Variantes du cycle àcompression de vapeur

Froid indirect : circuit à frigoporteurCycle mono étagé et alimentation par regorgementCycle bi-étagé en cascade

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Froid direct et froid indirect� Froid direct

– Le frigorigène est amené jusque sur le lieu d’utilisation• Avantages : meilleure efficacité• Inconvénients : quantité de fluide frigorigène, impossible si

fluide toxique et lieu public– 99% des applications de petite puissance

� Froid indirect– Le froid est transporté par un fluide intermédiaire : le

« frigoporteur »• Avantages : installation compacte, moins de fluide frigorigène,

possibilité de « confiner » le fluide au local technique et donc d’utiliser par exemple des fluides toxiques

• Inconvénients : efficacité diminuée• Frigoporteur = eaux glycolées (monoéthylène glycol,

polypropylène glycol), saumures

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Froid indirect : circuit à frigoporteur

� Un tube distribue le frigoporteur pour tous les postes

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Cycle mono-étagé et alimentation par regorgement

1

23

45 7

6

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Cycle cascade deux étages

Utilisation du froid à des températures très basses (-60°C)

Principaux composants des installations frigorifiques

Echangeurs de chaleurCompresseurComposants divers

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Echangeurs réfrigérateur� Evaporateur roll bond

� Condenseur tubes fils

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Echangeurs tubulaires

� Coaxial

� En serpentin

� Tube en tube

Echangeurs pour l’eau et pour des petites puissances

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Echangeurs multitubulaires

� Moyenne puissance (>12 kW)

� Grand nombre de tubes : échangeurs compacts

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Echangeurs à air : batteries à ailettes

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AIR

FRIGORIGENE

EAU

EAU

TOUR DE REFROIDISSEMENTD’EAU

AIR

EAU

EAU

FRIGORIGENE

CONDENSEUR A EFFET D’EVAPORATION

Condenseurs évaporatifs

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Dégivrage des évaporateurs

� L’air ambiant contient de la vapeur d’eau� Cette vapeur d’eau se solidifie au contact de la paroi à

température négative => le givre� Ce givre forme une couche isolante qui diminue l’efficacité des

échangeurs� Il est ainsi nécessaire de dégivrer périodiquement les

évaporateurs :– Par soufflage d’air chaud– Par des résistances électriques chauffantes placées sur

l’évaporateur– Par les gaz chauds (on utilise en général le gaz chaud au

refoulement du compresseur)– Par inversion de cycle (pour les machines frigorifiques pouvant

également fonctionner en pompe à chaleur)

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Echangeurs de chaleur

Echangeurs à plaque

Eau et liquide

Echangeurs co-axiaux

Echangeurs multitubulaires

Echangeurs multitubulaires

Condenseurs évaporatifs

Batteries àailettes

Air et gaz humides

Batterie à ailettesBatteries àailettes

Air sec, gaz

CondenseursEvaporateursFluide externe

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Echangeurs à plaques

� Assemblage de plaques– Le frigorigène passe dans une plaque sur deux– Echangeur très compact, coefficients d’échange

élevés– Démontable, peut être nettoyé

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Echangeurs à surface raclée� Pour des produits qui cristallisent

– Les lames raclent la paroi froide pour éviter l’obstruction de l’écoulement

– Ex : produits de type beurre, chocolat, crème glacée

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Performances des échangeurs

� Coefficients d’échange globaux U

800-2500

100-600

100-200

15-60

5-15

U (W/m²K)

3Liquide convection forcée en plaques

10Liquide convection forcée en tubes (pompes)

12Liquide convection naturelle

15Air convection forcée (ventilateurs)

20Air convection naturelle

Ecart T Type d’échangeur

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Technologie des compresseurs (1/2)

� Ouverts– Le moteur est séparé du compresseur

� Semi-hermétiques (hermétiques accessibles)

– Le moteur est indissociable du compresseur, mais l’ensemble peut être ouvert

� Hermétiques– Le moteur est indissociable du

compresseur et l’ensemble est enfermédans une cloche hermétique

Moteur

Partie moteurPartie compresseur

Arbre moteur

Refoulement

Aspiration Clochehermétique

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Technologie des compresseurs (2/2)

� Compresseurs à piston– La compression s’effectue par

un mouvement alternatif d’un piston dans une chambre (cylindre)

