Présentation

Cette séance présente un résumé des principales caractéristiques technologiques des machines frigorifiques à compression. Nous vous conseillons de vous reporter aux séances technologiques relatives aux compresseurs volumétriques et aux turbocompresseurs pour plus de précisions sur ces composants.

Toutefois, les indications que nous donnons dans ce module de formation à distance ne pouvant être que très sommaires, nous vous recommandons de lire attentivement le chapitre 9 du manuel, et de vous cultiver plus largement sur les aspects technologiques de ces machines, notamment en vous reportant à deux articles des Techniques de l’Ingénieur qui traitent de manière approfondie de ce sujet :

• Production du froid : technologie des machines industrielles, article B2 365, par Georges VRINAT
• Théorie des machines frigorifiques, Machine à compression mécanique, article B9 730, par Maxime DUMINIL

Avec l’aimable autorisation de la Direction des Techniques de l’Ingénieur, cette séance a été illustrée à partir d’extraits de leur collection, et en particulier du premier article.

• manuel : réfrigération par compression de vapeur (pdf, 1052 Ko)
• manuel : pompes à chaleur (pdf, 240 Ko)
• techniques de l’ingénieur

Réfrigération

• Principe

Réfrigération

• Cycle de base

• amimation de cycle frigorifique (swf, 18 Ko)

Réfrigérateur domestique

• Évaporateur : deux plaques planes corruguées soudées
• Condenseur : grille noire sur l’arrière de l’appareil
• Compresseur : hermétique à piston ou spirale
• Détendeur : simple tube capillaire

Réfrigération

• COefficient de Performance
• $\mathrm{COP}=\frac{Q_f}{{\tau }_c}>1$

Réfrigération

• -10 °C
• 35,5 °C
• 2 / 9 bar
• η = 0,8
• COP = 3,6

Pompes à chaleur

• Objectif : revaloriser des sources d’énergie à basse température
• COP_c = 1 + COP_f

Pompe à chaleur

• Rehausser le niveau de température d’une source froide
• Mais le COPc baisse au fur et à mesure que les besoins de chauffage augmentent

Domaines d’utilisation dans l’industrie

• Te < 20 °C, Tc < 80 °C : pompes à chaleur classiques standard
• 20 °C < Te < 80 °C, Tc < 130 °C : pompes à chaleur spécifiques
• ne convient pas pour des T plus élevées :
• la compression mécanique de vapeur peut être une solution, si la source froide se présente sous forme de vapeur

Applications industrielles

• séchage des produits thermosensibles ou à migration d’humidité lente
• récupération d’énergie si besoins simultanés et comparables de chaud et de froid

Applications résidentiel et tertiaire

• Chauffage des locaux hiver, climatisation été
• Ensembles sportifs (piscine et patinoire)

Sources froides

• cours d’eau, lac ou mer
• sol autour d’un pavillon
• doublet géothermique
• effluents gazeux ou liquides
• air extérieur, mais givrage évaporateurs si 0 °C < Tair < 5 °C

Qualités des fluides

• forte chaleur latente de vaporisation
• faible rapport de compression
• faible volume massique de la vapeur
• Tc élevée, P_ébull raisonnable
• stable, compatible avec lubrifiant
• non inflammable, non toxique
• pas d’action sur l’environnement

CONTEXTE ACTUEL

• couche d’ozone
  Ozone Depletion Potential
• effet de serre
  Global Warming Potential
• Protocole de Montréal
• Kyoto

Remise en cause des fluides frigorigènes

• Remplacement des fluides frigorigènes (pdf, 56 Ko)

CONTEXTE ACTUEL

• Fluides remis en cause (90 % des applications)

• CFC : R11, R12

  1994

• HCFC : R22, R502

  2014
• R11 : groupes refroidisseurs d’eau
• R12 : froid domestique, climatisation auto
• R22 : le plus vendu, froid alimentaire, industriel, transports frigorifiques

Fluides de remplacement

• R134a (HFC) remplace le R12 (froid domestique et commercial)
• R404a (mélange HFC) remplace le R22 (froid commercial, transports frigorifiques)
• R407c (mélange HFC) remplace le R22 (conditionnement d’air de petite et moyenne puissance )
• R410a (mélange HFC) candidat pour remplacer le R22 (climatisation air/air, transports frigorifiques)

Aspects technologiques

• Évaporateurs, condenseurs : échangeurs diphasiques (cf. article B2 365)
• Compresseurs : volumétriques (piston, vis, spirale) ou turbocompresseurs (cf. séances S12 et S13)
• Détendeurs : laminage isenthalpique

ÉVAPORATEURS

• Nécessité du dégivrage si t < 0 °C
• soufflage d’air chaud
• chauffage par résistances électriques

• gaz chauds

  • bi-passe des gaz sortant du compresseur

• inversion de cycle

  • inverse les rôles du condenseur et de l’évaporateur

Détendeurs

• capillaires φ = 0,6 -2,8 mm
• thermostatiques

• égalisation de pression interne

  • maximise remplissage évaporateur

• égalisation de pression externe

  • prise de pression en aval de l’évaporateur
  • compense ses pertes de charge

Vitesse variable

• vitesse variable : importants gains d’énergie

  • pompes et ventilateurs des condenseurs et évaporateurs
  • compresseurs

• problèmes :

  • lubrification nécessite fonctionnement > 50 % nominal
  • rendement volumétrique λ chute (fuites HP/BP)
  • étanchéité compresseurs à vis et spirales
  • équilibrage des évaporateurs et condenseurs

Cycles frigorifiques à compression

• Cycle simple (cf. séance S31)
• Sous-refroidissement
• Bilan exergétique (cf. séance S32)
• Cycles bi-étagés

Sous-refroidissement

Cycle biétagé injection totale

Cycles biétagés

• -10 K
• + 5 K
• COP : 2,34

Cycle biétagé injection partielle

• Difficulté pratique injection totale : fonctionnement du détendeur BP
• Cycle à injection partielle : injection d’une partie seulement du débit de frigorigène, pour garantir alimentation du détendeur principal BP en liquide