1er Cours, 2006
Technique du froid & composants frigorifi frigorifiques ques Mohammed YOUBI-IDRISSI Chargé Chargé de Recher R Re Recherc echerche, cherche, che, he, Cemagref Cemag Cemagref Cemagr ref ef
LICENCE PROFESSIONNELLE MANAGEMENT DE LA CHAÎNE DU FROID - TRANSPORT ET LOGISTIQUE LOGISTIQUE
Un peu d’histoire, … 1862
Développement d’une machine de production de glace par Ferdinand Ferd inand Carr Carréé (1824 (1824-189 -1894) 4)
1874
Développement Développe ment d’une machi machine ne frig frigorif orifique ique à compr compressio essionn de vapeur pour conserver la viande et le transporter par Charles Tellier (1828-1913)
Le froid froid s’éla s’élance nce à la conquê conquête te des des indus industries tries agro agro-alime -alimentair ntaires es : conservation des produits d’origine animale et végétale Le froid est présent dans les industries métallurgiques, mécaniques, chimiques, spatiales, … Le froid est un facteur de confort industriel ou individuel (climatisation, froid domestique) Le froid est présent le domaine médical : fabrication des médicaments, conservation du plasma sanguin, opérations microchirurgicales, … 2
2
Un peu d’histoire, … 1862
Développement d’une machine de production de glace par Ferdinand Ferd inand Carr Carréé (1824 (1824-189 -1894) 4)
1874
Développement Développe ment d’une machi machine ne frig frigorif orifique ique à compr compressio essionn de vapeur pour conserver la viande et le transporter par Charles Tellier (1828-1913)
Le froid froid s’éla s’élance nce à la conquê conquête te des des indus industries tries agro agro-alime -alimentair ntaires es : conservation des produits d’origine animale et végétale Le froid est présent dans les industries métallurgiques, mécaniques, chimiques, spatiales, … Le froid est un facteur de confort industriel ou individuel (climatisation, froid domestique) Le froid est présent le domaine médical : fabrication des médicaments, conservation du plasma sanguin, opérations microchirurgicales, … 2
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Rappels et réflexions, … travaill mécanique mécanique peut être intégralement Un travail travai être intégralement intégr alement transformé ttransform ransforméé en chaleur (1er principe) Une chaleur ne peut pas être intégralement transformée en travail mécanique (2e principe) La chaleur est une forme dégradée de l’énergie Le 1er principe établit une conservation d’énergie transformation formation Le 2e principe précise le sens d’évolution d’une trans irréversible Énoncé de Clausius « le pass passage age de la la chaleu chaleurr d’un d’un corps corps fro froid froid id à un
corps chaud n’a jamais lieu spontanément spontanément ou sans compensation compe compennsation sation »
Énoncé de Kelvin « un système qui parcourt parcoourt urt un cycle monomoononosystème qui parc un cycle m
thermique, en contact avec une seule source de chaleur est incapable de fournir de travail » 3
3
Machine frigorifique, PAC Déplacer une quantité de chaleur d'un niveau bas vers un niveau plus élevé de températurec Tsc
Tsc= Tamb
Machine frigorifique
Tsf
Energie
Pompe de chaleur
Energie
Tsf = Tamb 4
4
Constitution d’une installation frigorifique
Composants principaux :
Composants annexes : le séparateur d’huile (5), le réservoir de liquide (6), le déshydrateur (7), le voyant liquide (8), la bouteille d’aspiration (9), le filtre d’aspiration (10)
le compresseur (1) le condenseur (2) le détendeur (3) l’évaporateur (4)
5
5
Diagramme de Mollier Pression (bars)
point critique courbe de saturation liquide courbe de bulle
liquide
liquide + vapeur
Chaleur latente
vapeur courbe de saturation vapeur courbe de rosée Enthalpie (kJ/kg)
La pression est présentée sur une échelle logarithmique 6
6
Diagramme de Mollier Terminologie La distinction entre « gaz » et « vapeur » est floue. On parlera de : « gaz » s’il est improbable qu’il change de phase (l’air ambiant par exemple); « vapeur » si la probabilité d’occurrence d’un changement de phase est
réelle.
Vapeur saturée : vapeur en équilibre avec du liquide. Liquide saturé : en équilibre avec sa vapeur. Pression de saturation : pression à laquelle il y a équilibre entre phases pour
une température donnée.
Vapeur surchauffée : vapeur qui n’est pas en équilibre avec du liquide et
ne peut donc contenir aucune trace de celui-ci.
Liquide sous-refroidi : liquide qui n ’est pas en équilibre avec de la vapeur et
ne peut donc contenir aucune trace de celle-ci.
