs : Les condenseurs à air : 49

L’air est un fluide dont on peut disposer gratuitement et en quantité illimitée, c’est donc a lui qu’en premier on s’adressera pour assurer économiquement la condensation des vapeurs de fluide frigorigène. Malheureusement, l’air a une très faible chaleur massique ( c=1 kJ/Kg d’air sec ) , et d’autre part, le coefficient global de transmission thermique entre une vapeur condensante et un gaz est également faible. Ces deux caractéristiques font que nous serons amenés à véhiculer de grands volumes d’air et que nous devrons avoir une grande surface d’échange pour des quantités de chaleur échangées relativement faibles. Cela implique des appareils rapidement encombrants et explique pourquoi en règle générale, les condenseurs à air n’équipent que des machines frigorifiques de puissance égale ou inférieure à 6000 W, toutefois, étant donné le prix du mètre cube d’eau, certains condenseurs dans les installations industrielles peuvent atteindre des échanges de chaleur allant jusqu’à 2000 kW. Les condenseurs à eau : Le rôle dévolu à un condenseur à eau est identique à celui que remplit le condenseur à air, cependant, le choix de son utilisation va dépendre de plusieurs facteurs important : - la puissance de l’installation frigorifiques la chaleur massique de l’eau étant environ 4 fois plus importante que celle de l’air, la taille du condenseur en sera réduite. - la disponibilité du fluide échangeur, proximité d’une source, d’un puits ou d’un cours d’eau pouvant servir de point de puisage, dans ce cas, l’utilisation de l’eau comme fluide de refroidissement sera intéressante a condition de disposer d’un débit suffisant et d’avoir l’autorisation de puiser ou de capter cette eau en fonction de la réglementation. - le moyen d’échange utilisé : - à eau perdue - à eau recyclée en utilisant une quantité d’eau minimum ou : - condenseurs à ruissellement - condenseurs à évaporation forcée, tour de refroidissement. Les condenseurs à air : Condenseurs à circulation d’ air naturelle. Emploi : Pour les installations de petite puissance (réfrigérateurs et congélateurs domestiques).

Conception : Ils sont constitués par un tube formant un serpentin et fixé sur une feuille de tôle perforée ou mieux, soudé sur un treillis de fils métalliques évitant au maximum le dépôt de poussières susceptibles de réduire les échanges thermiques. Le condenseur étant placé verticalement derrière l’ armoire, l’ espace nécessaire à la circulation de l’ air est réservé grâce à des fixations en matières plastiques par exemple. Représentation :

50

Condenseurs à circulation d’ air forcée. Emploi : Sur les installations de petites puissances jusqu’aux installations de plusieurs milliers de kW du fait de la gratuité de l’air.

Conception : Ils sont placés sur le socle du groupe compresseur, l’hélice de circulation est soit entraînée par courroie dans le cas de compresseur ouvert, soit par moteur électrique indépendant dans le cas de compresseurs hermétiques, ou semi-hermétiques. Dans le cas de grandes puissances, plusieurs ventilateurs peuvent être nécessaires. Le faisceau de condensation est constitué par un certain nombre de tubes ailletés, le sertissage des ailettes pouvant être réalisé par différents procédés. Représentation :

51

Les condenseurs à eau : Condenseurs coaxiaux et contre-courant. Afin d’ augmenter la vitesse de l’ eau au contact de la paroi du tube dans lequel circule le fluide, on a recours à une solution simple qui consiste à placer concentriquement deux tubes. Le fluide circulant dans l’ espace extérieur et l’ eau dans le tube intérieur. Il est possible de faire circuler les deux fluides à contre-courant.

eau

fluide

Conception : Dans leur conception pour machines commerciales, ces condenseurs sont exécutés en tubes de cuivre d’ une seule longueur. Les deux tubes placés l’ un dans l’ autre sont ensuite cintrés, ce qui évite tout coude rapporté. La surface de ces condenseurs est évidemment limitée par la longueur droite des tubes dont on dispose pour les fabriquer. Les coudes ou plaques tubulaires réunissant les tubes d’ eau sont démontables afin de permettre un nettoyage facile du circuit d’ eau. Pour les machines industrielles, les tubes dans lesquels circule le fluide sont réunis entre eux par des manchettes soudées, ces tubes étant eux-mêmes soudés à leurs extrémités sur les tubes de circulation d’ eau.

