Machines à frigorifiques à plusieurs étages de compression mécanique et à un seul fluide

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1 Machines à frigorifiques à plusieurs étages de compression mécanique et à un seul fluide Conséquences de l utilisation de plusieurs étages On utilise des machines à plusieurs étages de compression lorsque l on veut des très basses températures.en outre, on utilise donc plusieurs compresseurs en série pour avoir Pk des rendements volumétriques ηv f satisfaisant. Pk Exemple : η v f ur un régime -45/+40 ηv alors que 45/-0 ηv et -0/+40 ηv Avec un taux de compression élevé, on risque d avoir des températures élevées au refoulement (0 C craquage d huile). De plus le ηv#ηindiqué lui aussi diminue ηi d ou Pa Conséquences financières Si le Γ avec un seul compresseur, on aura un gros compresseur. Pa car ηi moteur surdimensionné εie Conclusion On va fractionner la compression en plusieurs étages pour éviter tous les inconvénients d un seul étage. Avantage : ηv amélioré qvth cp> qvth cp Quand passe-t-on à plusieurs étages Dès que Γest important, on passe à plusieurs étages (double étages) ur les fluides carbonés (HCFC, HFC, CFC) dès que Γ> 0 à ur l ammoniac R77 dès que Γ> 7 CFI-Richardets Pages /5

2 . Etude des cycles avec étages de compression.. Cycle avec compresseurs en série. P intermédiaire Pk 3 4 Meilleur ηv Pk 4-3 Problème : T de refoulement élevée. CFI-Richardets Pages /5

3 .. Cycle à injection partielle sans sous refroidissement du liquide Pk 3 4 D 7 D 5 P (bar) ur CFC Pk h (kj/kg) Attention : ur les problèmes de retour d huile : prévoir des tuyauteries d aspiration et de refoulement avec des vitesses de l ordre de 0 à 5 ms - et une ligne liquide de ms - Dans les canalisations verticales en phases vapeur, prévoir un piège à huile tout les 5 mètres. CFI-Richardets Pages 3/5

4 Dans le cas de l ammoniac, l huile n est pas miscible, on peut utiliser un réservoir pour la pression intermédiaire. 3 4 D Ev Cd D 7 5 P (bar) Pk 5 4 i 7 3 Saturation + i h (kj/kg) débit masse compresseur débit masse compresseur i débit masse injection Schéma CFI-Richardets Pages 4/5

5 La différence entre les deux schémas ; c est le problème de retour d huile, il y a un piège à huile (figure NH3) car récupération en partie basse de l huile par contre fig carbone, il n y a pas de piège à huile d où l utilisation des fluides carbonés. Cycle avec NH3 meilleur rendement car elle aspire au compresseur des vapeurs à saturation. D est un détendeur qui travail entre Pk t : le débit fluide d injection est faible.petit détendeur qui peut être à flotteur ou manuel D est un détendeur qui travail entre Pk et d où une forte P détendeur relativement petit car il travail avec un fort écart de pression φ int K.3. Cycle à injection partielle avec sous refroidissement du liquide par le débit d injection P D Ev Cd D 5 9 CFI-Richardets Pages 5/5

6 Cycle. P (bar) Pk 5 4 T 3 7 i Ti 9 0 Saturation + i h (kj/kg) Le pincement : c est un écart de température d un échangeur entre la température réelle de sortie moins la température maximum idéale de sortie. pincement T -Ti Echangeur sous refroidisseur 3 4 Ev SR D 3 D ur éviter les pièges à huile, l échangeur SR permet de refroidir le liquide à l extérieure des tubes et le liquide de refroidissement passe à l intérieur des tubes ce qui ramène l huile avec des vapeurs à l aspiration du compresseur grâce à la vitesse. D CFI-Richardets Pages /5

7 Déterminons les valeurs suivantes :, qva, qvb et la puissance compresseur pour chaque étage? Etage. Calculons (débit masse véhiculé par le Cp ) Isolons l évaporateur Bilan enthalpique : h + Φ 9 ou h 0 Φ ou ( ) h 0 h 9 qva V' qvb qvth qva ηv Pa ηi ηm ( h h )) is Bilan massique + bilan enthalpique sur la bouteille Bilan énergétique : h + h h + h3 ( h3 h ) ( h h ) ( h h ) ( h h ) 3 qva V ' 3 qvb qvth qva ηv Pa ηi ηm ( h 4 h 3 )) is Φ k max Φo + Pa + Pa ou Φ k ( h 4 is h 5 ) Attention : les bouteilles sont bien isolées mais elles risquent un apport de chaleur à prendre dans le bilan énergétique. CFI-Richardets Pages 7/5

