MATÉRIEL THERMIQUE GROUPES FRIGORIFIQUES

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1 Risques et Précautions liés au Matériel MATÉRIEL THERMIQUE D 2-4 Ingénieurs en Sécurité Industrielle GROUPES FRIGORIFIQUES I - CONDENSATION ET ÉVAPORATION... - Passage de l état liquide a l état gazeux et réciproquement : La courbe de tension de vapeur Chaleur nécessaire à tout changement d état Construction d'un cycle frigorifique...5 II - DIAGRAMMES DE MOLLIER Description du diagramme de Mollier Tracé du cycle théorique dans le diagramme Énergies échangées dans le cycle - Coefficient d efficacité...9 Ce document comporte pages EN FRO - - Rév. 08/06/2005

2 I - CONDENSATION ET ÉVAPORATION Les groupes frigorifiques sont composés d'un ensemble de matériels permettant de produire du froid. Ils peuvent être à compression ou à absorption. Seuls les groupes à compression seront étudiés dans ce document. Ils représentent la très grande majorité des équipements industriels de production de froid. Dans un groupe frigorifique à compression est véhiculé un produit appelé fluide frigorigène. Ce fluide suit un cycle qui le fait passer alternativement de l'état gazeux à l'état liquide. - PASSAGE DE L ÉTAT LIQUIDE À L ÉTAT GAZEUX ET RÉCIPROQUEMENT : la courbe de tension de vapeur La plupart des fluides frigorigènes sont des corps purs c'est-à-dire composés par des molécules identiques (par opposition aux mélanges composés de différents types de molécules). Chaque corps pur possède une courbe de tension de vapeur ou courbe de vaporisation qui, tracée dans un diagramme pression-température, permet de déterminer : - l'état physique du corps en fonction des conditions de pression et de température dans lesquelles il se trouve Pression LIQUIDE Courbe de tension de vapeur Pression P VAPEUR Température t eb Température d'ébullition ou de condensation du corps pur sous la pression P D TH 42 A Cette courbe partage le plan du diagramme "pression - température" en deux zones : une zone où le corps pur existe à l'état liquide (au-dessus et à gauche de la courbe) et une zone où il se trouve à l'état vapeur (en dessous et à droite de la courbe). En pointant sur le diagramme les conditions de pression et de température dans lesquelles se trouve porté le corps, il est possible de déterminer s'il est à l'état gazeux ou à l'état liquide, en regardant dans quelle zone se trouve le point représentatif (des exemples de courbes de tension de vapeur sont donnés sur la planche ). - la température d'ébullition à une pression déterminée P : en effet, si on élève la température d'un corps pur liquide à pression constante, on constate que le changement d'état physique se produit à une température fixe appelée température d'ébullition. Cette température d'ébullition dépend de la pression. Si la pression considérée est la pression atmosphérique normale (P =,03 bar), la température est dite température d'ébullition normale. Le corps pur liquide à sa température d'ébullition est dit liquide saturé. Le corps pur vapeur à la même température est dit vapeur saturée

3 2 Pression (bar) ÉTAT LIQUIDE Courbe de tension de vapeur,03 bar (pression atmosphérique normale) P Température d' ébullition normale Température d'ébullition ÉTAT GAZEUX ou VAPEUR Température ( C) D TH 02 A - la tension de vapeur du corps pur liquide est la pression exercée par la vapeur en équilibre avec le liquide à une température déterminée. C'est donc la pression qui règne dans tout récipient dans lequel le corps pur se trouve présent simultanément à l'état liquide et à l'état gazeux. BALLON V P = tension de vapeur du liquide Pression phase vapeur ou gazeuse phase liquide L t P Liquide t Vapeur température ( C) D TH 022 A

4 3 2 - CHALEUR NÉCESSAIRE A TOUT CHANGEMENT D ÉTAT a - Chaleur sensible, chaleur latente En partant des conditions pression/température où le fluide est liquide (par exemple bar abs et 40 C pour du R 34a), apporter de la chaleur provoque une montée de la température, jusqu à atteindre la température d ébullition ( 26 C sous cette pression). La chaleur nécessaire pour augmenter la température de C est appelée chaleur sensible (ramenée à kg de produit). Lorsque la température d'ébullition est atteinte, il faut encore chauffer pour que le liquide se transforme en vapeur bien que la température reste inchangée pendant le changement d'état ( 26 C sous bar abs., 0 C sous 2 bars). La chaleur nécessaire pour vaporiser kg de liquide s'appelle "chaleur latente". On peut de la même façon réchauffer la vapeur après vaporisation. La chaleur donnée à la vapeur lui permet d'élever sa température. On retrouve alors un phénomène de chaleur sensible. Exemple À pression atmosphérique, pour le fluide frigorigène R 34a, il faut environ : -,3 kj (kilocalorie) pour élever de C, kg de liquide - 0,8 kj pour élever de C, kg de vapeur kj pour vaporiser kg de liquide (cette valeur diminue si P et T augmentent) Liquide Liquide + vapeur Vapeur État liquide Apparition de la ère bulle de vapeur Liquide + vapeur Disparition de la dernière goutte de liquide Vapeur surchaufée D TH 00 C Liquide saturé Vapeur saturée Échauffement du liquide chaleur sensible,3 kj/kg.k Vaporisation du liquide chaleur latente 220 kj/kg.k Échauffement de la vapeur chaleur sensible 0,8 kj/kg.k

