Technique du froid &
composants frigorifiques
Technique du froid Technique du froid &&
composants frigorifiquescomposants frigorifiques
Mohammed YOUBI-IDRISSI
Chargé de Recherche, Cemagref
Mohammed YOUBI-IDRISSI
Chargé de Recherche, Cemagref
LICENCE PROFESSIONNELLE MANAGEMENT DE LA CHAÎNE DU FROID - TRANSPORT ET LOGISTIQUE
1er Cours, 2006
2
Un peu d’histoire, …
2
1862 Développement d’une machine de production de glace par Ferdinand Carré (1824-1894)
1874 Développement d’une machine frigorifique à compression de vapeur pour conserver la viande et le transporter par Charles Tellier (1828-1913)
Le froid s’élance à la conquête des industries agro-alimentaires : 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, …
3
Rappels et réflexions, …
3
Un travail mécanique peut être intégralement transformé en chaleur (1er principe)Un travail mécanique peut être intégralement transformé en chaleur (1er principe)
Une chaleur ne peut pas être intégralement transformée en travail mécanique (2e principe)Une chaleur ne peut pas être intégralement transformée en travail mécanique (2e principe)
La chaleur est une forme dégradée de l’énergie La chaleur est une forme dégradée de l’énergie
Le 1er principe établit une conservation d’énergie Le 1er principe établit une conservation d’énergie
Le 2e principe précise le sens d’évolution d’une transformationirréversible Le 2e principe précise le sens d’évolution d’une transformationirréversible
Énoncé de Clausius « le passage de la chaleur d’un corps froid à un corps chaud n’a jamais lieu spontanément ou sans compensation »Énoncé de Clausius « le passage de la chaleur d’un corps froid à un corps chaud n’a jamais lieu spontanément ou sans compensation »
Énoncé de Kelvin « un système qui parcourt un cycle mono-thermique, en contact avec une seule source de chaleur est incapable de fournir de travail »
Énoncé de Kelvin « un système qui parcourt un cycle mono-thermique, en contact avec une seule source de chaleur est incapable de fournir de travail »
4
Machine frigorifique, PAC
4
Pompe dechaleur
Energie
Tsc
Tsf Tamb=Tsf
Tsc Tamb=
Energie
Machinefrigorifique
Déplacer une quantité de chaleur d'un niveau bas vers un niveau plus élevé de températurecDéplacer une quantité de chaleur d'un niveau bas vers un niveau plus élevé de températurec
5
Constitution d’une installation frigorifique
5
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)
Composants principaux :le compresseur (1)
le condenseur (2)
le détendeur (3)
l’évaporateur (4)
6
Diagramme de Mollier
6
Pression (bars)
Enthalpie (kJ/kg)
liquide vapeurliquide + vapeur
point critique
courbe de saturation liquidecourbe de bulle
courbe de saturation vapeurcourbe de rosée
La pression est présentée sur une échelle logarithmique
Chaleur latente
7
Diagramme de Mollier
7
TerminologieTerminologieLa 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 pourune 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 etne peut donc contenir aucune trace de celle-ci.
8
Diagramme de Mollier
8
TcT1c T2< <P
h
SurchauffeSous-refroidissement
Courbes isothermesCourbes isothermes
9
Diagramme de Mollier
9
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
Continuité du passage de l’état liquide à l’état vapeur
(Il n’y a pas de passage brutal entre les deux états)
États métastablesÉtats 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
RemarquesRemarques
10
Diagramme de Mollier
10
V1 [dm3/kg]
V2 [dm3/kg]
V1<V2
V3<V4
V3 V4P
h
Courbes isochoresCourbes isochores
11
Diagramme de Mollier
11
Courbes isentropiquesCourbes isentropiques
P
h
s1 s2 s3 s4< < <
12
Diagramme de Mollier
12
Courbes isotitres en vapeurCourbes isotitres en vapeur
x = 0
x = 1
P
h
13
Diagramme de Mollier
13Référence
14
Cycle de référence
14
Hypothèses : IRREVERSIBILITES MINIMALES
Pas de résistances de transfert de matièrePas de résistances de transfert de matière
Pas de pertes de pressionPas de pertes de pression
Échange thermique réversibleÉchange thermique réversible
Échange thermique entre fluide frigorigène et fluides
secondaires dans les échangeurs uniquement
Échange thermique entre fluide frigorigène et fluides
secondaires dans les échangeurs uniquement
Compresseur parfait : adiabatique, réversibleCompresseur parfait : adiabatique, réversible
15
Cycle de Carnot
0
0
=−
=+−
k
k
o
o
ko
T
Q
T
Q
WQQ
15
La machine idéale de Carnot, réversible et sans frottement a permis de comprendre la conversion de chaleur en travail
(1796-1832)
Le cycle de Carnot est un cycle réversible entre deux sources de chaleur, il est composé de deux isothermes et de deux isentropes
T
s1
23
4
1er PP
2ème PP ok
ooc
TT
T
W
QCOP
−
==
16
Cycle de référence
16
4-1 : absorption de chaleur1-2 : élévation température2-3 : rejet de chaleur3-4 : bouclage4 1
23
Évaporateur
Condenseur
CompresseurDétendeur
Haute
Basse
Pression
Pression 1
23
4
17
Cycle de référence
17
Tsf
p0
δp=0 p0 constante
To=Tsf To constante
ÉvaporateurÉvaporateur
Pour un corps pur ou un mélange azéotrope : T1 = T4= To ; P1 = P4 = Po et X1 = 1
4 1
Aspiration :p et T constantes
18
Cycle de référence
18
CondenseurCondenseur
δp=0 Pk constante
Tk=Tsc Tk constante
Pour un corps pur ou un mélange azéotrope : T3 = Tk ; P2 = P3 = Pk et X3 = 0
pk
Tsc
Conduite liquide :p et T constantes
19
Cycle de référence
19
CompresseurCompresseur
Adiabatique + réversible Compression isentropique s1 = s2
pk
1
2
Refoulement compresseur = entrée condenseur
3
po
20
Cycle de référence
20
DétendeurDétendeur
Wdet non récupéré
Qdet négligeable
Détente isenthalpe
Détente irréversible
pk
1
23
po 4
21
Cycle de référence
2
14
3
21
22
Cycle de référence
22
Évaporateur
140 hmhmQo &&& −+=
Condenseur
320 hmhmQk &&& −+=
Détendeur
430 hmhm && −=
Compresseur
210 hmhmW &&& −+=
Variations des énergies cinétique et potentielle sont nulles
Bilans énergétiquesBilans énergétiques
23
Cycle réel
23
Eau ou air
Eau ou air
8
1
2
34
5
6
7
zone de compression
fluide frigorigène surchauffé
Zone de
désurchauffe
Zone de condensation
Zone
de
sous
-refroid
issem
ent
Zone
de
déte
nte
de 1
00%
liq u
ide
àun
mé l
ange
de
20/3
0 % v
a peu
ret
70/
80%
liqu
i de
Mélange diphasique
Zone d’évaporation
Zone desurchauffe
24
Cycle réel
24
8 1 θ1> θ8
Ligne d’aspiration
3 2 θ2> θ3
Ligne de refoulement
W&
1
2m&
m&
appQ&
Compresseur
5 4θ5<> θ4
Ligne liquide
Avec pertes thermiques et sans pertes de pressionAvec pertes thermiques et sans pertes de pression
25
Cycle réel
8 1
22is4
5
6=7
3
25
26
Cycle réel
26
2
3Pδ
Tδ
θ∆
Refroidissement
Per te s de p r es si on
Pertes de pression en équivalent de température
Avec pertes thermiques et pertes de pressionAvec pertes thermiques et pertes de pression
27
Cycle réel
27
Avec pertes thermiques et pertes de pressionAvec pertes thermiques et pertes de pression
1
2345
6=78
28
Les frigorigènes
28
� Fluides naturels
NH3, HC, CO2
� CFC : ChloroFluoroCarbures
Molécules très stables, destructrices d’ozone (ODP élevé), premier frigorigène synthétique
� HCFC : HydroChloroFluoroCarbures
Molécules moins stables que CFC, destructrices d’ozone (ODP faible), fluides de transition
� HFC : Hydrofluorocarbures
ODP = 0, fluides de substitution
CFC/HCFC/HFC participent CFC/HCFC/HFC participent àà ll’’effet de serreeffet de serre
Soumis Soumis àà des contraintes rdes contraintes rééglementairesglementaires
Types de frigorigTypes de frigorigèènes nes
29
Les frigorigènes
29
� 1930 : CFC
R-12, ...
