Variantes du cycle à compression de vapeur

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1 Variantes du cycle à compression de vapeur Froid indirect : circuit à frigoporteur Cycle mono étagé et alimentation par regorgement Cycle bi-étagé en cascade

2 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 2/63 14:17

3 Froid indirect : circuit à frigoporteur Un tube distribue le frigoporteur pour tous les postes 3/63 14:17

4 Cycle mono-étagé et alimentation par regorgement /63 14:17

5 Cycle cascade deux étages Utilisation du froid à des températures très basses (-60 C) 5/63 14:17

6 Principaux composants des installations frigorifiques Echangeurs de chaleur Compresseur Composants divers

7 Echangeurs réfrigérateur Evaporateur roll bond Condenseur tubes fils 7/63 14:17

8 Echangeurs tubulaires Coaxial En serpentin Tube en tube Echangeurs pour l eau et pour des petites puissances 8/63 14:17

9 Echangeurs multitubulaires Moyenne puissance (>12 kw) Grand nombre de tubes : échangeurs compacts 9/63 14:17

10 Echangeurs à air : batteries à ailettes 10/63 14:17

11 Condenseurs évaporatifs AIR AIR FRIGORIGENE EAU EAU FRIGORIGENE EAU EAU CONDENSEUR A EFFET D EVAPORATION TOUR DE REFROIDISSEMENT D EAU 11/63 14:17

12 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) 12/63 14:17

13 Echangeurs de chaleur Fluide externe Air sec, gaz Air et gaz humides Eau et liquide Evaporateurs Batteries à ailettes Batteries à ailettes Echangeurs multitubulaires Condenseurs Batterie à ailettes Condenseurs évaporatifs Echangeurs multitubulaires Echangeurs à plaque Echangeurs co-axiaux 13/63 14:17

14 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 14/63 14:17

15 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 15/63 14:17

16 Performances des échangeurs Coefficients d échange globaux U Type d échangeur Air convection naturelle Air convection forcée (ventilateurs) U (W/m²K) Ecart T Liquide convection naturelle Liquide convection forcée en tubes (pompes) Liquide convection forcée en plaques /63 14:17

17 Technologie des compresseurs (1/2) Ouverts Le moteur est séparé du compresseur Moteur Semi-hermétiques (hermétiques accessibles) Le moteur est indissociable du compresseur, mais l ensemble peut être ouvert Arbre moteur Partie compresseur Partie moteur Hermétiques Le moteur est indissociable du compresseur et l ensemble est enfermé dans une cloche hermétique Aspiration Cloche hermétique Refoulement 17/63 14:17

18 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 Vis Pistons Scroll Puissance 18/63 14:17

19 Compresseurs à piston : principe Le plus utilisé <0,5 kw à 300kW Taux de compression déterminé par les échangeurs Réduction de puissance possible si plusieurs cylindres Aspiration sortie évaporateur Basse pression Refoulement vers le condenseur Haute pression clapets Plage de vitesses limitée Flux discontinu du fluide (vibrations) Très sensible aux «coups de liquide» huile 19/63 14:17

20 Cylindrée d un compresseur à pistons Point mort haut C :course du piston Point mort bas Cylindree = πd 4 2 Cn c D : diamètre du piston C : course du piston n c : nombre de cylindres 20/63 14:17

21 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 ) 21/63 14:17

22 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 22/63 14:17

23 Régulation par tout ou rien Régulation de la température d une chambre froide Fonctionnement compresseur Marche Arrêt du compresseur Arrêt Redémarrage du compresseur Température Temps Consigne Différentiel Temps 23/63 14:17

24 Centrale frigorifique Plusieurs compresseurs en parallèle : régulation de puissance 24/63 14:17

25 Régulation en cascade Centrale à 4 compresseurs Pression Tous les compresseurs en fonctionnement Démarrage Démarrage Compresseur 4 Démarrage Compresseur 1 Démarrage Arrêt Compresseur 2 Arrêt Compresseur 3 Arrêt Arrêt Tous les compresseurs à l'arrêt 25/63 14:17

26 Rendements d un compresseur Puissance théorique d un compresseur isentropique W & is η is Puissance de compression ηm Puissance mécanique sur l arbre du compresseur ηelec rendement isentropique rendement mécanique rendement électrique W & = η W& is i i m espace mort, irréversibilités c W & = η W& pertes mécaniques dans le compresseur et transmission m pertes électriques (effet Joule) Puissance électrique W & = η m elec W& elec 26/63 14:17

27 Composants divers Détendeurs Déshydrateurs Voyant de liquide Vannes Bouteilles de liquide

28 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 à ouverture variable est de contrôler le remplissage en liquide de l évaporateur 28/63 14:17

29 Détendeur thermostatique le bulbe contient un fluide en équilibre liquidegaz la pression dans le bulbe varie avec la température de la sortie d évaporateur bulbe détendeur évaporateur 29/63 14:17

30 Détendeur thermostatique L ouverture du détendeur dépend de la pression (~température) dans le bulbe P b T b Pb augmente si T b augmente k r x r xxxxxxxxx xxxxxxxxx xxx Pe BP x r diminue xxxxxxxxx k r x r Pe xxx BP le pointeau se déplace vers le bas Fluide HP Fluide HP 30/63 14:17

31 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 6 > 6 >. > 2 > 2 >. H. A 2 A 2 A * = I I A F H A I I E. K A 0 = K J A F H A I I E 31/63 14:17

32 Déshydrateur Elimine les éventuelles traces d humidité Filtre les impuretés Photo Carly 32/63 14:17

33 Voyant de liquide 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 Photo Carly 33/63 14:17

34 Réservoir de liquide Rôle de réservoir de stockage Facilite l ouverture de l installation pour la maintenance 34/63 14:17