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les machines frigorifique

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les machines frigorifique

Message par marounat » Lun Déc 22, 2008 3:36 pm

MACHINES DYNAMOTHERMIQUES (DT)
Les machines (DT) sont des machines qui transfèrent de la chaleur d'une source froide à une source chaude, moyennant un apport de travail : elles ne sont donc pas des moteurs.
  • il y a extraction de chaleur à la source froide, c.à.d production de froid : on a donc une machine frigorifique (MF)
  • il y a dégagement de chaleur à la source chaude, c.à.d production de chaleur : on a donc une pompe à chaleur (PAC)
[url=%3CA]9[/url].1) LES MACHINES FRIGORIFIQUES A COMPRESSION SIMPLE
Ces machines frigorifiques n'utilisent qu'une compression simple (c.à.d pas de compresseurs en étage ). Le compresseur est soit un compresseur à pistons, soit un compresseur à membrane ou un compresseur à vis.
[url=%3CA]9[/url].1.1 - Principe de fonctionnement de la machine frigo
Une machine frigo (MF) comprend principalement quatre éléments principaux et divers accessoires (Fig. 9.1).
Les éléments principaux sont :
  • le compresseur K
  • le détendeur D
  • deux échangeurs de chaleur : le condenseur C et l'évaporateur E
Les accessoires les plus courants sont :
  • un déshydrateur DH
  • un voyant liquide V
  • deux manomètres HP (M2) et BP (M1)

Fig. 9.1 : Schéma d'une machine frigo (masse de 1kg de fluide)

[url=%3CA]9[/url].1.2 - Les Fluides Frigorigènes
On utilise comme fluide de travail des fréons F12, F22, F502...et du NH3. Ces fluides frigorigènes changent d'état au cours du cycle 123451, ils passent de l'état V => L dans le condenseur et de l'état L => V dans l'évaporateur.
La production de froid est obtenue par l'évaporation d'un fluide frigorigène dans un échangeur de chaleur (l'évaporateur E) : cette évaporation est un phénomène endothermique qui extrait des calories à la source froide (eau, air...) dont la température s'abaisse.
" cette extraction de calories correspond à la création de froid au niveau de l'évaporateur, c.à.d à la production de frigories (notées fg) "
par définition,       1 fg = 1kcal


Les fluides frigorigènes sont choisis pour satisfaire aux paliers d'évaporation et de condensation aux températures souhaitées pour l'exploitation de l'installation. Les températures d'ébullition téb à la pression atmosphérique pour divers fluides sont données dans le tableau :
Fluide
F12
F22
F502
NH3
H2O
téb(°C)
- 29,8
- 40,8
-45,6
- 33,3
100


ex. 1kg de NH3 fournit en s'évaporant à -10°C, une quantité de frigories de 309,7 fg/kg
et 1kg de NH3 fournit en se condensant à + 30°C, une quantité de chaleur de 273,6 kcal/kg
Un compresseur nécessite pour son bon fonctionnement, un film d'huile entre la chemise du cylindre et les segments des pistons : il refoule toujours à la compression un peu d'huile qui se mélange au fluide frigorigène. Dans les grandes installations, surtout au NH3 , on utilise un séparateur d'huile à la sortie du compresseur et on réinjecte ensuite une grande partie de cette huile dans le carter.
Mais, l'huile non séparé se retrouve dans l'évaporateur au point bas de l'échangeur, qui est alors muni d'un purgeur d'huile pour éviter son accumulation au fond.
[url=%3CA]9[/url].1.3 - Les Rôles des différents organes de la machine MF





