Bilan énergétique des chambres froides.pdf

MODULE 14 : Etablir un bilan énergétique
Code : TSES-14
Durée : 90 heures
Formateur: Mohamed BOUSLA
Année de formation : 2021/2022
Filière : Efficacité énergétique
( Bilan énergétique d’une chambre froide )

2 .2 Chambres froides
A – Définition
Une chambre froide est une enceinte destinée à conserver des produits
(agroalimentaires, pharmaceutiques, ...), à une humidité relative et une température
(généralement inférieure à la température ambiante) fixées. Ses façades, son plafond et
son plancher sont thermiquement isolés.

B – Types des chambres froides
Les chambres froides sont classées en 2 catégories : Positive et négative
Chambre froide positive : Est tout simplement une chambre froide dont la
température est supérieure à 0 °C. La température de référence est généralement de +3
°C, mais elle peut varier selon les aliments à conserver. Cette chambre est utilisée
principalement pour conserver les légumes et les fruits.

B – Types des chambres froides
Chambre froide négative : Est un lieu de stockage où la température se situe
en dessous de 0°C. on prend en général une température de -18°C (et jusqu’à
–50°C). Cette chambre est utilisée principalement pour la congélation de viande
de poisson...

C – Principe de fonctionnement
Le fonctionnement est en globalité le même fonctionnement qu'un
réfrigérateur avec une plus grande puissance et des contraintes
techniques beaucoup plus importantes.

C – La composition d’une chambre froide
La chambre froide est composée de deux parties bien distinctes : le circuit
frigorifique ( compresseur, condenseur, détendeur, évaporateur) et les
panneaux d’isolation.

Le compresseur : Le compresseur est indispensable ! Sans le compresseur
le fonctionnement de la chambre froide est impossible :

Le condenseur : Le condenseur est un échangeur de chaleur, son rôle
est similaire à celui d'un radiateur de voiture.
Le gaz ou fluide frigorigène pénètre dans le condenseur en état vapeur et il doit
en ressortir en état liquide. Le fluide à l'entrée du condenseur est à une
température de 70°C et à sa sortie il avoisine les 35°C.
Lors de son passage dans le condenseur le gaz change d'état (gaz-liquide)
grâce son refroidissement.

Le détendeur : Un détendeur dans un circuit frigorifique est un organe qui
assure le bon fonctionnement de la chambre froide.
Le fluide passe dans une buse qui diminue sa pression ainsi que sa
température une relation pression température (une chute de pression = une
chute de température).

L’évaporateur : L'évaporateur est un échangeur de chaleur qui absorbe
l'énergie provenant de l’intérieur de la chambre à refroidir par le biais d'un
liquide ( fluide frigorigène) s'évaporant après avoir été détendu.
Le fluide frigorigène pénètre dans l'évaporateur en état liquide et se transforme
en vapeur avec une température d'évaporation de -15°C à -40°C.

Les panneaux d’isolation : L'isolation thermique est le moyen le plus efficace de
maintenir une température idéale. D’un point de vue technique, l'isolation consiste à
minimiser la transmission de l'énergie frigorifique de la chambre froide et le milieu
extérieur.

Types d’isolants :
Parois verticales
Plafonds
Planchers
Polyuréthane (Liège plus cher)
polystyrène expansé ( légèreté)
Polystyrène expansé (légèreté)
Epaisseur optimal pour l’isolation :
•7 à 10 cm en stockage pour réfrigération.
•10 à 17 cm en stockage congélation.

Choix de type de compresseur : Il existe deux grandes familles de compresseurs
frigorifiques selon le mode de compression :
Compresseur volumétrique Compresseur centrifuge

Compresseurs volumétriques : La compression du fluide frigorigène se fait par
réduction du volume de la chambre de compression. Il existe des compresseurs à
piston, à vis et à spirales (compresseurs scroll).
compresseur à piston

Compresseur à spirales (compresseurs scroll). Compresseur à vis
Compresseurs volumétriques

Compresseur centrifuge : La compression du fluide est créée par la force centrifuge
générée par une roue à aubes. On parle de turbocompresseur. Les
turbocompresseurs sont souvent choisis dans des applications industrielles de
grosses puissances.

