Présentation. Il s adresse aux étudiants : de B.T.S. Fluides Énergies Environnement, d I.U.T. Génie Thermique des écoles d ingénieurs.

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1 Présentation Professeur agrégé de mécanique, j enseigne la conception des installations frigorifiques depuis 1989 en B.T.S. Fluides Énergies Environnement option Génie Frigorifique. Lors de sa dernière visite, Monsieur l Inspecteur Général Rage m a conseillé d utiliser la pédagogie «par projet» pour améliorer mon enseignement et j ai suivi ce conseil. Aujourd hui, je vous propose de partager mon expérience à travers les quelques pages de ce livre. Cet ouvrage n a pas pour but principal d apprendre à concevoir des installations frigorifiques mais cherche à démontrer qu il existe un grand nombre de logiciels gratuits qui permettent de concevoir de manière précise et rapide ces installations. Il s adresse aux étudiants : de B.T.S. Fluides Énergies Environnement, d I.U.T. Génie Thermique des écoles d ingénieurs. Il pourra être aussi utilisé par les techniciens de bureau d études des entreprises de génie frigorifique.

2 Page2 Sommaire Page Projet n 1 1. Cahier des charges 5 2. Détermination du régime de fonctionnement et de la puissance frigorifique nécessaire 6 3. Étude thermodynamique comparative 8 4. Sélection du groupe de condensation Sélection de l évaporateur Détermination du point de fonctionnement Tracé du schéma fluidique complet Sélection du diamètre des tuyauteries Sélection du détendeur thermostatique Sélection des appareils de régulation Sélection des appareils de sécurité 23 Projet n 2 1. Cahier des charges Détermination du régime de fonctionnement et de la puissance frigorifique nécessaire Étude thermodynamique Sélection des compresseurs Sélection des évaporateurs Détermination du point de fonctionnement Tracé du schéma fluidique complet Sélection du diamètre des tuyauteries Sélection des détendeurs électroniques Sélection du condenseur à eau Sélection du condenseur de récupération de chaleur Sélection des appareils de régulation Sélection des appareils de sécurité 59 Projet n 3 1. Cahier des charges Détermination du régime de fonctionnement et de la puissance frigorifique nécessaire Étude thermodynamique Sélection des compresseurs Sélection de l évaporateur de la chambre froide Tracé du schéma fluidique complet Sélection du diamètre des tuyauteries Sélection du détendeur thermostatique de la chambre froide Sélection des appareils de régulation de la chambre froide Sélection des appareils de sécurité 88

3 Page3 Projet n 4 1. Cahier des charges Détermination du régime de fonctionnement et de la puissance frigorifique nécessaire Sélection des compresseurs au CO Détermination des diamètres de tuyauterie de la centrale au CO Détermination du système de retour d huile pour la centrale au CO Sélection du filtre déshydrateur et du voyant indicateur d humidité pour la centrale au CO Sélection du filtre d aspiration pour la centrale au CO Régulation de puissance de la centrale au CO Schéma complet de la centrale au CO Détermination des compresseurs de la centrale au R 134a Détermination des diamètres de tuyauterie de la centrale au R 134a Détermination du système de retour d huile pour la centrale au R134a Sélection du filtre d aspiration et du voyant indicateur d humidité pour la centrale au R134a Sélection du filtre déshydrateur pour la centrale au R134a Régulation de puissance de la centrale au R134a Schéma complet de la centrale au R134a Sélection du condenseur à air pour la centrale au R134a Sélection d un échangeur à plaques désurchauffeur pour la centrale au R134a Régulation du système de récupération et d évacuation de chaleur 114

4 Page4 Projet n 1 Chambre froide pour artisan boucher 1. Cahier des charges : a. Descriptif Il s agit de concevoir une chambre froide de conservation de viande pour un artisan boucher du nord de la France. Dimensions intérieures (L x l x h) : 4 m x 3 m x 2,5 m La chambre sera située dans la boucherie. Le groupe de condensation à air sera situé à l extérieur, à une distance de 6m de la chambre et à peu près à la même hauteur que l évaporateur. L évaporateur sera de type plafonnier simple flux. La fourniture et la pose des panneaux sandwich constituant la chambre ne sont pas demandées dans ce lot. Réseau électrique disponible : 380/420V-3~ 50 Hz. Température extérieure maximale : 32 C. b. Équipement exigé : Bouteille anti coups de liquide Filtre d aspiration Tout élément de sécurité nécessaire Régulation de type par «tirage au vide unique» c. Documents exigés : Étude thermodynamique comparative entre les fluides R 134a et R 404A. Notice de calculs et de sélection pour chaque appareil.