Rôle du compresseur K :
    [*]il met en route la circulation du fluide (pompe aspirante et refoulante)
    [*]il comprime le gaz (1-2) de la pression p0 (~2bar) à pc (~8bar) pour le fréon F22 en absorbant un travail W
    Rôle du condenseur C :
      [*]il refroidit la vapeur surchauffée (désurchauffe 2-2')
      [*]il y a condensation de la vapeur V => L (2'-3) en libérant les calories qc (source chaude) à pression et température constantes (pc = cte et tc = cte)
      * on dimensionne le condenseur C de sorte que la condensation soit totale à la sortie
      * on distingue entre compresseurs frigorifiques ouverts, semi-hermétiques et hermétiques (Fig)
      Rôle du détendeur D :
        [*]il réduit fortement la pression HP par perte de charge D p à travers un tube capillaire ou un robinet à pointeau
        [*]cette détente entraîne une vaporistion partielle du liquide et un refroidissement du fluide
        Rôle de l'évaporateur E :
        • il vaporise le fluide (L =>V) en absorbant les calories q0 à la source froide, à pression et température constantes (p0 = cte et t0 = cte)
        Rôle du Voyant V :
          [*]il permet de contrôler la charge en fréon de la machine lors du remplissage et en cours de fonctionnement
          [*]il signale la présence d'humidité (vapeur d'eau) dans le fluide grâce à une pastille verte qui vire au jaune
          Rôle du déshydrateur DH :
            [*]il filtre le fluide qui le traverse (copeaux métalliques, trace de soudure) et élimine la vapeur d'eau avec du silicagel
            Rôle des manomètres HP et BP :
              [*]ils contrôlent la pression dans le condenseur (HP) et l'évaporateur (BP) et le bon fonctionnement de l'installation
              [*]ils sont gradués par rapport à la pression atmosphérique et indiquent donc une pression relative (pabs = pr + 1 bar)
              [*]ils mesurent aussi les températures tc et t0 dans le condenseur et l'évaporateur, du fait de la relation univoque p= f(t) lors d'un changement d'état
              * Ces différents éléments ou organes de la machine frigo sont illustrés dans les Fig. 9 avec d'autres accessoires telles les vannes simples ou électromagnétiques, la vanne à inversion de cycle (à quatre voies), le détendeur thermodynamique...
              A côté des organes déjà mentionnés, on utilise encore d'autres accessoires pour :
              • commander ou réguler la machine MF (pressostat HP-BP, thermostats de réglage, pressostats à eau,...)
              • pour mesurer et contrôler des grandeurs (manomètres, thermomètres, wattmètre, débimètres...)
              [url=%3CA]9[/url].1.4 - Le Cycle théorique de Mollier de la machine MF
              Afin de pouvoir exploiter et contrôler une machine frigo, on utilise un cycle théorique d'une machine idéale en admettant les hypothèses simplificatrices suivantes :
              Hypothèses :
              • la compression du fluide 1-2 est isentropique (pas de perte de chaleur)
              • il n'y a pas de perte de charge dans la tuyauterie et les échangeurs (les paliers de condensation et d'évaporation sont à p = cte, c.à.d des isobares)
              • la détente 4-5 est isenthalpe (H = cte) avec H = mh
              On représente alors ce cycle idéalisé dans un diagramme (logP,h) appelé diagramme de Mollier (voir Fig. 9.3).

              Fig. 9.2 : Cycle de Mollier théorique


              Caractéristiques du cycle :
                [*]la compression 1-2 est isentopique avec apport de travail wth de l'extérieur
                [*]la vapeur surchaufée à la sortie du compresseur se désurchauffe de 2-2', dans la tuyauterie et au contact de l'eau dans le condenseur
                [*]à partir du point 2', la vapeur se condense progressivement dans le condenseur (C) de 2'-3 (mélange L+V), et au point 3(4) on n'a plus que du liquide (titre x = 0)
                [*]ensuite, le liquide se détend à enthalpie constante de 4-5
                [*]la vapeur humide (mélange L+V) s'évapore progressivement dans l'évaporateur (E) de 5-1
                [*]la portion 1'-1 correspond à une surchauffe de la vapeur dans l'évaporateur
                Le diagramme de Mollier est rapporté à une masse de fluide frigorigène m = 1kg.
                Bilan d'énergie de la machine MF