52

Condenseur coaxial à contre courant :

Quel que soit le modèle utilisé, ces condenseurs nécessitent la présence sur le circuit d’ une bouteille réservoir de liquide, cette bouteille permet d’accumuler une certaine quantité de liquide frigorigène qui, sans la présence de celle-ci, engorgerait les dernières spires du condenseur et diminuerait d’autant la surface libre pour la condensation du fluide.

Condenseurs multitubulaires horizontaux. Ils comprennent : - Un corps cylindrique 1 appelé calandre et réalisé en tube d’ acier étiré sans soudure, ou si le diamètre est trop important, par une virole en tôles d’ acier roulées et soudées.

53

- Aux extrémités de la calandre deux plaques de fond 2 en acier soudées sur la calandre et comportant autant de trous que le faisceau tubulaire comporte de tubes. - Un faisceau tubulaire 3 réalisé en tubes d’ acier étiré sans soudure, soudés sur les plaques de fond. - les tubulures d’ entrée et de sortie du fluide frigorigène situées à chaque extrémité de la calandre et en opposition l’ une de l’ autre 4. - -Des fonds en fonte 5 ou formés chacun par une bride en acier et un fond en acier embouti soudé sur la bride.

Condenseurs en U. Afin de supprimer une plaque de fond, certains des condenseurs à faisceaux en tubes à ailettes sont fabriqués en forme de U ; Le faisceau de condensation 1 est constitué de tubes cintrés formant chacun un U, les deux extrémités libres sont mandrinées dans la plaque de fond 2 sur laquelle est soudée la virole en acier 3 obturée à l’ arrière du condenseur par un fond embouti 6 également en acier. Le fond 7, cloisonné, comporte les tubulures d’ entrée E et de sotie d’ eau S. Dans cette disposition, nous obtenons un encombrement beaucoup plus faible à puissance égale qu’ avec les condenseurs à tubes lisses.

54

Les condenseurs atmosphériques : Condenseurs à évaporation forcée ( condenseurs évaporatifs ). Plus récents que les condenseurs à ruissellement, ils permettent, d’ une part, de réduire dans les mêmes conditions la consommation d’eau et D’ autre part la circulation forcée de l’ air sur le faisceau de condensation permet de réduire énormément l’ encombrement de l’appareil. Le coffrage métallique nécessaire à la bonne circulation de l’air, en empêchant les éclaboussures extérieures d’ eau, rend possible l’ installation du condenseur dans une salle de machines, le mettant ainsi hors gel pendant l’ hiver ; l’évacuation de l’ air chaud saturé se faisant à l’ extérieur du bâtiment à l’ aide d’ une gaine métallique. Conception et réalisation. Leur conception est semblable à celle des condenseurs à ruissellement, nous y trouvons toutefois un dispositif de pulvérisation qui remplace les rampes de ruissellement et en sus un ensemble de ventilation comportant un ou plusieurs ( centrifuges ) l’ensemble est complété par un séparateur de gouttelettes.

55

Désignation Repère 1 2 3 4 5 6 7 8 9

Désignation Pare gouttelettes Rampe de pulvérisation Pompe de relevage Collecteur d’arrivée Condenseur Collecteur de départ Ventilateur Panneau d’accès Enveloppe

Représentation :

56

4.3)

équipements de ligne.

Bouteille liquide : Rôle : Permet le stockage du fluide frigorigène en cas de manipulation sur l’installation. Permet de compenser les variations de débit au niveau du détendeur. Conception : Le réservoir de liquide est constitué par une bouteille réalisée en tube d’acier étiré sans soudure fermé à ses extrémités par un fond embouti en anse de panier, certains réservoirs comportent parfois un niveau visible de liquide, leur capacité permet normalement de stocker la charge totale de l’installation. Cette bouteille peut-être placée horizontalement ou verticalement. Représentation :

Raccord d’entrée

Tube plongeur de départ

Fond embouti

corps

Les voyants liquides. Représentation :

57

Rôle : Les voyants, placés sur les tuyauteries de liquide après le déshydrateur permettent de déceler la présence de bulles de vapeur dans la tuyauterie, ils permettent également de déceler une éventuelle présence d’humidité par une pastille dont la couleur change en présence d’humidité, ils sont également montés sur les installations qui comportent un séparateur d’huile, ils permettent de visualiser le bon retour de l’huile dans le compresseur. Conception : Le corps de ces voyants est en laiton matricé, le verre viseur est serti dans le corps, le détecteur d’humidité comporte une pastille composée d’un sel hygroscopique.

