MERI-LL
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Etudes des fluides frigorigènes
Les fluides frigorigènes jouent un rôle primordial dans le processus de réfrigération. Les fluides frigorigènes sont définit comme un fluide caloporteur qui d’un part absorbe de la chaleur a basse pression et basse température, puis d’autre part cède de la chaleur à haute pression et haute température.
Classification par origine:
On peut classer les fluides frigorigènes suivant leur origine :
Substances inorganiques
Eau : H20 R718
Ammoniac : NH3 R717
Dioxyde de carbone : CO2 R744
Hydrocarbures :
Butane : R600 ; Isobutane : R600a ; Propane : R290 ; Cyclopropane RC270 ; Propylène R1270
Hydrocarbures halogénés
Chlorofluorocarbures CFC: R12, R502 (mélange de R22 et R115), R13, R11, R114
Hydrochlorofluorocarbures HCFC : R22, R123, R124, R141b,R142b, R401a,R402a
Hydrofluorocarbures HFC : R32, R134a, R125 ,R143a, R404a, R410a, R407a
Codification
La codification est numérique et se réfère à différents critères:
Formules chimiques pour les corps purs
Pour les mélanges azéotropes (série 500) ou zéotropes (série 400), la numérotation se base sur leur date d’apparition dans l’industrie frigorifique et de climatisation.
Pour les séries R10 à R50, R100, R200
Le chiffre des unités indique le nombre d’atomes de fluor ;
Le chiffre des dizaines indique le nombre d’atomes d’hydrogène plus un
Le chiffre des centaines indique le nombre d’atomes de carbone moins un.
Par exemple, R22 : 2 atomes de fluor, 1 atome d’hydrogène, 1 atome de carbone Une lettre en minuscule en fin de numérotation indique une asymétrie plus (b) ou moins (a) grande de molécule.
Par exemple, R134a : 4 atomes de fluor, 2 atomes d’hydrogène, 2 atomes de carbone, a : molécule asymétrique.
Pour les séries des R400
Ce sont des mélanges zéotropiques (présentent un glissement de température dans les zones de changement d’état).
Les numérotations sont chronologiques par ordre d’enregistrement ;
Dans le cas de mélanges de corps purs identiques mais dans des proportions différentes, on associe une lettre majuscule (A,B,C) en fin de numérotation dans l’ordre chronologique d’apparition.
Pour la série des 500 :
Ce sont des mélanges azéotropiques. Les numérotations sont chronologiques par ordre d’enregistrement.
CONDENSEUR D’UN REFRIGERATEUR
Présentations :
Notion d’échangeur thermique:
Un échangeur thermique est un système de transmission de la chaleur d’un fluide chaud vers un fluide froid. On le trouve à 90% dans les procédés industriels (chimies, agroalimentaire, énergie, …)
Les fluides utilisés sont sous formes : vapeur, gaz, liquide, mélange liquide/vapeur… A l’intérieur d’un échangeur thermique les fluides chauds cèdent de la chaleur contrairement aux fluides froids qui absorbent de la chaleur. Les transferts thermiques se font par conduction, par convection et aussi par rayonnement.
On peut classifier les échangeurs thermiques par plusieurs paramètres :
Classifications :
selon la nature des fluides utilisent.
selon les technologies employées (tubes, à plaques…)
selon le mode fonctionnement (co-courant, contre-courant…)
selon les niveaux de température
selon la compacité (matériau et mode transfert)
Définition :
Le condenseur d’un réfrigérateur est la partie du circuit dans laquelle le fluide frigorigène va perdre sa chaleur. C’est aussi un échangeur thermique entre le fluide frigorigène et un fluide de refroidissement.
Rôles:
Il permet l’échange de chaleur entre le fluide et le milieu extérieur.
Il assure le changement d’état du fluide frigorigène sous haute pression constante.
Il assure aussi la désurchauffe et le sous-refroidissement du fluide.
Principe de fonctionnement:
Le fluide frigorigène cède la chaleur acquise, dans l’évaporateur et lors de la compression, au fluide de refroidissement. Lors de son passage dans le condenseur, le fluide frigorigène passe de l’état vapeur à l’état liquide.
