NOTION SUR LA PRODUCTION DU FROID

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Transfert de chaleur par convection

Généralités

La convection est un mode de transfert de chaleur entre une paroi et un fluide qui circule à son contact. On distingue deux formes de la convection :

La convection naturelle

En l’absence de toute intervention mécanique extérieure, les courants de convection sont dus uniquement aux différences de températureselles-mêmes, qui entrainent des différences de densité.

La convection forcée

Le phénomène peut être produit ou activé par une useca extérieure indépendante du phénomène thermique (action d’une pompe ou ventilateur, par exemple).

La convection forcée se décompose elle-même en deuxcas :

1er cas : Si les vitesses des fluides sont faibles, les trajectoires des molécules sont régulières : c’est le régime laminaire.

2e cas : Si les vitesses augmentent, il arrive un moment où les trajectoires prennent des formes compliquées, où les vitesses varient : c’est le régime turbulent.

Etudes de la convection

Lors de l’écoulement d’un fluide le long d’une paroi solide, il existe au contact de cette paroi une mince couche de fluide (film) dont le mouvement est toujours laminaire même si celui de la masse du fluide est tourbillonnaire.

A l’intérieur de ce film à mouvement laminaire, la chaleur ne peut se transmettre par convection mais par conduction.

Ainsi, l’échange thermique entre un fluide et une paroi ne s’effectue pas seulement par convection mais il est toujours accompagné de conduction.

Soit alors un fluide à la température θ1en contact avec une paroi solide d’aire S et à la températureθ2.Supposons pour fixer les idées queθ1>θ2.

Comme à l’interface solide-fluide la chaleur ne s’écoule que par conduction ; la densité de flux thermique peut être évaluée à partide l’équation de Fourier :

Où e est l’épaisseur de la couche limite laminaire

Mais cette relation ne peut être utilisée en pratique puisqu’on ne connaît pas l’épaisseur de la couche laminaire. Il est plus commode d’utiliser la notion du coefficient d’échange de chaleur hc:

Ce coefficient dépend d’un grand nombre de facteurs, il est fonction : de l’état du fluide (liquide, gaz, ou vapeur) ;

de sa vitesse V, de sa masse volumique , sa viscosité , de sa conductivité thermique λ, de sa chaleur massique à pression constante C p, de son coefficient de dilatation β et, de sa températureθ ;

du mode de convection (naturelle ou forcée), ainsi que du régime d’écoulement (laminaire ou turbulent) ;

de la dimension linéaire D à partir de laquelle l’aire de la surface peut être déterminée, ainsi que de la rugosité et de la température de cette surface ;

de la direction du courant de chaleur par rapport à la surface de la paroi.

Pour calculer le flux de chaleur donné par (I.21), toute la difficulté consiste à déterminerhc . Cette détermination n’est pas simple, l’étude mathématique du problème à montré qu’il était possible de grouper les facteursprécédents en nombres adimensionnels dont les plus importants sont rassemblés dans le tableau1.

Transfert de chaleur par rayonnement

Le rayonnement est le seul mode de transfert de chaleur dans lequel la présence de matière entre les corps qui participent dans l’échange de chaleur n’est pas obligatoire. Il se passe même lorsque ces corps sont séparés dans l’espace ou lorsqu’un vide existe entre eux.

Pour cela, l’énergie thermique se propage à l’aide des ondes électromagnétiques et est désignée par la chaleur rayonnée.

Le rayonnement thermique

Chaque corps transforme une partie de son énergie interne en ondes électromagnétiques. Celles-ci se déplacent jusqu’àce qu’elles frappent un autre corps où une partie de leur énergie est absorbée et convertie denouveau en énergie interne c’est-à-dire en énergie thermique.

Un corps qui réfléchit totalement les rayonnementsest appelé « corps réfléchissant ou corps blanc », les corps qui laissent traverser complètement les rayonnements s’appellent « corps parfaitement transparents ou diathermanes », et un corps qui ne transmet pas les rayonnements qui lui parviennent est appelé « corpsopaque ».

Un corps noir ou radiateur idéal est un corps qui absorbe les rayonnements qui lui parviennent, qui ne les réfléchit pas et ne les transmet rien.

