bilan frigorifique en réfrigération et en congélation

Bilan Frigorifique en réfrigération et en congélation

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Sommaires• 1.Généralités• 2.Postes thermiques du bilan frigorifique d’une C.F• 3.Échanges thermiques par les parois de la C.F• 4.Refroidissement des denrées • 5.Échanges atmosphériques entre la C.F. et l’extérieur• 6.Éclairage• 7.Matériels énergétique en fonctionnement dans la C.F• 8.Personnel• 9.Ventilation interne dans la C.F• 10.Bilan frigorifique• 11.Puissance Frigorifique

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1.GénéralitésIl est nécessaires de déterminer les besoins de froid

des CF dans l’industrie agro-alimentaire et dans d ’autres secteurs industriels pharmaceutique.

Le bilan frigorifique se fait en régime permanent établi .Les températures restent fixes (notamment la T°ext).

En climatisation,le calcul des charges se fait heure par heure pour tenir compte de l’inertie du bâtiment mais aussi de l’ensoleillement variable.

Pour les chambres froides ,l’inertie thermique due au denrée permet d’ignorer les variations de t°ext et « gomme »les imperfections des calculs.

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2.Postes thermiques du bilan frigorifique d’une C.F

On fait la somme de tous les apports de chaleur dans la chambre froide .Une majoration est envisagée pour les apports calorifiques non calculables.

Cette majoration est prise entre 3 à 10 % des apports calculables

Schéma

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3.Échanges thermiques par les parois de la C.F

• 3.1.Définir un temps de base de calcul• 3.2.Calcul de l’épaisseur d’isolation• 3.3.Quelques valeurs du flux thermiques unitaire

maximal

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• 3.1.Définir un temps de base de calcul– tb=24h=24*3600=86400 secondes

• Ou un temps de fonctionnement cyclique :– exemple:6 heures pour un tunnel de congélation.

hie

heKavec

i

n

i

i 111

tbA∆θKtbAQCycle

J

1

n

++=

⋅⋅⋅=⋅⋅=

∑= λ

ϕ

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• 3.2.Calcul de l’épaisseur d’isolation

is

n

isavecii i

i

u

ehihe

e λλϕ

⋅

++−= ∑

≠=1is

11∆θ

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• 3.3.Quelques valeurs du flux thermiques unitaire maximal:– en réfrigération : ϕ u de 8 à 12 (W/m²)– en conservation longue durée: ϕ u de 6 à 10 (W/m²)– Tunnel de congélation : ϕ u de 10 à 13 (W/m²)– CF à basse température : ϕ u = 6 (W/m²)

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• Concernant les températures:l’écart est différent suivant l’orientation de la paroi même si les T°ext et T°int sont identiques:

∆θ = (θe-θi)+θ virtuelleA l’ouest , θ virtuelle = 10°CA l’est , θ virtuelle = 5°Cau sud , θ virtuelle = 10°Cau nord , θ virtuelle = 0°CPour les combles ventilés rajoutés 5°CPour les combles non ventilés rajoutés 10°CLe sol a une température de 15°C

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Lorsqu’une chambre froide est adjacente à la chambre de calcul .On considère que la chambre est arrêtée voir en panne.Alors sa T° sera soit à 15°C soit à une température moyennePlus la chambre est ventilée plus l’air va vitehe =16,7 h ventilés = 30 hi =9.1

−

2θθ cfe

12 −− ⋅⋅ KmW

12 −− ⋅⋅ KmW

12 −− ⋅⋅ KmW

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4.Refroidissement des denrées.

• 4.1.Chaleurs massiques des denrées• 4.2.Déterminations des apports dus aux denrées• 4.3.Refroidissement des emballages,des palettes…• 4.4.Temps de demi-refroidissement• 4.5.Chaleur métabolique des denrées

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• 4.1.Chaleurs massiques des denrées– Les produits végétaux et animaux sont constitués d ’eau et de substance

organique ou minéral sèche.

– Chaleur massique avant congélation.a:teneur en eau de la denréeb: teneur en matières sèchesExemple:a=55% b=45% Viande de bœuf demi-grasse– Chaleur latente de congélation

Lc=335 kJ/kgViande de bœuf

11674,1 −− ⋅⋅= KkgkJCsèche

100674,1186,4 baC congelav

⋅+⋅=

110556,3 −− ⋅⋅= KkgkJC congav

kgkJLc /25,18410055335 =⋅=

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– Chaleur massique après congélation

– voir document sur les chaleurs massiques

KkgkJC

baC

congap

congap

./90,1100

674,1095,2

=

⋅+⋅=

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• 4.2.Déterminations des apports dus aux denrées

( ) [ ]CyclekJcLcmQ cD /2211 θθ ∆⋅++∆⋅⋅=[ ]

[ ]

( ) ( )( )

( )( )1

1

211

2

1

:':

:

::

../:/:

−

−

⋅

⋅

−⋅=∆⋅=−=∆−=∆

kgkJprocessusdufinlaàdenréesdesmassiqueenthalpiehfkgkJentréelàdenréesdesmassiqueenthalpiehe

hfhemhmQrem

ncongélatioaprèsmassiquechaleurcncongélatiodelatentechaleurL

CycleKkgkJncongélatioavmassiquechaleurcCyclekgdurantdenréesdesdébitm

D

entrcc

c

θθθθθθSchéma denrée

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• 4.3.Refroidissement des emballages,des palettes…Ils accompagnent les denrées et on suppose qu ’ils subissent les mêmes variations de température que celle-ci.

