Présentation - btsfroidclimdouai.info · quelques pages de ce livre. ... Sélection du filtre...
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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.
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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
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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
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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.
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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
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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 de la chambre : 4 x 3 x 2,5 = 30 m3 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
Volume
en m3 Viande 0/+2°C Jour 0/+2°CFruits et
Légumes0/+1°C Volaille +2/+4°C B.O.F. +4/+6°C
Fruits et
Légumes+6/+8°C
Valeurs
moyennes
Puissance
en WW/m3 Puissance
en WW/m3 Puissance
en WW/m3 Puissance
en WW/m3 Puissance
en WW/m3 Puissance
en WW/m3 W/m3
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
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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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Pa
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Pa
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0
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 = m3/h 9,4 5,7
Peff = (qm.(h2s – h1)) / (i. m) = kW 1,11 1,09
g = 0 / Peff = 2,5 2,6
GWP100a 1300 3260
Avec m = 0,9
Devant le GWP100a 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 :
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.
b. Sélection
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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1
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2
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 :
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
b. Sélection
En utilisant nos données vous devez obtenir les écrans suivants.
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3
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4
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.
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
5000
-10 -8 -6 -4 -2 0 2 4
P0cp
P0évap.
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5
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 »
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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