Le corps noir est utilisé comme référence à laquell on compare les caractéristiques des rayonnements des autres corps.

Loi de Stefan-Boltzmann

Le processus de transmission de rayonnement thermique est basé sur des lois fondamentales dont la plus utilisée par les industriels que nous venons d’aborder est celle de Stefan-Boltzmann qui dicte que l’énergie totale rayonnée par le corps noir dans l’espace entier, par unité de surface et de temps croit comme la quatrième puissance de la température absolue.

Mécanisme complexe de transmission de chaleur [15][33]

Dans ce cas, les trois modes de transfert thermique interviennent simultanément ; on utilise le coefficient global de transmission de chaleur K.

Les coefficients ho et h sont généralement fonction de la circulation d’air.

La vitesse du vent influe sur la grandeur du coefficient d’échange thermique superficiel extérieur entre les parois et l’air.

Le coefficient d’échange thermique extérieur est donné par la formule : he 5, 67 3,86.Ve en kcal/h.m.°C(I.31)

Où Ve est la vitesse moyenne du vent à l’extérieur.

Pour les chambres froides, les résistances thermiques superficielles interne et externe des parois sont données par le tableau 2.

NOTION SUR LA PRODUCTION DU FROID

Généralités

Historiquement, l’homme conservait la viande dans des blocs de glace dès la préhistoire. Actuellement, la technologie du froid tient une partie plus importante dans l’évolution des recherches scientifiques et technologiques. La recherche concernant la physique des très basses températures et la thermodynamique frigorifique, ainsi que la construction des matériels frigorifiques, a ses multiples applications : industrie frigorifique et chimique, conditionnement d’air et climatisation, conservation des denrées périssables, biologie, médecine et chirurgie, hygiène générale.

Il y a beaucoup de moyens de production de froid mais, nous nous bornerons sur la production par évaporation d’un fluide pur qui est la plus souvent appliquée dans la vie courante : applications domestique et industrielle.

Production du froid par compression de vapeur

Dans ce paragraphe, nous allons étudier le principe de fonctionnement d’une installation frigorifique à compression.

Le fluide frigorigène [14][24]

Un fluide frigorigène, appelé aussi réfrigérant estune substance utilisée dans les circuits de systèmes frigorifiques pour refroidir un milieu ou bien pour avoir du froid. Il est responsable des divers transferts de chaleur au cours d’un cycle frigorifique par changement de phase.

Les principales qualités requises d’un fluide frigorigène en vue de son utilisation dans une installation frigorifique à compression de vape ur sont les suivantes :

production frigorifique volumétrique élevée ; pressions de fonctionnement modérées ; inertie et stabilité chimiques ; absence de corrosion ;

non-toxicité ;

ininflammabilité ;

température modérée en fin de compression ;

bas prix ;

absence d’éléments nocifs à l’environnement ou du moins en quantité relativement faible, ne pas figurer parmi les fluides interdits ;

facilité de détection des fuites.

Cycle frigorifique

Le cycle frigorifique met en évidence la circulation et les transformations subies par le fluide frigorigène.

Ce cycle est accompli par les 4 appareils principaux suivants :

Le Moto-compresseur : il met en route la circulation du fluide gazeux en l’aspirant, le comprimant et le refoulant ; le fluide subit une compression polytropique ;

Le Condenseur : il liquéfie le fluide gazeux avec libération de calories à pression et température constantes ;

Le Détendeur :il baisse fortement la haute pression du liquide par perte de charge jusqu’à la pression de vaporisation, il régularise le débit de fluide frigorigène liquide entrant à l’évaporateur ; le fluide frigorigène subit une détente isenthalpe ;

L’évaporateur : il vaporise le fluide en absorbant de calories à l a source froide, à pression et température constantes.

A la sortie de l’évaporateur, le fluide se passe à l’état gazeux afin de prendre un nouveau cycle.

