INFLUENCE DES ORGANES DE CONTROLE SUR LES PERFORMANCES D UNE INSTALLATION FRIGORIFIQUE

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1 INFLUENCE DES ORGANES DE CONTROLE SUR LES PERFORMANCES D UNE INSTALLATION FRIGORIFIQUE RACHID KHELFAOUI, ABDELKRIM MISSOUM, BRAHIM DENNAI, ABDELHAK MAAZOUZI Université de Bechar Institut de mécanique Département de mécanique, Algérie khelfaouidz@yahoo.fr, dennai.univ@yahoo.fr RESUME La climatisation fait partie des activités nouvellement développées par l homme qui agissent sur l environnement, et ce à 2 titres : Appauvrissement de la couche d ozone, dû aux émissions de monoxyde de chlore et de bromure contenus dans les chlorofluorocarbones, Ces gaz ont été interdits en 1987 par le protocole de Montréal et ne sont plus utilisés, ni fabriqués, depuis Augmentation de l effet de serre, avec comme conséquence des dérèglements climatiques, liés à la consommation d énergie et aux fuites des CFC. Le principal risque environnemental pour les 20 prochaines années est la détérioration du climat de la planète. Dans cette problématique nous avons développé une étude de l influence des organes de régulations des installations frigorifiques. Notre contribution consiste à développer une approche mathématique simplifiée du modèle de fonctionnement d une installation frigorifique de faible puissance. Nous avons mis au point un model sous MATLAB au moyen du SIMULINK, qui décrit approximativement le fonctionnement de la machine frigorifique à compression. Le comportement thermodynamique de l enceinte frigorifique est décrit par un bilan énergétique simplifié afin de nous permettre d entamer l étude de l influence des organes de régulations. Mots clefs : MATLAB, enceinte frigorifique, bilan énergétique, régulations. 1. INTRODUCTION Le froid est devenu une forme d énergie importante dans notre société. Utilisée dans un grand nombre de secteurs et sous de nombreuses formes (conservation de denrées périssables, climatisation, refroidissement de procédés industriels etc.), elle n est cependant pas sans effet sur notre milieu naturel. Les systèmes frigorifiques à compression nécessitent en effet pour leur fonctionnement l utilisation de fluides frigorigènes, qui ont généralement des impacts néfastes pour l environnement. Les chlorofluorocarbures (CFC), ainsi que les hydro chlorofluorocarbures (HCFC), considérés jusqu aux années 80 comme des réfrigérants «miracles» en raison de leurs excellentes propriétés physiques, ne peuvent plus être utilisés en raison de leur capacité de destruction de la couche d ozone stratosphérique. De plus, même si les fluides de remplacement (les HFC et les fluides naturels tels l ammoniac), sont neutres vis-à-vis de la couche d ozone, ils n en demeurent pas moins dangereux pour notre milieu naturel : effet de serre, acidification, etc. D autres facteurs, tels la consommation énergétique, le bruit, l utilisation et le traitement de l eau de refroidissement, ont également des répercussions sur l environnement. [5] La régulation et la protection du fonctionnement automatique d une installation frigorifique imposent la surveillance de nombreux paramètres ; notamment les paramètres : Température (de l enceinte refroidie ou de refoulement du fluide), pression (d aspiration, de refoulement, de lubrification, dans le cas de compresseur comportant une pompe à huile), humidité relative des chambres froides ou des locaux conditionnés. Nous limitons à la régulation ou la surveillance de ces grandeurs primordiales pour une bonne marche de la machine et pour un fonctionnement donc à examiner successivement : - les régulateurs de température : thermostats. - les régulateurs d humidité relative : hygrostats. - les régulateurs de pression : pressostats, robinets à pression constante robinets de démarrage, régulateurs de capacité. Le rôle général de ces appareillages est de mettre en service ou hors service l installation frigorifique qu ils règlent ou protègent, ou une partie seulement, dans le cas d une installation à plusieurs postes de froid. Ces appareillages qui, pour la plupart d entre eux, sont en fait des interrupteurs électriques automatiques, se caractérisent par deux particularités communes : - rupture brusque. - Écart fonctionnel entre la position repos et la position travail. Seuls font exception à cette règle les robinets à pression constante, les détendeurs thermostatiques d injection, les régulateurs de capacité et les régulateurs de démarrage. 2.DIAGRAMMEHERMODYNAMIQUE Il serait possible d utiliser pour l étude des cycles de fonctionnement des machines frigorifique un diagramme en coordonnés p et v tel que le diagramme d Andrews après avoir complété celui-ci par le tracé des familles de courbes représentant les

