SIMULATION D UN CIRCUIT FRIGORIFIQUE MONO-ETAGE. Logiciels JC_Concept

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1 SIMULATION D UN CIRCUIT FRIGORIFIQUE MONO-ETAGE Logiciels JC_Concept

2 2 Sommaire Objectifs 3 Feuille de calculs 4 Les 4 éléments de base de la machine frigorifique 5 Les 4 éléments de base de la machine frigorifique (suite) 6 Les fluides frigorigènes halogénés 7 Les fluides frigorigènes halogénés ( suite) 8 Les options de calcul : calcul de cylindrée 9 Les options de calcul : calcul de la puissance frigorifique 10 Les options de calcul : calcul du point d équilibre 11 Les options de calcul : les paramètres 12 Les simulations graphiques : généralités 13 Les simulations graphiques : l échangeur liquide vapeur 14 Les simulations graphiques : le régulateur de démarrage 15 Les simulations graphiques : le régulateur de pression d évaporateur 16 Les simulations graphiques : le régulateur de capacité 17 Editions de tableaux récapitulatifs 18 Edition graphique : Diagramme de MOLLIER 19 Edition graphique : Tracé de courbes 20 Edition graphique : exemple graphe de la puissance absorbée 21 Informations technologiques 22

3 3 OBJECTIFS Circuifrigo est un logiciel à vocation didactique qui permet de calculer et de mettre en valeur par le graphisme le fonctionnement d'une machine frigorifique mono-étagée. Circuifrigo Calcule la cylindrée, la puissance frigorifique, la température d évaporation à partir des variables représentées dans le tableau ci-dessous. Calcul de la Cylindrée de la Puissance frigorifique De la température d évaporation Variables Puissance frigorifique Calculée Cylindrée calculée Charge thermique Changement de fluide Température d évaporation calculée Surchauffe d évaporateur Pertes de charge sur l évaporateur Surchauffe d aspiration Pertes de charge sur l aspiration Température de condensation Désurchauffe au refoulement Pertes de charge au refoulement Sous-refroidissement du condenseur Pertes de charge sur le condenseur Sous-refroidissement du liquide Vitesse de rotation du compresseur Calcule les grandeurs du circuit frigorifique ( Débits Températures Puissances) Calcule les débits de fluide traversant l évaporateur et le condenseur Calcule les pertes de charges et sélectionne les tuyauteries Simule graphiquement les modifications apportées par le changement du fluide ou de certains composants sur le fonctionnement du système. Fournit des informations technologiques sur les composants mentionnés. Edite des graphes montrant l'influence des variations du régime sur des grandeurs comme la puissance, la température de fin de compression ou le coefficient de performance. Cette édition graphique en tant que soutien de cours ouvre une exploitation pédagogique dans l'étude des installations frigorifiques.

4 4 Feuille de calculs Circuifrigo présente en toile de fond le schéma familier d un circuit frigorifique composé de ses 4 éléments de base. Les modifications peuvent se faire à l aide du menu déroulant ou des zones modifiables La saisie peut se faire directement après avoir cliqué sur la zone de texte et validé par la touche ENTER. On peut modifier aussi une valeur par incrémentation ou décrémentation avec les zones de scrolling Toute modification entraîne un calcul et un affichage instantanés des résultats

5 5 Les 4 éléments de base du circuit frigorifique 1) Le compresseur est l organe principal du circuit qui assure le débit de fluide nécessaire à la production frigorifique et le maintien des pressions BP/HP. Ce débit est défini à partir de : sa cylindrée C en cm3, sa vitesse de rotation n en trs/mn ou son volume balayé Vth en m3/h - Vth = C x n x 60 x 1E-6 - Lorsque l option calcul de la puissance frigorifique a été sélectionnée par le menu ou par l icône, la modification de la cylindrée du compresseur recalcule la puissance frigorifique Sur le compresseur est raccordé un manifold qui indique les pressions relatives d entrée et de sortie du compresseur. 2) L évaporateur Il absorbe une puissance (Charge thermique) qui dépend de : - sa construction - sa température Cette température d évaporation détermine la valeur de la basse pression, paramètre important du régime de fonctionnement du système. - la nature du fluide qui s y évapore - ses conditions d échange avec le milieu refroidi Il peut subir des pertes de charge (Pdc) qui affectent les performances du système. La modification de la puissance frigorifique recalcule la nouvelle cylindrée quand l option calcul de la cylindrée ou l icône est sélectionnée.