�1860 : Fluides naturelsCO2 ; SO2 ; NH3Chlorométhane
�1980 : HFCR-134a, ...
�Puis : HCFCR-22
30
Les frigorigènes
30
� Atomes : C, H, F, (Cl), Br,...
C H F Cl
NomenclatureNomenclature
FF
F F
H H
31
Les frigorigènes
31
NomenclatureNomenclature
� C ; H ; F ;Cl
� R X Y Z
Nombre de F
Nombre de H+1Nombre de C-1
Refrigerant
R-134a
C = 2 H = 2 F = 4
R- 12
C = 1 H = 0 F = 2
0
32
Les frigorigènes
32
Reconnaître un CFCReconnaître un CFC
� R - X Y Z
C H FCFC : C, F, Cl ; H = 0
Y=1
Cl
Z ≤ 3
Cl
Z ≤ 5
Cl
Z ≤ 7
Exemple : R11, R12,R13,R14, R113, R114, R115, R116
33
Les frigorigènes
33
Reconnaître un HCFCReconnaître un HCFC
Exemple : R123, R124, R22, R141a, R142b
� R - X Y Z
C H F
HCFC : C, H, F, Cl ; H ≥≥≥≥ 1
Y ≥≥≥≥ 2 et Cl ≥≥≥≥ 1
Cl
Y+Z ≤ 3
Cl
Y+Z ≤ 5 Y+Z ≤ 7
H H ClH
34
Les frigorigènes
34
Reconnaître un HFCReconnaître un HFC
Exemple : R32, R23
� Quand X=0 (famille de méthane) Y+Z = 5
� Quand X=1 (dérivés de l’éthane) Y+Z = 7
Exemple : R134a, R125, R152a, R143a
Mélanges zéotropes (Série 400)Mélanges zéotropes (Série 400)
�Un frigorigène zéotrope (ou non-azéotropique) est un mélange dont les compositions en phase liquide et en phase vapeur diffèrent lorsque les deux phases coexistent.
�Ces mélangent se voient attribuer un numéro commençant par 4 et fur et à mesure de leur découverte
Exemple : R404A, R407C, R410A
35
Les frigorigènes
35
Mélanges azéotropes (Série 500)Mélanges azéotropes (Série 500)
� Un frigorigène azéotrope se comporte comme un fluide pur.
Exemple : R502, R507, R410A
Hydrocarbures (Série 600)Hydrocarbures (Série 600)
Exemple : R600, R600a
36
Les frigorigènes
36
Les composés inorganiques (Série 700)Les composés inorganiques (Série 700)La règle consiste à rajouter la masse molaire du fluide a près le chiffre 7
NHNH33 : M = 14 + 3: M = 14 + 3
HH22O : M = 2 + 16O : M = 2 + 16
COCO22 : M = 12+ 32: M = 12+ 32
RR--717717
RR--718718
RR--744744
NH3 (60%)+NH3 (60%)+DimDimééthylthyléétherther (40%) : M = 12+ 32(40%) : M = 12+ 32 R723R723
37
Les frigorigènes
37
Critères de sécurité et d’environnementCritères de sécurité et d’environnement•toxicité ;•inflammabilité ;•effet sur la couche d’ozone;•effet de serre.
Critères technologiques, opérationnels et économiquesCritères technologiques, opérationnels et économiques•masse volumique du liquide élevée = compacité•pression de fonctionnement : Pk modérée et Pk > Patm•propriétés aérauliques et thermiques : viscosité faible et conductivitéthermique élevée ;•compatibilité (huile ; matériaux ; stabilité chimique et thermique) ;•coût et disponibilité.
Critères thermodynamiquesCritères thermodynamiques
•efficacité :12
68
hh
hh
−
−et chaleur latente, élevés (cycle théorique)
Technique du froid
&
composants frigorifiques
Technique du froid Technique du froid
&&
composants frigorifiquescomposants frigorifiques
Mohammed YOUBI-IDRISSIChargé de Recherche, CemagrefMohammed YOUBI-IDRISSI
Chargé de Recherche, Cemagref
LICENCE PROFESSIONNELLE MANAGEMENT DE LA CHAÎNE DU FROID - TRANSPORT ET LOGISTIQUE
2ème Cours, 2006
Nom de l’événement + date25/11/2006 2
Historique
� 1860 : Fluides naturels :
CO2 ; SO2 ; NH3
Chlorométhane
� 1930 : CFC
R-12, ...
� Puis : HCFC
R-22
� 1980 : HFC
R-134a, ...
Nom de l’événement + date25/11/2006 3
Nomenclature
� Atomes : C, H, F, (Cl), Br,...
C H F Cl
H H
Nom de l’événement + date25/11/2006 4
Nomenclature : corps pure
� C ; H ; F ;Cl
� R X Y Z
Nombre de F
Nombre de H+1
Nombre de C-1
Refrigerant
R-134a
C = 2 H = 2 F = 4
R- 12
C = 1 H = 0 F = 2
0
Nom de l’événement + date25/11/2006 5
Comment reconnaître un CFC ?
� R - X Y Z
C H F CFC : C, F, Cl ; H = 0
Y=1
Cl
Z ≤ 3
Cl
Z ≤ 5
Cl
Z ≤ 7
Nom de l’événement + date25/11/2006 6
Exemples
R122F 0H 1C
2F 11 01
===
==+=− HC
ClCl
F
F
R1155F 0H 2C
5F 11 11
===
==+=− HC
Cl
FF
FF
F
Nom de l’événement + date25/11/2006 7
Comment reconnaître un HCFC ?
� R - X Y Z
C H F HCFC : C, F, Cl ; H ≥ 1
Y ≥≥≥≥ 2 et Cl ≥≥≥≥ 1
Y+Z ≤ 3 Y+Z ≤ 5 Y+Z ≤ 7
ClH ClH ClH
Nom de l’événement + date25/11/2006 8
Exemples
R222F 1H 1C
2F 21 01
===
==+=− HC
ClH
F
F
R1233F 1H 2C
3F 21 11
===
==+=− HC
Cl
FCl
FF
H
Nom de l’événement + date25/11/2006 9
Comment reconnaître un HFC ?