2 transformations thermodynamiques subies par le fluide au cours de ses cycles fonctionnels. - Ce mode de représentation serait fort peu pratique à l usage car les coordonnés du diagramme seraient mal choisies. Il est donc plus aisé de représenter les propriétés physiques d une masse d un kilogramme de fluide en fonction d autres grandeurs caractéristiques choisies de telle façon que l évolution du fluide au cours d un cycle puisse être suivie en faisant abstraction des variations constantes du volume massique. Le coefficient de performance idéal est donné par l'équation suivante TC COP = T T C f (1) Les performances d une installation frigorifique travaillant dans les conditions idéales seront approximativement proches des valeurs données dans le tableau.3 3. MODELISATION THEORIQUE Notre contribution, consiste a l élaboration d un modèle mathématique qui décrit le comportement thermique du système. Cette tache est effectuée au moyen du SIMULNK. Le modèle de la simulation est donne par la figure 1 dt ( Tam Tin ) Q fr + Qr Qcs Qcv in m. C pa = U. A. + m. C m. C ps pv dt (2) dt dt st dt. dt v = h. A. s = h. S. ( T T ) in st ( T T ) v in (3) (4) Le modèle global de simulation du comportement thermique obtenu par le SIMULUNK est donné par la figure 2. Qfree W 1 2 Tam Température ambiante AIR INTERIEUR Tair intérieur Mu R1 Température intérieure Tam Tin 1 Tin STOCKAGE C:/TamTin.mat Tstocke To File Température du stocke produit Tproduit ux R2 Ts & Tv Température de produit Figure.2 Modèle de simulation de Frigo DESCRIPTION DE L ETAT DE LA SUBSTANCE Figure.1 Modèle de l enceinte isolée 3.1 MODELE MATHEMATIQUE Le modèle mathématique qui décrit l évolution des températures de notre système est donné par les équations différentielles suivant : L état thermodynamique du fluide Frigorigène est donné par l équation de VULKALOVICHE et KIRLINE donnée si dessous : RT P = (5) n V m T ²

3 9. RTk m = 128. P k Avec : 54. RT, n = 128. P 3 k k etv = V g Ci. D² + 4 Sans sous refroidissement Sans surchauffe La course du piston est donnée par l équation suivante [4] : INFLUENCE DU THERMOSTAT Ci λ λ. 1+ sin ² ϕi cosϕ 2 = i (6) 3.2 HYPOTHESES DE SIMULATION Les simulations proposées sont fondées sur les hypothèses suivantes : Les transformations dans les cycles frigorifiques sont supposées Sans pertes de charges a) Cas du site de BECHAR : Nous avons calculée la puissance théorique à partir du diagramme de chaque fluide frigorigène. Figure.3 Évolution des températures du système (P th =12000w) Fluide frigorigène R12 Figure.4 Évolution des températures du système (P th =8888 W) Fluide frigorigène le R134a

4 b) Cas du site d ADRAR : Nous avons effectués le même travail qui était fait sue le site de Bechar. Figure.4 Évolution des températures du système (P th =13333 W) Fluide frigorigène R12 Figure.5 Évolution des températures du système (P th =17142 W) Fluide frigorigène le R134a

5 ROLE DU PRESSOSTAT La courbe ci-dessous, représente la variation de la pression dans le compresseur, le condenseur et l évaporateur : Figure.6 Variation de la pression des trois organes principaux de la machine Cas du site de BECHAR R12 Figure.7 Variation de la température et de la course du piston Cas du site de BECHAR R12

6 Figure.8 Variation de la pression des trois organes principaux de la machine Cas du site de BECHAR R1 34 Figure.9 Variation de la température et de la course du piston Cas du site de BECHAR R134

7 4. CONCLUSION GENERALE La chaîne du froid offre désormais des outils fonctionnels et efficaces pour toutes sortes d applications pratiques dans de nombreux secteurs économiques. Le problème de l environnement à l échelle mondiale impose encore une contribution technique orientée vers la recherche de solutions techniques. Dans notre travail, nous sommes intéressés plus particulièrement aux moyens capables de rendre la maîtrise et le contrôle du fonctionnement des machines frigorifique de faible puissance fiable, en se basant sur l influence du thermostat et du pressostat dans deux sites différentes, Bechar et Adrar. Ce travail initial peut maintenant donner lieu à de nombreuses perspectives, qui consisteraient à étudier les configurations optimales pour effectuer différents types de contrôle, mais également pour analyser les possibilités de minimiser la consommation énergétique. 5. REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUE [1] J.A.Duffie.& Beckman (W.A). Solar engineering of thermal processes. ISBN pp [2] J.Bougard Application de l énergie solaire dans le froid et le conditionnement d air. Revue international du froid. Vol 6, n. 5/6. Septembre/ novembre pp [3] R.Khelfaoui thèse de magister Contribution à l'étude des performances des installations frigorifiques alimentées par énergie solaire photovoltaïque [4] R.Khelfaoui and all Experimentation and simulation of photovoltaic solar refrigeration for medical use. WREC 1998, Jnl N Vol 016, pp , 1998 Published by Elsevier Science Ltd. [5] R.Khelfaoui and all Simulation of compressing refrigeration system feeding by photovoltaic solar energy with cold storage destined for desert areas. WREN 2000, Jnl n pp , 2000 Published by Elsevier Science Ltd

8 Liste des tableaux BECHAR Tam max = 42 C ADRAR Tam max =52 C Tableau1. Température ambiante maximale de deux sites FLUIDE FRIGORIFIQUE PRESSION (BAR) ENTHALPIE (KJ/KG) VOLUME MASSIQUE (M3/KG) ENTROPIE (kj/kg.k) (1) (2) R12 (3) BECHAR Tam=42 C (4) (1) (2) R134a (3) (4) (1) (2) R12 (3) ADRAR Tam=52 C (4) (1) (2) R134a (3) (4) Table.2 Caractéristiques thermodynamiques BECHAR Tam max =42 C ADRAR Tam max =52 C R134a R12 R134a R12 COP Tableau.3 variation du COP idéal