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RÉSUMÉ
Les installations frigorifiques ont pour but de mettre ou de maintenir un système à une température inférieure à celle de l'environnement. Ces installations peuvent être de deux types : directe ou indirecte. La conception d'une machine frigorifique industrielle est basée à la fois sur l'objectif du système (refroidissement, congélation...), son bilan thermique, les conditions de chaleur du milieu et des considérations économiques. Dans cet article sont détaillés les refroidissements directs et indirects, en présentant les principes de base, les technologies en jeu ainsi que le dimensionnement des installations. Enfin, les étapes de montage et de mise en service sont également présentées, depuis les études préalables jusqu'à à la réception de la machine.
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Georges VRINAT : Ingénieur du Conservatoire national des arts et métiers et de l'Institut français du froid industriel - Membre de l'Association française du froid – Expert frigoriste
INTRODUCTION
La définition complète d'une installation frigorifique découle d'une analyse logique, qui part du type d'application (climatisation, congélation, réfrigération etc.), de son bilan frigorifique et des conditions thermiques des milieux ambiants d'extraction et de rejet de la chaleur.
Il n'existe que deux types de systèmes qui permettent de distribuer de l'énergie frigorifique :
-
le système direct, avec évaporation du frigorigène dans l'évaporateur refroidisseur d'un procédé de refroidissement de gaz, liquides, solides ;
-
le système indirect, avec circulation forcée d'un frigoporteur ou caloporteur, entre la machine productrice et les échangeurs du procédé.
Dans certains cas, ces deux systèmes peuvent résoudre le même problème, mais avec des technologies, des consommations énergétiques et des aspects économiques différents. Dans d'autres, au contraire, ce sont des critères économiques et de faisabilité, propres au site qui vont en décider. Par exemple, les systèmes de climatisation urbaine imposent la distribution de l'eau glacée, alors que la climatisation de bureaux accepte les circuits directs du type VRV.
Sur le plan économique, un système en évaporation directe, bien conçu, est moins cher en investissement et en consommation énergétique qu'un système indirect. En effet, ce dernier nécessite un échangeur-refroidisseur de frigoporteur, impliquant un coût, un encombrement et des dépenses énergétiques supplémentaires, d'une part, à cause de l'écart de température nécessité par l'échangeur-refroidisseur, d'autre part, à cause de l'énergie apportée au frigoporteur par le pompage et des apports thermiques extérieurs sur les tuyauteries de frigoporteur.
Dans le cas de locaux recevant du personnel y exerçant une activité, ou du public y séjournant, la circulation d'un frigoporteur adapté et sécurisant supprime tout risque de pollution ou de panique en cas de fuite de frigorigène.
De plus, il est évident que la charge en frigorigène d'un système indirect est plus faible, plus facile à confiner et à surveiller que celle d'un circuit direct, géographiquement développé avec des accès difficiles.
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Refroidissement indirect
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1. Refroidissement direct ou « détente directe »
Les installations frigorifiques à évaporation directe sont très nombreuses dans des domaines variés :
-
la climatisation de petite et moyenne puissance, inférieure à 300 kW ;
-
les installations de refroidissement des linéaires et des chambres froides des moyennes et grandes surfaces, avec cependant une tendance actuelle vers des systèmes indirects ;
-
l'entreposage des produits frais et surgelés ;
-
les traitements des denrées alimentaires, réfrigération et congélation ;
-
les traitements de l'air pour le séchage de différents produits (touraillage, carreaux de plâtre) ;
-
le refroidissement de différents engins de transport : camions, conteneurs, wagons réfrigérés etc.
Dans un système direct, un seul écart de température est à considérer : milieu à refroidir ou à réchauffer vers le frigorigène.
Pour une température donnée du milieu à refroidir, il permet d'avoir une température d'évaporation la plus proche possible de celle du milieu, ce qui est favorable à l'efficacité énergétique.
Les circuits relient le ou les groupes frigorifiques, essentiellement les compresseurs et leurs auxiliaires, aux terminaux froids (évaporateurs). Ils doivent acheminer les fluides frigorigènes dans les meilleures conditions de sécurité et d'économie énergétique possibles. Au stade de la conception, ils sont matérialisés par un schéma général des tuyauteries et des composants (figure 1), détaillé et nomenclaturé, qui constitue la base essentielle de toute installation frigorifique.
1.1 Principes de base
Les principes de base sont les suivants :
-
réaliser des canalisations aussi courtes que possible ;
-
éviter la formation de poches de liquide ou d'huile ;
-
prévoir l'absorption des vibrations et des dilatations ;
-
prévoir une souplesse mécanique suffisante, par des changements de direction ou des lyres.
La conception, le calcul et l'aménagement des circuits de fluide frigorigène nécessitent des calculs spécifiques pour intégrer les principaux problèmes suivants :
-
le dimensionnement correct des composants ;
-
les pertes de pression...
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