8 .4. Le cycle à injection totale.4.. Schéma D Ev 9 D Isolation 5 P (bar) Pk i Ti 9 0 Saturation + i h (kj/kg) Au niveau énergétique, le cycle est meilleur que les précédents car il n y a pas de pincement.ce système est plus économique car le réservoir est d une conception plus simple (donc moins chère) par rapport à une bouteille avec échangeur. Il est donc préférable d utiliser ce système aux autres.mais ici,la bouteille intermédiaire peut jouer de piège à huile.il faudra donc faire attention et prévoir des systèmes de retour d huile. Remarque :Sur les installations à doubles étages tout les circuits et MP sont isolés thermiquement.l épaisseur de l isolant dépendra de la température ambiante et du fluide véhiculé. CFI-Richardets Pages /5

9 .4.. Production de froid à l étage intermédiaire Dans le cas d un évaporateur intermédiaire ne change pas modifié, prendre en compte la puissance à l étage intermédiaire o o? Φ o Φ o Problème de retour d huile à envisager et de là dépendra le type d installation.4.3. Le choix de la pression intermédiaire et de θi peut de dépendre de différents facteurs :... Facteurs économiques... Facteurs d utilisation.on se fixe θi pour une T évaporation intermédiaire..3. Facteur technologique qui dépend des compresseurs CFI-Richardets Pages 9/5

10 . Détermination de la pression intermédiaire (pas d utilisation de froid à l étage intermédiaire).. Egalité des taux de compression Γ Γ Si Γ Γ Pk Pk d ' où Pk valable pour les CFC, HCFC, HFC ur l ammoniac, nous avons une température de refoulement élevée car γ,3 ur NH3, Pk + 0, 35 en bar afin d éviter une T trop élevée au refoulement formule Caplinki Ti To Tk Ti et Tk en kelvin Exemple : R -40 C, C Pk 3,54,0493,54 3,77 bar, C Ti To Tk C.. Rechercher le minimum des sommes des puissances sur l arbre des machines Evolution des puissances de chaque compresseur Pa (kw) Pa + Pa Pa totale Pamini Pa Cp Pa Cp,θi,θi optimum CFI-Richardets Pages 0/5

11 Φo θ i, ; Pa hev Pa hcp ηg.3. Détermination de la pression intermédiaire de façon à avoir un rapport de cylindrée fixe Soit K qvth qvth Utilisation d un compresseur compound ou soit on utilise le même type de compresseur pour la et pour la. Exemple : On possède : compresseurs Cp XB7 compresseurs Cp XB7 d où K 3 K 3,9 3,77,θi θi - -4, 0 CFI-Richardets Pages /5

12 Déterminons K? K qvth qvth V' η η V' η η V ' V' D où K ( h3 h7 ) η V' ' (( his h )) η V'' 3 V cte h 7 cte K 0 C 3,93 V 0 C,9 E -3 m 3 /kg K - C,77 V - C 379,73 E -3 m 3 /kg Rappel : compresseur compound Un compresseur compound possède deux étages de compression sur le même arbre avec un carter commun à la pression intermédiaire. Avantage : Encombrement plus réduit moins chère à l investissement Inconvénient : Un seul gros moteur électrique pour le compresseur. Maintenance : lorsqu il y a une panne, l ensemble est à l arrêt. En général, le rapport de cylindrée se situe entre et 3 <K<3 Sauf lorsqu il y a production de froid à l étage intermédiaire, le compresseur sera plus gros. CFI-Richardets Pages /5

13 Annexes Détermination de en fonction d une puissance absorbée totale minimum Détermination de en fonction du rapport K des cylindrées / CFI-Richardets Pages 3/5

14 θi Γ η 0, 05 Γ Γ Pk η 0, 05Γ h h s h h 3 h 4S h h 7 h h 9 h 0 Φo ( h 0 h 9 ) h S h Pa ηi ηm ( h h ) h h ( ) ( ) 3 ( h h ) 4 S 3 Pa ηi ηm Pa totale Pa + Pa () La formule de est donnée dans le cas ou il n y a pas de production de froid à l étage intermédiaire. Constante ηi : Φo : ηi : : ηm : Pk : ηm : Fluide frigorigène utilisé : CFI-Richardets Pages 4/5

15 Détermination de en fonction du rapport K des cylindrées / θi Γ η 0, 05 Γ Γ Pk η 0, 05 V V 3 h h 3 h 4S h h 7 h h 9 η v V" K η v V" Γ 3 ( h3 h ) ( h h ) Fluide frigorigène utilisé : : Pk : CFI-Richardets Pages 5/5