Les déshydrateurs : Les filtres déshydrateurs à cartouche solide. Représentation : Filtres déshydrateurs à cartouche solide DX et DN.

DX

DN

58

Filtres déshydrateurs à cartouche solide remplaçable.

Pour qu’une installation frigorifique fonctionne de façon optimale, il faut en premier lieu la maintenir propre et sèche à l’intérieur. Avant la mise en route, il faut éliminer toute l’humidité du circuit en assurant un tirage au vide de l’installation. En fonctionnement, il faut en permanence capter et éliminer les impuretés et l’humidité, à cet effet, on installe un déshydrateur dont la cartouche solide, comparable à une éponge, permet l’absorption et la rétention de l’eau. Conséquence des problèmes d’humidité : A court terme, blocage du pointeau de l’appareil de détente, et à plus long terme, une hydrolyse du fluide frigorigène et une action sur les huiles. En présence d’eau, les fluides frigorigènes halogénés libèrent des acides fluorés et en quantité moindre, des acides chlorés. Le fer et l’aluminium, éléments constitutifs du compresseur, agissant comme des catalyseurs accélèrent cette réaction, ces acides forment avec les métaux de l’installation, des sels métalliques et des oxydes se déposant sur les surfaces des tubes du condenseur et de l’évaporateur, réduisant ainsi les échanges thermiques. Ils peuvent également détruirent l’isolant du moteur électrique, grippage des pistons, usure générale anormale, etc… Déshydratation : Les procédés utilisés pour la déshydratation des compresseurs et circuits frigorifiques peuvent être classés en deux groupes principaux suivant qu’ils découlent de moyens chimiques ou physiques. - moyens physiques : 59

ils consistent à placer une cartouche déshydratante. - moyens chimiques : les moyens physiques font appel au chauffage et à la mise sous vide conjuguée des appareils à déshydrater, ce sont des procédés qui consistent à étuver les pièces pendant une dizaine d’heures à des températures comprises entre 120 et 150 °C.

Conception : Ce sont des capacités réalisées en tube d’acier ou en laiton, les déshydrateurs en laiton sont formés par des coquilles de laiton soudées à l’étain. Les cartouches sont composées de produits divers alliant à l’action déshydratante une action anti-acide et une filtration, l’ensemble a alors une triple action (déshydratation, neutralisation et filtration). Les produits constitutifs du mélange sont : le silicagel (déshydratation), l’oxyde d’aluminium (protection anti-acide) et le tamis fin + cartouche (filtration). Filtre déshydrateur non démontable.

Repère 1 2 3 4 6 7 8

Désignation Entrée du fluide frigorigène Ressort Cartouche solide déshydratante Filtre Grille Sortie du fluide frigorigène Capuchon de protection

Filtre déshydrateur avec cartouche solide remplaçable.

60

Repère 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Désignation boulon Bride d’accès Joint Vis papillon Ressort de blocage Filtres Cartouches solides Tige de maintien Fixation Enveloppe extérieure

Montage : Les déshydrateurs sont normalement montés sur la tuyauterie liquide, principalement pour protéger le détendeur, ils peuvent être monté également sur la conduite d’aspiration pour protéger le compresseur contre les impuretés, et pour déshydrater le réfrigérant. Les filtres d’aspiration ou filtres anti-acides permettent d’éliminer l’acidité après une avarie.

61

Dans le cas de déshydrateurs avec agent déshydratant non solide, le montage doit être vertical afin d’éviter le tassement de cet agent et la création d’un by-pass. Le filtre d’aspiration doit normalement être plus grand que le filtre monté sur la conduite de liquide, la perte de charge dans un filtre d’aspiration ne doit pas dépasser les valeurs cidessous : - conditionnement d’air :0,5 bar. - installations frigorifiques :0,25 bar. - installations de congélation :0,15 bar. Exemple de montage :déshydrateur avant l’évaporateur et avant le compresseur.

Les électrovannes : Représentation :

62

Rôle : L’électro-vanne permet d’isoler une partie du circuit frigorifique à l’arrêt. Elle est souvent utilisée comme vanne de régulation en pomp-down (coupure du circuit frigorifique par basse pression), elle est également employée pour éviter que l’évaporateur s’engorge de liquide à l’arrêt de l’installation. Montage : Toutes les vannes n’ont qu’un seul sens d’écoulement indiqué par une flèche. La vanne est généralement montée en amont du détendeur thermostatique et assez proche de celui-ci afin d’éviter les coups de bélier à son ouverture. S’il y a des coups de bélier en amont de la vanne, il faut placer un tube vertical placé dans un té.

