Production de froid
AMIOT Alexandre
BINTI MAZLAN Nurwazni
BINTI MOHD SALEH Nur Syafiqah
BRU Manon
GILLES Marielle
1
Année ...
Introduction
Objectif : Choisir et dimensionner une installation permettant de produire du
froid.
Puissance demandée 70kW....
Plan
Introduction
I)  Recherches bibliographiques
a) Préambule sur le froid
b) les procédés existants
c) choix du binaire
...
I. Recherches bibliographiques
a) Préambule sur le froid
A partir de quand ?
-  1862 : Première machine pour faire de la g...
Préambule sur le froid : Sa nécéssité
Applications industrielles :
-  Agro-alimentaire.
-  Industries chimiques et pétroch...
b) Les procédés existants
!  La compression
!  L’effet thermoélectrique
!  L’absorption : procédé choisi par l’enseignant
6
Installation frigorifique à compression7
Evaporateur
Compressseur
Condenseur
Détente
Air refroiditAir entrant
La réfrigération thermoélectrique
!  Utilisation de modules de Peltier : Un courant continu circulant au
point de liaison ...
Réfrigération par absorption
!  Principe : compression remplacé par une
absorption.
!  Avantages :
- Nécéssite moins de pl...
c) Choix du binaire : eau- amoniac
Deux types de binaires pour ce type d’installation :
- Bromure de lithium – eau.
-  Amo...
Caractéristiques du binaire
Eau – Ammoniac
!  Caractéristiques du binaire :
L’eau a la capacité d’absorber à froid une gra...
II.Fonctionnement du procédé
12
Bouteill
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liquide
Evaporateur
Colonne d’
absorption
Echangeur
Colonne
de
séparation
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III.Bilans
a)Utilisation des diagrammes
-  Détermination de la pression et température en sortie
des appareils :
Exemple :...
Détermination des titres pour tous les points de l’installation :
!  Utilisation du diagramme de Markel eau – ammoniac
!  ...
Détermination des enthalpies :
Par lecture graphique sur différents diagrammes enthalpiques :
1) Diagramme de Mollier de l...
III) Bilans
b) Calculs
1)  Évaporateur
16
Évaporateur
Air
Ɵs,FP -18°C
​ɸ↓𝐹   = 70 kW
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On fixe un pincement...
2) Condenseur17
Condenseur
Ɵe,CD	
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Ɵc
On fixe l’échauffement de l’eau à 10°C donc ​ 𝜃↓𝑆, 𝐶𝐷 =25°C  et	
  ...
3) Absorbeur
18
Absorbeur
liquide
Evaporateur
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Vers pom
𝜃e,AB=15°C
𝜃s,AB=
𝜃a
"  Estimation de 𝜃a :
​ 𝜃↓𝑎   = ​∆ 𝜃↓𝑝𝑖𝑛...
4) Bouilleur et déflegmateur
19
Colonne
De
Distillation
Vers échan
Vapeur
3 bars
​
𝜃↓𝐶
𝑉 
​ 𝜃↓𝑑 
​ 𝜃↓2 
Vapeur 3 bars = va...
5) Calculs des débits
20
Condenseur
Bouteille de
liquide
Vanne de
détente
Évaporateur
Colonne
d’absorption
Pompe
Echangeur...
 
21
6) Pompe
a
b
Pf = 1,6 bars
Pc = 11,67 bars
Puissance consommée par la pompe :
Cas idéal ​ 𝑃↓𝑃𝑆, 𝑖  = ​ 𝑄 𝑣↓𝑆𝑅, 𝑎  (​ ...
7) Bilan énergétique
à à l’absorbeur
= + - = 117,15 kW
#  Puissance de la colonne de distillation -
- = + - 114,76 kW
# P...
Schéma récapitulatif
23
Bouteill
e de
liquide
Evaporateur
Colonne d’
absorption
Echangeur
Colonne
de
séparation
Condenseur...
IV.Pré-dimensionnement – Le
Condenseur
Rôle du condenseur : condenseur les vapeurs d’amoniac en sortie de la
colonne de di...
IV.Pré-dimensionnement – Le
Condenseur
25
Fluide coté tube Eau liquide
Fluide coté calandre Vapeur d’amoniac
Flux échangé ...