6 6 Les 4 éléments de base du circuit frigorifique 3) Le condenseur Il assure l évacuation de la chaleur absorbée par le fluide lors de son passage dans l évaporateur mais aussi dans le compresseur La température de condensation détermine la valeur de la haute pression HP, paramètre important du régime de fonctionnement du système. Elle est liée au fluide qui refroidit le condenseur ( air extérieur ou eau ) Le sous-refroidissement du condenseur est un facteur déterminant des performances du système. 4) Le détendeur (thermostatique) La surchauffe de l évaporateur est réglée par le détendeur thermostatique. La modification de cette surchauffe crée une simulation graphique qui montre l action de sur le remplissage de l évaporateur et entraîne le rafraîchissement instantané des calculs de puissance. Sur une machine réelle, la modification de la surchauffe du détendeur peut changer le régime de fonctionnement. Le logiciel ne traite pas ce cas.

7 7 Les fluides frigorigènes halogénés Circuifrigo recalcule simultanément le régime de pressions et les puissances du système pour tout changement du fluide Cette simulation permet de comparer les performances des différents fluides et de justifier leur choix dans une application frigorifique. Les fluides frigorigènes halogénés sont des chlorofluorocarbones de synthèse qui ont été développés dès Ils comprennent 3 familles notées : - CFC - HCFC - HFC CFC Les CFC ont une faible toxicité, ils sont ininflammables, non corrosifs, compatibles avec de nombreux matériaux et possèdent les propriétés thermodynamiques et physiques qui les ont rendus indispensables en tant que fluides frigorigènes. Mais la stabilité des molécules de CFC, à laquelle est due la majorité de leurs intéressantes caractéristiques, ainsi que leur teneur en chlore a amené à les mettre en cause dans la destruction de la couche d'ozone qui protège la terre. C'est le chlore contenu dans la molécule de CFC qui détruit la couche d'ozone. La conférence de Copenhague ( 1992), renforçant Le Protocole de Montréal (1987), a conduit les producteurs de CFC à arrêter leur fabrication en 1995 et a préconisé la mise en place des produits de substitution entrant dans la catégorie des HCFC.

8 8 Les fluides frigorigènes halogénés HCFC Les HCFC sont des hydrochlorofluorocarbones contenant des atomes de chlore mais leur effet destructeur est réduit (car en plus du chlore, ils contiennent de l'hydrogène, du fluor et du carbone) Les HCFC ont toujours un effet préjudiciable sur la couche d'ozone, mais beaucoup moins que les CFC. Le HCFC R22, est largement utilisé avant que la théorie de la couche d'ozone ne soit avancée pour la première fois. Les fluides HCFC de transition sont des mélanges zéotropes qui possèdent des propriétés et des caractéristiques de performance comparables à celles des CFC. Ils ont une faible toxicité et sont ininflammables (sauf le HFC-152a). Ils sont stables dans les conditions normales d'utilisation et nécessitent des transformations minimes de l'équipement frigorifique. La conférence de Copenhague prévoit l arrêt de la fabrication des HCFC avec un échelonnement de 2004 à HFC Les HFC sont les fluides exempts de chlore qui possèdent des propriétés et des caractéristiques de performance similaires à celles des CFC, mais avec un effet considérablement réduit sur l'environnement Ils sont incompatibles avec les huiles traditionnelles utilisées avec les anciens fluides et nécessitent l'utilisation d'huile POLYOL ESTER (POE)

9 9 Les options de calcul A - Calcul de la cylindrée à partir de : La puissance frigorifique. La température d évaporation Toute modification des autres zones de saisie Température de condensation Surchauffe Sous-refroidissement Perte de charges

10 10 Les options de calcul B- Calcul de la puissance frigorifique à partir de : La cylindrée (ou le volume balayé) La température d évaporation Toute modification des autres zones de saisie Température de condensation Surchauffe Sous-refroidissement Perte de charges

