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Auteur(s)
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Georges VRINAT : Ingénieur du Conservatoire National des Arts et Métiers et de l’Institut Français du Froid Industriel - Ancien Directeur Projet et Développement de la société SAMIFI-BABCOCK
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Lire l’articleINTRODUCTION
Compte tenu des différences fondamentales qui existent sur les plans économique, technologique et de la production industrielle, il paraît souhaitable de traiter séparément ce qu’il est communément convenu d’appeler le froid domestique et le froid commercial et industriel, c’est pourquoi on ne traitera ici que des deux derniers aspects et non des réfrigérateurs et congélateurs ménagers, des climatiseurs réversibles ou non, des meubles de vente et des groupes embarqués (camions, semi-remorques et wagons).
La définition complète d’une installation frigorifique ne peut être envisagée que d’une seule manière à partir du moment où l’on a fixé les points clés ci‐après dont l’enchaînement logique permet de définir sa constitution physique (figure 1).
La figure 2 donne le schéma général d’une installation frigorifique permettant de situer les différents éléments entrant en jeu.
Type d’application et choix de la température d’évaporation
: selon qu’il s’agit de refroidir de l’air, un liquide ou un solide, dénommés généralement sources froides, le niveau de température à réaliser θ f détermine le niveau de la température d’évaporation θo à partir du moment où l’on choisit l’écart minimal : pincement θ f – θo de 5 à 7 K.
Par exemple :
-
refroidissement d’eau glacée à + 5 oC, d’où θo = 0 oC ;
-
refroidissement d’une chambre à – 25 oC, d’où θo = – 30 oC.
Puissance frigorifique
: elle conditionne l’importance de l’installation et permet un premier classement dont les bornes sont fixées à titre indicatif :
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faible de 10 à 50 kW ;
-
moyenne de 50 à 500 kW ;
-
forte au‐dessus de 500 kW.
Ces grandeurs ne peuvent cependant pas être dissociées de la valeur θo car le coût d’une installation, à puissance égale, est inversement proportionnel à cette valeur.
Niveau de température de rejet de la chaleur et puits chaud
: il est déterminé par le milieu disponible, eau ou air, et son coût.
La température de condensation θ k est liée directement à la valeur du puits chaud θc par l’écart de température choisi : pincement θ k – θc de 10 à 15 K.
Par exemple :
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air à + 25 oC, d’où θ k = 35 à 40 oC ;
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eau de mer à + 32 oC, d’où θ k = 42 à 45 oC.
Choix du fluide frigorigène : l’ensemble des données ci‐dessus permet de sélectionner le fluide le mieux adapté, s’il n’est pas imposé.
Type de compresseur et nombre d’étages : compte tenu du régime thermique (θ k , θo), de la puissance frigorifique et du fluide frigorigène, on décide du type de compresseur possible (piston, vis, spirale ou centrifuge), du nombre d’étages à prévoir, en tenant compte de ses limites d’utilisation fixées par son constructeur.
Exemples :
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moyenne puissance (100 kW), θo = 0 oC et θ k = + 40 oC, pour la climatisation, on choisit le HCFC-22 et un compresseur à piston à un seul étage ;
-
dans les mêmes conditions mais avec une forte puissance de 1 000 kW, on peut choisir entre un compresseur à vis et du HCFC-22 ou un compresseur centrifuge et du HCFC-123 (s’il s’agit d’eau glacée) ;
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forte puissance (1 000 kW), θo = – 40 oC et θ k = + 35 oC, pour un tunnel de congélation, on peut choisir du HCFC-22 ou du R717 avec un compresseur à vis suralimenté.
Type d’évaporateur : sa technologie dépend essentiellement de l’application recherchée et de la nature de la source froide.
Type de condenseur : sa technologie dépend essentiellement de la nature de la source chaude.
Type de circuit de distribution : il dépend des choix précédents mais aussi de la répartition géographique des différents postes de froid dans le bâtiment ; deux solutions sont possibles :
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la détente directe du fluide frigorigène dans les postes utilisateurs, par exemple pour un entrepôt frigorifique avec de nombreuses chambres ayant des affectations et des températures différentes ;
-
la circulation d’un frigoporteur dans les postes utilisateurs, par exemple par une distribution d’eau glacée refroidie dans un groupe frigorifique préfabriqué et testé en usine.
Le lecteur pourra se reporter utilement aux rubriques Climatisation et conditionnement d’air et Froid dans ce traité.
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Préfabrication4. Canalisations frigorifiques
Les canalisations frigorifiques renferment les tuyauteries, les accessoires (courbes, réductions, tés, purges, soudures, etc.), la robinetterie manuelle et automatique, ainsi que les systèmes d’évacuation des impuretés et des frigorigènes.
4.1 Tracé et calcul
Le tracé et le calcul précis des canalisations frigorifiques ont des objectifs bien déterminés qui relèvent essentiellement des points suivants : pertes de pression et coûts d’installation. Ces deux aspects sont abordés par un calcul sérieux des diamètres des tuyauteries.
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Les pertes de pression (exprimées en pascals) sont égales au produit des pertes de charge (exprimées en mètres) par la masse volumique et l’accélération de la pesanteur.
Leur valeur a une influence directe sur les dépenses énergétiques de l’installation ainsi que sur son fonctionnement ; en effet, elles peuvent induire des pressions d’aspiration basses et des pressions de refoulement élevées, qui entraînent un travail de compression important. Par ailleurs, des pertes de pression ou détentes importantes sur les lignes de liquide entraînent un blocage au niveau des détendeurs par formation de vapeur.
Il faut donc réaliser un tracé qui ne conduise pas à des canalisations trop longues ou trop compliquées, ou ayant des diamètres trop faibles ; la tuyauterie d’aspiration est la plus sensible.
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À l’inverse, des tuyauteries ayant des diamètres trop importants entraînent les surcoûts suivants : prix des tuyauteries, des accessoires, de la robinetterie, du montage et de l’isolation.
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Ils se font à partir des éléments suivants : débits-volumes circulant, diamètres et qualité des...
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