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Table des matières

INTRODUCTION
PARTIE I : BASES THEORIQUES
CHAPITRE I: LES TRANSFERTS THERMIQUES
I . 1. La conduction thermique
I. 1 . 1. Etudes de la conduction
I. 1 . 2. Loi de Fourier
I. 1 . 3. Equation générale de la conduction
I. 1 . 4. Conduction thermique unidimensionnelle en régime stationnaire
a) Conduction thermique d’un mur simple
b) Conduction thermique d’un mur composé
I. 1 . 5. Conduction thermique d’une paroi cylindrique
a) Cylindre creux
b) Cylindres concentriques
I . 2. Transfert de chaleur par convection
I. 2 . 1. Généralités
I. 2 . 2. Etudes de la convection
I. 2 . 3. Détermination du coefficient hc
I . 3. Transfert de chaleur par rayonnement
I. 3 . 1. Le rayonnement thermique
I. 3 . 2. Loi de Stefan-Boltzmann
I . 4. Mécanisme complexe de transmission de chaleur
CHAPITRE II: NOTION SUR LA PRODUCTION DU FROID
IV . 1.Généralités
IV . 2.Production du froid par compression de vapeur
II. 2 . 1. Le fluide frigorigène
II. 2 . 2. Cycle frigorifique
II. 2 . 3. Diagramme enthalpique de Mollier
II. 2 . 4. Constitution d’une installation frigorifique
CHAPITRE III: LES MATERIAUX ISOLANTS THERMIQUES
III . 1. Classification des isolants
III . 2. Etudes de quelques matériaux isolants usuels
III. 2. 1. Isolants d’origine minérale
a) Fabrication et mode d’obtention
b) Caractéristiques des isolants d’origine minérale
III. 2. 2. Isolants d’origine végétale
a) Fabrication et mode d’obtention
b) Caractéristiques du liège expansé pur et du Balsa
III. 2. 3. Matériaux plastiques et élastomères alvéolaires
a) Mode d’obtention des isolants plastiques et synthétiques
b) Caractéristiques des matériaux isolants d’origine synthétique
III. 2. 4. Les isolants locaux
a) La balle de riz
b) Le kapok
CHAPITRE IV: LESMATERIAUX PARE VAPEUR ET D’ETANCHEITE
IV . 1.Généralités
IV . 2.Classification des matériaux pare vapeur
IV. 2 . 1. Les matériaux en feuilles ou « voiles »
a) Les métaux
b) Les voiles plastiques souples
IV. 2 . 2. Les matériaux permettant la réalisation d’enduits et films « in situ »
a) Les émulsions de bitume
b) Les bitumes fondus
c) Les solutions solvantées
d) Les résines polymérisables
IV. 2 . 3. Les matériaux composites
IV . 3.Propriétés et caractéristiques à connaître
CHAPITRE V: PRINCIPES D’ISOLATION DES CHAMBRES FROIDES
V . 1. Règles générales de l’isolation
V. 1. 1. Mise en oeuvre de l’isolation des murs et plafonds
a) Continuité de l’isolation
b) Continuité des barrières anti-vapeur
c) Stabilité dimensionnelle
d) Solidité de l’isolation
V. 1. 2. Mise en oeuvre de l’isolation du sol
V. 1. 3. Qualités exigées des menuiseries isolantes
V . 2. Isolation des chambres froides traditionnelles
V. 2. 1. Isolation des sols
V. 2. 2. Isolation des parois verticales
V. 2. 3. Isolation des plafonds
V . 3. Isolation des chambres froides modulaires
V. 3 . 1. Isolation intégrée
a) Matériaux isolants utilisés
b) Position de l’ossature
V. 3 . 2. Isolation métallique étanche
a) Position de l’ossature
b) Matériaux isolants utilisés
V. 3 . 3. Avantage et inconvénients du système d’isolation modulaire
PARTIE II : CALCULS TECHNICO-ECONOMIQUES
CHAPITRE I: FORMULES ET PARAMETRES DE CALCULS TECHNIQUES D’ISOLATION
I . 1. Facteurs déterminant le choix des épaisseurs
I. 1 . 1.Les températures