                En vertu du premier principe de la Thermodynamique, il y a conservation de l'énergie : c.à.d que la quantité de chaleur rejetée au condenseur (qc) doit être égale à la chaleur extraite à l'évaporateur (q0) et plus le travail (wth) consommé pour faire tourner le compresseur.
                d'où l'équation,
                qc = q0 + wth
                (9.1)


                cette équation traduit donc le bilan d'énergie de la machine frigo idéalisée.
                * Le choix d'échelle en abscisse (enthalpie h en kJ/kg) est très pratique pour l'exploitation quantitative du cycle de Mollier, car il permet de lire directement les énergies hi aus différents points i (1,2,3,4) du cycle de la machine (voir diagrammes en annexe).
                On vérifie ainsi le premier principe sur l'échelle en abscisse, car on constate que :
                • la quantité de chaleur dégagée au condenseur : qc = h2 - h4
                • la quantité de froid produite à l'évaporateur : q0 = h1- h5
                • le travail dépensé au compresseur :  wth = h2- h1
                et par conséquent, on vérifie bien la relation 9.1, car :
                h2 - h4 = (h1 - h5) + (h2 - h1) = h2 - h4 (car h4 = h5)


                Coefficient de performance COP
                Dans les machines DT (MF et PAC), on remplace le terme de rendement de la machine par son coefficient de performance (COP) h , car le rendement serait > 1 (paradoxe de Kelvin). Le COP de la machine frigo h F est défini par la relation 9.2 :

                Fig. 9.3 : Schéma de la machine MF

                     (9.2)
                or, qc = q0 + wth (premier principe)
                d'où,

                * on constate alors, que le COP h F > 1 (car Tc > T0) et dans la pratique, h F = 3 à 5
                Par conséquent, on extrait plus de calories à la source froide T0 que d'énergie-travail fourni au moteur : ceci explique l'intérêt des machines DT pour le chauffage et la climatisation des bâtiments et maisons.
                [url=%3CA]9[/url].1.5 - Grandeurs caractéristiques de la machine MF
                Une machine ou installation frigo est d'abord caractérisé par :
                • son régime nominal de fonctionnement défini par (tc ,t0 , tSR), c.à.d par le choix des températures de ses paliers de condensation (tc) , d'évaporation (t0) et de sa température de sous-refroidissement (tSR = t4)
                • sa puissance frigorifique F 0 donnée en fg/h ou kJ/kg avec (1 fg/h = 1 kcal/h)
                On définit en plus un certain nombre de grandeurs caractéristiques de la MF( voir le Tableau des valeurs), ces grandeurs sont rapportées :
                • soit, à l'évaporateur (production frigo massique q0 , production frigo par m3 aspiré q0 , débit massique qm , débit volumique aspiré Va ou balayé Vb, puissance frigo...)
                • soit, au condenseur (quantité de chaleur à évacuer qc , puissance calorifique Pc... )
                • soit, au compresseur (travail théorique wth ou réel wr , puissance théorique Pth et réelle Pr , puissance absorbée par rapport à la puissance frigo N(kW)...)
                L'évaluation de ces diverses grandeurs à partir du diagramme de Mollier ou d'un logiciel dédié, permet de caractériser et contrôler la machine MF.
                Le relevé des pressions et températures en divers points du circuits et le tracé du cycle de Mollier permet de contrôler le bon fonctionnement de la machine automatisé ou non.
                Le technicien ou l'ingénieur sont confrontés à deux types de problèmes :
                • la détermination des caractéristiques géométriques du compresseur (puissance développée, course, alésage, nombre de pistons et d'étages...) et des échangeurs (dimensions et types...), connaissant la puissance frigo souhaité par le client
                • le contrôle et la maintenance de l'installation frigo en fonction du régime nominal défini et de la puissance frigo imposée en relevant périodiquement les paramètres mesurables (t, p, débit, puissance...)
                On compare également l'efficacité e de la machine frigo, définit comme le rapport du COP cycle de Mollier par le cycle de Carnot inverse, soit :
                avec, 0 < e < 1

