RAPPORT DE STAGE CARACTERISATION ET MODELISATION DES PERFORMANCES THERMIQUES DE PRODUITS

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1 SANCHEZ Michael DUT Mesures Physiques RAPPORT DE STAGE CARACTERISATION ET MODELISATION DES PERFORMANCES THERMIQUES DE PRODUITS Société COLDWAY Maître de stage: M. Lionel GALINIE Enseignant tuteur: M. Jean-Marc MERCY IUT Montpellier II Année scolaire

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3 REMERCIEMENTS Je tiens à exprimer toute ma reconnaissance et ma gratitude à M. Christian CASES, actionnaire et ancien président de la société COLDWAY, et ainsi qu à M. Laurent DUTRUY, Directeur Industriel et Responsable Production, sans qui ce stage n aurait jamais été possible. Mes remerciements s adressent également à mon maître de stage M. Lionel GALINIE, Ingénieur Thermicien, pour le soutien, la confiance qu il m a accordé et toute l attention qu il m a prodigué pendant la durée du stage. J adresse également un grand merci à l ensemble de l équipe du service Recherche et Développement qui m a entouré avec gentillesse et attention, sans oublier tous les autres membres de la société, chacun d entre eux m ayant permis de m intégrer facilement et de m imprégner de la culture interne de l entreprise.

4 SOMMAIRE INTRODUCTION... 1 I. L ENTREPRISE COLDWAY ) Présentation de l entreprise ) La technologie COLDWAY... 2 a) Principe de fonctionnement... 2 b) Approche thermodynamique... 4 c) Performance et avantages ) Les produits COLDWAY... 5 II. MISSIONS ET ENVIRONNEMENT DU STAGE ) Les objectifs ) Présentation du matériel... 9 a) Les thermo-boutons... 9 b) Le matériel utilisé c) Les cellules de test ) Spécification de Technique d Essai et normes a) Coefficient global de transmission thermique K b) Qualification des produits III. LES TRAVAUX REALISES ) Calcul du coefficient K sur une Alcabox 20L a) Théorie b) Préparation et calculs préliminaires c) Début de l essai d) Conclusion sur l essai e) Rapport sur l essai ) Essai de qualification sur un Freetherm 64L a) Objectifs de l essai b) Le Freetherm 64L c) Essai à 25 C avec des plaques à -17 C... 21

5 d) Conclusion sur l essai e) Essai sous 10 C et 20 C ) Les autres missions a) Test d une batterie b) Notice d utilisation d une centrale d acquisition CONCLUSION GLOSSAIRE REFERENCES (BIBLIOGRAPHIE) ANNEXES Annexe Annexe Annexe Annexe Annexe Annexe Annexe Annexe

6 INTRODUCTION Dans le cadre de mes études en 2 ème année de DUT Mesures Physiques, à l IUT de Montpellier II, j ai eu l opportunité de réaliser un stage de dix semaines au sein de COLDWAY, entreprise spécialisée dans les équipements à température dirigée. J ai été affecté au service Recherche et Développement de l entreprise, service qui travaille en continu sur de nouveaux produits afin de répondre aux attentes des clients et améliore sans cesse ses anciennes gammes, toujours afin de satisfaire les demandes. Pris en charge par mon tuteur, M. Lionel GALINIE, celui-ci m a confié deux principales missions: Caractériser des enceintes thermiques. Modéliser les performances de ces enceintes. Ces deux missions m ont permis dans un premier temps de mettre à profit toutes les connaissances que j ai acquises au cours de ma formation en DUT, et dans un second temps de participer activement au développement des produits qui m ont été confiés. Le présent rapport de stage décrit tout d abord l entreprise COLDWAY, sa technologie ainsi que les produits offerts à sa clientèle. Ensuite sera évoqué l ensemble du travail effectué durant ces dix semaines en matière de protocoles d essai, de conditions d essai et de rédaction de rapport pour chacun des essais. En conclusion, je dresserai le bilan de tout ce que m a apporté ce stage en tant qu expérience professionnelle et humaine. 1

7 I. L ENTREPRISE COLDWAY 1) Présentation de l entreprise La société COLDWAY a été créée en 2001 par deux ingénieurs thermiciens issus du CNRS, Laurent RIGAUD et Francis KINDBEITER. Cette entreprise implantée à Pia, dans le département des Pyrénées-Orientales, est spécialisée dans les équipements à température dirigée. Son principal objectif est d être l un des acteurs majeurs de ce marché. Pour cela, COLDWAY répond à de nombreuses attentes: Mettre à disposition des produits répondant aux exigences de la chaîne du froid. Proposer des solutions sur mesure, adaptées aux besoins et aux contraintes des clients. Etendre le champ d application de sa technologie aux industries soumises aux contraintes du froid. Exploiter sa capacité créatrice pour anticiper le futur de l entreprise. Cette société se compose d un effectif de 16 personnes à travers un service Recherche et Développement, un Service Production, un Service Commercial, un Service Administratif et enfin un Service Assistance Technique (voir annexe 1). Ses principaux marchés de vente sont le marché agroalimentaire avec les grandes distributions, les restaurateurs et les livraisons à domicile, et le marché médical avec les centres hospitaliers et les industries pharmaceutiques. 2) La technologie COLDWAY La technologie de cette entreprise repose sur un système non conventionnel de froid appelé thermochimie. Les deux fondateurs de COLDWAY ont développé un savoir-faire industriel apportant une solution de production de froid et/ou de chaud alternative, pour satisfaire un besoin croissant de mobilité, de qualité, de traçabilité et de fiabilité. a) Principe de fonctionnement Le système à adsorption solide/gaz utilise de l ammoniac et un sel chloré. Le sel est mélangé à du graphite naturel expansé (GNE) car celui-ci a une grande porosité et une grande conductivité thermique, ce qui favorisera le transfert thermique et le transfert de matière. 2