4.4)

Les détendeurs :

Alimentation en fluide frigorigène : L’alimentation automatique en fluide frigorigène de l’évaporateur d’une installation nécessite un appareillage qui aura pour rôle de n’injecter à l’évaporateur que la quantité de fluide frigorigène juste nécessaire pour absorber l’apport calorifique en provenance du milieu à refroidir. Pour réaliser ce besoin, nous avons à notre disposition plusieurs types d’appareils fonctionnant suivant des principes différents, mais qui ont tous un point commun, ils constituent la séparation entre la partie haute pression et la partie basse pression du circuit frigorifique. Lors de son passage à travers le rétrécissement ou l’orifice calibré, le fluide frigorigène subit une chute importante de pression et se vaporisera partiellement. Seul des appareillages cités, le détendeur capillaire n’assure pas l’alimentation automatique d’un évaporateur en fluide frigorigène en fonction de la charge calorifique. Le détendeur capillaire (tube capillaire).

Représentation :

63

Description et constitution : Le tube capillaire, permet d’assurer la détente du fluide frigorigène et l’alimentation de l’évaporateur en fluide frigorigène détendu, il relie le condenseur à l’évaporateur. Ce mode d’alimentation est à l’origine réservé pour des installations de faible puissance. La détente du fluide frigorigène est obtenue par chute de pression lors de son passage dans le tube. Afin d’éviter une vaporisation partielle dans le tube, celui-ci fait corps avec la tuyauterie d’aspiration, la formation de bulles gênerait la circulation du fluide. A l’arrêt du compresseur, nous aurons continuité de débit jusqu’à égalisation des pressions entre condenseur et évaporateur, cela facilitera ultérieurement un démarrage aisé du compresseur et permet l’utilisation de moteur à faible couple de démarrage, par contre l’utilisation d’un tube capillaire exclut la possibilité de réserve de liquide condensé (bouteille liquide) entre condenseur et tube capillaire car à l’arrêt, ce liquide s’écoulerait dans l’évaporateur, l’engorgerait et pourrait provoquer des coups de liquide. Dimensionnement du capillaire : Le débit d’un tube capillaire et les conditions dans lesquelles il alimente un évaporateur dépendent de facteurs divers et étrangers à la variation de la charge calorifique. En premier lieu la perte de charge : - trop faible, c’est-à-dire avec un capillaire trop court, nous risquons des entraînements de gaz et des condensations dans l’évaporateur, d’où suralimentation de celui-ci. - trop forte, c’est-à-dire avec un capillaire trop long, le condenseur se remplit excessivement de liquide et son efficacité diminue, l’évaporateur étant sous-alimenté la pression décroît jusqu’à obtention d’un régime stable de travail pour le compresseur et cela au détriment du rendement global de l’installation. Une augmentation de la pression de condensation peut provoquer également une suralimentation de l’évaporateur, par contre une condensation à température trop basse, donc à pression trop faible provoquera une sous-alimentation. Les influences de ces éléments extérieurs à la variation de la charge calorifique nous montrent que le tube capillaire ne permet pas un ajustement automatique du débit de fluide à l’évaporateur en fonction de la charge calorifique de celui-ci, d’où nécessité de faire appel à d’autres appareils qui permettront d’obtenir cet ajustement automatique de débit afin d'assurer un fonctionnement souple de l’installation en fonction de la charge calorifique fournie à l’évaporateur, ces considérations font ressortir pourquoi l’alimentation par tube capillaire est réservée aux évaporateurs dont la charge calorifique varie peu et pour des puissances frigorifiques modestes. La détermination des dimensions à donner à un tube capillaire est difficile car le débit dépend de facteurs internes tels que : diamètre du tube, longueur, état de surface interne, etc…, et des facteurs externes :nature du fluide, état du fluide, taux de pollution en huile, etc… Le détendeur thermostatique : C’est l’organe de détente automatique le plus couramment utilisé dans les installations frigorifiques, le détendeur thermostatique va régler l’injection de liquide frigorigène de façon à maintenir constante la surchauffe des vapeurs sortant de l’évaporateur.