� R - X Y Z
C H F HFC : C, F, H ; Cl = 0
Y+Z = 5 Y+Z = 7 Y+Z = 9
FH FH FH
Si C = 1 X = 0
Si C = 2 X = 1
Si C = 3 X = 2
R23, R32 R134a, R125, R143a R227ea, R236fa, R245ca
Nom de l’événement + date25/11/2006 10
Mélange azéotropes/zéotrope
st
rosée
st
rosée
CT à P
CP à T
==
==
bulle
bulle
P
T
�Un mélange azéotrope se comporte comme un fluide pur
�Un mélange zéotrope se comporte comme un fluide pur
st
rosée
st
rosée
CT à P
CP à T
=≠
=≠
bulle
bulle
P
T
( ) ( )
( ) ( ) T n,compositiof pression de glissement : P -
P n,compositiof re températude glissement : - T
rosée
rosée
=
=
bulle
bulle
P
T
Nom de l’événement + date25/11/2006 11
Diagramme de phase
Nom de l’événement + date25/11/2006 12
Nomenclature : mélange
�Mélange azéotrope : Série 500
Exemple :
- R502 (HCFC, 48,8%R22 + 51,2%R115) ;
- R507 (HFC, 50% R125+ 50% R143a)
- …
�Mélange zéotrope : Série 400
Exemple :
- R404A (HFC, 44%R125 + 52%R143a+ 4%R134a) ;
- R407C (HFC, 25% R125+23% R32 + 48% R134a)
- R410A (HFC, 50% R125+50% R32)
- …
Nom de l’événement + date25/11/2006 13
Autres frigorigènes
�Hydrocarbures : Série 600
-Pour un nombre d’atome de carbone égale 1,2, 3, la règle des
frigorigène purs est utilisée : Méthane CH4 (R50), Éthane C2H6 (R170),
Propane C3H8 (R290)
-Pour un nombre d’atome de carbone > 4, on utilise la série 600
Butane R600, Isobutane R600a
�Composés inorganiques : Série 700La règle consiste à utiliser la masse molaire du fluide après le chiffre 7
Exemple :
- Ammoniac NH3 : R717
- CO2 : R744
- Eau : 718
- 60% NH3, 40% DME : R723
Nom de l’événement + date25/11/2006 14
Choix des frigorigènes
Critères de sécurité et d’environnementCritères de sécurité et d’environnement
•toxicité ;
•inflammabilité ;
•effet sur la couche d’ozone;
•effet de serre.
Critères technologiques, opérationnels et économiquesCritères technologiques, opérationnels et économiques
•masse volumique du liquide élevée = compacité
•pression de fonctionnement : Pk modérée et Pk > Patm
•propriétés aérauliques et thermiques : viscosité faible et conductivité
thermique élevée ;
•compatibilité (huile ; matériaux ; stabilité chimique et thermique) ;
•coût et disponibilité.
Critères thermodynamiquesCritères thermodynamiques
•efficacité :
12
68
hh
hh
−
−et chaleur latente, élevés (cycle théorique)
Nom de l’événement + date25/11/2006 15
Les compresseurs frigorifiques
� Rôle du compresseur
Le compresseur a pour rôle d’aspirer les vapeurs venants de l’évaporateur à une pression faible et de refouler à haute pression ces vapeurs comprimées dans le condenseur
� Types de compresseursSur la base de leur fonctionnement, on distingue deux groupes principaux :
-Les compresseurs volumétriques ;* compresseurs à pistons (alternatifs)* compresseurs à palettes (rotatifs) * Compresseurs hélicoïdaux ou à vis (rotatifs)* compresseurs spiroïdaux ou scroll (rotatifs)
-Les compresseur centrifuges (compresseurs à impulsion).
Nom de l’événement + date25/11/2006 16
Grandeurs caractéristiques
][mn 4
32
ld
Cπ
=
� Grandeurs géométriques� Grandeurs mécaniques� Grandeurs énergétiques� Grandeurs qualitatifs
1. Grandeurs géométriques
a. Cylindrée C
C’est le volume balayé lors d’une course d’aspiration pendant
un tour de l’arbre
cylindres des nombre :n
[m] course : l
Nom de l’événement + date25/11/2006 17
Grandeurs caractéristiques
]m[ 60
N n
4
32
sld
Vbal
=
π&
[tr/min]rotation de vitesse: N
b. Débit volume balayé
C’est le volume balayé pendant l’unité du temps, il varie
proportionnellement à la vitesse de rotation du compresseur
�La cylindrée est seule une grandeur purement géométrique
�Le débit volume balayé est souvent exprimé en m3/h
2
2,
1
1,
N
V
N
V balbal&&
=
Nom de l’événement + date25/11/2006 18
Grandeurs caractéristiques
vηbalasp VV && =
c. Débit volume aspiré
C’est le débit réellement aspiré par le compresseur
[kg/s] vasp′′
= asp
f
Vm
&
&
d. Débit massique
C’est le nombre de kilogrammes de fluide ayant circulé dans
le compresseur pendant une unité de temps
Nom de l’événement + date25/11/2006 19
Grandeurs caractéristiques
2. Grandeurs mécaniques
Ces caractéristiques découlent du fonctionnement du compresseur et de
l’examen du diagramme de fonctionnement
a. Principe de fonctionnement
Nom de l’événement + date25/11/2006 20
Grandeurs caractéristiques
a. Principe de fonctionnement
Le piston étant à la fin de sa course d’aspiration (point mort bas), le cylindre est totalement rempli de vapeur à la pression d’aspiration Po
AA
Le piston commence sa course de compression. Les clapets d’aspiration et de refoulement sont fermés. Le Volume diminue et la pression augmente au fur et à mesure
MM
Nom de l’événement + date25/11/2006 21
Grandeurs caractéristiques
a. Principe de fonctionnement
Lorsque la pression dans le cylindre atteint une pression légèrement supérieure à la pression Pk, les clapets de refoulement s’ouvrent
BB CC
Les vapeurs continuent de s’échapper jusqu’ai ce que le piston atteint le point mort haut. Il reste un volume jamais balayé «espace mort»
Nom de l’événement + date25/11/2006 22
Grandeurs caractéristiques
balV&
kP
a. Principe de fonctionnement
Le piston amorce sa course de décente, les deux clapets sont fermés. Les clapets d’aspiration s’ouvrent quand la pression est légèrement inférieure à Po. L’espace mort provoque un retard à l’aspiration
DD
BB
AA
CC
DD
PP
VV
oP
Nom de l’événement + date25/11/2006 23
Grandeurs caractéristiques
( )( )( )∫ −=
−=
−=
=
dlAPP
dlAPPdW
APPF
lFW
i
i
W
0i
0
0
kP
oP
b. Travail indiqué Wi
BB
AA
CC
DD
PP
VV
1l2l
Travail indiqué = aire ABCDA
c. Puissance indiquée
60
NWW ii =&
Nom de l’événement + date25/11/2006 24
Grandeurs caractéristiques
evbalv
o
evo
hv
VQ
hmQ
∆′′
=
∆=
&&
&&
η
3. Grandeurs énergétiques
a. Puissance frigorifique
Puissance frigorifique délivrée par un compresseur dépend de :- Caractéristiques géométriques du compresseur- Caractéristiques physiques du fluide frigorigène- Conditions de température et de pression HP et BP- Rendement volumétrique
b. Production frigorifique volumétrique
v
hQ ev
v ′′∆
=
Nom de l’événement + date25/11/2006 25
Grandeurs caractéristiques
o
k
P
P=τ
4. Grandeurs qualitatives
a. Taux de compression
b. Rendements du compresseur
weff
Compresseur
wfm
wirr
wfm
wfl
qa
h1
Nom de l’événement + date25/11/2006 26
Grandeurs caractéristiques
��Bilan Bilan éénergnergéétiquetique
021 =−−+ aeff qhmhmW &&&&
BILAN FLUIDE
ηi
wth
wp
= ηis
hishr
=∆
∆
��Rendement indiquRendement indiquéé ��Rendement isentropiqueRendement isentropique
Nom de l’événement + date25/11/2006 27
Grandeurs caractéristiques
��Rendement mRendement méécaniquecanique
ηm
wp
weff
=énergie utile réelle
énergie consommée
''Qualité" compresseur
Compresseur parfait
compresseur réel
Transformation globale
ηeff
wth
weff
=
��Rendement effectifRendement effectif
Technique du froid &
composants frigorifiques
Technique du froid Technique du froid &&
composants frigorifiquescomposants frigorifiques
Mohammed YOUBI-IDRISSI
Chargé de Recherche, Cemagref
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LICENCE PROFESSIONNELLE MANAGEMENT DE LA CHAÎNE DU FROID - TRANSPORT ET LOGISTIQUE
3ème Cours, 2006
Nom de l’événement + date06/12/2006 2
Technologie des compresseurs
Sur la base de leur fonctionnement, on distingue deux groupes principaux :
- Les compresseurs volumétriques ; où la compression du fluide frigorigène se fait par réduction du volume de la chambre de compression :
* compresseurs à pistons (alternatifs)* compresseurs à palettes (rotatifs) * compresseurs hélicoïdaux ou à vis (rotatifs)* compresseurs spiroïdaux ou scroll (rotatifs)
- Les compresseur centrifuges (compresseurs à impulsion) ; où la compression du fluide est créée par la force centrifuge générée par une roue à aubes. On parle de turbocompresseur.