8 On peut décomposer ce procédé en 2 phases: La production de froid (voir figure 1): le système est composé d un évaporateur contenant l ammoniac liquide et un réacteur sous vide contenant le mélange réactif. Dès l ouverture de la vanne, l ammoniac emmagasiné dans l évaporateur s évapore, ce qui entraîne une production de froid. L ammoniac gazeux est fixé par les sels contenus dans le réacteur. La réaction provoque un dégagement de chaleur. La température d évaporation peut atteindre -20 C et la température d adsorption plus de 80 C. Figure 1 : Production de froid/chaleur La régénération du système (voir figure 2): une fois que l ammoniac a complétement réagi, il est possible de recharger le système. En effet, le réacteur contient le solide dans lequel l ammoniac est piégé. Il suffit de lui apporter de la chaleur pour que la phase de régénération démarre. On utilise des colliers chauffants qui provoquent la désorption de l ammoniac gazeux qui vient alors se condenser dans l évaporateur. A la fin de cette phase, le procédé peut alors entamer un nouveau cycle de production de froid. On désorbe sous une pression de 30 bars et à une température de 180 C Figure 2 : Régénération du système 3

9 b) Approche thermodynamique On peut décrire les étapes de synthèse et de régénération à l aide des équations chimiques suivantes. Dans le cas de la synthèse, deux réactions se produisent simultanément : NH 3 (l) NH 3 (g) Mn(NH 3 ) 2 Cl 2 + 4NH 3 (g) Mn(NH 3 ) 6 Cl 2 + ΔHr La première réaction est endothermique 1, l enthalpie 1 ΔHr est positif d où la production de froid. La deuxième réaction est exothermique 1, ΔHr est négatif et va produire de la chaleur qui va être évacué par le biais de ventilateurs. Dans le cas de la régénération, les réactions inversent simultanément : se produisent NH 3 (g) NH 3 (l) Mn(NH 3 ) 6 Cl 2 + ΔHr Mn(NH 3 ) 2 Cl 2 + 4NH 3 (l) La première réaction devient alors exothermique et la deuxième réaction devient endothermique. c) Performance et avantages On définit le coefficient de performance du système (COP) par la relation suivante : Le COP théorique du système est de 0,5. En pratique on obtient un COP compris entre 0,3 et 0,45. Cette technologie propose une solution alternative aux camions frigorifiques car elle présente de nombreux avantages: elle peut produire de façon autonome du froid ou du chaud sans consommation électrique, elle peut stocker de l énergie sans 1 Voir glossaire. 4

10 limitation de temps. Le système est simple, robuste et ne demande que très peu de maintenance. De plus, à l opposé des compresseurs habituellement utilisés dans la chaîne du froid, ce système n'entraîne pas de nuisance sonore, de vibrations, et respecte l environnement. Cependant, il est obligatoire de recharger le système après un cycle, et son autonomie va dépendre du volume utile de l équipement proposé. 3) Les produits COLDWAY COLDWAY propose 9 catégories de produits dont la plupart reposent sur le procédé thermochimique: L Equitherm (voir figure 3) permet le transport de produits thermosensibles. Il est composé de polypropylène expansé, ce qui lui confère une isolation thermique très élevée. Il est léger et résiste très bien aux chocs. Son système est alimenté par une batterie 12V et il est possible de programmer une température de consigne de +15 à +37 C. Il possède une autonomie de 22h. Figure 3 : Equitherm Le Freetech (voir figure 4) permet de transporter des produits sur une plage de température comprise entre -18 C et 8 C avec une autonomie allant de 3 à 51h selon le modèle. C est un caisson isotherme rigide dont le revêtement est en polyéthylène et il est composé d un isolant, la mousse polyuréthane injectée. Enfin, un support pour plaques eutectiques est prévu à l intérieur du caisson. Figure 4 : Freetech Les réfrigérateurs et congélateurs (voir figure 5) utilisés pour le stockage de produits thermosensibles sur des plages de température pouvant aller de -10 à -25 C ou de 2 à 16 C, selon le froid souhaité (négatif ou positif). Ces deux modèles ont un volume utile compris entre 400L et 2100L. Leur fonctionnement repose sur un système compression/détente simple. Figure 5 : Réfrigérateurs 5

11 Les Alcabox (voir figure 6) qui sont des sacs isothermes souples, ils existent 5 modèles avec différents volumes utiles compris entre 2L et 54L. Elles sont composées d une mousse de polyuréthane pour l isolation thermique, et de PVC avec tissu imprimé à bordure. Figure 6 : Alcabox Le Freetherm (voir figure 7) est un système de réfrigération autonome et régulée pour des transports longue durée. De la glace carbonique est introduite à l intérieur du caisson, dans un compartiment séparé du volume utile. Ce produit fonctionne sur une gamme de température comprise entre -35 C et +80 C grâce à un système de ventilation. Le volume utile de cet équipement est de 25 L, et son autonomie peut varier selon de 29h à 48h avec une température de consigne respective de - 30 C et de +4 C). Ces caissons sont composés de polyéthylène rotomoulé et sont très bien isolés avec du polyuréthane expansé sans Chlorofluorocarbure. Figure 7 : Freetherm L Alcatherm Coolsplit (voir figure 8) est utilisé pour maintenir les produits thermosensibles en température pendant leur transport, en utilisant le procédé thermochimique. Il a une autonomie variant en fonction de son volume utile, pour 75 L il aura une autonomie de 12h, et pour 135 L 8h d autonomie (pour une température de consigne de 5 C et une température ambiante de 25 C). Ce produit est composé d un caisson qui peut se détacher du groupe froid permettant une livraison sans rupture de la chaîne de froid. Le matériau utilisé pour ce produit est le polypropylène expansé. Figure 8 : Coolsplit L Alcatherm Container (voir figure 9) est similaire au Coolsplit. Il possède un volume utile de 410 L et une autonomie de 14h (pour une température de consigne de 5 C et une température ambiante de 25 C). On peut régler une température de consigne du caisson de 2 à 12 C. Ce caisson est composé de polyester stratifié et est très bien isolé avec de la mousse polyuréthane sans Chlorofluorocarbure. Il se distingue par le fait qu il peut être installé dans un véhicule standard sans modification et n entraîne aucune surconsommation de carburant. Figure 9 : Container 6