� Compresseurs à vis– Le gaz est comprimé par

réduction progressif du volume dans une vis d’archimède

� Compresseurs scroll (à spirale)– Le gaz suit un parcours en

forme de spirale et est comprimé par réduction progressive du volume

1 10 100 1000

Scroll

Pistons

Vis

Puissance

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Compresseurs à piston : principe

Aspiration sortieévaporateur

Refoulement vers le condenseur

Basse pression

Haute pression

� Le plus utilisé� <0,5 kW à 300kW� Taux de compression

déterminé par les échangeurs

� Réduction de puissance possible si plusieurs cylindres

� Plage de vitesses limitée

� Flux discontinu du fluide (vibrations)

� Très sensible aux « coups de liquide »

huile

clapets

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Cylindrée d’un compresseur à pistons

Point mort haut

Point mort bas

cCnD

Cylindree4

2π=C :coursedu piston

D : diamètre du pistonC : course du pistonnc : nombre de cylindres

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Compresseurs à vis

� Installations de fortes puissances (30 à 800 kW)

� Flux continu du fluide (moins de vibrations)

� Rendement volumétrique excellent

� Dispositif de réduction de puissance

� Taux de compression interne fixe (existe aussi en variable)

� Bruyant� Lubrification importante =>

appareillage (pompe à huile, récupérateurs, etc…)

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Compresseurs scroll

� Faibles puissances : 1,5 à 25 kW� Flux continu du fluide� Pas de soupape, d’espace mort� Excellent rendement volumétrique� Peu de vibrations, bruit faible

� Limités à de faibles débits� Pas de système interne de réduction de

puissance

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Régulation par tout ou rien� Régulation de la température d’une chambre froide

Fonctionnement compresseur

TempsTempérature

Temps

ConsigneDifférentiel

Marche

Arrêt

Arrêt du compresseur

Redémarrage du compresseur

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Centrale frigorifique

� Plusieurs compresseurs en parallèle : régulation de puissance

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Régulation en cascade

� Centrale à 4 compresseurs

xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx

Pression

Arrêt

Démarrage Compresseur2

Compresseur1

xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx

Tous les compresseurs en fonctionnement

Tous les compresseursà l'arrêt

Compresseur3

Compresseur4

Arrêt

Arrêt

Arrêt

Démarrage

Démarrage

Démarrage

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Rendements d’un compresseur

ciis WW && η=

isW&

isη

Puissance théorique d’un compresseur isentropique

espace mort, irréversibilitésrendement isentropique

Puissance de compression

Puissance mécanique sur l’arbre du compresseur

pertes mécaniques dansle compresseur et transmissionmη rendement mécanique

mmi WW && η=

pertes électriques (effet Joule)elecη rendement électrique

elecelecm WW && η=Puissance électrique

Composants divers

DétendeursDéshydrateursVoyant de liquideVannesBouteilles de liquide

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Détendeur

� Permet de passer de la haute à la basse pression

� On crée une perte de charge artificielle en faisant passer le fluide par un orifice étroit

� Son rôle lorsqu’il est àouverture variable est de contrôler le remplissage en liquide de l’évaporateur

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Détendeur thermostatique� le bulbe contient un fluide en équilibre liquide-

gaz– la pression dans le bulbe varie avec la température de

la sortie d’évaporateur

bulbe

détendeur

évaporateur

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Détendeur thermostatique

� L’ouverture du détendeur dépend de la pression (~température) dans le bulbe

xxx

xxxxxxxxxxxxxxxxxx

Pb

krxr

Fluide HP

BP

Tb

xxx

Pb

Fluide HP

BP

xr

Tb augmentesiaugmente

xxxxxxxxx

diminue

le pointeau se déplace vers le bas

Pekrxr Pe

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Principe du détendeur thermostatique

� Si la pression dans le bulbe est faible– le pointeau remonte => le détendeur est fermé

� Si la pression dans le bulbe est élevée– le pointeau descend => le détendeur est ouvert

F b

F r F e

P b

P e

T b

P b

T b

F l u i d eH a u t ep r e s s i o n

B a s s ep r e s s i o n

P e

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Déshydrateur

Photo Carly

� Elimine les éventuelles traces d’humidité� Filtre les impuretés

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Voyant de liquide

Photo Carly

� Permet de visualiser l’écoulement à la sortie du condenseur� Placé après le déshydrateur => permet de détecter son

colmatage� Si l’installation manque de frigorigène => bulles

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Réservoir de liquide

� Rôle de réservoir de stockage� Facilite l’ouverture de l’installation pour la maintenance