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Applications dans le froid
Pour diminuer ou limiter les effets de l’insolation des toitures ou des parois des bâtiments, on met entre celles-ci et le soleil un écran, par exemple : un tôle d’aluminium.
On utilise les couleurs noires et blanches pour les systèmes frigorifiques.
Intervention des trois modes de transfert
En général, les trois modes de transfert thermique interviennent simultanément.
Dans ce cas, la puissance thermique s’écrira :
Q = k . (T1 – T2) (23)
Avec,
k : Coefficient global de transmission [kcal/h.m².°C]
T1 : Température du milieu chaud [°C]
T2 : Température du milieu froid [°C]
Production du froid
La production du froid consiste à absorber la chaleur contenue dans un milieu à refroidir pour la rejeter dans le milieu dit extérieur. Ce phénomène obéit au second principe de la thermodynamique est appelé « machine frigorifique ». Elle peut être obtenue suivant plusieurs modes. De même, les applications du froid sont très variées.
Les différentes modes de production du froid
Parmi les différentes modes de production du froid, il faut retenir :
Mélanges réfrigérants:
La dissolution de certains solides ou liquides dans un sel absorbe une quantité de calories équivalente à sa chaleur latente de fusion. Cette absorption de chaleur pour la fusion se traduit par une diminution de température.
Sublimation de certains solides:
La sublimation est la transformation directe de l’état solide à l’état vapeur sans passage à l’état liquide. Par exemple, la sublimation de la carboglace CO2 à –78°C. Elle s’obtient par détente jusqu’à la Patm du CO2 comprimé à 20 bars dans une bouteille.
Détente d’un gaz comprimé:
On détend le gaz comprimé dans le compresseur à travers d’un orifice étroit. Les machines permettant la liquéfaction des composants de l’air sont basées sur ce principe.
Evaporation d’un liquide pur:
Elle s’accompagne par l’absorption d’une quantité de chaleur équivalant à sa chaleur latente de vaporisation. Cette vaporisation se trouve accélérée par l’abaissement de pression. Il y a trois types de machines qui peuvent produire ce froid par vaporisation:
La machine à absorption dont la vaporisation se produit par absorption-distillation-condensation;
La machine à éjection: ce sont des simples évaporateurs où l’eau est soumise à la dépression provoquée par l’éjection d’un jet d’air;
La machine à compression dont le cycle est « vaporisation-compression-condensation-détente ».
Codification
La codification est numérique et se réfère à différents critères:
Formules chimiques pour les corps purs
Pour les mélanges azéotropes ou zéotropes, 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. C.3. Pour les séries des R400
Ce sont des mélanges zéotropiques qui 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.
Destruction de la couche d’ozone
L’ozone est une forme d’oxygène constituée de trois atomes. 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.
Situé dans la stratosphère, elle a pour rôle de filtrer la quasi-totalité de tous les rayons ultra-violets nuisibles du soleil.
Mode de destruction de la couche d’ozone
La molécule d’ozone se détruit dès qu’elle absorbe un photon de longueur d’onde allant jusqu’à 200 à 300nm.
Causes de la destruction de la couche d’ozone
La couche d’ozone se détruit dès 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.
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.
Règlementation
La prise de conscience de l’action anthropique sur la couche d’ozone amène rapidement les décideurs politiques à réglementer l’utilisation des CFC. La convention de Vienne est ratifiée en 1985 par 26 pays afin de protéger la couche d’ozone stratosphérique et encourager la coopération scientifique pour une meilleure compréhension du phénomène. Une convention est signée entre diverses nations dans le but de lutter contre un problème environnemental majeur à l’échelle de la planète.
Compte tenu de l’avancée du trou de la couche d’ozone, le protocole de Montréal en 1987 est signé par 24 pays et l’Union Européenne afin de réduire de 50 % par rapport au taux de 1986 la production et l’utilisation des substances appauvrissant la couche d’ozone. Les amendements successifs de Londres en 1990, puis de Copenhague en 1992 ont abouti à l’arrêt définitif de l’utilisation des CFC à la fin de l’année 1995.
Le R22 est réglementé par le protocole de Montréal, qui prévoit l’arrêt de toute consommation de HCFC dans les pays développés en 2020, et dans les pays en développement en 2040. Il est envisagé d’accélérer ces échéances, étant donné le très fort développement des HCFC, et leur très haute contribution au réchauffement climatique. En l’absence de nouvelle mesure contraignante, il est ainsi prévu que, d’ici 2015, les émissions de HCFC et de HFC représentent le double des gains engendrés en 2012 par l’application du protocole de Kyoto.
Le R22 est déjà interdit au sein de l’Union Européenne en ce qui concerne son utilisation dans les appareils neufs, depuis Juin 2004. Il est encore toléré, en maintenance, sur les appareils anciens. On le remplace par des réfrigérants plus respectueux de l’environnement tels que R410A (un mélange zéotropique de difluorométhane et de pentafluoroéthane), R134a (1, 1, 1,2-tétrafluroéthane) ou R407C.
Caractéristiques majeurs d’un fluide frigorigène
Un fluide frigorigène est caractérisé par :
L’Ozone Depletion Potential ODP qui indique le niveau d’action du fluide frigorigène sur la couche d’ozone.
Le Global Warming Potential GWP qui montre le niveau d’action du fluide frigorigène sur le réchauffement de la terre.