On les distingue également par l'association moteur-compresseur
Nom de l’événement + date06/12/2006 3
Technologie des compresseurs
Le compresseur ouvert, où le moteur est dissocié du compresseur et raccordé par un manchon ou une courroie. L'accès aux différents éléments est possible pour réparation et la vitesse de rotation est modifiable en changeant la poulie du moteur. Mais ces deux avantages (fort théoriques...) ne compensent pas le défaut majeur de l'existence d'un joint d'étanchéitérotatif à la traversée du carter par l'arbre. Ce joint, qui doit être lubrifiépour assurer l'étanchéité, est source de fuites... inacceptables aujourd'hui dans un contexte "zéro-fuite".
Nom de l’événement + date06/12/2006 4
Technologie des compresseurs
Le compresseur hermétique, où moteur et compresseur sont enfermés dans une même enveloppe. Le joint tournant disparaît et avec lui le risque de fuite. Mais des contraintes nouvelles apparaissent, dont le fait que le refroidissement du moteur est réalisé par le fluide frigorigène lui-même. Le compresseur hermétique est couramment utilisé pour les petites et moyennes puissances : froid domestique, climatiseurs, armoires de climatisation, pompes à chaleur, ...
L’échauffement du compresseur hermétique est préjudiciable au cycle frigorifique puisque la température àl'aspiration du compresseur augmente. De plus, si le moteur vient à griller, c'est l'ensemble du circuit frigorifique qui sera pollué : un nettoyage complet du circuit doit être réalisé si l'on veut éviter de nouveaux ennuis. En cas de problème, il n'est plus possible de réparer
Nom de l’événement + date06/12/2006 5
Technologie des compresseurs
Le compresseur semi-hermétique, qui réalise un compromis entre les deux produits précédents. Il tente de bénéficier des avantages du groupe ouvert (accès aux mécanismes) et du groupe hermétique (limitation des fuites). Mais l'étanchéité reste imparfaite (nombre de joints non négligeable) et le prix est sensiblement plus élevé que pour le compresseur hermétique. Le compresseur semi-hermétique est utilisé pour les moyennes puissances.
Nom de l’événement + date06/12/2006 6
Technologie des compresseurs
Compresseurs à pistons�Le compresseur à pistons a besoin d'être lubrifié en permanence. La partie inférieure du carter forme réserve d'huile. La pression régnant dans le carter est la pression d'aspiration. La pompe à huile délivre une pression supérieure de 0.5 à 4 bars à la pression régnant dans le carter.
�Le compresseur à piston est très sensible à l'arrivée de fluide liquide : si quelques gouttes de liquide pénètrent au niveau des soupapes, elles en provoquent une usure lente. Si du fluide liquide pénètre en grande quantité, la destruction des clapets est immédiate. De là, les protections anti-coups de liquide adoptées (ressort puissant sur le chapeau de cylindre, capable de se soulever en cas d'arrivée de liquide).
Nom de l’événement + date06/12/2006 7
Technologie des compresseurs
Compresseur spiro-orbital, dit "scroll"�Le compresseur SCROLL est composé de deux rouleaux identiques en forme de spirale. Le premier est fixe, le second décrit un mouvement circulaire continu sans tourner sur lui même. Les spirales sont déphasées de 180°.
�Le mouvement orbital entraîne le déplacement vers le centre des poches de gaz, ce déplacement est accompagné d'une réduction progressive de leur volume jusqu'à disparition totale.
Nom de l’événement + date06/12/2006 8
Technologie des compresseurs
Avantages et inconvénients du compresseur "scroll"�une réduction des pièces mécaniques en mouvement (suppression des clapets) et donc une plus grande fiabilité, �un rendement volumétrique d'un compresseur assez bon grâce à l'absence d'espaces morts, comme dans les compresseurs à pistons, �une meilleure modulation de puissance, �une plus grande longévité,
�un niveau sonore nettement plus favorable (moins de vibrations), surtout pour les appareils hermétiques, �une moindre sensibilité aux entrées de fluide frigorigène liquide ("coups de liquide" destructeurs des compresseurs àpistons), �un coût de maintenance également plus faible, puisque le risque de panne est diminué.
�un coût élevé�puissance limitée (<50kW)
Nom de l’événement + date06/12/2006 9
Technologie des compresseurs
Compresseur à vis�le fluide frigorigène gazeux est comprimé par une vis hélicoïdale (un peu comme dans un hache-viande) tournant à grande vitesse. Le compresseur est entraîné par un moteur électrique.�Le rendement volumétrique d'un compresseur à vis est bon grâce à l'absence d'espaces morts, comme dans les compresseurs à pistons. Cette propriété permet d'assurer des taux de compression élevés avec un bon rendement volumétrique. �Le compresseur à vis doit être abondamment lubrifié, pour assurer l'étanchéitéentre les pièces en mouvement et pour réduire le niveau sonore, mais aussi pour refroidir le fluide frigorigène : on peut alors atteindre des taux de compression élevés (jusqu'à 20) sans altérer le fluide frigorigène.
Nom de l’événement + date06/12/2006 10
Technologie des compresseurs
Nom de l’événement + date06/12/2006 11
Lubrification et lubrifiants
Hormis les compresseurs secs, toutes les catégories de compresseurs évoquées auparavant ont besoin d’ une lubrification
Rôles de l’huile de lubrification
� La lubrification des pièces mécaniques en mouvement du compresseur :
pistons, bielle-manivelle, clapets, ...
� Élément d ’étanchéité : cylindre / piston ou inter-lobes des vis
� Refroidissement
� Évacuation des dépôts
� Réduction du bruit
� La lubrification des pièces mécaniques en mouvement du compresseur :
pistons, bielle-manivelle, clapets, ...
� Élément d ’étanchéité : cylindre / piston ou inter-lobes des vis
� Refroidissement
� Évacuation des dépôts
� Réduction du bruit
Types d’huile
� Les huiles minérales : utilisées avec les CFC et les fluides naturels
� Les huiles AB : utilisées avec les HCFC
� Les huiles synthétiques (POE, PAG, PVE) : utilisées avec les HFC
� Les huiles minérales : utilisées avec les CFC et les fluides naturels
� Les huiles AB : utilisées avec les HCFC
� Les huiles synthétiques (POE, PAG, PVE) : utilisées avec les HFC
Nom de l’événement + date06/12/2006 12
Lubrification et lubrifiants
Caractéristiques principales
� La miscibilité avec le fluide frigorigène utilisé dans le circuit
� Viscosité pour assurer un film d’huile suffisant pour la lubrification
� Le point de figeage : la température à laquelle l’huile coule encore
� Indice de désémulsion : pour pallier les problèmes de moussage
� La miscibilité avec le fluide frigorigène utilisé dans le circuit
� Viscosité pour assurer un film d’huile suffisant pour la lubrification
� Le point de figeage : la température à laquelle l’huile coule encore
� Indice de désémulsion : pour pallier les problèmes de moussage
Choix de l’huile
Il résulte d’un compromis de plusieurs paramètres
� Température de figeage basse ;
� Huile non hygroscopique ;
� Viscosité suffisante en haute température et faible en basse température ;
� Faible solubilité du frigorigène dans l’huile
Choix de l’huile
Il résulte d’un compromis de plusieurs paramètres
� Température de figeage basse ;
� Huile non hygroscopique ;
� Viscosité suffisante en haute température et faible en basse température ;
� Faible solubilité du frigorigène dans l’huile
Nom de l’événement + date06/12/2006 13
Lubrification et lubrifiants
Entraînement d’huile : comment ?