                et



                [url=%3CA]9[/url].1.6 - Modification du cycle fonctionnel de la machine MF
                Le but d'une machine frigo est de produire du froid (c.à.d des frigories) par extraction de calories à la source froide, en évaporant un fluide frigorigène et d'abaisser la température de cette source de + 5°C à - 30°C selon l'usage (frigo ou congélateur, chambre froide).
                En terme d'économie d'énergie et de rentabilité, on cherche donc à optmiser la production de froid q0 avec une dépense de travail wth consommé minimun, soit donc à avoir un COP élevé.
                D'après la définition du COP de la machine frigo h F , il faut donc augmenter la production frigo massique q0m = h1 - h5 , représentée par le segment [h5h1] sur la Fig. 9.4.

                Fig. 9.4 : Cycle de Mollier de la machine MF

                - on cherche donc à augmenter q0m , c.à.d la longueur du segment (h1 - h5)
                - on a donc intérêt à utiliser au maximum la chaleur latente d'évaporation (h7 - h6)

                L'augmentation de la quantité de froid produite q0m est alors obtenue (voir Fig. 9.4) :
                • en déplaçant le point 1 vers la droite, grâce à une surchauffe du fluide
                • en déplaçant le point 5 vers la gauche, grâce à un sous-refroidissement du fluide
                1) Sous-Refroidissement du liquide
                Le fluide frigorigène à l'état liquide à la sortie du condenseur (point 3) est sous-refroidi (c.à.d on abaisse sa température en déplaçant le point 3 vers la gauche), ceci est réalisé :
                • soit, dans le condenseur lui-même en augmentant ses dimensions (c.à.d sa surface d'échange)
                • soit, dans une bouteille d'accumulation (BA) placée à la sortie du condenseur
                • soit, dans un échangeur interne situé entre le condenseur et l'évaporateur
                On peut procéder soit à un seul sous-refroidissement (de 3-4) ou à deux sous-refroidissements successifs (de 3-4 et ensuite de 4-4'), voir la Fig. 9.5 : en déplaçant le point 3 vers la gauche, on déplace automatiquement le point 5 vers la gauche et on augmente ainsi la partie de la chaleur latente non exploitée.
                2) Surchauffe de la vapeur
                Le fluide frigorigène à l'état de vapeur humide est surchauffé (c.à.d on élève sa température en déplaçant le point 1 vers la droite), ceci est réalisé (voir Fig. 9.6) :
                • soit, dans l'évaporateur lui-même en augmentant ses dimensions
                • soit, dans une bouteille anti-coups liquide (BACL) placée à la sortie de l'évaporateur
                • soit, dans un échangeur interne situé entre les deux échangeurs
                En déplaçant le point 1 vers la droite, on augmente également la portion de chaleur latente d'évaporation non utilisée.
                Fig. 9.5 : Sous-refroidissement du liquide
                Fig. 9.6 : Surchauffe de la vapeur

                En procédant à des sous-refroidissements et à des surchauffes dans les installations frigorifiques, on augmente donc le froid produit dans l'évaporateur et le segment q0m s'approche de la chaleur latente d'évaporation : on extrait alors plus de calories à la source froide en exploitant au maximun la chaleur libérée par l'évaporation du fluide.
                Une telle installation frigo avec deux sous-refroidissements (de 3-3' et de 3-4) et une surchauffe (de 1-1') est représentée dans la Fig. 9.7 .
                Installation Frigorifique