5 4 Application aux fluides frigorigènes Les fluides les plus couramment rencontrés dans les groupes de froid sont : - les fluides fluocarbonés, dits CFC ou HCFC : fréons ou foranes (noms de marque), désignés par des symboles normalisés comme R, R2, R22, R4, R3, R502,... - les nouveaux fluides de remplacement, dits HFC, dont le R 34a, ou certains HCFC, tel le R 23 - l'ammoniac NH 3, dénommé R 77 par les frigoristes - les hydrocarbures tels que propane, propylène, éthylène, - des fluides liés au procédé comme le gaz carbonique CO 2, le chlore Cl 2, En fonction de la température souhaitée du fluide à refroidir on choisit le fluide frigorigène le mieux approprié sachant évidemment que le fluide à refroidir ne peut en aucun cas être plus froid que la température de vaporisation et qu'il est préférable de ne pas mettre l'évaporateur sous vide. C'est ainsi que l'on trouve différentes familles de fluides frigorigènes selon leur température de vaporisation à la pression atmosphérique : - autour de 80 C et 00 C : R 23, R 3, R 4, éthylène - autour de 40 C et 20 C : R 22, R 500, R 502, R 2, NH3, chlorure de méthyle, propane, R 34a - autour de 0 C : R 4, R 2 B, R 2, butane, R 23 Un autre aspect du choix d'un fluide frigorigène est sa chaleur latente de vaporisation car elle permet de comparer pour un même débit masse de fluide la quantité de froid possible à produire. Fluide frigorigène Chaleur latente de vaporisation à P atm kj/kg Volume massique à P atm et Tébul m 3 /kg Pression de condensation à 30 C bar abs. R ,6 7,7 R ,22 2 NH 3 368,2 2 R ,6, R 34a 220 0,9 7,9 Remarque sur les unités Dans les applications frigorifiques la quantité de chaleur échangée à l'évaporateur est le paramètre du choix de l'équipement. Elle correspond à ce que le groupe fournit en froid au fluide à refroidir. On a l'habitude de donner à l'unité d'énergie de froid le nom de frigorie. L'unité légale est le joule frigorie (fg) = kcal 4,8 joule = calorie ou fg = kcal = 4,8 kj

6 5 3 - CONSTRUCTION D'UN CYCLE FRIGORIFIQUE L'évaporateur se trouve, en général, à une pression légèrement supérieure à la pression atmosphérique de façon à fournir le maximum de froid mais sans risquer l'introduction d'air si l'on était sous vide. Le condenseur a sa pression fixée par la température de condensation du fluide. La phase gazeuse est aspirée de l'évaporateur pour être envoyée dans le condenseur dont la pression est toujours plus élevée. L'écart de pression nécessite l'utilisation d'un compresseur soumis au rapport : pression condenseur sur pression évaporateur. La compression augmentant la température du gaz, le refoulement se trouve donc à une température supérieure à celle d'aspiration. Il est indispensable du reste que la température de sortie du compresseur soit supérieure à la température du fluide de refroidissement passant dans le condenseur. Cette condition est toujours réalisée avec les fluides frigorigènes. La phase liquide passe du condenseur vers l'évaporateur. Une détente dans une vanne permet ainsi la chute pression (équivalente à l'augmentation de pression du compresseur aux pertes de charge près). Cette détente s'accompagne d'une transformation partielle du liquide en gaz, et d'une diminution de la température du fluide. Il n' y a ni apport, ni retrait de chaleur dans la vanne : c'est une détente isenthalpique. T r P r COMPRESSEUR P e T e Fluide à refroidir ÉVAPORATEUR Fluide de refroidissement eau ou air P c T c CONDENSEUR Vanne de détente D PCD 69 A

