uef energ´etique (avanc´e) : projet chambre froide

Arts et Metiers ParisTechCER de Cluny

UEF Energetique (avance) : Projet chambre froide

Pierre-Olivier LAFFAY

Version du 5 fevrier 2018

Ce projet vise a donner quelques elements relatifs a la conception d’une chambre froide industrielle.

Une conception tres performante n’est pas envisageable dans le cadre du cursus FITE d’Arts et MetiersParisTech. A titre de comparaison un ingenieur CNAM specialise en production du froid industriel suit plusde 120h d’anatomie des composants du froid (compresseurs, detendeurs, ...). A cela s’ajoute un cours de 30hsur les fluides frigorigenes, une serie de cours (pres de 200h) sur la conception des machines frigorifiques parcompression de fluide (hors cryogenie)... Le cours specifique aux chambres froides et meubles frigorifiques devente dure 30h.

De nos jours, une chambre froide industrielle performante :

• est basee sur un cycle au moins bi-etage (comportant deux etages de pression ce qui impliquepresque deux compresseurs).

• dispose d’une variation du debit de fluide frigorigene sur le compresseur autre que le rapportcyclique (on/off) : variateur de frequence, tiroir de regulation sur compresseur a vis...

• fonctionne avec une HP flottante pour ameliorer les performances lorsque la temperaturede condensation peut-etre abaissee.

• valorise la chaleur evacuee au condenseur est si cela est possible (chauffage des locaux, del’eau chaude sanitaire, ...)

• utilise le fluide frigorigene optimal par rapport a plusieurs criteres.

• dispose d’un systeme performant de degivrage.

• ...

UEF Energetique (avance) Fiche projet 1

Donnees du projet

Vous devez concevoir une chambre froide avec les caracteristiques suivantes :

• stockage de bananes en phase de maturation (40000kg avec une chaleur de respirationde 283J.kg−1.h−1)

• dimensions : L=10m, l=6m et H=4m

• panneaux legers en laine minerale (λ = 0.034W.m−1.K−1, hi = 8W.m−2.K−1, he =10W.m−2.K−1) d’epaisseur 10cm. Ces panneaux sont utilises pour les murs et pour leplafond. Les echanges thermiques avec le sol sont negliges.

• temperature exterieure de dimensionnement : θext = 43◦C

• temperature dans la chambre : θch = 10◦C

• fluide frigorigene R134a (impose)

• debit volumique d’air neuf :◦

V air= 310m3.h−1

• le calcul s’effectue en regime permanent sans apport d’energie par l’eclairage, les occu-pants, engins, ouverture de porte.

Rappel :

• ρeau = 1000kg.m−3

• cp,eau = 4180J.kg−1.K−1

• ρair = 1.2kg.m−3

• cp,air = 1002J.kg−1.K−1

UEF Energetique (avance) (Chambre froide) page 3


Securite elementaire

Les panneaux sont assembles a l’aide d’excentriques :

Ces panneaux sont dits legers et n’ont qu’une tres faible resistance mecanique.

Des panneaux d’avertissement indiquent qu’il faut laisser les portes ouvertes sur une chambre froide lors desphases de refroidissement rapide (chambre vide par exemple).

Estimez l’effort surfacique maximal (en N.m−2) qui peut s’exercer sur un metre carre de paroilors du refroidissement initial de la chambre froide si celle-ci est parfaitement etanche. Aide :modele du gaz parfait + hypothese etanche (n=constante) + hypothese indeformable (V=constante).

L’air contenu dans la chambre froide suit la loi des GP(Gaz Parfait) : PV = nRT . La chambre froide est sup-posee parfaitement etanche donc n = cst. On suppose

qu’elle ne se deforme pas donc V = cst ainsiP

T= cst.

Ainsi ∆P = Pamb

(

1−TchTamb

)

.

Application numerique : θamb = 43◦C et θch = 10◦C : ∆P = 10581Pa = 10581N.m−2

En consequence il est imperatif d’installer des soupapes de securite chauffees en permanence (pour eviter laformation de givre).



Demarche

Une demarche possible pour l’etude de la chambre froide est la suivante :

• Determination des besoins (donc de la puissance froide)

• Determination des temperatures de condensation et d’evaporation. Choix de la surchauffeet du sous-refroidissement

• Choix du fluide

• Schema de l’installation

• Trace du cycle frigorifique

• Selection du compresseur

• Selection du condenseur

• Selection du detendeur

• Selection de l’evaporateur

• Selection du filtre deshydrateur

• Dimensionnement de la tuyauterie

• Determination de la quantite de fluide frigorigene

• Selection des autres composants

• Iteration avec corrections (valeur pincement, SR, SC,...)



