Froid industriel

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Le froid industriel regroupe tous les systèmes permettant d'obtenir et de maintenir une température dans un local, une cuve d'eau, etc... quelle que soit la température extérieure.
Froid industriel

Le froid industriel regroupe tous les systèmes permettant d'obtenir et de maintenir une température dans un local, une cuve d'eau, etc... quelle que soit la température extérieure.

Définition

La réfrigération est une façon d'abaisser la température d'un local, qu'il s'agisse d'un frigo ménager, d'un congélateur industriel, de la climatisation d'une maison, d'un immeuble ou d'une voiture, le système reste quasiment le même. Seules les températures et les pressions de fonctionnement sont différentes aussi bien dans les locaux que dans le circuit frigorifique. Il existe différentes façons d'obtenir du froid. Le principe réside en un transfert de calories . Mais les deux systèmes les plus répandus sont :
- les systèmes à compression.
- les systèmes à absorption La solution industriellement reconnue consiste à utiliser les systèmes à compression. En effet le passage de l'état liquide à gazeux consomme des calories (ou produit des frigories) et les fluides frigorifiques ont des propriétés thermodynamiques qui nous permettent de créer un cycle de condensation / détente (Cycle de Carnot). En pratique, on observera deux techniques différentes d'échange de calorie :
- Par conduction : Procédé retenu dans les systèmes à détente indirecte comme les pompes à chaleur par exemple.
- Par convection : Procédé retenu dans les systèmes ventilés comme les climatisations, mais aussi statique comme sur les condenseurs de réfrigérateur ménager (Il s'agit de la grille noir qui se trouve derrière le réfrigérateur)

Le circuit frigorifique de base

Circuit frigorifique de base Tout système frigorifique à compression comprend au moins 6 éléments :
- Compresseur (1),
- Condenseur (2),
- Détendeur (3),
- Evaporateur (4),
- Réfrigérant ou fluide frigorigène,
- Et enfin… l’huile du compresseur. :Ces 6 éléments sont le strict minimum pour assurer le fonctionnement du système frigorifique. Aussi un circuit frigorifique doit être parfaitement anhydre. En effet le fluor contenu dans les principaux réfrigérants actuels risquerai de se dissoudre dans l’eau et ainsi de former de l’acide. L’eau est donc l’ennemi public n°1 du circuit frigorifique. Comme dessiné sur ce schéma, le compresseur met en circulation le réfrigérant. Il sort de l’orifice HP du compresseur à l’état gazeux et très chaud. Il traverse alors le coté HP en commençant par le condenseur. Lors de son passage dans le condenseur, le réfrigérant perd beaucoup de calorie et se condense. On observe donc un changement d’état. La tuyauterie situé entre le condenseur et le détendeur s’appelle à juste titre : ligne liquide. Le détendeur et donc alimenté en réfrigérant à l’état liquide. Celui-ci crée une restriction c'est-à-dire une chute de pression du réfrigérant pour alimenter le coté BP. À la sortie du détendeur, on observe une chute de pression importante ainsi qu’une chute de température du réfrigérant. Le réfrigérant est alors en mélange c'est-à-dire 15% en gaz et 85% en liquide. (Ces valeurs de pourcentage sont données à titre d’exemple et à prendre avec précaution. L’important est de retenir qu’ici nous somme en mélange.) Le fluide en mélange traverse l’évaporateur. Dans ce dernier, on observe à nouveau un changement d’état. En effet la partie liquide du fluide rentre en ébullition et absorbe les calories qui sont au voisinage de l’évaporateur. Le fluide à l’état gazeux est alors aspiré par l’orifice BP du compresseur et le cycle se renouvelle. ;Image:Warning icon.pngDu refoulement du compresseur au détendeur, la pression HP est identique. Seule la température varie. ;Image:Warning icon.pngDu détendeur à l'aspiration du compresseur, la pression BP est identique. Seule la température varie.