7 6 II - DIAGRAMMES DE MOLLIER Les différents phénomènes physiques rencontrés dans un cycle frigorifique ne peuvent pas être quantifiés sans des formules et des données chiffrées complexes. On préfère utiliser un diagramme thermodynamique dans la mesure où le fluide utilisé est bien connu. - DESCRIPTION DU DIAGRAMME DE MOLLIER Un diagramme de Mollier fournit un certain nombre d'informations sur le fluide à partir de la connaissance d'un état donné par deux mesures (par exemple la pression et la température). C'est ainsi que peuvent être déterminées entre autres le volume massique, la chaleur contenue dans le fluide, les différentes évolutions dont nous avons parlé (isentropique, polytropique, isenthalpique). a - Zones délimitées par le diagramme de Mollier Ce diagramme représente l'état du fluide en fonction de la pression et de son énergie (enthalpie). Le diagramme est séparé en 3 zones qui représentent les différents états du fluide : liquide, gaz et mélange liquide-gaz. D TH 2033 A Les lignes qui séparent ces zones correspondent à la saturation : à gauche liquide saturé c'est-à-dire sans gaz ; à droite gaz saturé c'est-à-dire sans liquide. Un très faible apport de chaleur ferait apparaître des bulles dans le liquide saturé inversement une très faible perte de chaleur condenserait quelques gouttes de gaz. On aurait alors une certaine proportion de liquide dans le mélange allant de 00 % sur la courbe de liquide saturé, à 0 % sur la courbe de vapeur saturée.

8 7 b - Température et enthalpie La température est représentée sur des isothermes Sur l'échelle horizontale est représentée l'enthalpie (en kcal/kg ou en kj/kg). L'enthalpie représente l'énergie que possède le fluide. Chauffer le liquide revient à augmenter son enthalpie. Lorsqu'on prend le fluide à la pression Pa et à la température T et qu'on le chauffe jusqu'à T 3 on passe par différentes phases :(voir diagramme page suivante) - en : température T, état liquide sous-refroidi - de à 2 : état liquide, augmentation de la température du liquide de T à T e - en 2 : apparition de la première bulle de vapeur à T e (T ébullition ) - de 2 à 4 : la température reste la même (T e ) mais la proportion de vapeur dans l'enceinte augmente - en 4 : disparition de la dernière goutte de liquide - de 4 à 5 : état gazeux, augmentation de la température du gaz de T e à T 3. D TH 2034 AZ La différence entre H5 et H correspond à l énergie qu il a fallu fournir au fluide pour le faire passer de l état () à l état (5), donc à la différence d enthalpie entre les états finaux et initiaux.

9 8 2 - TRACÉ DU CYCLE THÉORIQUE DANS LE DIAGRAMME T r P r COMPRESSEUR 4 P e T e 3 Fluide à refroidir ÉVAPORATEUR Fluide de refroidissement eau ou air P c T c CONDENSEUR 2 Vanne de détente D PCD 69 B Point (voir diagramme page suivante) Pression et température de condensation. Dans le condenseur, la condensation est totale. Le point se trouve sur la courbe 00 % liquide (liquide saturé). Point 2 Après détente dans la vanne les conditions sont celles de la pression Pa mais avec la même enthalpie que (). Le point 2 se trouve dans la zone du diagramme où l'on trouve un mélange gaz-liquide. Il y a donc formation de bulles de gaz dans la vanne. Point 3 La vaporisation se fait à la pression Pa. Elle va jusqu'à la transformation totale du liquide en gaz (vapeur saturée). Le point 3 correspond aux conditions d'aspiration du compresseur. Point 4 Conditions de refoulement du compresseur dépendant de la machine. On a considéré ici une évolution isentropique.

10 9 D TH 2035 A 3 - ÉNERGIES ÉCHANGÉES DANS LE CYCLE - COEFFICIENT D EFFICACITÉ On peut, sur le diagramme, lire les valeurs d'énergie mise en oeuvre à chaque phase du cycle. La compression à fourni au gaz : H comp. = H 4 H 3 La condensation a enlevé au fluide frigorigène : H cond. = H 4 H La vaporisation a fourni au fluide frigorigène : H évap. = H 3 H La quantité d'énergie H évap. correspond aussi à celle enlevée au fluide à refroidir. Cette énergie correspond à celle pour laquelle l'installation a été étudiée. Les frigoristes ont l habitude de comparer le froid produit à l'énergie consommée par le compresseur. Le rapport de ces deux quantités étant supérieur à un, le terme rendement ne peut pas être employé, il est appelé coefficient de performance : COP = H évap. H comp.

11 0 D TH 2036 A