Travaux restants à effectuer :
#  Dimensionnement de l’évaporateur, de la colonne d’absorption, du
bouilleur, du déflegmat...
Conclusion :
o  Rappel d’objectif :
•  Choisir et dimensionner une installation permettant de produire du froid
o  T
27
Bibliographie
Documents papiers
JACQUARD Patrick et SANDRE Serge. La pratique du froid  : 4eme édition. Paris  DUNOD: PYC,...
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  1. 1. Production de froid AMIOT Alexandre BINTI MAZLAN Nurwazni BINTI MOHD SALEH Nur Syafiqah BRU Manon GILLES Marielle 1 Année 2015 Groupe P2
  2. 2. Introduction Objectif : Choisir et dimensionner une installation permettant de produire du froid. Puissance demandée 70kW. Production de froid pour une chambre froide à -18°C. Nous avons à notre disposition de la vapeur à 3 bars et de l’eau à 15°C. 2
  3. 3. Plan Introduction I)  Recherches bibliographiques a) Préambule sur le froid b) les procédés existants c) choix du binaire II) Fonctionnement du procédé a) Utilisation des diagrammes b) Calculs III) Bilans IV) Pré-dimensionnement Conclusion 3
  4. 4. I. Recherches bibliographiques a) Préambule sur le froid A partir de quand ? -  1862 : Première machine pour faire de la glace par absorption – Ferdinand Carré. -  Années 1870 : Première armoire conservatrice d’aliments- Tellier. 2 types de machines à froid se distinguent : absorption et compression mécanique. Améliorations successives -  Changement des fluides frigorigènes utilisés. -  Procédes de condensation. -  Compresseurs. -  -Amélioration du procédé pour réduire l’impact environnemental. 4
  5. 5. Préambule sur le froid : Sa nécéssité Applications industrielles : -  Agro-alimentaire. -  Industries chimiques et pétrochimiques. -  Nucléaire. -  Médical (ex: Conservation du plasma sanguin). -  Génie Civil (ex: barrage : refroidissement de béton). Société : -  Climatisation. -  Réfrigération. 5
  6. 6. b) Les procédés existants !  La compression !  L’effet thermoélectrique !  L’absorption : procédé choisi par l’enseignant 6
  7. 7. Installation frigorifique à compression7 Evaporateur Compressseur Condenseur Détente Air refroiditAir entrant
  8. 8. La réfrigération thermoélectrique !  Utilisation de modules de Peltier : Un courant continu circulant au point de liaison de différents métaux engendre du froid sur une première face du module et de la chaleur sur la deuxième. . !  Procédé peu répandu, car froid produit est faible. 8
  9. 9. Réfrigération par absorption !  Principe : compression remplacé par une absorption. !  Avantages : - Nécéssite moins de place. -  Peu de bruit. -  Peu de pannes. Inconvénients : -  Coût de fabrication. -  Consommation éléctrique. 9 Condensation Vanne de détente Évaporation Absorption de l’ammoniac par l’eau Pompe Séparation
  10. 10. c) Choix du binaire : eau- amoniac Deux types de binaires pour ce type d’installation : - Bromure de lithium – eau. -  Amoniac – eau. Pourquoi ce choix ? -  LiBr-Eau : installations ménagères , froid climatique. -  Amoniac- eau : utilisé dans ce type d’installation : Ɵ  <  0  °C 10