A l’arrêt de la machine :
�la température dans l ’évaporateur augmente : désorption du frigorigène
�la température dans le carter diminue : absorption du frigorigène
�équivalence de pression : niveau du liquide dans le carter augmente (d’autant plus) :
-si la température du carter est plus froide
-si l ’arrêt est plus long
-si le rapport de la masse volumique frigorigène/huile > 1
A la mise en marche
�chute rapide de pression dans le carter
�désorption du frigorigène et moussage intense
�départ de l’huile dans le circuit : coup d ’huile
Recommandation : chauffage pendant l’arrêt ou isolement du compresseur
EntraEntraîînement dnement d’’huile : comment ?huile : comment ?
A l’arrêt de la machine :
�la température dans l ’évaporateur augmente : désorption du frigorigène
�la température dans le carter diminue : absorption du frigorigène
�équivalence de pression : niveau du liquide dans le carter augmente (d’autant plus) :
-si la température du carter est plus froide
-si l ’arrêt est plus long
-si le rapport de la masse volumique frigorigène/huile > 1
A la mise en marche
�chute rapide de pression dans le carter
�désorption du frigorigène et moussage intense
�départ de l’huile dans le circuit : coup d ’huile
Recommandation : chauffage pendant lchauffage pendant l’’arrêt ou isolement du compresseurarrêt ou isolement du compresseur
Nom de l’événement + date06/12/2006 14
Lubrification et lubrifiants
Retour d’huile : recommandations Retour dRetour d’’huile : recommandations huile : recommandations
Vitesse < 2,5 m/s
Vitesse > 2,5 m/s
Accumulation d’huile
L’huile avance
Vitesse < 5 m/s Vitesse > 5 m/s
L ’huile retombe
par gravitéL ’huile monte
normalement
Nom de l’événement + date06/12/2006 15
Sélection du compresseur
La sLa séélection du compresseur est une lection du compresseur est une éétape importante dans le tape importante dans le dimensionnement ddimensionnement d’’une machine frigorifiqueune machine frigorifique
Généralement
Le cahier de charge est défini pour un point nominal de
fonctionnement :
� puissance frigorifique requise ;
� température d’évaporation ;
� température de condensation ;
� données du cycle frigorifique ;
� fluide frigorigène.
La dLa déémarche consiste marche consiste àà choisir le compresseur adchoisir le compresseur adééquat quat àà partir partir des catalogues de des catalogues de compressoristescompressoristes
Nom de l’événement + date06/12/2006 16
Sélection du compresseur
DonnDonnéées constructeures constructeur
� Fluide frigorigène : défini
� Conditions du cycle frigorifique : 20°C à l’aspiration du
compresseur et sans sous-refroidissement
� Données techniques : volume balayé, poids, charge en huile,
raccord HP et BP, niveau sonore, …
� Performances
Nom de l’événement + date06/12/2006 17
Sélection du compresseur
Cycle constructeur, cycle rCycle constructeur, cycle rééelel
1*1*
2*2*3*3*
4*4*
20°C
11
22334455
6=76=788
PP
hh
Nom de l’événement + date06/12/2006 18
Sélection du compresseur
6,8hmQo ∆= &&
"1vmVasp && =
bal
asp
vV
V
&
&
=η
Cycle réel
Hypothèse : le rendement volumétrique ne dépend que du taux de compression
*vv ηη =
∆
∆=
=
=
"*1
"1
6,8
*4*,1*
"1
"*1
*
*
v
v
h
hQQ
vmvm
VV
oo
aspasp
&&
&&
&&
c.à.d.
Nom de l’événement + date06/12/2006 19
Sélection du compresseur
* oQ&
Le choix du compresseur (volume balayé) se fait donc dans les
tables données par le constructeur à partir de :
pour avoir une puissance frigorifique la plus proche de :
ko TT et
Le compresseur étant sélectionné, quelle est la puissance frigorifique réellement fournie ?
∆
∆=
"1
"*1
*4*,1
6,8*
v
v
h
hQQ oo&&
Nom de l’événement + date06/12/2006 20
Température réelle de refoulement
effW& pQ&
1h
2h
fm&
fm&
Bilan compresseur
( )
( ) ( )12
12
1
hhmW
WQ
hhmQW
eff
effp
peff
−=−
=
−=−
&&
&&
&&&
ξ
ξ
( )
( )1212
12
1hhhh
hhmW
is
eff
eff
is
eff
−−
+=
−=
η
ξ
η
&&
La tempLa tempéérature rrature rééelle de refoulement est calculelle de refoulement est calculéée e àà partir de HP et h2partir de HP et h2
Nom de l’événement + date06/12/2006 21
Composants frigorifiques annexes
Circuit Haute pression
�Séparateur d’huile
�Réservoir liquide
�Déshydrateur
�Filtre
�Amortisseurs de vibration
�Circuit basse pression
�Filtre
�Séparateur liquide
�Bouteille d’aspiration (anti-coup de liquide)
Circuit Haute pression
�Séparateur d’huile
�Réservoir liquide
�Déshydrateur
�Filtre
�Amortisseurs de vibration
�Circuit basse pression
�Filtre
�Séparateur liquide
�Bouteille d’aspiration (anti-coup de liquide)
Les composants suivants ont pour rôle d’assurer un fonctionnement correct du circuit frigorifique
Nom de l’événement + date06/12/2006 22
SSééparateur dparateur d’’huile huile
Rôle
Empêcher au maximum la circulation de cette huile dans le circuit
frigorifique, la piéger et la renvoyer au carter du compresseur
Montage
Vertical, au plus près du compresseur, favoriser l’élévation de température
Description
Le séparateur se décompose en deux parties :
- la partie haute sert a séparer l'huile du fluide frigorigène.
- la partie basse sert de réservoir d'huile.
Procédés de séparation
-par changement brusque de direction et de vitesse
-par choc sur les parois
- par force centrifuge
Composants frigorifiques annexes
Nom de l’événement + date06/12/2006 23
RRééservoir de liquide servoir de liquide
Rôle
� alimenter le détendeur en liquide de façon permanente à l'aide de son tube plongeur ;
� compenser les variations de demande en liquide au détendeur ;
� stocker le fluide frigorifique en cas d'intervention sur le circuit BP grâce a sa vanne
de service.
Sélection
La capacité de la bouteille doit permettre de stocker la charge totale en f.f. ±20%
Composants frigorifiques annexes
Nom de l’événement + date06/12/2006 24
Lubrification et lubrifiants
DDééshydrateurshydrateur
Rôle : Il élimine efficacement
� L'humidité: elle est absorbée et emmagasinée. Le déshydrateur empêche ainsi la
formation de glace au détendeur.
� Les acides nuisibles. Il emmagasine les acides nuisibles se produisant dans le circuit
frigorifique empêchant ainsi toute corrosion.
� Les particules étrangères: ce sont les boues et produits de décomposition de l'huile.