12 L Alcatherm Mobile (voir figure 10) remplit la même fonction que le Coolsplit et le Container. Il possède un volume utile pouvant aller de 18 L à 45 L et respectivement une autonomie de 8h à 14h (pour une température de consigne de 5 C et une température ambiante de 25 C). Sa gamme de température est comprise entre +12 C à +37 C si le caisson est alimenté par le véhicule de transport, et de 0 C à -20 C si on ajoute des plaques eutectiques à l intérieur. Ce produit est composé de polyéthylène rotomoulé ainsi qu avec le même isolant que les autres Alcatherm. Figure 10 : Mobile La chambre froide modulable (voir figure 11) disponible de 3 à 50 m 3 dont la plage de température est comprise entre 10 C et -25 C. Elle est composée de panneaux en tôle d acier blanc ainsi que d une épaisseur de polyuréthane comprise entre 80 et 100 mm. Figure 11 : Chambre froide 7

13 II. MISSIONS ET ENVIRONNEMENT DU STAGE 1) Les objectifs Pour la durée de mon stage en entreprise, je suis affilié au service de Recherche et Développement. Mon principal objectif est de tester certains produits de COLDWAY qui sont en cours de développement, permettant ainsi de qualifier ces produits afin d envisager d éventuelles modifications pour améliorer leurs performances. Les travaux que j ai effectués ont donc porté essentiellement sur des essais de qualification en vue de donner un avis critique sur ces produits en développement. Chacun des essais est réalisé à vide, c est-à-dire qu aucune charge n a été ajoutée à l intérieur des produits. Selon la qualification à réaliser, il me faut donc vérifier: le coefficient global de transmission thermique, ou la conformité du produit par rapport aux normes imposées dans la chaîne du froid. Les principales normes à respecter sont les normes ATP 2 et NFX , présentées plus loin dans le rapport, ainsi que la norme NFS Cette dernière permet de vérifier la capacité d un emballage à maintenir un produit dans un intervalle de température spécifié et pour des conditions opératoires définies. Afin de respecter ces normes, ma première mission consiste à créer des protocoles d essai d une part afin que la manipulation se déroule sans problèmes étape par étape, et d autre part afin que les personnes qui voudront réaliser les mêmes essais que moi puissent avoir un document compréhensible sur lequel ils peuvent s appuyer. A la fin des essais, ma dernière mission consiste à rédiger un rapport d essai, rapport d autant plus important qu il peut être soumis soit à l intention des membres de l entreprise en vue d une amélioration, soit à l intention des clients pour montrer la performance et l expertise des produits COLDWAY. 2 Voir glossaire. 8

14 2) Présentation du matériel Afin de réaliser mes tests et accomplir les tâches qui m étaient confiées, j ai dû me familiariser avec l ensemble du matériel mis à ma disposition. a) Les thermo-boutons Pour chacun des essais, il a été nécessaire d utiliser des capteurs de températures appelés thermo-boutons de type 22L (voir figure 12). Figure 12 : Thermo-bouton et lecteur USB Ce type de capteur propose une large gamme de température, allant de -40 C à +85 C, avec une précision à ± 0.5 C et deux résolutions possible: 0,1 C ou 0,5 C. Le nombre d échantillons maximal pour une résolution de 0,1 C est de 4096 points. De plus, la fréquence d échantillonnage pour chaque essai est réglée à 1 point par minute. Avant de pouvoir réaliser les essais, ces thermo-boutons doivent d abord être programmés grâce au logiciel ThermoTrack PC V7 (voir figure 13). Figure 13 : Logiciel ThermoTrack 9

15 Comme il s agit essentiellement d essais de qualification, la programmation des thermo-boutons se fait dans le menu «qualification d enceinte thermostatique» (voir figure 14). Figure 14 : Programmation des thermo-boutons La programmation des thermo-boutons se réalise de la manière suivante: Indiquer le nom de l auteur et le nom de l essai à réaliser pour éviter toute confusion avec d autres essais. Donner le nombre de thermo-boutons qui vont être utilisés pendant cet essai. Préciser la fréquence de mesure. Préciser la résolution des données. Entrer la valeur de consigne voulu pour l essai, ainsi que les limites maximales et minimales de tolérance. Une fois cela terminé, il ne reste plus qu à placer un à un chacun des thermo-boutons sur le lecteur USB afin d enregistrer sur eux les données précédemment entrées (voir figure 15). Figure 15 : Enregistrement de la programmation 10

16 b) Le matériel utilisé Les essais de qualification n ont pas tous le même objectif, le matériel utilisé dépend donc de la qualification à effectuer et du produit à tester. Ainsi, j ai dû utiliser le matériel suivant pour réaliser mes essais: Des alimentations réglables en tension et en courant (voir figure 16). Des résistances chauffantes avec ventilateur (voir figure 17). Des thermocouples avec un lecteur de thermocouple (voir figure 18). Des plaques eutectiques (voir figure 19). Des fiches COS (voir figure 20). Des fils. Les alimentations réglables en tension et en courant vont me permettre de faire fonctionner les résistances chauffantes en même temps que le ventilateur qui les accompagne, car résistance et ventilateur sont deux pièces distinctes qui ont été vissées l une à l autre pour la réalisation de cet essai. Figure 16: Alimentation Les ventilateurs utilisés sont de petits ventilateurs, leur tension nominale et leur courant nominal sont respectivement de 12V et 0,06A. Figure 17 : Résistance chauffante avec ventilateur Les résistances chauffantes, selon les données du constructeur, ont une tension nominale de 12V et une puissance nominale de 60W (voir annexe 2). Le lecteur de thermocouple donne une valeur de température avec une précision de 0,1 C. Il possède 2 voies d acquisition, permettant ainsi de réaliser 2 mesures simultanément, ce qui sera pratique pour le calcul du coefficient global de transmission thermique (cf. II.4 page 15). Figure 18 : Lecteur de thermocouples 11