  11. 11. Caractéristiques du binaire Eau – Ammoniac !  Caractéristiques du binaire : L’eau a la capacité d’absorber à froid une grande quantité de gaz ammoniac et de restituer ce gaz quand on chauffe la solution riche ainsi formée. !  Caractéristiques de l’ammoniac (NH3) : - Tempétature d’ébullition à P atm = 33,5 °C. - Incolore - Toxique : Irritation des voies respiratoires. - Inflammable. - Dangeureux pour l’environnement. 11
  12. 12. II.Fonctionnement du procédé 12 Bouteill e de liquide Evaporateur Colonne d’ absorption Echangeur Colonne de séparation Condenseur Air -18°C 1 -17°C 4 25°CEau 15°C 2 118°C T° ambiante Eau 15°C 25°C Liquide Liquide Vapeur Vapeur Liquide Liquide Déflegmateur Bouilleur Enrichi en N (1à 6) Mélange e ( a à e ) Enrichi en e a b e c d 5 6 3
  13. 13. III.Bilans a)Utilisation des diagrammes -  Détermination de la pression et température en sortie des appareils : Exemple : point 6 !  détermination de l’ étape d’ammoniac : nous avons supposé vapeur saturante car sortie de l’ évaporateur. !  nous avons supposé sa pression est la même que la pression à la sortie du détendeur, 1.6 bars !  nous avons placé le point 6 sur le diagramme de Mollier en fixant son état et sa pression pour déterminer sa température. 13 Evaporateur 6 Colonne d’ absorption
  14. 14. Détermination des titres pour tous les points de l’installation : !  Utilisation du diagramme de Markel eau – ammoniac !  Les titres pour les points a,b, et c sont les mêmes car c’est la solution riche et les points d,e, et f sont les mêmes aussi car c’est la solution pauvre !  Détermination des titres d’après les pressions et températures connus 14 E n t h a l p i q u e
  15. 15. Détermination des enthalpies : Par lecture graphique sur différents diagrammes enthalpiques : 1) Diagramme de Mollier de l’ammoniac (détermination des enthalpies pour les points 1,2,3,4,5, et 6) Nous avons lu les enthalpies d’après les températures et pressions connus 2) Diagramme de Markel eau-ammoniac (détermination des enthalpies pour les points a,b,c,d,e, et f) 15 Diagramme de Mollier de l’ammoniac
  16. 16. III) Bilans b) Calculs 1)  Évaporateur 16 Évaporateur Air Ɵs,FP -18°C ​ɸ↓𝐹   = 70 kW Ɵe,FP ƟF ​ ṁ↓ 𝐹  On fixe un pincement de température Δɵpin  =  5°C pour pouvoir estimer la température de vaporisation du frigorigène ƟF     ƟF  =  Ɵs,FP  –  Δɵpin  =  -­‐18  –  5  =  -­‐23°C  =  Ɵ6   ​ɸ↓𝐹  = ​ṁ↓𝐹  (​ℎ↓6  - ​ℎ↓5 ) = ​ṁ↓𝐹𝑃  (​ℎ↓6  - ​ℎ↓4 ) D’où ​ṁ↓𝐹  = ​​ɸ↓𝐹 /​ℎ↓6 −  ​ℎ↓4   = ​70000/1550−450  = 0,064 kg/s = 13,45 kmol/h   Ɵ6
  17. 17. 2) Condenseur17 Condenseur Ɵe,CD  =  15°C Ɵs,CD Ɵc On fixe l’échauffement de l’eau à 10°C donc ​ 𝜃↓𝑆, 𝐶𝐷 =25°C  et  Δɵpin  =  5°C     ​ 𝜃↓𝐶  = ​∆ 𝜃↓𝑝𝑖𝑛  + ​ 𝜃↓𝑆, 𝐶𝐷  = 5 + 25 = 30°C On peut en déduire la température en sortie de la bouteille de liquide : 𝜃3 La température de sous refroidissement au condenseur ​ 𝜃↓𝑆𝑅  = température de condensation du frigorigène moins 𝜃3. On fixe ​ 𝜃↓𝑆𝑅 = 5°C Donc 𝜃3 = 25°C Température constante jusqu’à la détente car 25°C ~   température ambiante Donc 𝜃4 = 25°C Puissance thermique : ​ɸ↓𝐶𝐷   = mF x (h2 – h3) = 75,2 kW 𝜃3 𝜃4 ​ɸ↓𝐶𝐷  = 75,2 kW