                Fig. 9.7 : Installation frigorifique avec sous-refroidissement et surchauffe

                [url=%3CA]9[/url].1.7 - Régimes de fonctionnement
                Une machine frigorifique peut fonctionner selon deux types de régimes, à savoir :
                • le régime humide utilisé dans les premières machines MF
                • le régime sec conseillé et utilisé actuellement
                Ces régimes de fonctionnement sont illustrés dans les Fig. 9.8 et 9.9.
                1) Régime humide


                Fig. 9.8 : Fonctionnement en régime humide

                - dans ce régime, la compression 1-2 se termine juste à l'état sec (point 2)
                - ce régime présente des risques pour le compresseur K (coups de bélier), du fait d'une présence possible d'un résidu liquide en fin de compression (déplacement du point de 1 à 1')
                - ce régime réduit la production frigo q0m

                2) Régime sec
                Pour éviter ces risques de coups de bélier en fin de compression (dommageable au compresseur), on prèfère donc travailler en régime sec, en déplaçant le point 1 vers la droite grâce à une surchauffe dans l'évaporateur ou une bouteille BACL. On déplace alors le point du régime de vapeur humide (mélange L+V) vers le régime de vapeur sèche ou surchauffée.

                Fig. 9.9 : Régime sec


                Si la surchauffe est réalisée dans l'évaporateur lui-même, alors l'augmentation du froid produit augmente les performnances de la machine MF. En cas d'inversion du sens de circulation du fluide frigorigène par une vanne d'inversion à quatre voies, une BACL s'impose pour éviter d'aspirer du liquide dans le compresseur.
                [url=%3CA]9[/url].1.8 - La pompe à chaleur PAC
                Les machines dynamothermiques transfèrent de la chaleur d'une source froide à une source chaude et de ce fait combine deux fonctions essentielles :
                • la production de froid au niveau de l'évaporateur, par absorption de calories à la source froide (machine frigo)
                • la production de chaleur au niveau du condenseur, par dégagement de calories à la source chaude (pompe à chaleur)
                On dispose donc, d'une machine capable de :
                • produire du froid (réfrigérateur, congélateur, chambre froide, salle d'ordinateur...)
                • de produire du chaud pour chauffer un local, un bâtiment (pompe à chaleur)
                • d'assurer à la fois le chauffage et le refroidissement d'un local (climatisation) en utilisant une vanne d'inversion, qui échange le rôle des échangeurs selon les saisons ETE ou HIVER
                La pompe à chaleur (PAC) se distingue donc uniquement de la machine frigo (MF) par son régime nominal de fonctionnement, c.à.d par les valeurs des températures de condensation tc et d'évaporation t0 :
                  [*]dans une machine MF, on veut obtenir des températures t0 basses (+5° à -30°C)
                  [*]dans une machine PAC, on veut obtenir des températures plus élevées pour tc (40 à 60°C)
                  Les cycles respectifs de ces deux machines sont représentés sur la Fig. 9.10.

                  Fig. 9.10 : Cycles respectifs d'une PAC et MF

                  [url=%3CA]9[/url].1.9 - Machine Frigo et PAC réels
                  Dans la pratique les machines frigo et PAC ne décrivent pas le cycle idéal de Mollier, car les hypothèses admises ne sont pas respectées :
                  • la compression n'est pas isentropique (perte de chaleur)
                  • la détente n'est pas isenthalpique
                  • il a perte de charge au niveau des soupapes d'admission et de refoulement du fluide, ainsi que dans la tuyauterie (~ 0.2 à 0.4 bar)
                  • les échangeurs ne sont pas parfaits
                  Ces déviations par au rapport à une machine idéale se traduisent par une perte de performance et par le cycle réel de la Fig. 9.11.