17 Les plaques eutectiques 3 (ou pains de glace) sont des blocs remplis d un mélange d eau et de sel qui permet, une fois congelés grâce à un congélateur, de restituer le froid précédemment emmagasiné. Pour congeler efficacement une plaque eutectique, il faut la placer pendant 48h dans un congélateur à une température inférieure de 5 C à la température de la plaque (exemple: une plaque à -21 C doit être placée dans une ambiance à -26 C). Figure 19 : Plaques eutectiques 17 C (gauche) et -12 C (droite) Les plaques que j ai eu à manipuler sont des plaques de 600g à -12 C et des plaques de 1,5kg à -17 C. Les fiches COS sont des raccords qui se fixent grâce à une pince spécifique sur des fils électriques dénudés. Ces fiches vont notamment m être utiles afin de brancher les résistances chauffantes sur les alimentations. Figure 20 : Fiches COS c) Les cellules de test Les essais sont effectués sous différentes températures d ambiance: 5 C, 10 C, 20 C, 25 C, 30 C ou encore 35 C. Ces températures sont pour la plupart des températures moyennes saisonnières, ou des températures typiques de conservation de produits thermosensibles. 3 Voir glossaire. 12

18 L entreprise Coldway a donc prévu des cellules de test (l une à l intérieur de l atelier, l autre à l extérieur) afin de réaliser la plupart des essais de qualification (voir figures 21 et 22). La cellule interne est préréglée à 25 C, qui est la température moyenne estivale. Pour la cellule externe, il est possible de choisir arbitrairement la valeur de la température d ambiance grâce à un module de chauffage interne: on peut donc faire du 30 C ou du 35 C aisément, la cellule étant parfaitement isolée. Figure 21 : Cellule interne Figure 22 : Cellule externe Pour les essais à 5 C, l essai se déroule dans une chambre froide réglée à 5 C en consigne. En ce qui concerne les essais à 10 C et 20 C dont j ai eu l occasion de réaliser, le caisson à tester est installé dans un Alcatherm Container qui a pour consigne la valeur de l ambiance voulue. Ce Container est placé dans la cellule externe afin que la régulation à 10 C ou 20 C soit optimale. 3) Spécification de Technique d Essai et normes Avant toute chose, une spécification de technique d essai (STE) doit être rédigée afin de préciser le but de l essai, le produit à tester, le protocole de qualification, le matériel utilisé, le positionnement du matériel et les résultats attendus. Les résultats doivent alors correspondre aux normes ATP, NFX et/ou NFS a) Coefficient global de transmission thermique K Afin de préparer les essais sur le calcul du coefficient global de transmission thermique K des produits de COLDWAY, j ai commencé par rédiger une STE. Ce protocole (voir annexe 3) respecte la norme ATP et est applicable pour n importe quel type de produit, les seules choses qui changent d un produit à l autre sont les dimensions. 13

19 La partie qui nous intéresse dans l ATP concerne les modes opératoires à réaliser afin de calculer ce coefficient K. Le caisson à vide doit être soumis, en régime permanent et dans une chambre isotherme, soit à un chauffage interne, soit à un refroidissement interne. De plus, l écart de température entre l intérieur et l extérieur du caisson doit être de 25 C ± 2 C. J ai donc choisi la méthode par chauffage intérieur, ce qui était un peu plus facile à réaliser grâce à la chambre froide dont dispose la société. b) Qualification des produits Pour les essais de qualification, il n y avait pas de protocole à créer. Ces essais ont pour but de vérifier si un produit est conforme ou non aux normes NFX et NFS La norme NFX consiste à évaluer les caractéristiques réelles d une enceinte. Pour un produit de volume utile inférieur ou égal à 2m 3, cette norme impose un minimum de 9 capteurs pour réaliser la caractérisation: un capteur positionné sur chacun des 8 angles de l enceinte, un capteur positionné au centre du volume. Pour un volume utile compris entre 2m 3 et 20m 3 dont les dimensions intérieures sont toutes inférieures à 3m, la norme impose cette fois l utilisation de 15 capteurs minimum: les 9 capteurs placés comme ci-dessus, 6 capteurs positionnés au centre de chacune des surfaces intérieures. Les produits que j ai testés possèdent tous un volume utile inférieur à 2m 3, j utilisais donc 9 capteurs en général, sauf cas où le volume était vraiment petit, à ce moment-là j utilisais uniquement que 3 capteurs positionnés sur une diagonale de l enceinte (voir figures 23 et 24). 14

20 Haut Arrière Gauche Centre Bas Devant Droite Figure 24 : Essais sur 3 points Figure 23 : Essais sur 9 points III. LES TRAVAUX REALISES 1) Calcul du coefficient K sur une Alcabox 20L a) Théorie Le coefficient de transmission thermique K (en W / m². C) est défini par la relation suivante: moy. ΔT (1) avec Q la puissance de chauffage en régime permanent (en W) ΔT l écart de température maintenue par entre l intérieur et l extérieur du caisson (en C) S moy la surface géométrique moyenne (en m²) entre la surface géométrique intérieure S i et la surface géométrique extérieure S e : S moy = i. e i les dimensions du caisson ainsi que l écart de température à obtenir sont connus, en revanche nous ignorons la puissance de chauffage à établir afin de calculer le coefficient K. Pour pallier cela, il existe un autre moyen de déterminer le coefficient K, il suffit de connaitre l épaisseur moyenne des parois du caisson e moy ainsi que la valeur de la conductivité thermique λ du matériau utilisé pour fabriquer le caisson. Ceci est valable en régime permanent uniquement. 15

