Le cycle frigorifique

Le diagramme enthalpique:  un bon moyen pour aborder les aspects d’ efficacité énergétique – froid  sur les installations frigorifiques.

Les fluides frigorifiques:

Chaque fluide frigorifique (R …) a son diagramme enthalpique.

Parmi la longue liste des fluides, pratiquement tous impactent la couche d’ozone et ont un effet de serre.

Un grand nombre ont déjà été interdits, les réglementations se resserrent et des taxes voient le jour.

Donc pour partir sur une solution pérenne, il est préférable de choisir un fluide « naturel ».

Schéma circuit frigoLes avantages de l’ammoniac comme fluide frigorifique:

  • les fuites, même légères, sont facilement détectables par son odeur spécifique
  • pas d’effet de serre et aucun impact sur la couche d’ozone
  • ses propriétés frigorifiques lui donnent une longueur d’avance (une bonne efficacité énergétique froid)
  • il est possible de diminuer la quantité et les risques d’exposition humaine en le confinant dans la salle des machines et en utilisant un autre fluide frigoporteur pour la distribution jusqu’au point d’utilisation :
    • l’eau glycolée pour les températures positives ou proche de 0,
    • le CO2 en cascade pour les températures négatives.

Le cycle frigorifique sur un diagramme enthalpique:

Les éléments présents sur le diagramme enthalpique (diagramme de Mollier):Diag enthalpique

La courbe noire en forme de « cloche » correspond aux courbes de saturation:

  • A gauche: la courbe de saturation liquide,
  • A droite: la courbe de saturation gaz.
  • Le point rouge: point critique où se rejoignent les 2 courbes.

Zones du diagramme:

  • A gauche: phase liquide – zone de sous-refroidissement
  • Sous la cloche: mélange liquide + gaz
  • A droite: phase gazeuse – gaz surchauffé

Les courbes:

  • En abscisse: le niveau d’enthalpie > les lignes verticales (en noir) sont donc les isenthalpes,
  • En ordonnée: la pression absolue > les lignes horizontales (en noir) sont donc les isobares,
  • Les lignes rouges: les isothermes,
  • Les lignes bleues: les isentropes – permettant de tracer les courbes de compressions adiabatiques dans la phase gazeuse,
  • Les courbes jaunes partant du point critique: les isotitres donnant le rapport massique de la vapeur par rapport à la masse totale du fluide,
  • Les courbes vertes: les isochores (volume constant)

 

Exploitation du diagramme :

1- Le cycle:

Sur le diagramme et le schéma de droite, les numérotations de 1 à 7 correspondent aux mêmes points de fonctionnement.

Du point 1 à 2: phase de compression
  • Au point 1: aspiration du compresseur  (Etat: gaz surchauffé – basse pression)
  • Au point 2: refoulement du compresseur  (Etat: gaz surchauffé – haute pression)
  • La courbe suit les isentropes – Théoriquement, pas d’échange thermique avec l’extérieur
Du point 2 à 3: transfert du fluide vers le condenseur (Etat: gaz – haute pression)
  • théoriquement (courbe verte): la pression reste constante
  • en réalité:
    • les tuyauteries, vannes, séparateur d’huile occasionnent une perte de charge (impact négatif) et une baisse de température liée à l’absence d’isolation  (impact positif).
    • la géométrie du compresseur (taux de compression) peut également entraîner une surcompression (impact négatif)