Critères de choix :
Globalement en climatisation et réfrigération, la tendance actuelle est :
➢ à l’abandon des machines à mouvement alternatif (compresseur à pistons),
➢ au développement des machines tournantes : compresseur centrifuge, à spirale
rotative (scroll) à vis ou encore la nouvelle technologie turbocor.
Mais le choix de tel ou tel compresseur dépend plusieurs paramètres ( la performance
énergétique, la puissance installée, la taille d’installation, la maintenance…)

Caractéristiques des compresseurs :
Technologie Avantages Inconvénients
Machine
tournantes
A vis
• un rendement volumétrique d’un compresseur
assez bon grâce à l’absence d’espaces morts,
comme dans les compresseurs à pistons,
• une plus grande longévité,
• un niveau sonore nettement plus favorable
(moins de vibrations), surtout pour les appareils
hermétiques.
• un coût de maintenance également plus faible,
puisque le risque de panne est diminué.
• leur coût d’achat plus élevé ;
• nécessité de personnel qualifié ;
• en cas de défaillance, les
machines tournantes tels que les
scroll’s doivent être remplacés et
sont limités en puissance ;
• les compresseurs à vis sont de
plus grosse puissance et moins
adaptés à la puissance frigorifique.
A spirale
rotative
(scroll)
centrifuge
Faible poids, facile à fabriquer et à concevoir
Les parties flottantes sont peu nombreuses
Contrairement aux compresseurs d’air à
déplacement positif, les compresseurs centrifuges
ont un débit élevé.
Ils nécessitent peu d’entretien et sont très fiables.
Il rencontre le problème de
l’étouffement, du décrochage et de la
montée en puissance.
Comme il fonctionne à grande vitesse, il
a besoin d’un support vibratoire
élégant.

Caractéristiques des compresseurs :
Technologie Avantages Inconvénients
Machines
alternatives
A piston
• l’investissement est raisonnable ;
• la réparation est facile ;
• au niveau des centrales de
compresseurs, le niveau de puissance
frigorifique est très modulable par le
découpage par étage ainsi qu’une
régulation de vitesse sur un des
compresseurs ;
• la gamme de puissance frigorifique
unitaire est étendue.
• leur longévité est limitée ;
• ils sont sensibles aux
entrées de fluide
frigorigène liquide ;
• le risque de panne n’est
pas négligeable ;

Bilan énergétique d’une chambre froide
Le bilan frigorifique d’une chambre froide permet de quantifier la somme des apports
de chaleur qu’il faudra combattre pour maintenir une enceinte réfrigérée et ce qu’elle
contient à température.
Il est évident que ce bilan doit être
établi avec une précision, car celui-
ci a un impact direct sur le cout
d’installation et d’exploitation de la
chambre froide.
Définition

Les apports à extraire
Les
apports
à
extraire
de
la
chambre
froide
Les apports des parois : Q1
Les apports générés par les marchandises introduites:
Q2
Les apports produits par la chaleur de respiration des
fruits et légumes : Q3
Les apports par renouvellement d’air :Q4
Les apports dégagés par le personnel : Q5
Les apports de l’éclairage : Q6
Les apports du ou des moteurs de ventilateurs de
l’évaporateur : Q7
Il est très difficile de
calculer la puissance
réellement nécessaire car il
s’agit d’un calcul
dynamique. Le calcul
statique est d’autant plus
éloigné de la réalité qu’on
travaille dans des régimes
non stationnaires (par
exemple : quand il y a
beaucoup d’entrées de
chaleur sous formes d’air,
de marchandises, etc.).
Ces quantités de chaleur sont calculées sur 24 h.

Ces quantités de chaleur sont calculées sur 24 h.
La puissance moyenne sur 24 h (ou sur une journée de travail) est la somme de ces
apports de chaleur sur 24 h (ou sur la journée de travail) [kWh] divisée par 24 [h] (ou par
le nombre d’heures de la journée de travail).
Il est très difficile de calculer la puissance
réellement nécessaire car il s’agit d’un calcul
dynamique,
Donc on peut majorer la puissance frigorifique
moyenne par un coefficient de 24/20
(chambre froide négative) ou de 24/16
(chambre froide positive) pour se rapprocher
de la puissance maximale réelle nécessaire.