21 On rappelle alors que: théo emoy (2) avec en W/ m. C e moy en m Grâce à ce K théo, on va alors pouvoir calculer le Q théo à établir afin de réaliser l essai. Cette valeur de théo sera bien entendu une valeur de départ pour établir un écart de température, il ne correspondra donc pas à un ΔT réel de 25 C. b) Préparation et calculs préliminaires Mes essais pour le calcul du coefficient K ont porté sur plusieurs produits de la gamme Alcabox (4L, 10L, 20L, 35L, 60L), ainsi que d autres produits dont l entreprise a fait l acquisition: les angabox (1,5L, 21L, 46L, 48L). On prendra donc pour exemple un essai sur une Alcabox 20L (détails des calculs en annexes 4 et 5). Avant de commencer l essai, il est impératif de prendre connaissance du protocole à appliquer. Une fois cela fait, j ai commencé par préparer la manipulation en laissant le caisson pendant 1 heure dans la chambre froide à 5 C. Ceci a pour but de mettre le caisson à température ambiante. Pendant ce temps, il nous faut calculer le coefficient K théorique qui va nous permettre de trouver une puissance de chauffage donnant un écart de température de 25 C. J ai donc mesuré au pied à coulisse les épaisseurs de chaque face de l Alcabox pour trouver l épaisseur moyenne. J ai obtenu e moy = 0,0083 m. Les Alcabox sont composées d une mousse de polyuréthane pour l isolation thermique, la conductivité thermique pour ce matériau varie entre 0,023 W/m. C et 0,028 W/m. C. Pour les essais, j ai choisi de prendre 0,026 W/m. C. D après la relation (2), on obtient alors pour valeur théorique K théo = 3,133 W/m. C. Il est temps maintenant faire les calculs théoriques de la puissance préalables à la mesure. En général, pour ces essais, je me suis servi d une résistance chauffante couplée avec un petit ventilateur afin de réaliser un chauffage interne au caisson à tester. Il y a donc 2 modules qui génèrent chacun un peu de puissance dissipée par effet Joule. 16

22 On a alors Q = P 1 + P 2. Il faut donc trouver les puissances dissipées P 1 de la résistance et P 2 du ventilateur. D après les données du constructeur, le ventilateur fonctionne sous une tension nominale de U 2 =12V et un courant nominal de I 2 =0,06A. On en déduit alors P 2 = U 2.I 2 = 0,72 W. Grâce à ce résultat et à la relation (1), on arrive alors à en déduire P 1 = 29,96 W. De cette valeur, il faut alors retrouver les tensions et courant à appliquer à la résistance pour créer cette puissance dissipée. Pour cela, les données du constructeur nous donnent une tension nominale de 12V et une puissance nominale de 60W. On va donc en déduire grâce aux relations suivantes la valeur nominale de la résistance: P = U² / R et P = R.I² En réinjectant la valeur de P 1 et la valeur de R trouvée précédemment dans ces formules, on obtient alors la tension U 1 et le courant I 1 nécessaires à la mesure. Chose importante: ces valeurs de U 1 et de I 1 seront forcément fausses en cours de manipulation. L explication est simple: le courant va faire chauffer la résistance, du coup la valeur de R va varier au fur et à mesure, influençant alors la valeur de P 1 et par conséquent la valeur du ΔT. L essai se fera donc par itérations successives: On laisse tourner le chauffage jusqu à ce qu on obtient un ΔT constant pendant 30 minutes. Si ΔT 25 C ± 2 C, alors on augmente ou diminue le courant pour se rapprocher des 25 C désirés. Si ΔT = 25 C ± 2 C, on ne touche plus à rien. c) Début de l essai Maintenant que toutes les données théoriques sont en notre possession, il est temps de lancer l essai. L Alcabox est restée pendant 1h à 5 C d ambiance, on va pouvoir placer la résistance chauffante, un thermocouple et les thermo-boutons à l intérieur (voir figure 25). Flux d air Figure 25 : Mise en place du matériel 17

23 L utilisation de thermocouples à l intérieur et à l extérieur du caisson à tester va nous permettre de nous faire une idée de l écart de température entre l intérieur et l extérieur. L essai se déroulant par itérations successives, la valeur du ΔT sera connue à chaque instant sans influencer la manipulation en cours: je suis alors en mesure de savoir quand je dois augmenter ou diminuer le courant afin d atteindre un ΔT de 25 C à ± 2 C près. Les caissons que j ai testés n ont pas les mêmes dimensions, cependant la majorité d entre eux avaient de petits volumes, j ai donc réalisé des essais à 3 points, c est-à-dire à 3 capteurs placés sur une diagonale du volume. Il n y a pas de matériel prédéfini pour faire tenir les thermo-boutons sur leur position. Ici, je me suis servi d une tige en métal, parfois j ai utilisé des gobelets en plastique pour créer un support, et d autres fois j ai utilisé des fils pour faire pendre les capteurs. Ces capteurs vont nous donner la cartographie «réelle» de la température à l intérieur de l Alcabox. Pour éviter de fausser les données du thermo-bouton le plus bas, il faut s assurer que la résistance chauffante ne soit pas trop proche de celui-ci, et que le flux d air provoqué par le ventilateur ne soit pas dirigé vers dans sa direction. Tout est maintenant mis en place, il ne reste plus qu à brancher la résistance et le ventilateur sur 2 alimentations réglables en tension et en courant (voir figure 26). L alimentation pour le ventilateur est réglée à 12V et 0,06A et ne changera pas durant toute la manipulation. L autre alimentation (non visible sur la photo) va nous permettre de contrôler la puissance de chauffage. Un quatrième thermo-bouton est placé à côté de l Alcabox, il va nous permettre de tracer la courbe de température correspondant au milieu ambiant. Alimentation ventilateur Figure 26 : Matériel extérieur 18