                  Fig .9.11 : Cycle réel de la machine frigo ou PAC


                  Ce cycle réel de la machine frigo se traduit par un COP h r < au COP de Mollier h M .
                  En pratique, le COP de la MF est de h r = 3 à 5 environ, il diminue d'autant plus que la différence D T entre les deux sources de chaleur est grande.
                  Les diagrammes de Mollier pour différents fluides sont donnés en annexe, ainsi que les schémas de différentes installations frigorifiques avec leurs accessoires de régulation et de contrôle.
                  Ces machines dynamothermiques sont utilisées dans de nombreuses applications allant du chauffage, à la production de froid et à la climatisation.
                  On utilise des pompes à chaleur du type air-air, air-eau, eau-air et eau-eau selon la nature des sources disponibles (air extérieur, air extrait, nappe phréatique...).




                  [url=%3CA]Exercices[/url] sur la Machine Frigo et la PAC
                  Ex1 : Une machine frigo évacue par son condenseur un flux thermique de 33.800 kcal/kg. On sait que la puissance mécanique foournie au compresseur est de 10 kW.
                  1. Donner le schéma à deux niveaux de température de cette machine en y indiquant les grandeurs échangées
                  2. Quelle est la quantité de frigories produites à l'évaporateur
                  3. Quel est le COP de la machine frigo
                  Rép. : 2) 25.200 fg/h             3) 2.93
                  Ex2. : Soit une machine frigo fonctionnant au fréon 22. Le fluide injecté dans l'évaporateur provient du condenseur, d'où il sort à 25°C sous la pression de 12,5 bar absolu. Dans l'évaporateur le fluide se stabilise à la température de -20°C. En utilisant le diagramme du fréon R22 :
                  1. Déterminer la chaleur latente de vaporisation du fréon
                  2. Quelle est la production frigo massique foournie par 1kg de fréon, sachant que l'aspiration au compresseur se fait en vapeur juste sèche
                  3. Donner le titre de la vapeur humide à l'entrée de l'évaporateur
                  4. Donner la définition du titre x d'une vapeur humide. En déduire par lecture sur le graphique la relation liant ce titre aux enthalpies
                  5. Quels moyens sont utilisés pour augmenter cette production frigorifique
                  6. Sachant que le débit massique du fréon est de 300 kg/h, calculer la puissance frigorifique de la machine
                  Rép : 1) L(-20°C) = 51 kcal/kg 2) 38 kcal/kg 3) 0.25 6) 11.400 kcal/kg
                  Ex.3 : Les grandeurs principales d'une installation frigo et choix du compresseur
                  Soit, un compresseur fonctionnant au fréon 22, au régime nominal -10/+30/+25°C et développant une puissance frigo brute de 40.000 fg/h.
                  Le compresseur fonctionne en régime sec et ses rendements volumétriques et indiqués sont égaux et le rendement mécanique est de 0.90 : on donne nv = 1 - 0.05pc/p0.

                  La surchauffe des vapeurs aspirées par le compresseur est de +10°C.
                  1. Tracer le schéma de l'installation et son cycle sur le diagramme de Mollier
                  2. Consigner dans un tableau les valeurs des pressions, tempéraures, enthalpies et titres aux différents points du cycle
                  3. Déterminer alors les grandeurs caractéristiques de la machine selon le Tableau des grandeurs
                  4. Calculer la puissance calorifique à évacuer au condenseur
                  Rép. :
                  3) q0m = 42.5 fg/h , q0 = 630 fg/m3 ,wth = 7.5 kcal/kg, qm = 941.2 kg/h
                  wr = 10 kcal/kg, Pth = 7.058,8 kcal/h = 8.2 kWet Pr = 11 kW
                  Va = 63.5 m3/h, Vb = 76.5 m3/h,
                  nv = 0.83, COP Mollier = 5.66, COP Carnot = 6.57, efficacité = 0.85
                  4) Qc = 47.070 kcal/kg

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                  Re: les machines frigorifique

                  Message par Abdesslem » Lun Déc 22, 2008 8:01 pm

                    Mr le proffesseur Marou tu nous a fait un vrai cours
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                  Re: les machines frigorifique

                  Message par agronomali » Lun Jan 05, 2009 12:56 pm

                  j'ai rien compré
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