Ce coefficient de majoration est aussi indicatif du nombre d’heure de fonctionnement
quotidien du groupe compresseur : avec une base de temps de 24 h, le nombre d’heures
de fonctionnement quotidien du groupe compresseur est d’environ 16 h pour une
chambre froide positive et de 20 h pour une chambre froide négative.
Le coefficient de majoration permet donc à la machine de s’arrêter un peu de temps, ce
qui est indispensable, notamment pour le dégivrage.
P =
Q1 + Q2 + Q3 + Q4 + Q5 + Q6 +Q7
24
X
24
20 𝑂𝑈 16
P : en kW
Q : en kWh

Les apports des parois sont égaux aux flux qui traversent les différentes composantes des
chambres.
Ces flux sont calculables par l’utilisation de la formule de transfert thermique par
conduction : Q1 = U . S . ΔT. 24 /1000 [kWh]
Q1 = Flux thermique qui traverse les parois en kWh
U : coefficient de transmission thermique des parois en W/m².K.
S = surfaces extérieures totales (parois verticales + plafond et sol) (m²)
ΔT = différence entre la température extérieure et la température de stockage
(intérieur de la chambre) .

Si la température ambiante extérieure n’est pas connue, on considère une température
de 25 °C.
Notons que la température extérieur étant définie comme la température ou la chambre
froide est installées, cette température peut être variable, en générale on prend la
température la plus défavorable, le calcul s’établit généralement avec une température
extérieur minimum de 25°C et au maximum de 35°C.

Les apports générés par les marchandises introduites : Q2
• En froid positif
Q2 = P1 x Cs x ΔT / 1 000
Où :
• Q2 = quantité de chaleur par introduction de marchandises à température ambiante
extérieure (en kWh).
• P1 = quantité de denrées introduites en 24h (kg).
• Cs = chaleur spécifique des denrées (Wh/kgK).
• ΔT = différence entre la température à l’arrivée des denrées et leur température de
stockage (K).

Remarque : Le calcul ci-dessus suppose que le refroidissement des denrées se fait sur
24 h (ou sur la durée de « la journée de travail » considérée). Le gestionnaire peut, selon
le type de denrées et les exigences d’hygiène à atteindre, demander une autre base de
temps plus longue (ex.: le nombre de jours qui séparent deux livraisons) ou plus courte
(quelques heures).

• En froid négatif
Si l’on introduit des marchandises qui ne sont pas à température de la chambre froide
négative, Q2′ = [(P1 x Cs x ΔT) + (P1 x Cl) + (P1 x Cs’ x ΔT’)] / 1 000
Où :
• Q2′ = quantité de chaleur par introduction de marchandises à température ambiante
extérieure (en kWh).
• P1 = poids des denrées lors d’une nouvelle livraison (kg).
• Cs = chaleur spécifique au-dessus de 0°C des denrées (Wh/kgK).
• Cl = chaleur latente nécessaire au changement d’état du constituant liquide des denrées
(passage à l’état solide) (Wh/kg).
• Cs’ = chaleur spécifique en-dessous de 0°C des denrées (Wh/kgK).
• ΔT = différence entre la température à l’arrivée des denrées et 0°C (K).
• ΔT’ = différence entre 0°C et la température négative de stockage (- 18K).

Quantité de chaleur journalière produite par la respiration des fruits et légumes : Q3
Les fruits et légumes sont des organismes vivants qui respirent. Ils dégagent donc de la
chaleur. On considère une chaleur dégagée moyenne de 1,4 Wh/kg/24 heures.
Q3= P x 1,4 / 1 000
Où :
Q3 = quantité de chaleur journalière produite par la respiration des fruits et légumes
(kWh).
P = poids des denrées de la chambre froide (kg).