Determination des besoins

Calculez la surface de paroi deperditive.

Rappel page 3 : les echanges thermiques avec le sol sontnegliges.Sparoi = 2(l + L) ∗H + l ∗ L = 188m2

Calculez la resistance thermique surfacique de la paroi : Rth,S =1

hi

+elaine

λlaine

+1

he

Rth,S = 3, 17K.m2.W−1

Calculez le flux entrant par conduction a travers la paroi. Le modele resistif utilise l’analogie entre l’ecart detemperature ∆T et la difference de potentiel U + l’analogie entre le flux thermique surfacique ϕ et l’intensiteelectrique. Enfin le flux surfacique multiplie par la surface totale est egal au flux total.

ϕparoi =∆T

Rth,S= 10, 41W.m−2

Φparoi = ϕS = 1957WCalculez le flux entrant par renouvellement d’air. Sachant que cette puissance est egale au debit massiquemultiplie par la capacite calorifique massique a pression constante et par l’ecart de temperature.

Prenou = qmcp∆T = ρqvcp∆T

Prenou = ρair

◦

V air

3600∗ cp,air ∗ (θext − θch) = 3416W

Note : Cela donne aussi Prenou =ρair ∗ cp,air

3600∗

◦

V air ∗(θext − θch) = 0, 34◦

V air ∗(θext − θch)

Calculez la production de chaleur due a la respiration des bananes.

Prespi =mbananes ∗ chaleur de respiration

3600Prespi = 3144WCalculez la puissance froide requise.

Pfroide = Φparoi + Prenou + Prespi = 8517WUEF Energetique (avance) (Chambre froide) page 6


Determination de θev, θcd, SR et SC

Tracez un cycle de principe dans le diagramme log(P)=f(h) :

log(P)

hDans un premier temps l’ingenieur prend toutes les hypotheses qui lui semblent utiles/coherentes. Ensuitel’ingenieur recommence la demarche en considerant les donnees du materiel selectionne a l’issue de lapremiere phase a la place des hypotheses prises la premiere fois. Eventuellement l’ingenieur recommance unenouvelle fois la procedure (c’est le cas pour des machines polyetagees).

Il faut donc placer dans le diagramme (voire a la fin de ce sujet) la BP et la HP. Pour cela on utilisel’isotherme sous la cloche de saturation (donc dans le melange gaz/liquide).

Dans le cas de la BP, le pincement a l’evaporateur est defini par pincementdef= θch−θev (ev pour evaporation).

Le pincement est pris egal (hypothese arbitraire) a 5K ou 5◦C (ce qui est bien equivalent en difference detempearture). Calculez la valeur de θev et placez la BP dans le diagramme.

Par definition du pincement : θev = θch−pincement =5◦CDans le cas de la HP, le pincement au condenseur est defini par pincement

def= θcd − θext (cd pour condensa-

tion). Le pincement est a nouveau pris egal (hypothese arbitraire) a 5K ou 5◦C. Calculez la valeur de θcd etplacez la BP dans le diagramme.

Par definition du pincement : θcd = θext+pincement =48◦C



Determination de θev, θcd, SR et SC

Pour placer le point 1 (aspiration du compresseur), il faut faire une hypothese sur la surchauffe SC. Pardefinition la surchauffe est SC = θ1 − θev. La valeur retenue de la surchauffe (hypothese arbitraire) sera deSC = 8K. Calculez la valeur de θ1 et placez le point 1 dans le diagramme.

θ1 = θev + SC = 13◦CLe point 2 ne peut pas etre place pour l’instant. Il n’est possible de placer que le point 2 isentropique (2is).Placez ce point dans le diagramme.

Pour placer le point 3 (sortie du condenseur), il faut faire une hypothese sur le sous-refroidissement SR.Par definition du sous-refroidissement est SR = θcd − θ3. La valeur retenue de la surchauffe (hypothesearbitraire) sera de SR = 2K. En effet la temperature du point 3 ne peut pas descendre sous la valeur dela temperature exterieure (sauf disposition technique particuliere non utilisee ici : utilisation du fluide aupoint 1 pour refroidir le point 3 (et vice-versa), ce qui permet de permuter SC et SR. Cette disposition estclassique dans les refrigerateurs menagers), le SR est donc limite a la valeur du pincement au condenseur.Calculez la valeur de θ3 et placez le point 3 dans le diagramme.

θ3 = θcd − SR = 46◦CLe point 4 est isenthalpique avec le point 3. Placez le point 4 dans le diagramme.

UEF Energetique (avance) (chambre froide) page 8


Choix du fluide

Il existe une multitude de criteres pour le choix d’un fluide frigorigene.