Schéma représentatif :
Déroulement de la condensation à l’intérieur du dispositif :
En théorie, la condensation se déroule en 3 étapes:
La désurchauffe:
A la sortie du compresseur, le fluide frigorigène est sous forme de vapeur surchauffé. Dans cette étape, la température du fluide qui peut atteindre l’ordre de 70°C est contraint à diminuer jusqu’à la température de condensation.
Le fluide subit un refroidissement avec une pression constante. Pour que cette captation de température puisse avoir lieu il faut que la température de l’air (agent réfrigérant) soit nettement inférieur à la température du fluide frigorigène à l’entrée du condenseur.
C’est le principe d’un transfert thermique qui se produit entre deux corps de températures différentes. C’est après que la phase de condensation commence.
La condensation:
La température de condensation atteinte, il y a alors condensation. La condensation du fluide, moment où l’essentiel de la chaleur est donnée sous forme de chaleur latente. Il y a de plus en plus de liquide et de moins en moins de vapeur. Toujours à pression et température constantes.
La température reste constante durant l’opération, l’état du fluide change qui passe d’un état gazeux à un état liquide. Ce changement d’état s’accompagne par un dégagement de chaleur qui est libéré au milieu environnant .Le transfert thermique est beaucoup plus optimale dans cette zone ce qui permet la condensation avec changement d’état. La température de condensation doit en particulier être comprise entre 40 et 50°C.
Le mieux pour la température de condensation est d’être aussi basse que possible puisque si elle est élevée ce qui entraine une augmentation du régime du compresseur et une diminution de la puissance frigorifique du réfrigérateur.
Le sous-refroidissement:
A la fin de la condensation, le fluide frigorigène n’est pas complètement à l’état liquide. Le sous refroidissement consiste à terminer le changement d’état du fluide .Le fluide doit encore subir une perte de chaleur supplémentaire. Cet sous- refroidissement a pour but d’éviter les bulles de gaz et d’avoir à la soupape d’entrée du détendeur du fluide à l’état liquide.
Sous-refroidissement :
La température de condensation (Tc) se déduit de la pression de condensation par la relation température-pression de la vapeur saturante du FF. La pression de refoulement, qui est égale à la pression de condensation est indiquée par le manomètre placé au refoulement du compresseur (Pc)
Sa valeur du SR est généralement comprise entre 4 et 7°C représente la différence entre la température de condensation (Tc) des vapeurs de FF et la température du FF liquide (Tl) à la sortie du condenseur.
SR = Tc – Tl où 4°C < SR < 7°C
La mesure du SR est effectuée à la sortie du condenseur par utilisation d’un thermomètre à contact.
Dimensionnement d’un condenseur:
Elle consiste à trouver l’échangeur le plus adapté a un problème posé (ou à une installation frigorifique)
• La première étape est l’identification de l’échangeur approprié au problème.
• La deuxième étape consiste à faire le dimensionnement thermique proprement dit.
• Le dimensionnement mécanique
• Réalisation d’un condenseur
Pour le cas d’un condenseur le paramètre à considérer est dépendant de la surface d’échange nécessaire pour le transfert de puissance dans le fluide frigorigène. La seule préoccupation est la puissance thermique
Cette deuxième phase est itérative, cela nous permet de corriger les erreurs et les pertes (d’ordre thermiques et hydrauliques). La perte hydraulique concerne les pertes de pression (Charge) sur chaque circuit.
On fait une approche au condenseur convenable en réduisant ces pertes tout en procédant à des modifications paramètres de conception.
La phase de dimensionnement thermique de l’échangeur n’est qu’une des étapes permettant d’arriver au dessin final c’est-à-dire un dimensionnement mécanique.
Certains logiciels proposent une phase d’estimation du coût de l’appareil.
ETUDE D’IMPACT ENVIRONNEMENTALES
L’ozone est une forme d’oxygène constituée de trois atomes au lieu de deux. C’est un gaz instable et il est particulièrement vulnérable aux attaques des composés naturels contenant de l’hydrogène, de l’azote et du chlore.