Montage
Sur la tuyauterie liquide, verticalement de préférence
Il faut tenir le déshydrateur obturé jusqu'au moment du montage
Nom de l’événement + date06/12/2006 25
Voyant liquide Voyant liquide Rôle
�Détecter la présence de bulle dans la ligne liquide de l’installation
� Vérifier le bon fonctionnement du retour d’huile
� Indiquer le niveau dans les bouteilles
�Indiquer la teneur en humidité du fluide frigorigène
Montage
Le voyant de liquide se monte entre le détendeur et le déshydrateur
Composants frigorifiques annexes
Fonctionnement
�La couleur verte apparaît lorsque la quantité d'eau contenue dans le fluide est
inférieure à la quantité d'eau maximale admissible.
� La couleur jaune nous garantit avec certitude des effets nuisibles provenant de
l'humidité
� Lorsque la couleur jaune apparaît, il faut remplacer le déshydrateur
Technique du froid &
composants frigorifiques
Technique du froid Technique du froid &&
composants frigorifiquescomposants frigorifiques
Mohammed YOUBI-IDRISSIChargé de Recherche, Cemagref
Mohammed YOUBI-IDRISSIChargé de Recherche, Cemagref
LICENCE PROFESSIONNELLE MANAGEMENT DE LA CHAÎNE DU FROID - TRANSPORT ET LOGISTIQUE
4ème Cours, 2006
Nom de l’événement + date18/12/2006 2
Echangeurs thermiques
Échangeurs thermiques :
- systèmes de transmission de la chaleur d'un fluide chaud vers un fluide
froid
- Présents à 90% dans les procédés industriels (chimie, agroalimentaire,
énergie, …)
Échangeurs thermiques :
- systèmes de transmission de la chaleur d'un fluide chaud vers un fluide
froid
- Présents à 90% dans les procédés industriels (chimie, agroalimentaire,
énergie, …)
- fluide : vapeur, gaz, liquide, mélange liquide/vapeur, ...
- fluide chaud : cède de la chaleur
- fluide froid : absorbe de la chaleur
Modes de transfert de chaleur :Modes de transfert de chaleur :- conduction (à l'intérieur des solides), convection (fluide en mouvement) et rayonnement (à travers les gaz/vapeurs)
Nom de l’événement + date18/12/2006 3
Echangeurs thermiques
Classification des échangeurs
- nature des fluides
- technologique : tubes, à plaques, canaux, caloducs, directs, …
- fonctionnel : avec ou sans changement de phase, co-courant,
contre courant, courant croisé, …
- niveaux de température
- compacité (700m²/m3), matériaux, mode de transfert, ...
Classification des échangeurs
- nature des fluides
- technologique : tubes, à plaques, canaux, caloducs, directs, …
- fonctionnel : avec ou sans changement de phase, co-courant,
contre courant, courant croisé, …
- niveaux de température
- compacité (700m²/m3), matériaux, mode de transfert, ...
Nom de l’événement + date
Echangeurs thermiques
Echangeurs avec ou sans changement de phase
�chaleur sensible : conduit à une variation de température
�chaleur latente : produit un changement de phase
�chaleur sensible : conduit à une variation de température
�chaleur latente : produit un changement de phase
SANS CHANGEMENT DE PHASE
chaleur sensible seule
AVEC CHANGEMENT DE PHASE
chaleur latente et/ou sensible
�évaporateur : le fluide froid s'évapore
�condenseur : le fluide chaud se condense
�évaporateur : le fluide froid s'évapore
�condenseur : le fluide chaud se condense
18/12/2006 4
Nom de l’événement + date
Echangeurs thermiques
Echangeurs à paroi
COURANTS PARALLELES
fluide chaud fluide chaud
fluide froidfluide froid
• co-courants• antiméthodique• équicourant
• contre-courants • méthodique
COURANTS CROISESnombre de passes
• contre-courants • méthodique
• co-courants• antiméthodique• équicourant
18/12/2006 5
Nom de l’événement + date
Echangeurs thermiques
Echangeurs tubulaires
Mono-tubulaireMono-tubulaire
Multitubulaire : tubes concentriquesMultitubulaire : tubes concentriques
Multitubulaire immergésMultitubulaire immergés
18/12/2006 6
Nom de l’événement + date
Echangeurs thermiques
Multitubulaire tube et calandreMultitubulaire tube et calandre
- classe A : à boite fixe, conditions inhabituelles d ’utilisation (gaz toxique) - classe B : à boite flottante, conditions classiques - classe C : à tubes en U, applications à faible risque
3 classes3 classes
Boîte : distributeur + collecteur du fluideBoîte : distributeur + collecteur du fluide
Calandre : enveloppe métallique compatible avec le fluide Calandre : enveloppe métallique compatible avec le fluide
Plaques tubulaires : supports des tubesPlaques tubulaires : supports des tubes
18/12/2006 7
Nom de l’événement + date
Echangeurs thermiques
Tubes : diamètre normalisé et longueur standard(2,44 / 3,05 / 3,66 / 4,88 / 6,1)
Tubes : diamètre normalisé et longueur standard(2,44 / 3,05 / 3,66 / 4,88 / 6,1)
Facilité de maintenance Compacte et économique
Chicanes : augmentation de la turbulence et de la rigidité, mais dPChicanes : augmentation de la turbulence et de la rigidité, mais dP
Segments Barreaux Disques
18/12/2006 8
Nom de l’événement + date
Echangeurs thermiques
Echangeurs à spirales
�faible encrassement (force centrifuge)
�bon échange thermique (effet de "swirl")
�démontable
�faible encrassement (force centrifuge)
�bon échange thermique (effet de "swirl")
�démontable
18/12/2006 9
Nom de l’événement + date
Echangeurs thermiques
FonctionnementFonctionnement
Echangeurs à plaques
18/12/2006 10
Nom de l’événement + date
Echangeurs thermiques
Echangeurs à plaques
Échangeurs à plaques et joints
- pression limitée (15 à 20 bars)
- température <150°C
- cannelures droites, à chevrons, ...
Échangeurs à plaques et joints
- pression limitée (15 à 20 bars)
- température <150°C
- cannelures droites, à chevrons, ...