Le potentiel de depletion de la couche d’ozone (Ozone Depletion Potential ou ODP) doit etre nul.

L’efficacite de la machine (ou COP) doit etre elevee.

Le potentiel de rechauffement par effet de serre (Global Warming Potential ou GWP) devrait etre faible. Ilse mesure en kg equivalent de CO2. Le dioxyde de carbone a donc un GWP egal a 1 par definition. Ce fluides’avere donc interessant sur les installations avec un fort taux de fuite (automobile). Par contre il conduit aun cycle transcritique et a des pressions tres elevees (superieures a 110Bar). Le R134a (fluide classique enclimatisation) possede un GWP eleve environ 1800kgCO2

.kg−1

R134a.

Une analyse partielle mais classique consiste a ne tenir compte que de l’effet du GWP et des emissions degaz a effet de serre liees a la consommation energetique. Il s’agit de l’appproche TEWI (Total EquivalentWarming Potential).

Il faut qu’il existe une huile compatible avec le fluide frigorigene.

Le fluide doit idealement ne pas etre toxique pour l’homme et pour l’environnement.

La haute pression doit rester moderee (usuellement moins de 25 Bar) et la basse pression doit restersuperieure (mais ce n’est pas une obligation absolue) a la pression atmospherique.

Le taux de compression doit rester faible (entre 2 et 10).

La temperature en fin de compression doit rester faible.

...



Selection du compresseur

Il faut selectionner le compresseur qui donne une puissance froide aussi proche que possible des besoins (maispar exces). Ceci avec une temperature d’evaporation et de condensation proches de celles deja determinees.

Le tableau selection du compresseur (marque Bitzer) est joint a ce sujet. Il faut prendre la colonnequi donne la temperature d’evaporation la plus proche possible de celle retenue pour tracer le gra-phique. Puis il faut trouver un compresseur qui donne une puissance froide au moins egale a celle calculeepage 6 avec une temperature de condensation la plus proche possible de celle retenue pour tracer le graphique.

Determinez le ou les compresseurs pouvant convenir.

4FC-3.2YRelevez la ou les valeurs de la puissance froide indiquee (dans les conditions du constructeur) Q (en W) etde la puissance electrique absorbee P (en kW ).

Q = 9120WP = 2, 8kWEnsuite la connaissance de Q (puissance froide) et de P (puissance electrique) permet de placer le point 2.

En effet on a Q = qm,ff (h1 − h4) et ηP = qm,ff (h2 − h1). On considere η = 0.9, le debit massique en fluidefrigorigene est identique dans les deux formules. Ainsi, il est possible d’estimer h2.

h2 = h1 +ηP (h1 − h4)

Q= 450kJ.kg−1 avec

h1 = 410kJ.kg−1 et h4 = 265kJ.kg−1

Remarque : il existe une demarche de correction des conditions normalisees (θ1 = 20◦C et SR = 0K) desdonnees du tableau. Cette demarche n’est pas abordee dans le cadre de ce projet.

Il faut placer le point 2 dans le diagramme log(P ) = f(h).



Selection du condenseur

On utilise du R134a ce qui permet d’obtenir le facteur de correction f4.

f4 = 0.93La puissance de condensation est egale a la somme de Q et P du compresseur (il s’agit d’une valeur parexces, le compresseur n’etant pas adiabatique, ...) car le cycle frigo est un cycle ferme...

◦

Q= 11920WLes temperatures de condensation et d’air exterieur permettent ensuite de determiner le facteur de correctionf2.

f2 = 0.4Il est enfin possible de calculer la puissance normalisee du condenseur.

◦

QN= 32043WCe qui est au dessus des valeurs maximales atteintes dans la gamme des condenseurs. Il faut donc prendreplusieurs appareils.

2 042 B/2 par exemple



Selection du detendeur

Il faut connaıtre la difference de pression entre la BP et la HP. Pour cela, il faut utiliser le cycle trace dansle diagramme log(P ) = f(h).

∆ = 10Bar environLa temperature d’evaporation est de 5◦C. Il y a deux resultats suivant que l’on considere une temperatured’evaporation immediatement inferieure ou superieure (la capacite doit etre superieur a la valeur de la puis-sance froide calculee page 6) :

• θev = 0◦C :TN 2/ TEN2 2.5 : capacite de 8.8• θev = 10◦C :TN 2/ TEN2 1.9 : capacite de 8.6

Un detendeur peut se regler a 20% autour de sa puissance indiquee dans les tableaux

Il y a donc deux choix :

• Un detendeur potentiellement trop petit qui ne pompera pas mais qui risque de ne paspermettre d’atteindre la puissance requise.

• Un detendeur potentiellement trop gros qui risque de pomper mais qui atteindra lapuissance requise.


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