Cverrerie= 0,837 kJ/kg.K Cbois pour palettes= 2,7 kJ/kg.K

( ) ( )CyclekJCmQ feembembemb /θθ −⋅⋅=

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• 4.4.Temps de demi-refroidissement.– Ce concept considéré comme l’hypothèse que la courbe de

refroidissement à une allure exponentielle.Il est alors possible de définir une constante de temps .A chaque fois que la différence de température entre la denrée et l’agent de refroidissement est diminuée de moitié,il s ’écoule le même temps.Le temps de 1/2 refroidissement est le temps nécessaire pour avoir :

2CFdenrée θθ −

diagramme

( )2

111

CFdenréeZtempsduboutAu θθθθ −

−==

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• Exemple: temps de 1/2 refroidissement:Z= 8 heuresQuelle est la T°des fruits introduits à 30°C dans une CF à +2°C au bout de 24 heures.

( )

( )

( ) Cheuresdeboutau

Cheuresdeboutau

Cheuresdeboutau

CC

CFd

CFd

CFd

CF

°=−=−

−=

°=−=−

−=

°=−=−

−=

°+=°=

5,55,392

24

97162

16

1614302

8

230

33

22

11

1

θθθθ

θθθθ

θθθθ

θθ

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• 4.5.Chaleur métabolique des denrées

Dans les cas ,ou les denrées entreposées sont vivantes:les fruitsles légumesles fromages

On doit considérer pour ces denrées une chaleur de respiration (Fruits, légumes et fermentation pour les fromages).

mdm LmQ ⋅=

emétaboliquChaleurLmassem

m ::

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4.Refroidissement des denrées

La chaleur métabolique est fonction de la température (Lm augmente si θ augmente)et de la denrée.

Rem: Il faut distinguer la chaleur dégagée pendant la période de refroidissement de la denrée et la chaleur dégagée par les denrées déjà refroidies et entreposées.

[ ]kJ/CycleCFladansproduitsdesQ onsintroducti m+= desQQ mtotalem

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Détermination de LmCes chaleurs sont indiquées dans des tableaux pour une T°moy ou bien peuvent-être déterminé à partir d’abaque .Le problème consiste à déterminer la T°moy du produit au cours d’un cycle.

( )

CFdenrmoy

min

max

minmaxlnmoy

denrmoymdenrmoy

θθ

∆θ∆θLn

∆θ∆θ∆θ

θfL?θ

−=−

=

==denrée

θ CFθ 2

∆θ max

θ 1

∆θ mini

0Cycle

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Soit une température moyenne de denrée:

exemple: Poires Précoces

min

max

minmaxCFdenrmoy

∆θ∆θLn

∆θ∆θθθ −+=

CtWhtkJhtkcal

heuresen

°====

°=−=°+=

−=°=

−

1,9θ/6324./7,544524..1300?L

C0θθθ∆θmini24C2θθθ∆θmaxC25θ

denréemoy

1R

CF

CF22

CF11

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remarque:concernant la fermentationLa fermentation provoque un dégagement de chaleur et d’ammoniac,celui-ci attaque le cuivre et les alliages cuivreux.On utilise l’acier ou inox.

Camembert Lf = 10465 à 12600 kJ/T.jour (10°/12°)Brie Lf = 4186 à 5230 kJ/T.jour (10°/12°)Roquefort Lf = 4190 à 7225 kJ/T.jour

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5.Échanges atmosphériques entre la C.F. et l’extérieur

• Ces échanges peuvent être des volets d’introduction d ’air neuf et d’extraction d ’air vicié.Si des personnes sont présentes dans l’enceintes ,il faut lutter contre les dégagements gazeux(éthylène pour les fruits) et les odeurs.En général ,ces échanges atmosphériques ne sont pas souhaités.Problème avec les ouvertures de porte

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Ces échanges entraînent des apports de chaleur et d ’humidité dans la chambre froide .

( )hiheCycleMairQ atmech −⋅=

( )hiheVVQ RNAi

CFatmech −⋅Γ⋅=

[ ][ ]kJ/kgintérieurair l' de massique enthalpie:hi

kJ/kgextérieurair l' de massique enthalpie:hecycleparaird'mentsrenouvelledeTauxΓ/kgmCFladeairl'despécifiquevolume:V

CFladevolume:V

RNA

3i

CF

=

IntérieurExtérieur

Air chaud et humide

Air froid et sec

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L’importance de ces échanges dépendent:– de la T°interne de la CF– de ∆θ=θe-θi– de la surface de la porte – du nombre d’ouverture et de leur durée

En avant projets :on pourra utiliser.