5 Page5 2. Détermination du régime de fonctionnement et de la puissance frigorifique nécessaire. Les conditions de conservation de la viande nous fournissent les valeurs suivantes : ch : 0/2 C avec H.R = 85/90 % L étude de la courbe ci-dessous nous permet de trouver : H.R. = 85/90 % évaporateur = 6 K 0 = 0 6 = -6 C

6 Page6 Comme nous n avons pas obtenu de données certaines de notre client, nous allons utiliser le document simplifié ci-dessous pour déterminer notre puissance frigorifique. Volume en m 3 Viande 0/+2 C Jour 0/+2 C Puissance en W W/m 3 Puissance en W W/m 3 Fruits et Légumes Puissance en W 0/+1 C Volaille +2/+4 C B.O.F. +4/+6 C Fruits et Légumes +6/+8 C W/m 3 Puissance en W W/m 3 Puissance en W W/m 3 Puissance en W Valeurs moyennes W/m 3 W/m Volume de la chambre : 4 x 3 x 2,5 = 30 m 3 0 = 92 x 30 = 2760 W On arrondira à : 0 = 2,8 kw Pour cette puissance et pour plus de facilité de mise en œuvre, nous choisirons d utiliser un groupe de condensation équipé d un condenseur à air. Nous pouvons alors calculer la température de condensation : k = air ext. + cd. = = 45 C Nous avons donc un régime de fonctionnement de : -6 C / +45 C

7 Page7 3. Étude thermodynamique comparative a. Hypothèses Les surchauffes : 5 K en sortie d évaporateur car on utilise un détendeur thermostatique ; élévation de température dans la ligne d aspiration : 11 K car nous avons une ligne d aspiration de plus de 6 m, isolée, avec le fluide frigorigène à l entrée à une température de -1 C ; soit une surchauffe totale de 15 K. Les sous refroidissements : 3 K dans le condenseur ce qui est en général prévu par les constructeurs pour les groupes de condensation ; 2 K dans la ligne liquide car nous avons une ligne liquide de plus de 6 m, non isolée, avec le fluide frigorigène à l entrée à une température de 42 C ; soit un sous refroidissement total de 5 K. Les pertes de charges : équivalentes à 2 K à l aspiration ; négligées dans la ligne de refoulement très courte : égales à 0,4 bar dans la ligne liquide. b. Schéma simplifié c. Tracé des cycles thermodynamiques Nous allons utiliser le logiciel Solkane en téléchargement gratuit sur le site de la société Solvay. En utilisant nos données et nos hypothèses vous devez obtenir les écrans suivants.

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10 Page10 d. Comparaison Élément comparé Unité R134a R404A Température d évaporation à la pression atmosphérique C ,6 Pression de refoulement bar abs 11,6 20,44 Taux de compression 5,37 4,29 Température de refoulement C qm Kg/s 0, v = i 0,765 0,772 Vb = qm.v / v = m 3 /h 9,4 5,7 Peff = (qm.(h2s h1)) / ( i. m) = kw 1,11 1,09 g = 0 / Peff = 2,5 2,6 GWP 100a Avec m = 0,9 Devant le GWP 100a élevé du R 404A et les menaces qui pèsent sur les fluides avec une telle caractéristique nous choisirons le R 134a afin de pérenniser notre installation et ce malgré l inconvénient du volume balayé élevé du compresseur. 4. Sélection du groupe de condensation Nous allons utiliser le logiciel «Selection program V3» en téléchargement gratuit sur le site de la société Tecumseh. a. Données : b. Sélection Fluide : R 134a ; 0 = 2800 W ; température ambiante: 32 C ; température d évaporation compresseur : -8 C (en tenant compte de la perte de charge à l aspiration) ; Famille Silensys. En utilisant nos données vous devez obtenir les écrans suivants. Remarque 1 : nous pouvons vérifier que le débit massique est bien supérieur ou égal au débit massique obtenu dans l étude thermodynamique (72 kg/h = 0,02 kg/s). Remarque 2 : nous obtenons le coefficient de performance de l installation (C.O.P.) 1,67 qui indique que pour 1 kw électrique absorbé nous obtenons 1,67 kw de puissance frigorifique. Remarque 3 : en cliquant sur le bouton «Documents associés» vous obtiendrez la fiche technique, le schéma électrique et le plan d implantation. Remarque 4 : conserver le logiciel ouvert car nous l utiliserons pour calculer le point de fonctionnement.