64

Représen Constitution :

tation :

Un détendeur thermostatique est équipé d’un corps de vanne muni d’un orifice fixe et d’un pointeau mobile. La position du pointeau est contrôlée à partir d’un ensemble composé d’un soufflet, d’un train thermostatique et de ressorts de réglage. D’un côté du soufflet règne la pression d’évaporation (amont ou aval de l’évaporateur suivant l’existence ou non d’une égalisation de pression), de l’autre côté du soufflet règne la pression de saturation correspondant à la température du bulbe du train thermostatique. Le bulbe est fixé à la sortie de l’évaporateur et contrôle la température des vapeurs surchauffées sortant de l’évaporateur. La pression régnant à l’intérieur du train thermostatique est fonction de la température du bulbe. Fonctionnement : En cas de diminution de la charge thermique de l’évaporateur (température basse atteinte dans le local), la température du bulbe va diminuer, entraînant ainsi la fermeture du pointeau jusqu’à la bonne valeur de surchauffe, quand la température va augmenter, la température du bulbe va également augmentée entraînant l’ouverture du pointeau du détendeur jusqu’à obtention de la bonne surchauffe. Rappelons que la surchauffe représente la différence de température existant entre les vapeurs sortant de l’évaporateur et la température d’évaporation. Les détendeurs thermostatiques sont équipes d’un ressort dont la force d’appui sur le soufflet est réglable, ce qui permet de régler la surchauffe. Dans la pratique, on adopte en général une surchauffe comprise entre 2 et 7°C (on peut avoir une surchauffe très basse dans le cas ou le compresseur tolère l’arrivée d’une certaine quantité de liquide avec les vapeurs). 65

Détendeur thermostatique à égalisation de pression interne : Rôle : Assurer l’admission automatique du fluide frigorigène à l’évaporateur afin d’obtenir un remplissage maximum de celui-ci en fonction des apports calorifiques extérieurs. Description : Le détendeur thermostatique se compose d’un corps en laiton matricé pour les fluides chlorofluorés ou en acier pour le NH3. Un filtre à mailles très serré protège le pointeau des impuretés qui pourraient le détériorer ou gêner son bon fonctionnement, le pointeau est relié à la membrane par une tige de liaison rendant ainsi solidaire l’ensemble pointeau-membrane, dans certains modèles, la membrane est remplacée par un soufflet métallique assurant la même fonction. Une vis de réglage permet de régler la tension du ressort agissant directement sur l’ouverture ou la fermeture du pointeau. Un bulbe, rempli généralement d’un liquide volatil agissant par sa tension de vapeur, est relié au corps du détendeur par l’intermédiaire d’un tube capillaire et d’un boîtier étanche sur le corps du détendeur. Les forces agissant sur le pointeau de détente sont d’une part la pression du train thermostatique et d’autre part, la pression exercée par le ressort de réglage et la pression d’évaporation à l’entrée de l’évaporateur (prise à l’intérieur du détendeur). Ce type de détendeur est bien adapté lorsque la perte de charge entre l’aval du détendeur et la sortie de l’évaporateur est faible, ce qui est le cas la plupart du temps sur les installations frigorifiques et sur les pompes à chaleur de faible puissance dont l’évaporateur est équipé de un ou deux circuits sans distribution de liquide.

Représentation :

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Principe de fonctionnement avec un évaporateur :

Détendeur thermostatique à égalisation de pression externe : Description : Dans une installation frigorifique ou les pertes de charge entre l’aval du détendeur et la sortie de l’évaporateur sont importantes, il est préférable d’utiliser un détendeur à égalisation de pression externe. La conception générale de ce détendeur est la même que celle du détendeur à égalisation interne de pression, deux particularités dans la conception de ce détendeur sont à signaler : - le passage de la tige de liaison reliant soufflet et pointeau doit être rendue étanche par presse-étoupe. 68

-

L’emprunt de pression fait à la sortie de l’évaporateur est acheminé jusqu’au détendeur par un tube spécialement prévu à cet effet et amené sous la membrane (ou le soufflet) par un raccord spécial existant sur le corps du détendeur.

Le fonctionnement de ce type de détendeur est identique à celui du détendeur thermostatique à égalisation interne de pression décrit précédemment. Les forces agissant sur le pointeau de détente sont d’une part la pression du train thermostatique et d’autre part la pression exercée par le ressort de réglage et la pression d’évaporation à la sortie de l’évaporateur. Le montage sur un évaporateur d’un détendeur à égalisation externe de pression exige que : - le piquage de prise de pression soit fait de telle façon qu’aucun entraînement de liquide frigorigène ou d’huile dans la tête du détendeur ne soit à craindre. - Le raccordement de l’égalisation externe soit réalisé même si l’évaporateur ne présente pas de pertes de charge appréciables.