Modélisation d'un système frigorifique

Tout système frigorifique sert à véhiculer des calories d’une zone à une autre. En effet, les calories absorbées par l’évaporateur sont ensuite évacuées par le condenseur. On a donc un transfert de calories (ou d’énergie) qui s’effectue de l’évaporateur vers le condenseur. On peut ainsi modéliser un système frigorifique ainsi : 500px Tout système frigorifique peut donc se définir comme : Pompe à chaleur Cette modélisation n’est qu’une modélisation partielle du fonctionnement frigorifique. En effet, dans un système frigorifique il y a deux sources de calories :
- Les calories absorbées à l’évaporateur
- Les calories générées par le compresseur. En effet, tous les compresseurs ont un rendement < 1 et par conséquent une partie non négligeable de l’énergie mécanique qui leur est fournie est restituée sous forme de chaleur et doit donc être évacuée sous peine de provoquer un serrage du compresseur par exemple. Image:Modélisation frigo 2.jpg Par conséquent un système frigorifique est toujours plus puissant côté condenseur que côté évaporateur. Exemple : Plaque signalétique d’une climatisation réversible.
- Pfroid = 3000 W
- Pchaud = 3200 W

Chaleur massique et chaleur latente

- La chaleur massique est la quantité de chaleur à absorber ou à fournir pour provoquer une chute ou une élévation de température.
- La chaleur latente est la quantité de chaleur à absorber ou à fournir pour provoquer un changement d’état. Ex : temps nécessaire à une résistance donnée pour faire fondre de la glace.
- 4 kg de glace à – 10°C
- 1 kW de résistances
- chaleur massique de la glace : 2.09 kJ/kg. °C
- chaleur latente de la glace : 335 kJ/kg Dans un premier temps, la résistance va chauffer la glace de manière à porter la température de la glace à 0°C. (Chaleur massique) 2.09 x 4 x 10 = 83.6 kJ Dans un deuxième temps, la résistance va chauffer cette glace à 0°C pour lui faire subir un changement d’état. (Chaleur latente) 335 x 4 = 1340 kJ 1kJ = 1kW/s Donc il faut 1340kJ + 83.6kJ soit 1423.6 s soit environ 24min pour faire fondre cette glace. Cette expérience met en évidence le fait que la chaleur la plus importante à fournir est la chaleur latente. De ce fait il est plus intéressant de travailler sur les changements d’état plutôt que sur les différences de température. C’est sur ce principe que fonctionnent les systèmes frigorifiques. Lors d’un cycle de fonctionnement d’un système frigorifique, on observe une expérience similaire au niveau des deux échangeurs que sont le condenseur et l’évaporateur :
- un changement d’état du réfrigérant au niveau du condenseur gaz → liquide (Restitution importante de calories) + une diminution relative de la température du réfrigérant (Restitution moindre de calories).
- un changement d’état du réfrigérant au niveau de l’évaporateur : liquide → gaz (Absorption importante de calories) + une élévation relative de la température du réfrigérant (Absorption moindre de calories). Ces changements d’état sont donc impératifs au bon fonctionnement du système frigorifique.

Le compresseur frigorifique

Le compresseur a pour rôle de créer une Haute Pression d'un côté et une Basse Pression de l'autre et par conséquent, d'assurer la circulation du fluide dans le circuit frigorifique. ;Image:Warning icon.png Le compresseur aspire et refoule toujours du réfrigérant en phase vapeur. Il existe trois grandes familles de compresseurs frigorifiques :
- Les compresseurs hermétiques
- Les compresseurs semi hermétiques
- Les compresseurs ouverts

Les compresseurs hermétiques

Compresseur hermétique à piston Les compresseurs hermétiques sont des compresseurs dont la partie moteur et la partie compression sont confinées dans une cloche hermétique non démontable d'où leurs noms. Si l'une des deux parties vient à céder le compresseur est considéré comme H.S. La partie électrique est refroidie par les vapeurs de BP lors du fonctionnement du compresseur. De l'exterieur, ils disposent généralement d'un bornier de raccordement électrique ainsi que de 3 orifices :
- Un orifice de charge / vidange pour le fluide frigorifique (côté BP)
- Un orifice d'aspiration (BP)
- Un orifice de refoulement (HP)

Les compresseurs semi hermétiques

Les compresseurs semi hermétiques sont appelés comme tels du fait que la partie moteur et la partie compresseur sont directement assemblées l'une contre l'autre. L'accouplement entre le moteur et le compresseur n'est donc pas accessible (à moins de dissocier les deux parties par démontage). Ces compresseurs sont donc réparables. Comme pour les compresseurs hermétiques, la partie moteur des semi hermétiques est refroidie par les vapeurs de BP.

Les compresseurs ouverts

Les compresseurs ouverts sont ainsi nommés dut fait que le compresseur et le moteur sont séparés. Le compresseur peut donc fonctionner par deux types d'entrainement distinct, par courroie ou par accouplement direct.

Les différents types de compresseurs

On retrouve aussi différents types de compresseurs frigorifiques:

A piston

Ceux-ci équipent principalement l'électroménager du fait de leur taille réduite.