7
7
Diagramme de Mollier Courbes isothermes
P
T1c < T2
Surchauffe Sous-refroidissement
<
Tc
h 8
8
Diagramme de Mollier Remarques Continuité du passage de l’état liquide à l’état vapeur (Il n’y a pas de passage brutal entre les deux états)
États métastables En réalité, en décrivant une isotherme, il peut y avoir : •un retard de vaporisation : liquide surchauffé •un retard de condensation : vapeur sous-refroidie évolution brusque vers l’état d ’équilibre normal dès la présence des germes de condensation ou des sites de nuclééation Au-delà du point critique •Il n’y a plus de changement de phase •Les isothermes se rapprochent progressivement de la forme hyperbolique, caractéristique d’un gaz idéal 9
9
Diagramme de Mollier Courbes isochores
P
V3
V3
V4 V1 [dm3/kg] V1
h 10
10
Diagramme de Mollier Courbes isentropiques
P
s1
<
s2
<
s3
<
s4
h 11
11
Diagramme de Mollier Courbes isotitres en vapeur
P
0 = x
1 = x
h 12
12
Diagramme de Mollier
Référence 13
13
Cycle de référence Hypothèses : IRREVERSIBILITES MINIMALES
Pas de résistances de transfert de matière Pas de pertes de pression Échange thermique réversible Échange thermique entre fluide frigorigène et fluides secondaires dans les échangeurs uniquement Compresseur parfait : adiabatique, réversible
14
14
Cycle de Carnot La machine idéale de Carnot, réversible et sans frottement a permis de comprendre la conversion de chaleur en travail Le cycle de Carnot est un cycle réversible entre deux sources de chaleur, il est composé de deux isothermes et de deux isentropes
(1796-1832)
T
1er PP 2ème PP
3
2
4
1
Qo − Q k + W = 0 Qo Q k − =0 T o T k
COP c
s
=
Qo W
=
T o T k − T o 15
15
Cycle de référence 3
2
4
1
Haute
4-1 : absorption de chaleur 1-2 : élévation température 2-3 : rejet de chaleur 3-4 : bouclage
Condenseur
Pression
3
2
Détendeur 4
Basse
Compresseur Évaporateur
1
Pression 16
16
Cycle de référence Évaporateur δ p=0
To=Tsf
p0 constante To constante
Pour un corps pur ou un mélange azéotrope : T1 = T4= To ; P1 = P4 = Po et X1 = 1
Tsf Aspiration : p et T constantes
p0 4
1 17
17
Cycle de référence Condenseur δ p=0
Tk =Tsc
Pk constante Tk constante
Pour un corps pur ou un mélange azéotrope : T3 = Tk ; P2 = P3 = Pk et X3 = 0 Tsc pk
Conduite liquide : p et T constantes
18
18
Cycle de référence Compresseur Adiabatique + réversible
Compression isentropique
s 1 = s2
Refoulement compresseur = entrée condenseur pk
po
3
2 1
19
19
Cycle de référence Détendeur Détente isenthalpe
Wdet non récupéré Qdet négligeable
Détente irréversible pk
po
3 4
2 1 20
20
Cycle de référence
3
4
2
1
21
21
Cycle de référence Bilans énergétiques Variations des énergies cinétique et potentielle sont nulles Évaporateur
Condenseur
0 = Q& o + m& h4 − m& h1
0 = Q& k + m& h2 − m& h3
Détendeur
Compresseur
0 = m& h3 − m& h4
& + m& h − m& h 0 = W 1 2 22
22
Cycle réel t e n m d e s s e i e d i o n o Z f r e - r s u s o
Zone de condensation
4
e e t t n n e e t t é é d d e e d d e e n n o o Z Z
à e e d i id u u q i qi l l % % 0 0 0 0 1 1 e e d d
3 Eau ou air
5 6 Mélange diphasique
d Z é s u o n r c e d h a e u f f e z f o l n u e i s d d u e r f e c r c h i o a g m u o f r p r f i e é g è s n s e i o n
2
Eau ou air
1 8
7 Zone d évaporation
Zone de surchauffe 23
23
Cycle réel Avec pertes thermiques et sans pertes de pression m&
Ligne d’aspiration
8
1
θ1> θ8
Q& app
Ligne de refoulement
2
θ2> θ3
Compresseur & W
m&
3
2
1
Ligne liquide
5
4
θ5<> θ4 24
24
Cycle réel
4
3 2is
5
6=7
8
2
1
25
25
Cycle réel Avec pertes thermiques et pertes de pression δ T
Pertes de pression en équivalent de température P e r t e s d e p r e s s i o n
2
δ P
3 ∆θ
Refroidissement
26
26