  18. 18. 3) Absorbeur 18 Absorbeur liquide Evaporateur 𝜃6 𝜃1 Vers pom 𝜃e,AB=15°C 𝜃s,AB= 𝜃a "  Estimation de 𝜃a : ​ 𝜃↓𝑎   = ​∆ 𝜃↓𝑝𝑖𝑛  + ​ 𝜃↓𝑆, 𝐴𝐵  = 5 + 20 = 25°C # pour avoir un écart idéal il faut ajouter 5˚C ​ 𝜃↓𝑎 ’ = 30°C "  Estimation de ​ 𝜃↓1 : # échauffement du frigorigène de 6˚C entre l’évaporateur et l’absorbeur # ​ 𝜃↓1  = ​∆ 𝜃↓𝑝𝑖𝑛  + ​ 𝜃↓𝐹  = 6 + (-23) = - 17˚C
  19. 19. 4) Bouilleur et déflegmateur 19 Colonne De Distillation Vers échan Vapeur 3 bars ​ 𝜃↓𝐶 𝑉  ​ 𝜃↓𝑑  ​ 𝜃↓2  Vapeur 3 bars = vapeur saturante = 133°C Détermination de ​ 𝜃↓𝑑  : ​ 𝜃↓𝑑   = ​ 𝜃↓𝐶𝑉    -  ​∆ 𝜃↓𝑝𝑖𝑛  ​ 𝜃↓𝑑   = 133 – 5 = 123˚C ​ 𝜃↓𝑑 ′ = ​ 𝜃↓𝑑  - 5˚C = 118˚C # imperfection bouilleur Détermination de ​ 𝜃↓2 : Vapeur saturante en sortie et P = 11,67 bars ​ 𝜃↓2  = 30 °C
  20. 20. 5) Calculs des débits 20 Condenseur Bouteille de liquide Vanne de détente Évaporateur Colonne d’absorption Pompe Echangeur Colonne de distillation VFv1 VFv2 VFv4 VFV1 = ṁF  x  VFV1  =  0,064  x  0,85  =  0,0544  ​ 𝑚↑3 /s       VFV2 =  0,00768  ​ 𝑚↑3 /s     VFV4 =  0,0001056  ​ 𝑚↑3 /s       a) Débit volumique b) Solution riche τc,R    =​ 𝑥 𝐹𝑅− 𝑥𝑃/𝑥𝑅− 𝑥𝑃 = ​0,995−0,255/0,35−0,255 = 7,789 kg NH3 /kg de solution ṁSR  =  τc,R  x  ṁF  =  0,064  x  7,789  =  0,4984  kg/s     VSR,a = ṁSR  x  V  SR  =0,4984  x  1,149  x  ​10↑3   =  5,73  x  ​10↑−4  𝑚↑3 /s       c) Solution pauvre τc,p    =​ 𝑥 𝐹𝑅− 𝑥𝑅/𝑥𝑅− 𝑥𝑃 = ​0,995−0,35/0,35−0,255  = 6,789 kg NH3 /kg de solution ṁSP  =  τc,P  x  ṁF  =  0,4984  kg/s VSP,a = ṁSP  x  V  SR    =  5,17x  ​10↑−4   ​ 𝑚↑3 /s  
  21. 21.   21 6) Pompe a b Pf = 1,6 bars Pc = 11,67 bars Puissance consommée par la pompe : Cas idéal ​ 𝑃↓𝑃𝑆, 𝑖  = ​ 𝑄 𝑣↓𝑆𝑅, 𝑎  (​ 𝑝↓𝐶    - ​ 𝑝↓𝐹 )  = 577 W Cas réél avec un rendement de 70 % ​ 𝑃↓𝑃𝑆, 𝑟  = ​​ 𝑄 𝑣↓𝑆𝑅, 𝑎   (​ 𝑝↓𝐶   −  ​ 𝑝↓𝐹 )/​ 𝜂↓𝑀𝑃   = ​577/0,7  = 824,3 W Différence de temperature entre a et b : ​∆ 𝜃↓𝑎𝑏  = (​ 𝜃↓𝑏    - ​ 𝜃↓𝑎 ) = ​​ℎ↓𝑏   −  ​ℎ↓𝑎 /​ 𝐶↓𝑆𝑅     = ​ 1,6539/1,06   𝑥  4,18  = 0,37˚C # Négligeable
  22. 22. 7) Bilan énergétique à à l’absorbeur = + - = 117,15 kW #  Puissance de la colonne de distillation - - = + - 114,76 kW # Puissance thermique à apporter au bouilleur, = x = 154,24 kW # Puissance thermique à extraire au déflegmateur, = x = 29,5 kW 22
  23. 23. Schéma récapitulatif 23 Bouteill e de liquide Evaporateur Colonne d’ absorption Echangeur Colonne de séparation Condenseur Air -18°C -23°C -17°C 25°C 25°CEau 15°C 30°C 118°C 30°C P=11,67bars 30°C P=1,6bars P=11,67 bars P=1,6 bars ​ɸ↓𝐴𝐵  = 117,15Kw ​ɸ↓𝑀  - ​ɸ↓𝐷𝐸  = 114,76 kW ɸ  p=  577 W ɸE=70  kW ɸcd=75,2  kW ɸ 𝐸𝑡=158,7   𝑘𝑊 T° ambiante Eau 15°C 25°C Liquide Liquide Vapeur Vapeur Liquide Liquide