V:volume de la CFΓrna:taux de renouvellement d’air/jour

V70τRNA =

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• Déterminons l’apport par renouvellement en fonction des dimensions de la porte.

d=6 min/t pour une palette C=0.25 pour un rideau d’aird=0.08 min/t pour l’automatique C=1 sans rideau d’airF= flux journalier (T/jour) S=section de la porteρint/ext masse volumique de l’air intérieure et extérieure [kg/m3]

24FdZ ∗=

Ch∗∆∗∗∗∗∗∗∗+= ))ρintρext-(1(hSρintZ)∆θ0.067(8Q

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6.Éclairage

• Toute énergie fournit au lampe est transformé en chaleur

• Pu: Puissance unitaire de l’éclairage (W/m²)#5 à 20 W/m².plafond

• Apl:aire du plafond (m²)• tecl:temps d’éclairage (s)

[ ]CycleJtreelAplPuQecl /⋅⋅=

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7.Matériels énergétique en fct dans la C.F

tPQmot •=

• P:Puissance du matériel• t:temps de fonctionnement• chariots élévateurs:Puissance de 8 à 12 kW

– t fct moy de 3 à 4 heures/jour

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8.Personnel• La puissance thermique dégagée par une personne est

fonction de la température de l’activité,de l’habillement ,ectc…

• Punitaire: (W/pers) =-6*θcf+270• n:nombre de personnes• T:temps de présence

420-25

450-30

300-5

2700

2405

21010

390360330Puissance unitaire(W/pers)

-20-15-10θ CF [°C]

⋅⋅= CycleJtnPunitQpers

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9.Ventilation interne dans la C.F

• La ventilation est assurée par les ventilateurs qui équipent les évaporateurs

• t:temps de fonctionnement [s/Cycle]• Pv:Puissance des ventilateurs (w)

tPvQv ⋅=

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9.Ventilation interne dans la C.F

• Puissance électrique des ventilateurs

ηgv∆PqvPv ⋅

=

[ ][ ]Pa 600 ∆P Tunnel

Pa 400 à 200 de ∆P C.F. 0,7ηgv0,4 rsventilateudesrendement:ηgv

rsventilateudesuemanométriqhauteur:∆P

rsventilateulesparbrassévolumedébit:qvs

m3

≅

<<

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9.Ventilation interne dans la C.F• Pour le débit volume d’air qv,on utilise la notion de

coefficient de brassage.

CFladeinterneVolumersventilateulesparheurepardéplacéaird'VolumeΓbr

hV

=

3600brVcfqv

sm3 Γ⋅

=

)1000200(hV 100Γbr:ncongélatio de Tunnel

hVΓbr:issementprérefroid deCF

hV40à10deΓbr:eentreposagd'Chambre

−

>

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9.Ventilation interne dans la C.F• rem:Pour les tunnels de congélation

• Une forte ventilation facilite des échanges au niveau des denrées et améliore l’homogénéité des T° dans les CF.Par contre les pertes en eau des denrées seront plus importantes.La consommation d’énergie électrique augmente ainsi que la puissance frigorifique.

[ ] videtunnelledansms 3 à 1 vavec airVitessesection:qvsm

1-3

= ⋅

VairSection

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10.Bilan frigorifique

• Bilan frigorifique provisoire

• Bilan frigorifique définitif:On prend une certaine marge pour tenir compte des apports incalculables,on majore le Qprovisoire de 3% à10%

∑=

=

n

iQiQprov

CyclekJ

1

QpràQdefCyclekJ

⋅=

)10,103,1(

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11.Puissance Frigorifique

[ ] [ ]

=ΦsCycle

kJ

rscompresseudesmentfonctionnetQdéfinitifokW

• Temps de fonctionnement:• de 14 à 16 heures pour les domaines de la :

– Réfrigération– Congélation– Commerciale

• de 16 à 22 heures pour les installations de type industrielle

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11.Puissance Frigorifique

• Un temps de fonctionnement cour du compresseur entraîne une Φo élevé.Par contre,si le temps de fonctionnement est long ,l’entretien de la machine est plus compliquée et cela réduit la durée de vie de l’installation.

• Par ailleurs le temps de fonctionnement peut être imposé par des conditions particulières d’emploi de la machine.Par exemple,certaines machines ne fonctionnent que la nuit lorsque le prix de l’électricité est le moins chers.

ÉlémentRatio

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Documents annexes

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Schéma de CF

Air

extérieurϕu

Denrée+emballage

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Évolution de la T°en fct du tpsθ

θe∆θ1

Congélationθc

∆θ2

θentr

(t)Début congélation

Fin de congélation

Fin de refroidissement

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Évolution du tps de demi-refroidissement

θ1

θ1z

θ2zθ3zθ4z

z

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Des éléments de ratio• Le ratio évolue beaucoup en fonction de la taille de la CF

20 W/m325 W/m35000<Vcf<15000 m3

8 à 10 W/m310 à 25 W/m3Vcf>15000 m3

30 W/m340 W/m31000<Vcf<3000 m380 à 100 W/m380 à 100 W/m3Vcf<50 m3

Ratio pour CF -Ratio pour CF +Volume de la CF

VcfoRatio Φ=