Les armoires de climatisation
Les armoires de climatisation sont utilisées en climatisation de confort mais elles sont très indiquées pour le conditionnement des locaux techniques où il faut assurer à la fois le contrôle de la température et de l’hygrométrie de l’air avec des tolérances précises.
Suivant le type de condenseurs, on peut citer:
les armoires à condenseur à air intégré ;
les armoires à condenseur à air séparé et
les armoires à condenseur à eau associé à une tour de refroidissement.
Outre la batterie froide de rafraîchissement de l’air, on peut rencontrer suivant les applications des éléments suivants :
des résistances de chauffage pour la section de déshumidification
une section d’humidification
La batterie froide des armoires peut être une batterie à détente directe mais également une batterie à eau glacée.
Le conditionnement des signaux
Il arrive que des capteurs génèrent des signaux trop complexes ou trop dangereux pour être mesurés directement avec un périphérique d’acquisition. Le conditionnement de signaux optimise la précision d’un système, permet aux capteurs de fonctionner correctement et assure la sécurité. Les accessoires appropriés pour le conditionnement de signaux peuvent être utilisés dans de nombreuses applications, entre autres :
Amplificateur de signal: cette étape permet d’adapter le niveau du signal issu du capteur à la chaîne globale d’acquisition. Pour se faire, on doit apporter quelques accessoires tels que :
L’adaptation d’impédance: autorise que l’impédance d’entrée de la charge soit plus grande que celle de l’interne.
La linéarisation: permet de corriger le défaut de linéarité d’un capteur.
Filtrage: il a pour rôle de ne pas laisser que certaines fréquences sinusoïdales spécifiées. Le filtre passe-bas est le plus indiqué pour remplir cette fonction au cas où les capteurs délivrent des tensions continues.
Multiplexage:
Multiplexer signifie, faire passer plusieurs éléments à travers une voie qui ne peut contenir qu’une seule à la fois. Un multiplexeur est donc un circuit analogique et logique qui présente des points d’entrée de signaux numérotés, et un seul point de sortie pour tous les signaux, il contient de ce fait une logique de contrôle qui permet de faire coïncider la sortie avec un seul des signaux d’entrée, dont le numéro est spécifié. Il est possible de multiplexer aussi bien des voies de signaux analogiques que des voies de données numériques.
Echantillonnage: Il a pour rôle de maintenir constante la valeur échantillonnée pendant toute la durée requise pour la conversion. Son principe de fonctionnement est celui d’un interrupteur placé sur un circuit de condensateurs qui se chargent à la valeur échantillonnée quand l’interrupteur est fermé.
Un E/B idéal a les caractéristiques suivantes :
Suiveurs sans erreurs pendant l’échantillonnage
Temps de commutation nul
Temps de maintien ou blocage infini.
La conduite du fluide caloporteur
Etude des cas
La conduite du fluide caloporteur est l’intermédiaire entre le groupe frigorifique (le chiller) et le terminal (le ventilo-convecteur). Il a pour rôle de transporter l’eau refroidie sortant du chiller vers le ventilo-convecteur et l’eau sortant de ce dernier vers le chiller.
Comme les machines sont de norme américaine, l’utilisation d’une conduite de cette norme est adéquate. Le seul problème, c’est qu’on ne trouve pas les tuyauteries de norme américaine sur le marché malgache. Alors, on a pris l’initiative d’appliquer des tuyauteries en PVC sur le marché pouvant supporter des écoulements de fluide à pression et appropriées à celles des originales.
Dimensionnement de tuyauteries utilisées
La longueur des tuyauteries utilisée est fonction de la dimension de la salle à climatiser. Il existe plusieurs matériaux pour ce type de conduite mais en général, on utilise toujours des polymères comme le PVC, le PP, etc.
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Table des matières
INTRODUCTION
Partie I : ETUDES BIBLIOGRAPHIQUES
Chapitre I: BASES THEORIQUES DU FROID
A. Rappel sur les deux principes de la thermodynamique
B. Transferts thermiques
C. Production du froid
Chapitre II : FLUIDES FRIGORIGENES ET PROTOCOLES INTERNATIONAUX
A. Généralités
B. Classification par origine
C. Codification
D. Destruction de la couche d’ozone
E. Les gaz à effet de serre
F. Règlementation
G. Caractéristiques majeurs d’un fluide frigorigène
H. Reconversion
Chapitre III : LA CLIMATISATION
A. Généralités
B. Les différents systèmes de climatisation
C. Bilan thermique en climatisation
Chapitre IV : ACQUISITION DE DONNEES
A. Introduction
B. Principe
C. Les composantes
Partie II: METHOLDOLOGIE
Chapitre V : BILAN THERMIQUE DU BLOC TECHNIQUE
A. Notions de confort thermique
B. Etude sur le bâtiment à climatiser
C. Calcul des apports calorifiques
D. Récapitulation
Chapitre VI : LE SYSTEME DE CLIMATISATION A EAU GLACEE
A. Description de l’installation
B. Le Chiller
C. Le terminal
D. La conduite du fluide caloporteur
E. La conduite d’air et les bouches de diffusion
F. Les réseaux électriques du chiller
G. Les réseaux fluidiques du chiller
Avec un dispositif de commande et de régulation numérique III
Chapitre VII : COMMANDE ET REGULATION NUMERIQUE DU SYSTEME DE CLIMATISATION A EAU GLACEE
A. Conception de l’interface matérielle
B. La conception de l’interface utilisateur
C. Interprétation des données
CONCLUSION
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