I. 1 . 2.Conductivité de l’isolant
I. 1 . 3.Déperditions admises
I. 1 . 4.Prix de l’isolant
I. 1 . 5.Prix de l’énergie
I. 1 . 6.Taux d’amortissement
I. 1 . 7.Temps d’utilisation
I. 1 . 8.Fabrications commercialisées
I. 1 . 9.Diffusion de vapeur d’eau
I . 2. Formule de calcul d’épaisseurs
CHAPITRE II: FORMULES ET PARAMETRES DE CALCULS ECONOMIQUES
II . 1. Les paramètres de calculs économiques de l’isolation
II. 1 . 1. Le coût de l’isolant
II. 1 . 2. La durée de vie de l’isolant
II. 1 . 3. L’effet frigorifique
II. 1 . 4. Le coût de l’énergie
II . 2. Calculs économiques
II. 2 . 1. Le coût de l’isolant
II. 2 . 2. Coût de l’énergie occasionnée par les déperditions
II. 2 . 3. Calcul de la dépense totale annuelle
II . 3. Notion d’épaisseur économique
CHAPITRE III: CALCULS TECHNIQUES D’ISOLATION APPLIQUES A UNE CHAMBRE FROIDE
III . 1. Calculs d’épaisseurs des isolants
III . 2. Calculs des flux massiques de vapeur d’eau traversant chaque paroi de la chambre
III . 3. Prise en compte de l’effet de l’ensoleillement
III . 4. Interprétations
CHAPITRE IV: DIMENSIONNEMENT ET SELECTION DES COMPOSANTS FRIGORIFIQUES
IV . 1. Bilan frigorifique
VI. 1. 1. Charges thermiques externes
a) Charge thermique par transmission à travers les parois
b) Charge thermique par renouvellement d’air
c) Charge thermique par ouverture des portes
VI. 1. 2. Charges thermiques internes
a) Charge thermique due à l’éclairage
b) Charge thermique due aux personnes
c) Charge thermique due aux matériels roulants
d) Charge thermique due à des machines diverses
e) Charge thermique due aux denrées entrantes
f) Charge due à la respiration des denrées
VI. 1. 3. Puissance frigorifique intermédiaire et puissance frigorifique prévisionnelle de l’évaporateur
IV . 2. Dimensionnement et sélection des composants frigorifiques
IV. 2 . 1. Sélection de l’évaporateur
IV. 2 . 2. Sélection du compresseur
IV. 2 . 3. Sélection du condenseur
IV. 2 . 4. Dimensionnement des tuyauteries de fluide frigorigène
IV. 2 . 5. Sélection du détendeur
a) Perte de charge totale dans la conduite de liquide
b) Perte de charge due aux accessoires en amont du détendeur
c) Perte de charge due à la pesanteur
d) Pression en amont du détendeur
e) Pression en aval du détendeur
f) Calcul de la capacité nominale du détendeur
IV. 2 . 6. Bilan énergétique de la chambre froide
a) Coefficient de performance frigorifique d’un compresseur idéal
b) Coefficient de performance frigorifique réel
c) Rendement frigorifique de l’installation
d) Interprétation
CHAPITRE V: APPLICATION DES CALCULS ECONOMIQUES
V . 1. Etude comparative
V . 2. Dépenses au niveau de la chambre froide toute entière
V . 3. Variation des dépenses annuelles en fonction de l’épaisseur de l’isolant
V . 4. Estimation du coût total de l’installation
PARTIE III : INFORMATISATION DES CALCULS ET ETUDE D’IMPACT ENVIRONNEMENTAL
CHAPITRE I: INFORMATISATION DES CALCULS
I . 1. Introduction
I . 2. Présentation de Visual Basic 6.0
I . 3. Présentation du logiciel IBF 1.0
I . 4. Mode d’utilisation
I. 4 . 1. Lancement de l’application« ISOLATION »
I. 4 . 2. Lancement de l’application « BILAN FRIGORIFIQUE »
CHAPITRE II: ETUDE D’IMPACT ENVIRONNEMENTAL
II . 1. Généralités
II . 2. Froid et environnement
II . 3. Précautions à prendre au niveau des installations frigorifiques
CONCLUSION
BIBLIOGRAPHIE
ANNEXES