Diag enthalpique NH3Schéma cycle frigo

Du point 3 à 4: phase de condensation  (Etat:  gaz > liquide – haute pression)
  • Les gaz surchauffés (point 3) vont être refroidis.
  • Le refroidissement est réalisé par l’échange thermique avec un autre fluide: l’air extérieur, de l’eau (process , cours d’eau)
    • C’est ce fluide et les capacités d’échange avec celui-ci qui vont fixer la température au point 4 et par conséquent la haute pression (HP) du circuit frigo.
    • Les éléments  impactant la position du point 4:
      • les variations de température du fluide externe.
      • le taux d’humidité pour les tours aéro-réfrigérantes (TAR)
      • l’encrassement des échangeurs (pollen: pour les condenseurs à air, tartre sur les TAR, boues: condenseur à eau)
      • le fonctionnement de la ventilation forcée.
      • des systèmes de régulation permettent d’optimiser la consommation des installations en fonction des conditions de fonctionnement (HP flottante)
  • La pression restant pratiquement constante, nous avons une droite suivant les isobares.
  • En passant la courbe de saturation vapeur, les gaz vont progressivement condenser.
  • Le liquide est récupéré dans un ballon situé sous le condenseur et nous amène au point 4 à sa sortie.
Du point 4 au point 5: transfert du fluide vers le détendeur  (Etat:  liquide – haute pression)
  • Pertes de charge et potentiellement un sous-refroidissement dans les tuyauteries et vannes
Du point 5 au point 6: phase de détente
  • Point 5 : entrée détendeur  (Etat:  liquide – haute pression)
  • Correctement isolé, le détendeur perd très peu d’énergie: nous avons donc une verticale (isenthalpe)
  • Point 6: sortie détendeur (Etat:  mélange liquide /gaz  – basse pression)
Du point 6 au point 7: phase d’évaporation (Etat:  mélange liquide/gaz > gaz surchauffé – basse pression)
  • Le mélange liquide / gaz va absorber la chaleur du système à refroidir
  • La pression restant pratiquement constante, nous avons une droite suivant les isobares. Cette droite correspond à la basse pression (BP). Les compresseurs vont fonctionner pour maintenir cette valeur à la consigne souhaitée.
  • En passant la courbe de saturation, le fluide sera en surchauffe.
Du point 7 au point 1: transfert du fluide vers le compresseur (Etat: gaz surchauffé – basse pression)
  • Pertes de charge et surchauffe dans les tuyauteries.
Puis retour à l’étape 1 à 2.

2- Le bilan énergétique:

Pour l’efficacité énergétique – froid, l’objectif est d’obtenir une production frigorifique maximum  (du point 6 au point 7) avec un travail de compression minimum (du point 1 à 2).

Cette performance correspond au COP= Variation d’enthalpie (de 6 à 7) / variation d’enthalpie (de 1 à 2).

Donc pour améliorer le COP d’une installation (et donc l’efficacité énergétique – froid), il faut:

  • abaisser la HP (haute pression)
  • avoir une BP (basse pression) adaptée au besoin
  • travailler sur l’isolation des parties froides
  • travailler sur les pertes de charge
  • optimiser la phase de compression

3- La compression:

Les compresseurs sont dimensionnés pour un taux de compression : HP / BP.

Dans les compresseurs à piston, ce taux doit resté inférieur à 8. Au dessus, la température atteinte lors de la compression n’est pas acceptable pour les huiles.

Diag enthalpique NH3 : efficacité energetique froid

Pour une chambre froide ou un tunnel de surgélation, la température est de -30°C, BP= 1 bar. Avec une HP = 12 b, le taux de compression est de 12. La solution consiste à ajouter un étage de compression intermédiaire.

Pour les compresseurs à vis, l’ajout d’une suralimentation (injection de gaz frigorifique à mi-parcours dans la vis) est une variante qui permet d’avoir un effet équivalent.

Les compresseurs à vis ont besoin d’huile pour fonctionner. Cette huile a plusieurs rôles: lubrifier, assurer l’étanchéité, refroidir. Ce refroidissement nous éloigne de la compression adiabatique et permet d’obtenir des taux de compression bien supérieur.

Toutes ces solutions ont un autre avantage, elles réduisent le travail nécessaire à la compression et permettent donc d’obtenir une meilleure efficacité énergétique (froid).

 

 

 

 

 

 

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