Échangeurs à plaques soudées ou brasées Échangeurs à plaques soudées ou brasées
300°C
40 bars
18/12/2006 11
Nom de l’événement + date
Echangeurs thermiques
Echangeurs en tubes et ailettes
Ailettes continues ou indépendantesAilettes continues ou indépendantes
Nombre des circuits et des nappesNombre des circuits et des nappes
Surface externe / interneSurface externe / interne
Surface frontale Surface frontale
Perméabilité : SF/Surface exposéePerméabilité : SF/Surface exposée
Circuitage : dP , configuration de la machineCircuitage : dP , configuration de la machine
18/12/2006 12
Nom de l’événement + date
Echangeurs en mini-canaux
Mini-canaux (< 1mm) , micro-canaux (2 à 5 mm) Mini-canaux (< 1mm) , micro-canaux (2 à 5 mm)
circulaires rectangulaires
triangulaires rectangulaires
rainurées Avantages
- gain de poids et de compacité (aluminium) + facilité de recyclage
- réduction en quantité de fluide, en perte de charge coté air
- pressions de services élevées
Avantages
- gain de poids et de compacité (aluminium) + facilité de recyclage
- réduction en quantité de fluide, en perte de charge coté air
- pressions de services élevées
Inconvénient : prix élevéInconvénient : prix élevé
Echangeurs thermiques
18/12/2006 13
Nom de l’événement + date
Echangeurs à ruissellement
Echangeurs thermiques
18/12/2006 14
Nom de l’événement + date
Problèmes de fonctionnement
Encrassement : accumulation d’éléments solides indésirables en surface
- particulière : poussière, fumée, …
- entartrage
- biologique (microorganismes) ou par réaction chimique ( pétrochimie)
Encrassement : accumulation d’éléments solides indésirables en surface
- particulière : poussière, fumée, …
- entartrage
- biologique (microorganismes) ou par réaction chimique ( pétrochimie)
Corrosion
- chimique ou électrochimique, partielle ou généralisée
- contraintes mécaniques, stagnation, variation locale de T°, …
Corrosion
- chimique ou électrochimique, partielle ou généralisée
- contraintes mécaniques, stagnation, variation locale de T°, …
Vibrations
- vitesse -20% de Vcritique , plaques entre chicanes, …
Vibrations
- vitesse -20% de Vcritique , plaques entre chicanes, …
18/12/2006 15
Nom de l’événement + date
Coefficient d’échange global
Surface de référence
- interne
Surface de référence
- interne
e
i
ei
ei
i D
D
hDDD
h
K 1ln
2
1
11
+
+
=
λ
18/12/2006 16
Nom de l’événement + date
NUT et Efficacité
Action sur KS : dépend des fluides et de la géométrieAction sur KS : dépend des fluides et de la géométrie
LMTKSQ ∆=&
Action sur DTLM : efficacitéAction sur DTLM : efficacité
( ) ( )
−
−
−−−=∆
fecs
fsce
fecsfsce
LM
TT
TT
TTTTT
ln
Pour amPour amééliorer la puissance :liorer la puissance :
18/12/2006 17
Nom de l’événement + date
NUT et Efficacité
Pour un échangeur infiniment long : le fluide qui a une capacité
minimum, subite la plus grande variation de température
Pour un échangeur infiniment long : le fluide qui a une capacité
minimum, subite la plus grande variation de température
( ) ( )efecp TTcmQ −=minmax &&
Efficacité :Efficacité :
efec
efsf
efec
scec
max TT
TTou
TT
TTE
−
−
−
−==
φφ
( )
R
eE
RNUT
+−
=+−
1
1 1 ( )
( ) 1
1
1
1
−
−=
−−
−−
RNUT
RNUT
Re
eE
co-courant contre courant
Avec : Avec : minC
KSNUT =
max
min
C
CR =
18/12/2006 18
Nom de l’événement + date
NUT et Efficacité
Problème 2
S, K, Cmin, Cmax , T° entrée. T° sortie +
Problème 2
S, K, Cmin, Cmax , T° entrée. T° sortie + Q&
Problème 1
1- calcul de l’efficacité
2- calcul de NUT
3- calcul de S
1- calcul de puissance
2- calcul de DTLM
3- calcul de S
Problème 2
1- calcul de NUT
2- calcul de l’efficacité
3- calcul de T° de sortie
4- calcul de la puissance
1- estimation des T° de sortie
2- calcul de DTLM
3- calcul de la puissance
4- déduction des T° de sortie
5- comparaison et itération
Problème 2 est le plus rencontré : NUT est la mieux adaptée
Problème 1
K, Cmin, Cmax , T° e/s. S ?
Problème 1
K, Cmin, Cmax , T° e/s. S ?
18/12/2006 19
Nom de l’événement + date
Evaporateurs
Point 1Point 1 : Fluide sous-refroidi
Point 2Point 2 : Fluide détendu, une partie du liquide se vaporiseTitre en vapeur : 20 à 30%
Point 3Point 3 : Disparition de la dernière goute de liquide Titre en vapeur 100%
Entre 3 et 4Entre 3 et 4 : zone de surchauffe
Evaporateur à détente directe
CôtCôtéé frigorigfrigorigèène ne
18/12/2006 20
Nom de l’événement + date
Evaporateurs
Kàes 10 6=∆θKàoae 02 15=−θθ
� Le fluide se refroidie, la différence de température dépend de l’efficacité de l’échangeur et des échanges thermiques entre le frigorigène et le fluide secondaire.
Dans beaucoup d’applications courantes, on rencontre les évaporateurs refroidisseurs d'air :� En climatisation :
�En froid commercial :
Evaporateur à détente directe
CôtCôtéé fluide secondaire fluide secondaire
Kàes 5 3=∆θKàoae 01 6=−θθ18/12/2006 21
Nom de l’événement + date
Evaporateurs
Evaporateur noyés
sans recirculation à regorgement
vapeurvers compresseur
liquidefrigorigène
Avec recirculation
vers compresseur
liquide
séparateurchambrefroide
pompe
18/12/2006 22
Nom de l’événement + date
Evaporateurs
Evaporateur refroidisseurs de liquide
Evaporateurs à immersion Evaporateurs à immersion
�évaporateurs les plus anciens utilisés dans le froid
�fluide frigorigène à l'intérieur des tubes, évaporateurs à surchauffe
�évaporateurs les plus anciens utilisés dans le froid
�fluide frigorigène à l'intérieur des tubes, évaporateurs à surchauffe
�fluide frigorigène à l'intérieur
ou à l'extérieur,
� évaporateurs à surchauffe ou
noyés
�fluide frigorigène à l'intérieur
ou à l'extérieur,
� évaporateurs à surchauffe ou
noyés
Evaporateurs multitubulaires Evaporateurs multitubulaires
18/12/2006 23
Nom de l’événement + date
Evaporateurs
Evaporateur refroidisseurs de gaz
air
vapeur
liq. frigo.
différents typesd'ailettes
Evaporateur plafonnier Evaporateur mural
18/12/2006 24
Nom de l’événement + date
Evaporateurs
Evaporateur refroidisseurs de gaz
Evaporateurs pour le froid domestique
Givrage / dégivrage Givrage / dégivrage
CTT roséeparoi °<< 0
Condition
d’apparition du givreCondition
d’apparition du givre
Procédés de dégivrage :
-par résistance électrique
-par gaz chauds
-par inversion de cycle
Procédés de dégivrage :
-par résistance électrique
-par gaz chauds
-par inversion de cycle
18/12/2006 25
Nom de l’événement + date
Condenseurs
Fonctionnement d’un condenseur
CôtCôtéé frigorigfrigorigèène ne
Point APoint A : les vapeurs surchauffées entrent dans le condenseur
Point BPoint B : les vapeurs attiennent la température de condensation
Point CPoint C : disparition de la dernière bulle de vapeur (fin de condensation)
Point DPoint D : le liquide est sous refroidi
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Nom de l’événement + date
Condenseurs
Fonctionnement d’un condenseur
CôtCôtéé fluide secondaire fluide secondaire
� Le fluide se réchauffe, la différence de température dépend de l’efficacité de l’échangeur et des échanges thermiques entre le frigorigène et le fluide secondaire.
�Pour les condenseurs à air :
�Pour les condenseurs à eau :
Kàes 10 5=∆θKàoae 02 10=−θθ
Kàes 15 5=∆θKàoae 02 10=−θθ
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Nom de l’événement + date
Condenseurs
Condenseurs à air
Les plus utilisés
- gratuité de l'air
- pas de risque de gel- gratuité de l'air
- pas de risque de gel
-échange thermique médiocre, ailettes souvent nécessaires
- encombrement important
- circulation d'air souvent nécessaire
- température variable selon les saisons
- efficacité diminue avec l'altitude
- risque d'encrassement par poussière entre les ailettes
-échange thermique médiocre, ailettes souvent nécessaires
- encombrement important
- circulation d'air souvent nécessaire
- température variable selon les saisons
- efficacité diminue avec l'altitude
- risque d'encrassement par poussière entre les ailettes
Avantages Inconvénients
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Nom de l’événement + date
Condenseurs
Condenseurs à eau
Condenseurs à eau verticaux
-Ils sont destinés à la construction d'armoire de
conditionnement d'air et de pompe à chaleur.
-Ils offrent la possibilité de stockage du fluide frigorigène
-Ils sont destinés à la construction d'armoire de
conditionnement d'air et de pompe à chaleur.
-Ils offrent la possibilité de stockage du fluide frigorigène
Condenseurs tube en tube -Ils sont constitués par deux tubes enfilés l’un dans l’autre.