Quantité de chaleur journalière par renouvellement d’air : Q4
Il s’agit de la chaleur provenant des entrées d’air par infiltration et par ouverture de la
porte.
Q4 = 0.34.Va. ΔT/1000
Où :
• Q4 = quantité de chaleur par renouvellement d’air (kWh)
• Va = volume d’air renouvelé (m3).
• 0.34 = correspond à la capacité calorifique de l’air (Wh/m3.K)
• ΔT= différence entre la température d’entré d’air et la température de stockage

Quantité de chaleur journalière par renouvellement d’air : Q4
Volume de la chambre en
m3
Volume d’air renouvelé en m3/24h
Jusqu’à 5 150
10 280
25 345
50 650
75 850
100 900
150 1000
200 1200
Le tableau suivant présente le volume d’air en m3/24h selon le volume des chambres
froides

L’homme apporte chaleur sensible (par notre corps à 37 °C) et chaleur latente (par
notre production de vapeur d’eau en respiration et transpiration). Cette chaleur on
peut l’exprimer comme suit :
Q5 = q x t x n / 1 000
Avec :
• Q5 = quantité de chaleur journalière dégagée par le personnel travaillant dans la
chambre froide (kWh).
• q = chaleur dégagée par personne et par heure (en Wh/h = W).
• t = durée de la présence dans la chambre froide (h).
• n = nombre de personnes dans la chambre froide.

Différentes valeurs sont données dans la littérature, le tableau suivant présente la
chaleur dégagée par les personnes selon la température de la chambre froide.
Température de la
chambre froide
Chaleur dégagée par personne et par heure : q (W)
Travail dur Travail moyen Travail léger
+10°C 372 244 186
+7°C 372 250 198
+4°C 372 256 209
+2°C 372 267 221
0°C 372 273 233
-7°C 384 314 279
-12°C 395 337 291
-18°C 407 372 326
-23°C 419 407 349

Les apports d’éclairage : Q6
Le niveau d’éclairement moyen à atteindre dans les lieux de stockage est de 125 à 250 lux.
Les fabricants prévoient, en général, une puissance de 10 W/m².
Q6 = 10 x t x S / 1 000 (kWh)
Où :
• Q6 = quantité de chaleur journalière dégagée par l’éclairage (kWh).
• t = durée de la présence humaine dans la chambre froide (h).
• S = surface intérieure de la chambre froide (m²).
Sans précision propre au projet, on peut évaluer la présence humaine journalière dans les
chambres froides à 15 occupations de 1,5 minutes au maximum, soit 22,5 minutes.

Les apports du ou des moteurs de ventilation : Q7
On estime la puissance dégagée par les moteurs empiriquement suivant la formule
30W/m2 de surface de la chambre froide.
Q7 = 30 x S x 24 h / 1 000
Où :
• Q7 = quantité de chaleur journalière dégagée par les ventilateurs de l’évaporateur
(kWh).
• S = surface intérieure de la chambre froide (m²).
On suppose que le moteur du ventilateur tourne en permanence. En effet, pendant la
période de dégivrage, la quantité de chaleur dégagée par celui-ci est supposée être
équivalente à la chaleur dégagée par le moteur de l’évaporateur.

Bilan frigorifique global : Qg
Le bilan frigorifique global d’une chambre froide c’est la somme de toutes les aperditions :
Qg = Q1+Q2+Q+Q3+Q4+Q5+Q6+Q7
Cette quantité de chaleur estimée et établie pour une période de 24 heures.
Donc la puissance frigorifique de l’évaporateur sera
Pg = Qg/16
Qg : Chaleur journalière à dégager par l’évaporateur (somme des appérditions)
16 : heures de fonctionnement du compresseur
On peut majorer ce résultat de 5% afin de tenir compte des apports non calculés, donc la puissance
frigorifique devienne : Pg =
Qg
16
+
Qg
16
𝑋 5%
Avec un coefficient de performances de 3, cette installation nécessite un compresseur avec une
puissance électrique à l’entrée de : Pinp =
Pg
cop

Bilan énergétique des chambres froides.pdf

Recommandé

Recommandé

Contenu connexe

Similaire à Bilan énergétique des chambres froides.pdf

Similaire à Bilan énergétique des chambres froides.pdf (20)

Dernier

Dernier (13)

Bilan énergétique des chambres froides.pdf