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12 Page12 5. Sélection de l évaporateur Nous allons utiliser le logiciel «Friga 2013» en téléchargement gratuit sur le site de la société Friga-Bohn. a. Données : b. Sélection Fluide : R 134a ; 0 = 2,8 kw +/- 10% ; température de chambre : 0 C ; Delta T1 : 6 K nombre d appareil : 1 Famille MUC-LUC et MH ; vitesse de rotation : tous ; pas d ailettes : 4.23 puissance variable Delta T1 fixe En utilisant nos données vous devez obtenir les écrans suivants.

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14 Page14 Remarque 1 : l offre contient l option E1K (kit de dégivrage allégé) nécessaire car la température d évaporation est inférieure à 0 C. Remarque 2 : en cliquant sur le bouton «Impression modèle» vous obtiendrez les caractéristiques et le plan de l évaporateur ce qui vous permettra entre autre de vérifier que ses dimensions permettent bien son implantation dans la chambre. 6. Détermination du point de fonctionnement Le groupe de condensation et l évaporateur n ayant pas la même capacité, lorsque nous les assemblerons, l installation va s équilibrer sur un point de fonctionnement que nous allons déterminer le plus précisément possible. a. Tracé de la courbe de puissance du groupe de condensation pour une température ambiante de 32 C Nous utilisons le logiciel de sélection «Selection program V3» du groupe de condensation pour compléter les valeurs du tableau suivant : 0 en C cp en W Reportons ces valeurs sur le diagramme. b. Tracé de la courbe de puissance de l évaporateur On sait que 0évap. = K.A.( chbre - 0 ) soit 0évap. = - K.A. 0 + K.A. chbre. Si l on fait l hypothèse que K (coefficient d échange global entre le fluide frigorigène et l air) reste constant sur notre plage de travail, on obtient une équation de droite de la forme y = a.x + b avec 0 comme variable. Deux points nous suffisent donc pour tracer la courbe de puissance de l évaporateur. Or nous savons que pour 0 = -6 C, 0 = 3000 W et si nous choisissons 0 = chbre = 0 C nous obtenons 0 = 0 W. Reportons ces valeurs sur le diagramme P0cp P0évap

15 Page15 On constate que le système devrait s équilibrer à une température d évaporation de l ordre de 0 C et une puissance d environ 3,1 kw. Ce sont ces valeurs qui nous serviront pour la suite. 7. Tracé du schéma fluidique complet En tenant compte des exigences du cahier des charges : 1 : bouteille anti-coups de liquide 2 : filtre d aspiration 3 : pressostat HP de sécurité 4 : vanne de service du compresseur 5 : détendeur thermostatique à égalisation externe de pression 6 : voyant 7 : électrovanne 8 : filtre déshydrateur 9 : vanne départ liquide 10 : soupape de sécurité 11 : voyant indicateur d humidité 12 : vanne «Schrader»

16 Page16 8. Sélection du diamètre des tuyauteries Nous suivrons les recommandations du logiciel «Solkane» mais en prenant comme puissance 3,1 kw. Conduite d aspiration : Ce qui nous donne une conduite diamètre 3/4. Conduite liquide : Ce qui nous donne une conduite diamètre 3/8. 9. Sélection du détendeur thermostatique