24 d) Conclusion sur l essai Durant cet essai, j ai dû m y prendre à 3 fois avant de trouver le bon courant à appliquer (détail des mesures en annexe 4). Une fois la bonne valeur trouvée, j ai laissé tourner le chauffage pendant suffisamment longtemps afin que les résultats soient le plus précis possible. Avec la valeur de ΔT issu de la mesure des thermocouples (ΔT tc = 23,2 C), nous obtenons un coefficient K de 2,84 W/m. C. Cette valeur assez élevée est déjà indicative: l Alcabox ne semble pas être très performante au niveau de l isolation thermique. A la fin de l essai, le relevé des thermo-boutons nous donne une idée plus précise des températures réelles au sein de l Alcabox (détails en annexe 5). Avec ces capteurs, nous obtenons un ΔT moyen = 26 C et donc un coefficient K de 2,53 W/m. C. Cette valeur est certes plus faible que celle trouvée par les thermocouples, mais elle reste quand même assez élevée. Afin de diminuer ce coefficient K, il faudrait soit augmenter les épaisseurs du sac, soit changer le matériau isolant qui le compose. En conclusion, nous pouvons dire aisément que les Alcabox ne sont pas faites pour conserver des produits très sensibles à la température, ni pour être performantes sur de longues durées. Au niveau des Kangabox, leur coefficient K tourne autour de 1 W/m. C. Ceci est déjà un peu mieux, cependant il faudrait parvenir à diminuer encore davantage cette valeur. e) Rapport sur l essai L essai étant terminé, il m a fallu ensuite rédiger de façon propre et explicite une fiche de rapport (voir annexe 5). Ce rapport est d autant plus important car il doit permettre à une tierce personne (salarié de l entreprise ou client) de visualiser facilement le résultat de l essai avec les données qui ont été nécessaires à son obtention, ainsi que grâce à des courbes relatant les conditions d essai. De plus, il faut toujours pouvoir préciser: La date et le responsable de l essai. La référence du produit. La méthode qui a été utilisée. Les dispositifs et accessoires qui ont été utilisés. Le rapport est ensuite soumis au contrôle de mon tuteur de stage, M. Lionel GALINIE, qui va me valider ou non l essai effectué. 19

25 2) Essai de qualification sur un Freetherm 64L a) Objectifs de l essai Mon autre travail dans l entreprise était de réaliser des essais de qualification sur de nombreux produits, comme un réfrigérateur (le rapport rédigé entièrement par moi-même sur cet essai a été envoyé au client) ou encore sur des produits de la gamme Container (voir page 6). J ai notamment travaillé exclusivement sur un Freetherm 64L (voir figure 27). Ces essais permettent de vérifier si le produit sous test est conforme ou non aux normes NFX et NFS Figure 27 : Freetherm 64L Les paramètres à vérifier durant ces essais sont les suivants: pour la norme NFX pour la norme NFS l'homogénéité de la température la durée de descente dans la plage de tolérence la stabilité de la température la durée de maintien dans la plage de tolérence l'écart à la consigne la durée de remontée à 10 C l'écart à l'affichage la température moyenne de l'enceinte Ces paramètres vont me permettre de tirer des conclusions sur les performances des produits sous test, comme la rapidité à obtenir la température entrée en consigne ou la durée de maintien en régime permanent. La durée de remontée à 10 C est une donnée très utile quand il est possible de la réaliser. A l origine, cette donnée servait pour le transport de pochette de sang dans le milieu médical. Elle correspond concrètement à la limite de temps avant que la température du sang transporté n atteigne 10 C, température limite tolérée pour la conservation du sang. Ici, cette durée va servir de comparatif entre les différents produits d une même gamme, rendant alors possible la détection d un quelconque défaut d isolation. 20

26 b) Le Freetherm 64L Le Freetherm 64L ou FR64, comme l indique son nom, possède un volume utile de 0,064m 3 (rappel: 1m 3 = 1000L). Ainsi, la norme NFX stipule que la caractérisation de cette enceinte thermique se fait avec 9 capteurs car le volume utile est inférieur à 2m 3. J ai donc réalisé une caractérisation en 9 points (voir figure 28). Volume utile Figure 28 : Essai en 9 points En plus du volume utile, le FR64 possède deux autres compartiments. Le premier (en bas à droite sur la photo) est le compartiment réservé aux plaques eutectiques, le second juste au-dessus est réservé au module de ventilation qui fonctionne sous 12V. Ce module possède un ventilateur et un capteur de température, il est donc possible de lui programmer une température de consigne. Il va ainsi faire transférer par ventilation le froid dégagé par les plaques eutectiques et il va ensuite réguler la ventilation pour se stabiliser autour de sa valeur de consigne. c) Essai à 25 C avec des plaques à -17 C Durant ce stage en entreprise, il m a été confié la mission de caractériser l enceinte thermique d un FR64 sous plusieurs conditions: Des essais avec des plaques eutectiques à -12 C et sous les températures d ambiance suivantes: 10 C, 20 C, 25 C, 30 C, 35 C. Des essais avec des plaques eutectiques à -17 C et sous les températures d ambiance suivantes: 10 C, 20 C, 25 C, 30 C, 35 C. 21

27 Je vais présenter ici l essai effectuer sous une ambiance de 25 C et avec des plaques eutectiques à -17 C. Tout d abord, il faut s assurer que les plaques soient bien gelées: elles doivent avoir passé au moins 24h dans le congélateur programmé à -40 C. Il faut aussi s assurer que le module de ventilation sous bien chargé, auquel cas il faudra le brancher au secteur et attendre que la recharge soit finie (cela dure environ 4h). Une fois cela vérifié et le module remis dans son compartiment, le caisson est alors placé dans la cellule de test à 25 C pendant 1h. Pendant ce temps, on programme les 9 thermo-boutons grâce au logiciel ThermoTrack V7 puis on les met en place à l intérieur du caisson. Comme on peut le voir sur la figure 28, j ai utilisé des fils et du scotch aluminium afin de faire ternir les capteurs à leur place. Un dixième thermo-bouton programmé est placé à l extérieur du caisson, il va relever la température d ambiance pendant l essai (voir figure 29). Figure 28 : Essai en 9 points Après que ces préparations sont terminées, il est alors possible de lancer l essai. On sort les plaques eutectiques du congélateur et on les place directement dans le compartiment du caisson prévu à cet effet: les plaques sont alors dites «nondéchoquées» 4. On allume alors le module de ventilation et on referme ensuite le caisson. Il n y a plus qu à attendre la fin de la manipulation. 4 Voir glossaire. 22