A piston rotatif

A spirale

Aussi appelé compresseur scroll : Ceux-ci équipent souvent les climatisations du fait de leur discrétion sonore. On les reconnaît à leur forme allongée.

Différentes symbolisation du compresseur

Image:Symbole compresseur piston.jpg|Compresseur à piston Image:Symbole compresseur rotatif.jpg|Compresseur rotatif Image:Symbole Compresseur centrifuge.jpg|Compresseur centrifuge Image:Symbole Compresseur à vis.jpg|Compresseur à vis

Le condenseur

Il existe plusieurs types de condenseur. Tout d'abord rappelons l'utilité d'un condenseur. Le condenseur à pour but de condenser un gaz. Ce dernier sort du compresseur à haute pression, le condenseur rejetant la chaleur absorbée par l'évaporateur. Ce rejet de chaleur est possible avec une différence de température entre la température du fluide à la sortie du compresseur (environ 60°C) et à la sortie du condenseur (environ 35°C). On parle alors de sous refroidissement. (Ces valeures de température sont à prendre avec precaution. En effet elles dépendent du type de réfrigérant et des conditions de condensation)

Condenseur à air

il est refroidi par l'air avec l'intermédiaire d'un ventilateur (ventilo-condenseur).

Condenseur à eau

il est refroidi par l'eau avec l'intermédiaire d'un récipient hermétique. Les parties eau et fréon sont dissociées et ne doivent en aucun cas être en contact : le circuit doit être parfaitement déshydraté.

Réfrigérant (ou fluide frigorigène)

CFC

-R11 Trichlorofluorométhane
-R12 Dichlorodifluorométhane

HCFC

-R22 Chlorodifluorométhane

HFC

-R134a 1, 1, 1, 2 Tétrafluoroéthane
-R404a Mélange zéotropique
-R407c Mélange zéotropique
-R410a Mélange zéotropique

Hydrocarbure

-R1150 Ethylene

Autres fluides frigorifiques

- R718 Eau
- R717 Ammoniac
- R744 Dioxyde de carbone

Nouveaux fluides frigorigènes

- R723 Mélange azéotropique

Nouvelle réglementation pour les CFC et HCFC

Les organes annexes d’un circuit frigorifique

Le voyant liquide

Celui-ci se situe sur la ligne liquide et informe par contrôle visuel de la phase (Vapeur, liquide ou mélange) du réfrigérant dans la ligne liquide. Il peut aussi être équipé d’une pastille réactive à l’humidité qui nous indiquera s’il y a ou non présence d’humidité dans le circuit. Cette pastille est généralement verte et vire au jaune s’il y a présence d’humidité. Image:Voyant liquide1.jpg|Voyant liquide Image:Voyant liquide 2.jpg|Voyant liquide avec indicateur d'humidité Image:|

Conversions des installations frigorifiques

Ce chapitre traitera des conversions des installations pour les nouveaux fluides. (Retrofiting et Drop-in...)

Différentes notions sur les différences de température en certain point du circuit

Image:Circuit frigorifique de base2.JPG
- A – B : Désurchauffe
- C : Température de condensation
- C – D : Sous refroidissement
- E : Température d’évaporation
- E – F : Surchauffe à l’évaporateur
- E – G : Surchauffe à l’aspiration
- A – G : Surchauffe à la compression

Le froid industriel dans le monde routier

Dans le monde routier, le groupe frigorifique dispose d'une ou plusieurs sources d'énergie :
-l'énergie thermique (la plus répandue) : Un moteur thermique entraîne le compresseur.
-l'énergie électrique : Un moteur électrique entraîne le compresseur. Les réfrigérants employés dans la réfrigération routière sont de même type que ceux employés dans l'automobile, le froid commercial et l'electroménager. Principalement : :
-R134a :
-R404a

Voir aussi

- Cryonie
- Enthalpie
- Évaporateur
- Fluide frigorigène
- Froid
- Pompe à chaleur
- Réfrigération
- Tube de Ranque-Hilsch Catégorie:Électromécanique Catégorie:Technique industrielle
Sujets connexes
Chaleur massique   Changement d'état   Climatisation   Compresseur   Compresseur mécanique   Condensation   Condenseur (thermodynamique)   Conduction thermique   Convection   Cryonie   Cycle de Carnot   Enthalpie   Fluide frigorigène   Froid   Hydrocarbure   Pompe à chaleur   R404a   R407c   R410a   R717 Ammoniac   R723   Réfrigérateur   Réfrigération   Température   Thermodynamique   Tube de Ranque-Hilsch  
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