11 11 Les options de calcul Le couple compresseur / évaporateur a été sélectionné pour enlever au milieu à refroidir une puissance calorifique pour un régime de températures fixé. La puissance calorifique apportée par le milieu refroidi est appelée charge thermique. C est le temps de fonctionnement du compresseur qui détermine la température du milieu à atteindre. Ce temps est lié à l action du régulateur. Cette option calcule la température d équilibre de l évaporateur et du compresseur en fonctionnement continu (sans régulation). Elle permet de montrer l influence de la charge thermique et de la cylindrée sur le fonctionnement de la machine C- Calcul de la température d'évaporation à partir de : La cylindrée La cylindrée modifie la courbe de puissance engendrée par le compresseur ( courbe bleue) La charge thermique apportée à l évaporateur Représentée par la courbe rouge Toute modification des autres zones de saisie Température de condensation Surchauffe Sous-refroidissement Perte de charges

12 12 Les options de calcul Dans le menu des paramètres de calcul, on peut définir : Les régimes de fonctionnement standards ARI / CECOMAF ARI : Air-Conditioning and Refrigeration Institute CECOMAF : Comité Européen de Construction de Matériels de froid Déterminés par les organismes de standardisation de la réfrigération Le rendement volumétrique v par : la formule empirique : x (HP/BP) Une valeur arbitraire ou connue La connaissance de la cylindrée, de la puissance frigorifique et du régime de fonctionnement ( d après une documentation constructeur) Le rendement volumétrique est proportionnel aux performances frigorifiques du système Le rendement indiqué i Peut être : - fixé à une valeur arbitraire - égal au rendement volumétrique compression isentropique : 1 à 2 compression réelle du fluide 1 à 2 Le rendement mécanique m le rendement mécanique augmente le réchauffement du fluide à cause des pertes mécaniques du compresseur la compression évolue de 1 à 2 Le rendement électrique e le rendement électrique détermine le rapport de la puissance absorbée par le compresseur à la puissance électrique absorbée. N.B. les rendements i et m élèvent la température de fin de compression du fluide. Selon la technologie du compresseur, les pertes électriques peuvent élever plus ou moins la température du fluide. La ventilation du compresseur provoque l effet contraire et peut amener la température de refoulement du fluide à une valeur inférieure à 2 Circuifrigo ne prend pas en compte cette ventilation dans ses calculs

13 13 Les simulations graphiques Les simulations graphiques peuvent servir de support théorique pour la préparation des manipulations ou des TP sur un système réel ou didactique. Leur avantage repose sur la rapidité de mise en œuvre que l on ne peut obtenir avec un système frigorifique réel. Les simulations doivent être faites avec l option : Calcul de \ la puissance frigorifique Dans ce cas, la cylindrée du compresseur reste constante. L échangeur de chaleur L/V permet de profiter du gain de performance frigorifique sur certaines installations et avec certains fluides. Par défaut le sous-refroidissement liquide de l échangeur est fixé à 15K mais est modifiable. La surchauffe du gaz est calculée automatiquement. Le régulateur de démarrage est un régulateur de pression qui limite le débit aspiré par le compresseur lors d une première mise en service ou après un dégivrage. Cette limitation entraîne alors une réduction de la puissance absorbée par le compresseur et évite le déclenchement de sa protection thermique. Cette option de simulation n est pas utilisable avec tous les fluides. ( par exemple avec le R 134 qui n est pas utilisé pour des installations commerciales basses températures ). Le régulateur de pression d évaporation est utilisé pour régler une pression d évaporation à une valeur fixe. Ce régulateur a aussi pour action de limiter le débit aspiré par le compresseur Le régulateur de capacité est un régulateur qui limite la basse pression en cas de réduction de la charge thermique de l évaporateur.

