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.
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 11 5. Sélection de l évaporateur 13 6. Détermination du point de fonctionnement 15 7. Tracé du schéma fluidique complet 16 8. Sélection du diamètre des tuyauteries 16 9. Sélection du détendeur thermostatique 17 10. Sélection des appareils de régulation 19 11. Sélection des appareils de sécurité 23 Projet n 2 1. Cahier des charges 29 2. Détermination du régime de fonctionnement et de la puissance frigorifique nécessaire 30 3. Étude thermodynamique 33 4. Sélection des compresseurs 35 5. Sélection des évaporateurs 37 6. Détermination du point de fonctionnement 39 7. Tracé du schéma fluidique complet 40 8. Sélection du diamètre des tuyauteries 42 9. Sélection des détendeurs électroniques 50 10. Sélection du condenseur à eau 51 11. Sélection du condenseur de récupération de chaleur 51 12. Sélection des appareils de régulation 53 11. Sélection des appareils de sécurité 59 Projet n 3 1. Cahier des charges 66 2. Détermination du régime de fonctionnement et de la puissance frigorifique nécessaire 67 3. Étude thermodynamique 67 4. Sélection des compresseurs 70 5. Sélection de l évaporateur de la chambre froide 75 6. Tracé du schéma fluidique complet 77 7. Sélection du diamètre des tuyauteries 78 8. Sélection du détendeur thermostatique de la chambre froide 83 10. Sélection des appareils de régulation de la chambre froide 85 11. Sélection des appareils de sécurité 88
Page3 Projet n 4 1. Cahier des charges 91 2. Détermination du régime de fonctionnement et de la puissance frigorifique nécessaire 92 3. Sélection des compresseurs au CO2 93 4. Détermination des diamètres de tuyauterie de la centrale au CO2 95 5. Détermination du système de retour d huile pour la centrale au CO 96 6. Sélection du filtre déshydrateur et du voyant indicateur d humidité pour la centrale au CO2 99 7. Sélection du filtre d aspiration pour la centrale au CO2 99 8. Régulation de puissance de la centrale au CO2 100 9. Schéma complet de la centrale au CO2 102 10. Détermination des compresseurs de la centrale au R 134a 103 11. Détermination des diamètres de tuyauterie de la centrale au R 134a 104 12. Détermination du système de retour d huile pour la centrale au R134a 106 13. Sélection du filtre d aspiration et du voyant indicateur d humidité pour la centrale au R134a 107 14. Sélection du filtre déshydrateur pour la centrale au R134a 108 15. Régulation de puissance de la centrale au R134a 109 16. Schéma complet de la centrale au R134a 111 17. Sélection du condenseur à air pour la centrale au R134a 112 18. Sélection d un échangeur à plaques désurchauffeur pour la centrale au R134a 113 19. Régulation du système de récupération et d évacuation de chaleur 114
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.
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
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 3 2 500 250 450 225 550 275 480 240 450 225 380 190 234 4 600 150 580 145 650 163 760 190 750 188 740 185 170 7 1000 143 950 136 1100 157 980 140 950 136 1150 164 146 10 1400 140 1300 130 1400 140 1230 123 1200 120 1250 125 130 13 1600 123 1500 115 1600 123 1500 115 1520 117 1500 115 118 18 2100 117 2000 111 2200 122 1870 104 1850 103 1900 106 110 25 2600 104 2400 96 2500 100 2300 92 2400 96 2450 98 98 32 2950 92 2800 88 3000 94 2800 88 2800 88 2900 91 90 40 3700 93 3500 88 3500 88 3400 85 3500 88 3400 85 88 48 4200 88 400 83 4200 88 3900 81 4000 83 3700 77 83 56 4800 86 4500 80 4600 82 4400 79 4500 80 4300 77 81 70 5400 77 5000 71 5200 74 5000 71 5300 76 5100 73 74 85 6630 78 6200 73 6400 75 5900 69 5900 69 5950 70 73 100 7500 75 7300 73 7500 75 6800 68 6800 68 6700 67 71 120 8650 72 8300 69 8500 71 7600 63 7800 65 7440 62 67 150 10500 70 10000 67 10500 70 9100 61 9600 64 9000 60 65 190 13000 68 12000 63 12500 66 10500 55 11500 61 11000 58 62 250 16500 66 15000 60 16000 64 14000 56 15000 60 14000 56 60 320 19500 61 19000 56 19000 59 17500 55 19200 60 16300 51 57 390 22300 57 20000 51 22000 56 20600 53 23000 59 19000 49 54 500 27500 55 25000 50 26000 52 25000 50 29000 53 23500 47 52 800 43000 54 40000 50 41000 51 40000 50 44800 56 36800 46 51 1000 49000 50 45000 45 47000 47 48000 48 53000 53 45000 45 48 1500 73500 49 70000 47 72000 48 69000 46 76500 51 66000 44 47 2500 120000 48 110000 44 120000 48 113000 45 120000 48 10500 42 46 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. = 32 + 13 = 45 C Nous avons donc un régime de fonctionnement de : -6 C / +45 C
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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Page10 d. Comparaison Élément comparé Unité R134a R404A Température d évaporation à la pression atmosphérique C -26-46,6 Pression de refoulement bar abs 11,6 20,44 Taux de compression 5,37 4,29 Température de refoulement C 79 75 qm Kg/s 0,02 0.026 v = i 0,765 0,772 Vb = qm.v 1.3600 / 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 1300 3260 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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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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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 -10-8 -5 0 5 0cp en W 2550 2817 3242 4022 4902 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. 5000 4500 4000 3500 3000 2500 P0cp P0évap. 2000 1500 1000 500 0-10 -8-6 -4-2 0 2 4
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»
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