  24. 24. IV.Pré-dimensionnement – Le Condenseur Rôle du condenseur : condenseur les vapeurs d’amoniac en sortie de la colonne de distillation. Difficultés : Changement d’état # création d’un nouveau tableur : utilisation de nouvelles corrélations et coefficents global d’échange. Optimisation de l’échangeur avec variations des paramètres suivants : Us, di/de , Longueur des tubes , espace entre chicanes. 24
  25. 25. IV.Pré-dimensionnement – Le Condenseur 25 Fluide coté tube Eau liquide Fluide coté calandre Vapeur d’amoniac Flux échangé (kW) 75 Us (W.m-2.K-1) 500 di/de (mm) 5,48/10,43 Longueur des tubes (m) 2 Vitesse dans les tubes (m.s-1) 0,62 >0,5 Nombre de passes coté tubes 2 % aire d’écart 2< 8 <10 Aire réelle de l’échangeur (m2) 25,15 Pertes de charges coté tubes (bar) 0,08<1 Pertes de charges coté calandre (bar) 0,001 <1
  26. 26. Travaux restants à effectuer : #  Dimensionnement de l’évaporateur, de la colonne d’absorption, du bouilleur, du déflegmateur et de la colonne à distiller. #  Choix de la pompe. #  Choix des matériaux. #  Schéma de procédé détaillé. #  Choix de la vanne de détente et de réglage. 26
  27. 27. Conclusion : o  Rappel d’objectif : •  Choisir et dimensionner une installation permettant de produire du froid o  T 27
  28. 28. Bibliographie Documents papiers JACQUARD Patrick et SANDRE Serge. La pratique du froid  : 4eme édition. Paris  DUNOD: PYC, Octobre 2011. 543 pages. ISBN : 9782100550302 MEUNIER Francis, RIVET Paul et TERRIER Marie-France. Froid industriel. Paris DUNOD, Février 2005. 495 pages. ISBN: 2 10 005301 9 THERVILLE Robert. L'ABC du FROID : Je monte... j'entretiens … je dépanne... 3ème édition PYC Livres, Octobre 2013. 560 pages. ISBN:978-2-86243-108-6 DESMONS Jean. Froid industriel : 3ème édition. Paris. DUNOD, Avril 2014. 411pages. ISBN 978-2-10-070943-4 RAPIN Pierre et JACQUARD Patrick. Formulaire du froid. 14 ème édition. Paris : DUNOD, Mai 2010. 672 pages ISBN : 978-2-10-053893-5 RAPIN Pierre et JACQUARD Patrick. Technologie des installations frigorifiques, 8ème édition,Paris : DUNOD, Septembre 2004. 516 pages ISBN: 2 10 0075942 Documents internet : DUMINIL, Maxime., 10 oct. 2002, « Machines thermofrigorifiques Calcul d’un système à absorption ». Dans : « Production de froid mécanique », [en ligne], Editions T.I. [Paris, France], 2015, be9736, [Consulté le 02/02/2015], TIB211DUO, [base de données en ligne], disponible à l'adresse : http://www.techniques-ingenieur.fr/base-documentaire/energies-th4/ production-de-froid-mecanique-42211210/machines-thermofrigorifiques-calcul-d-un-systeme-a-absorption-be9736/ DE SOUSA, Jose. Solution absorption. [En ligne]. Dernière mise à jour : 01-09-2013. [ref. du 04-02-1015]. Diagramme de Merkel NH3-H2O. Disponible sur le Web : http://energie-diderot.info/MERKEL_NH3_H2O_4 PICCARD, D. Diagrammes Thermodynamiques [En ligne]. Dernière mise à jour  : 13-12-2013. [ref. du 04-02-2015]. Diagramme de Mollier de l’ammoniac NH3. Disponible sur le Web : http://physiquecira.free.fr/index.htm 28

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