-Le fluide frigorigène circule entre les deux tubes.
-Avec ce type de condenseur il faut utiliser un réservoir de liquide.
-Ils sont constitués par deux tubes enfilés l’un dans l’autre.
-Le fluide frigorigène circule entre les deux tubes.
-Avec ce type de condenseur il faut utiliser un réservoir de liquide.
Condenseurs multitubulaires
-eau à l'intérieur des tubes
-condensation autour des tubes dans la calandre-eau à l'intérieur des tubes
-condensation autour des tubes dans la calandre
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Nom de l’événement + date
Condenseurs
Condenseurs à eau
Avantages Inconvénients
- bon échange thermique : faible
encombrement
- température relativement constante dans
l'année
- récupération de la chaleur cédée à l'eau aisée
- peu bruyants
- bon échange thermique : faible
encombrement
- température relativement constante dans
l'année
- récupération de la chaleur cédée à l'eau aisée
- peu bruyants
- forte consommation d'eau (eau perdue)
coût, réglementation
- entretien et maintenance (corrosion,
entartrage)
- protection contre le gel
- forte consommation d'eau (eau perdue)
coût, réglementation
- entretien et maintenance (corrosion,
entartrage)
- protection contre le gel
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Nom de l’événement + date
Condenseurs
Condenseurs évaporatifs
Contact air/eau
Évaporation d’une partie d’eau
Humidification d’air
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Nom de l’événement + date
Condenseurs
( ) KàapprocheTT
KTT
KT
airheaue
eausk
eau
73
5
5
,,
,
≈−
=−
=∆
Condenseurs évaporatifs
Consommation d'eau 50 à 100 fois plus faible que pour un circuit à eau perdue
TTkk
TTe,eaue,eau
TTs,eaus,eau
TTh,airh,air
approcheapproche
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Nom de l’événement + date
Coef. d’ échange K :ordre de grandeur
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Coefficient global
d'échange (W /m ².K)
Évaporateur à plaques Largeur entre plaques : 2 m m 1250
Condenseur à plaques Largeur entre plaques : 2 m m 2400
Diam ètre des tubes9 m m 14007 m m 14504 m m 1500
Diam ètre des tubes9 m m 11007 m m 11504 m m 1200
Tube lisse de diam ètre 15 m m 1700Tube à ailettes de D = 15 m m 3500
Condenseur extra-tubulaire
Type d'échangeur Caractéristiques géom étriques
Évaporateur intra-tubulaire
C ondenseur intra-tubulaire
situation physique Coefficient d’échange partiel en W/m2.K
Air en convection naturelle 5-10Air en convection forcée 30-80Eau en convection forcée 3000-10000
HFC en évaporation à convection forcée 1000-5000Ammoniac en évaporation 5000-10000
HFC en condensation à convection forcée 1000-3000
Nom de l’événement + date
Récapitulatif
18/12/2006 34
•Charge de fluide frigorigène élevée
•Médiocre coefficient de transfert (nécessité de
tubes améliorés)
•Construction de la calandre à la pression du
fluide frigorigène (forte pression)
•Peut très difficilement s’adapter aux mélanges
zéotropes
•Perte de pression faible sur le fluide frigorigène
•Bonne nettoyabilité des tubes sur le fluide
frigoporteur
•Pas de difficulté de la distribution du fluide
frigorigène à l’entrée de l’évaporateur (pas de
limitation en puissance)
•Peut convenir à des fluides frigorigènes et
huiles non miscibles
•tous fluides y compris avec huile
non miscible (NH3) avec une
restriction sur les mélanges
zéotropes
•eau glycolée, saumure…
•de 1 à plusieurs MW
Evaporateur
noyé
•Perte de pression élevée sur le fluide
frigorigène
•Nettoyabilité faible du faisceau de tubes (coté
calandre)
•Criticité de la distribution du fluide frigorigène
à l’entrée de l’évaporateur (limitation en
puissance)
•Ne peut convenir à des fluides frigorigènes et
huiles non miscibles (cas fréquents rencontrés
avec l’ammonia
•Charge de fluide frigorigène limitée
•Bon coefficient de transfert
•Construction de la calandre à la pression du
fluide frigoporteur (faible pression)
•tous avec huiles miscibles
•eau glycolée ou autres
•de 100 kW à 1 MW
Evaporateur
intratubulaire
•Perte de pression élevée sur le fluide
frigorigène
•Nettoyabilité réduite du coté fluide de
refroidissement
•Implique parfois l’emploi d’une bouteille haute
pression
•Charge de fluide frigorigène limitée
•Construction de la calandre à la pression du
fluide frigoporteur (faible pression)
•Adaptée à tous les fluides y compris les
mélanges zéotropes
•tous fluides (HFC, NH3)
•eau industrielle, eau de tour
•de 100 kW à plusieurs MW
Condenseur
intratubulaire
•Impose des charges de fluides frigorigène
importante
•Nécessite une construction de la calandre pour
une pression élevée
•Mal adapté aux fluides zéotrope
•Nécessite l’utilisation systématique de tubes à
ailettes intégrales en paroi externe pour tous les
HFC
•Pas de perte de pression sur le fluide
frigorigène
•Maîtrise du sous refroidissement du condensat
(par noyage des rangées inférieures des tubes)
•Assure la fonction de bouteille haute pression
•Nettoyage aisé des tubes (en cas
d’encrassement par l’eau)
•tous fluides (HFC, NH3) avec des
réserves sur les mélanges zéotropes
•eau industrielle, eau de tour
•de 100 kW à plusieurs MW
Condenseur
extratubulaire
Limites de la technologie Avantages de la technologieCritères d’utilisationTechnologie
d’échangeur
Nom de l’événement + date
Récapitulatif
18/12/2006 35
�Pertes de pression élevée sur le fluide frigorigène�Nettoyage délicat des canaux (en cas d’encrassement par l’eau)�Fragilité de l’appareil (en cas notamment de gel du fluide frigoporteur dans l’évaporateur)�Nécessité de régulation adaptée pour le détendeur (temps de réponse élevée) de par la faible inertie de l’appareil)�Ne convient pas à l’ammoniac dans sa version la plus courante (brasure cuivre). Des versions adaptées à l’ammoniac existent toutefois sur le marché.
�Compacité élevée et volume réduit de l’échangeur�
�Impose des charges de fluide frigorigène très faible�
�Bon coefficient de transfert �Adapté aux fluides HFC y compris aux mélanges zéotropes de type R407C de par la circulation en parallèle des fluides
�tous fluides frigorigènes de type HFC� Eau, eau glycolée (pas adaptée au saumure) �de quelques kW à environ 500 kW
Echangeur àplaques brasées Condenseur ou évaporateur
�Encombrement important de l’appareil�Domaine d’application limité aux faibles et moyennes puissances (<80 kW)�Perte de pression élevée sur le fluide frigorigène
�Bon coefficient de transfert�Adapté aux fluides HFC y compris aux mélanges zéotropes de type R407C (circulation parallèle
�tous fluides frigorigènes y compris NH3 (si les matériaux des tubes sont adaptés) �eau, eau glycolée, saumure �de quelques kW à moins de 100 kW
Echangeur coaxiaux Condenseur ou évaporateur
�Pertes de pression élevée sur le fluide frigorigène�Difficulté de l’équilibrage des circuits parallèle de fluide frigorigène�Adaptation délicate aux mélanges zéotropes
�Très grande souplesse d’utilisation�Impose des faibles charges de fluide frigorigène
�tous fluides�de quelques centaines de W àplusieurs MW
Batterie àailettes Condenseur ou évaporateur
Limites de la technologie Avantages de la technologieCritères d’utilisationTechnologie
d’échangeur