28 d) Conclusion sur l essai Une fois l essai terminé, la première chose à faire est de recongeler les plaques utilisées. Cela permettra de les réutiliser à partir du lendemain de la fin de l essai. La deuxième chose à faire est d aller recharger le module de ventilation afin qu il soit prêt pour la manipulation suivante. On peut désormais s intéresser aux données des capteurs. Celles-ci vont me permettre de rédiger le rapport de qualification de l essai (voir annexe 6). Pour cela, on sélectionne d abord la qualification que l on a programmée et on place les thermoboutons un à un sur le lecteur afin de récupérer les données. Une fois les capteurs relevés et les données traitées, on enregistre les résultats sous forme de fichier PDF. Ce fichier va nous permettre de récupérer les informations importantes pour le rapport de qualification, à savoir: Le nom du thermo-bouton avec son numéro de série, son numéro de certificat d étalonnage et sa date d expiration. Les températures pour chaque thermo-bouton avec la moyenne, la valeur maximale, la valeur minimale, la stabilité de la sonde et l incertitude retenue sur le capteur. Les profils de température (voir «7- Profils de température en régime établi (NF X )» en annexe 5). Le graphe de conformité (voir «8- Graphe de conformité en régime établi (NF X )» en annexe 5). Pour finir, on récupère les valeurs de températures prises au cours du temps, ceci afin de tracer le profil de température de chaque capteur durant tout l essai. On tracera par la même occasion le profil de la température moyenne. On va désormais pouvoir conclure sur la conformité du FR64 sous 25 C d ambiance. En ce qui concerne la norme NFS , l enceinte est conforme si: Les valeurs [T max + Incertitude] et [T min - Incertitude] de chaque sonde sont comprise dans l EMT (Erreur Maximale Tolérée), c est-à-dire ici que les valeurs doivent être comprises entre 2 C et 8 C. La température moyenne du caisson est comprise dans l EMT. L écart entre la température moyenne et la consigne est inférieur à 1 C. 23

29 Pour notre essai, 4 des 9 capteurs ont des valeurs plus petites que 2 C. L enceinte n est donc pas conforme du point de vue de la norme NF En ce qui concerne la norme NFX , l enceinte est conforme si: Les valeurs [T moyenne + Incertitude] et [T moyenne - Incertitude] de chaque sonde sont comprise dans l EMT. Les valeurs de l homogénéité de l enceinte et de la stabilité des sondes sont comprises dans l EMT. De ce point de vue-là, notre enceinte est bien conforme à la norme NFX L explication sur la non-conformité pour la norme NFS vient en fait du choix de la fenêtre pour le profil de température en régime établi: le logiciel fait ses calculs à partir de la fenêtre sélectionnée, et dans notre cas on remarque que l on commence sur une chute de température qui atteint presque 2 C pour l une des sondes. Après correction de cette erreur, l enceinte est apparue conforme au regard de la norme NFS On peut donc en conclure que ce caisson reste performant dans un environnement à 25 C, avec une durée de maintien de 16h04. Son temps de remontée à 10 C et de 1h16, il est donc bien isolant. e) Essai sous 10 C et 20 C Dans le cas des essais sous une ambiance de 10 C ou de 20 C, le principe reste le même à la différence que le caisson est placé dans un Alcatherm Container qui a pour consigne l ambiance recherchée. Ce Container fonctionne avec le procédé thermochimique que COLDWAY a mis au point, il faut donc s assurer qu il soit rechargé afin qu il puisse produire du froid. La recharge de ce produit dure 6h30, il faut donc lancer cette recharge le plus rapidement possible afin de ne pas perdre trop de temps entre chaque essai. Le cycle de synthèse de froid qui en résulte dur plus ou moins longtemps selon la consigne donnée et le milieu ambiant. 24

30 R 2,6Ω R 2,6Ω 3) Les autres missions A côté de ces missions de qualification qui étaient mes principales missions, j ai eu l occasion de réaliser d autres essais et de rédiger d autres rapports et notices d utilisation. a) Test d une batterie i la majorité des essais que j ai faits sont des essais de qualification d enceintes thermiques, j ai aussi réalisé un essai de qualification de batterie. Mon objectif était de valider la capacité d une batterie 17A.h lors de sa charge et de sa décharge. Le détail des calculs et les résultats sont regroupés dans le rapport réalisé en fin de manipulation (voir annexe 7). Pour cela, je devais d abord mettre en place un système de câblage afin de pouvoir récupérer, grâce à un logiciel d acquisition, la tension aux bornes de la batterie ainsi que la valeur du courant en fonction du temps pendant la charge et la décharge de la batterie (voir figures 29 et 30). Voie 1 de la saisie Mesure de tension : U 1 (t) Voie 2 de la saisie Mesure de tension : u 2 (t) I(t) r 0,02Ω + Batterie 17Ah Figure 29 : Schéma de décharge Voie 1 de la saisie Mesure de tension : U 1 (t) Voie 2 de la saisie Mesure de tension : u 2 (t) I(t) r 0,02Ω + Batterie 17Ah + Chargeur Figure 30 : Schéma de charge 25

31 Cette batterie va être utilisée dans un produit Container (voir page 6), et la puissance nécessaire au fonctionnement de ce dernier en mode synthèse de froid est de P=55,6W avec une tension de U=12V. Afin de produire cette puissance, nous allons mettre en série une résistance de valeur R = U²/P = 2,6Ω. Cependant, cette résistance va chauffer au fur et à mesure que le courant va débiter, sa valeur de résistance va donc varier fortement et fausser les relevés de tension attendus. C est pour cela que l on utilisera une petite résistance de 0,02Ω: sa valeur de résistance ne variera presque pas pendant toute la manipulation. On va alors pouvoir relever la tension à ses bornes et obtenir ainsi le courant en fonction du temps. Ne pouvant trouver de résistance de 0,02Ω ou en créer une par association d autres résistances, je me suis servi d un fil électrique en cuivre dont la longueur équivalente va nous donner la valeur de résistance recherchée. Pour rappel, on a à portée de main l équation suivante: r. 3,5 m Avec r la résistance que l on cherche à avoir (ici 0,02Ω) la résistivité du fil de cuivre (ici 1, W.m) l la longueur équivalente du fil que l on cherche (en m) S la section du fil de cuivre (ici 3mm²) Les prérequis pour les deux manipulations sont: La stabilisation de la batterie et du montage sous une ambiance de 25 C pendant 24h. Pour la décharge, avoir rechargé la batterie pendant 7h30 avec un chargeur de batterie. Le paramétrage du logiciel d acquisition avec un pas de 1 point par minute. La mise en place de thermocouples sur chacune des faces de la batterie. La batterie était déjà chargée, on a donc commencé les essais avec le câblage pour la décharge. La fin de l essai était déterminée quand la valeur de U 1 aux bornes de la batterie était inférieure à 9V. On relève ensuite les données du logiciel et on trace les courbes de la tension U 1 et le courant I en fonction du temps, ainsi que les 26