14 14 Les simulations graphiques Echangeur liquide vapeur L objectif de la simulation est de vérifier l intérêt de la mise en place d un échangeur de chaleur sur le circuit. Exemple : peut-on mettre un échangeur de chaleur sur un système de climatisation au R22? Simulation sans échangeur L/V fluide : R 22 Cylindrée : 23.4 cm3 Option de calcul : Calcul de \ la puissance frigorifique Température d évaporation pour l évaporateur : 5 C Température de condensation : 45 C Sous-refroidissement : 5K Surchauffe totale : 5K + 5K = 10K Puissance sans échangeur : 3000 W Température de fin de compression : 92 C Simulation avec échangeur L/V Sous-refroidissement : 5K + 15K = 20K Surchauffe totale : 5K + 39K = 44K Puissance avec échangeur : 2928 W Température de fin de compression : 129 C Les résultats montrent que : la puissance frigorifique chute de 2.4% les températures d aspiration et de refoulement sont inacceptables. Tout ceci justifie l absence d échangeur de chaleur avec le fluide R22 sur les installations de climatisation.

15 15 Les simulations graphiques Le régulateur de démarrage La fenêtre représente 3 graphiques qui fonctionnent simultanément. Le schéma du circuit sur lequel on peut modifier : la pression de réglage du régulateur par + ou la température de l évaporateur L évolution correspondante du fluide Le graphe de fonctionnement du régulateur En modifiant le réglage de la pression du régulateur on règle la puissance ou l intensité maximale absorbée du compresseur. Cette puissance ou intensité peut être relevée sur la documentation technique d un constructeur. En diminuant la température d évaporation, on constate que la puissance / intensité absorbée ne diminue sensiblement que lorsque la pression de l évaporateur atteint la pression préréglée. En augmentant la température d évaporation on observe la limitation de la puissance absorbée dès que la pression de l évaporateur atteint la pression préréglée du régulateur. N.B Le réglage du régulateur modifie la puissance frigorifique. Un régulateur mal réglé peut entraîner une mise en température plus longue

16 16 Les simulations graphiques Le régulateur de pression d évaporation La fenêtre représente 3 graphiques qui fonctionnent simultanément. Le schéma du circuit sur lequel on peut modifier : la pression de réglage du régulateur par + ou la charge thermique L évolution correspondante du fluide Le graphe de fonctionnement du régulateur En modifiant le réglage de la pression du régulateur on règle la température de l évaporateur. En diminuant la charge thermique on observe la régulation de la température de l évaporateur.

17 17 Les simulations graphiques Le régulateur de capacité La fenêtre représente 3 graphiques qui fonctionnent simultanément. Le schéma du circuit sur lequel on peut modifier : la pression de réglage du régulateur par + ou la charge thermique L évolution correspondante du fluide Le graphe de fonctionnement du régulateur En modifiant le réglage de la pression du régulateur on règle la pression limite de l évaporateur. En diminuant la charge thermique on observe la limitation de la pression de l évaporateur.

18 18 Edition de tableaux récapitulatifs Le tableau récapitule les valeurs des différents points du circuit : Température Pression Enthalpie Volume massique et entropie à l aspiration du compresseur Il indique aussi la vitesse du fluide pour différents diamètres de tuyauterie cuivre : au refoulement du compresseur dans la ligne liquide à l aspiration du compresseur

19 19 Edition des graphiques Evolution du fluide Diagramme de MOLLIER L évolution du fluide est représentée sur le diagramme de MOLLIER

20 20 Edition des graphiques L édition graphique montre l évolution graphique de : La puissance frigorifique Le débit massique aspiré par le compresseur La puissance absorbée La température de refoulement du fluide Le coefficient de performance frigorifique ou E.E.R Toutes ces valeurs peuvent évoluer en fonction des variables suivantes : La température d évaporation La température de condensation La surchauffe Le sous-refroidissement Les pertes de charge

21 21 Edition des graphiques Exemple : Puissance absorbée en fonction de la température d évaporation La courbe ci-dessous a été éditée à partir d une cylindrée fixe et d une température de condensation constante. Elle peut servir de support pour montrer : La justification de gammes d application des compresseurs hermétiques et la nécessité de limiter la puissance d un compresseur dans une installation basse température par une vanne de démarrage

22 22 Informations technologiques Des informations technologiques de base expliquent la fonction des différents constituants du circuit et aussi des régulateurs Avec les aimables autorisations de DANFOSS France et de COPELAND Europe