L’ozone situé dans la stratosphère (région située entre 11 et 48 km au-dessus de la surface de la terre) est aussi indispensable à la vie que l’oxygène.
Il forme en effet un bouclier certes d’une extrême minceur mais d’une remarquable efficacité car il parvient à filtrer la quasi-totalité de tous les rayons ultra-violets nuisibles du soleil (absorption de la plupart des rayons UV B).
Mode de destruction de la couche d’ozone:
L’ozone se forme à partir de la combinaison d’une molécule d’oxygène molécule et un atome d’oxygène dans la stratosphère.
Mais cette molécule d’ozone se détruit dès qu’elle absorbe un photon de longueur d’onde allant jusqu’à 200 à 300nm.
La couche d’ozone joue le rôle d’un filtre contre les radiations, sa destruction provoque l’émission massive des rayons UV et à effet stérilisant sur la végétation et provoque le cancer pour les hommes.
Causes de la destruction de la couche d’ozone.
La couche d’ozone se détruit des qu’il y a fuite des substances qui la détruit. Ces substances sont celles qui possèdent un ou des atomes de chlore. Pour l’industrie de froid, ces substances sont les fluides frigorigènes à base de CFC et HCFC .La molécule de chlore contenue dans les fluides frigorigènes est un réactif très dangereux pour l’ozone car il arrache facilement un atome d’oxygène.
S’il y a des fuites au niveau des tuyauteries, il y a libération de l’atome de chlore et à cause de sa légèreté, l’atome de chlore atteigne la stratosphère et la réaction chimique a lieu.
Exemple pour le R22 : CHClF2
Cependant cet équilibre est rompu par l’effet néfaste de certains fluides frigorigènes qui, rejetés dans l’atmosphère (molécules contenant du chlore) vont détruire les molécules d’ozone et par conséquent endommagera la couche d’ozone avec comme conséquence une augmentation des rayons UV B arrivant à la surface de la Terre.
Les gaz à effet de serre :
– le gaz carbonique ou dioxyde de carbone (CO2) provenant essentiellement de la combustion des énergies fossiles et de la déforestation,
– le méthane (CH4) qui a pour origine principale l’élevage des ruminants, la culture du riz, les décharges d’ordures ménagères, les exploitations pétrolières et gazières,
– les halocarbures (CFC, HCFC, HFC et PFC « PerFluoroCarbure ») sont les gaz réfrigérants utilisés dans les systèmes de climatisation et la production de froid,
– les gaz propulseurs des aérosols,
– le protoxyde d’azote ou oxyde nitreux (N2O) provient de l’utilisation des engrais azotés et de certains procédés chimiques,
– l’hexafluorure de soufre (SF6) utilisé par exemple dans les transformateurs électriques.
CONCLUSION
On peut conclure que, cette étude a été très avantageuse. D’une part on a pu comprendre le déroulement de la réfrigération. Et d’une autre part, elle nous a permis non seulement de connaitre comment fonctionne le condenseur mais nous a aussi informé sur ses différents types ainsi que les démarches pour la réalisation du condenseur d’un réfrigérateur.
Dans le processus de production du froid qui se passe dans un réfrigérateur, la température et la pression de condensation font parties des grandeurs indispensables pour optimiser la production du froid.
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Table des matières
INTRODUCTION
PARTIE I: NOTIONS SUR LE REFRIGERATEUR
I.1. Les principaux composants d’un réfrigérateur
I.2. Les paramètres essentiels pour une installation frigorifique :
I.3. Etudes des fluides frigorigènes
PARTIE II: CONDENSEUR D’UN REFRIGERATEUR
II.1. Présentations :
II.2. Déroulement de la condensation à l’intérieur du dispositif :
II.3. Sous-refroidissement :
II.4. Dimensionnement d’un condenseur:
II.5. Types de condenseur d’un réfrigérateur
PARTIE III : ETUDE D’IMPACT ENVIRONNEMENTALES
III.1. Mode de destruction de la couche d’ozone:
III.2. Causes de la destruction de la couche d’ozone.
CONCLUSIONS
BIBLIOGRAPHIE