32 courbes des températures, et grâce aux relevés pour I(t) on peut en déduire la capacité de la batterie via la formule: ( ) En divisant cette valeur par 60, on trouve une capacité totale pour la batterie de 16,64 A.h pour une décharge qui a duré 3h42 pour atteindre 9V. Après cela, on a réalisé la manipulation pendant la charge de la batterie. Le principe est exactement la même, on s assure cependant que le circuit de décharge soit ouvert. L essai a duré 7h30, ce qui est la durée de la charge, et l on obtient alors en fin de manipulation une capacité totale de 17,34 A.h. Les courbes de U 1, I et des températures sont encore une fois tracées. En conclusion, la capacité totale de la batterie vaut bien plus ou moins 17A.h. De plus, au niveau des températures, la batterie ne s échauffe pas énormément, il n y a donc pas de problèmes particuliers. On a aussi constaté que le chargeur a atteint une température de 51 C en plein milieu de la recharge, ce qui peut s avérer problématique autant pour les gens qui manipulent à côté de l essai (risques de se brûler) que pour les matériels sensibles à la chaleur. Le chargeur lui-même pourrait ne plus fonctionner à la longue. b) Notice d utilisation d une centrale d acquisition En plus de rédiger des spécifications de technique d essai et des rapports d essai, j ai aussi eu l occasion d établir entièrement une notice d utilisation pour une centrale d acquisition (voir figure 31 et annexe 8). Figure 31 : Centrale d acquisition 27

33 Cette notice que j ai réalisée va permettre à n importe qui de pouvoir se servir correctement de cette centrale d acquisition. Il m a donc fallu me renseigner sur la machine auprès d un utilisateur régulier de cette centrale afin de rédiger quelque chose qui soit simple, concis et surtout très explicite pour tout le monde. Le principe est le suivant: la centrale va enregistrer principalement des températures et des tensions grâce à des cartes d acquisition. Elle peut fonctionner pendant 6h et faire l acquisition simultanée de 112 thermocouples et 8 tensions. De plus, les enregistrements sont gérés par le logiciel OFT D AC UI ITION V1.01 installé sur le pc portable d acquisition. Il m a donc fallu comprendre le fonctionnement du logiciel afin de pouvoir le réexpliquer avec l aide d images illustrant la fenêtre citée pendant l explication. Après l avoir rédigé, j ai soumis ma notice d utilisation à deux personnes qui n avaient jamais utilisé la centrale d acquisition. Ces deux personnes ont affirmé être capable de se servir aisément de cette centrale grâce à cette notice. Je suis donc arrivé à créer un document à la fois simple et clair pour tous. 28

34 CONCLUSION Ce stage en entreprise m a permis de participer activement au développement de nombreux produits au sein du service Recherche et Développement de COLDWAY. Je pense avoir mené à bien les deux principales missions qui m ont été confiées: caractériser des enceintes thermiques selon une liste de produits et modéliser les performances thermiques de ces enceintes. Parmi cette liste, mes essais ont essentiellement porté sur les gammes Alcabox, Freetherm et Kangabox de COLDWAY, et la majorité d entre eux se sont avérés performant. Il reste cependant encore plusieurs autres produits à tester parmi les gammes restantes, ce qui probablement pourra faire l objet d un nouveau sujet de stage. Pour cette durée de dix semaines, je n ai pu réaliser que des essais à vide, c està-dire des caissons vides de toute charge autre que le matériel de qualification. La durée et la densité de ce stage ne m a pas permis de pratiquer des essais avec charge afin de visualiser le comportement thermique réel se déroulant au sein du caisson. En tant qu étudiant en 2 ème année de DUT, ce stage a été largement bénéfique et conforme aux objectifs que je m étais fixés. En effet, après une légère période d adaptation, ce fut pour moi une expérience nouvelle et très enrichissante tant au niveau des connaissances qu au niveau professionnel et pratique. Grâce à l appui et aux conseils avisés de l équipe encadrante, j ai commencé à m investir totalement et de manière autonome dans mon travail. A ce stade, j ai compris la signification de s impliquer pour une entreprise. Il ne s agit pas seulement de faire le travail qui est demandé, il s agit d aider du mieux possible son entreprise à se développer efficacement. Ce stage me permet désormais de concevoir clairement ce qu est le métier de technicien au sein d une société telle que COLDWAY, un métier pour lequel je n avais jusqu à présent qu une vision pédagogique enseignée lors de mon DUT. Nul doute que les acquis de ces 10 semaines à COLDWAY me serviront pour l avenir tant sur le plan des relations humaines au sein d une entreprise que sur celui strictement professionnel. 29

35 GLOSSAIRE ATP: Accord Relatif aux Transport Internationaux de Denrées Périssables et aux Engins Spéciaux à Utiliser pour ces Transports Déchocage: technique qui consiste à laisser le temps à la plaque congelée d arriver à sa température d eutexie* avant de l introduire dans le caisson. Endothermique (Réaction): réaction qui absorbe de l énergie sous forme de chaleur. Enthalpie: chaleur emmagasinée à l'intérieur d'une molécule au cours de sa formation. C'est l'énergie interne de la molécule Eutectique: mélange de deux corps purs qui fond et se solidifie à température constante Eutexie: température à laquelle le changement de phase Solide/Liquide se produit. Exothermique (Réaction): réaction qui restitue de l énergie sous forme de chaleur. REFERENCES (BIBLIOGRAPHIE) Société COLDWAY, Norme ATP, Réactions endothermiques/exothermiques, 30

36 ANNEXES Annexe 1 31

37 Annexe 2 32

38 Annexe 3 33

39 34

40 35

41 Annexe 4 36

42 Annexe 5 37

43 Annexe 6 38

44 39

45 40

46 41

47 42

48 43

49 44