Représentation :

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Principe de fonctionnement avec un évaporateur :

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4.5)

Evaporateurs :

Evaporateurs à circulation d’air naturelle. Emploi : Installations de petite puissance. Conception : Ils sont, de façon générale, réalisés en tubes à ailettes, rarement en tubes lisses. La réfrigération de l’air est obtenue par radiation et par convection naturelle de l’air sur le faisceau réfrigérant. Il est possible d’améliorer cette circulation à l’aide de chicanes formant égouttoir. Ils sont fixés au plafond des locaux froids qu’ils réfrigèrent .La batterie ailettée est constituée par des tubes de cuivre à ailettes aluminium planes, L’écartement des ailettes est de l’ordre de 8 mm.

Evaporateurs à circulation d’air forcée : Emploi : Installations de moyenne et grande puissance. Types : Il existe deux types principaux : - évaporateurs plafonniers fixés au plafond des chambres froides. - évaporateurs muraux placés contre et fixés sur les parois des chambres froides. Conception :

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Evaporateurs plafonniers : Ils sont constitués par un faisceau ailetté enfermé dans une carrosserie métallique, une tôle de fermeture placée à la partie supérieure et un égouttoir à la partie inférieure canalisent l’air pulsé par un ou plusieurs ventilateurs. Ces ventilateurs peuvent être placés soit sur la façade de l’évaporateur, soit sur des écrans inclinés ou en dessous de l’évaporateur.

Evaporateurs à immersion : Ce sont les plus anciens évaporateurs utilisés dans l’industrie frigorifique, ils sont entièrement immergés dans le liquide à refroidir. Type serpentin : La réalisation de ces évaporateurs est obtenue en enroulant des longueurs courantes de tubes de commerce raboutées par soudure, soit en forme d’épingle, soit sous forme de spirale ou encore sous forme rectangulaire, il y a lieu lors de la réalisation de tels évaporateurs, de tenir compte du fait que la longueur de tube nécessaire pour réaliser la surface correspondant à l’évacuation de la production frigorifique de la machine peut provoquer une perte de charge excessive dans l’évaporateur, perte de charge fort préjudiciable au bon rendement thermodynamique de la machine. Les différentes formes adoptées dépendent de l’utilisation des évaporateurs et sont fonction également de la puissance frigorifique à évacuer. Si la puissance frigorifique est faible, la forme rectangulaire est utilisée de préférence. L’évaporateur immergé dans le bac ceinture les serpentins dans lesquels circulent où sont placés les liquides à refroidir. Dès que la puissance frigorifique devient plus importante, l’évaporateur affecte la forme « épingle » et est alors placé dans un compartiment du bac séparé des serpentins par une

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chicane en tôle, la circulation forcée du liquide incongelable est alors assurée sur l’évaporateur et le compartiment par une hélice placée horizontalement ou verticalement. Cette hélice peut être actionnée directement ou indirectement par un moteur électrique, l’ensemble moteur-hélice étant alors communément appelé « agitateur ».

Evaporateur en forme d’épingle :

Evaporateur en forme de spirale :

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Evaporateur sous forme rectangulaire :

Evaporateur à épingle placé dans un bac agitateur :

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Les évaporateurs à ruissellement : L’évaporateur à ruissellement est souvent séparé en deux parties, dans la première partie de l’appareil, le liquide à refroidir l’est grâce à une circulation d’eau de ville ou d’eau de puits, qui l’amène de la température d’entrée voisine de 100°C pour le moût sortant des brassins ou de 75°C pour le lait sortant des pasteurisateurs jusqu’à une température proche de la température de l’eau de refroidissement. Dans la seconde partie, il est refroidi jusqu’à la température de stockage, soit par circulation d’eau glacée produite à l’aide d’évaporateurs accumulateurs de froid, soit par détente directe du fluide frigorigène. L’eau de refroidissement primaire circule dans un faisceau de tubes particulier, et le fluide frigorigène dans un second faisceau placé en dessous du premier, les deux faisceaux sont en contact avec des plaques d’acier inoxydables sue lesquelles ruisselle le liquide à refroidir qui est réparti sur la longueur de l’évaporateur par un bac distributeur. Après refroidissement, le liquide est repris dans un bac de récupération par une pompe d’évacuation. La surface de refroidissement peut être lavée après chaque utilisation afin d’éviter la pollution du liquide à refroidir.

Représentation :vue de face.

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Vue de côté.

5)

Annexes

5.1)

Définitions et formules.

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5.2)

Propriétés des solides.

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5.3)

Symboles.

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