Machines frigorifiques industrielles - Exemples de calculs de machines

Les exercices qui suivent ont pour but de familiariser le lecteur avec les calculs des composants essentiels des circuits frigorifiques à savoir : les compresseurs et les échangeurs. Ils ne prennent pas en compte les accessoires indispensables tels que les dispositifs de sécurité, l'automaticité et le contrôle. Le choix de ces appareils se fait dans les catalogues des fournisseurs et ne nécessite aucun calcul précis.

L'industrie frigorifique a subi, ces dernières années, un choc important à la suite de l'éradication d'un certain nombre de frigorigènes, soit strictement interdits par le protocole de Montréal : les chlorofluorocarbures CFC, soit en voie d'éradication progressive suite au protocole de Kyoto : les hydrochlorofluorocarbures HCFC. Les professionnels ont aujourd'hui à leur disposition des substituts provenant de la chimie : les hydrofluorocarbures HFC mais qui ne semblent pas pérennes à cause de leur GWP (Global Warming Potential) souvent très élevé. Face à cette situation, les fluides dits naturels parmi lesquels l'ammoniac, les hydrocarbures ou le gaz carbonique ont suscité un regain d'intérêt.

L'un des HCFC actuellement le plus utilisé est le R 22, sans doute à cause de ses propriétés thermodynamiques proches de celles de l'ammoniac, mais sans ses défauts. Le calendrier de son éradication fixe à l'horizon 2010 ~ 2015 son interdiction totale.

L'un des moyens de prolonger la vie d'une installation existante au R 22 consiste à remplacer ce produit par un autre plus pérenne ; c'est l'objet de l'exercice n^o 1 traitant du changement de fluide dans un groupe refroidisseur d'eau.

L'exercice n^o 2 propose le calcul d'un groupe refroidisseur d'eau neuf, reposant sur l'utilisation d'un HFC zéotrope présentant un fort glissement de température, le R 407C. Ce frigorigène est considéré, au même titre que le R 410A comme le favori. Cependant, ces produits présentent des GWP élevés, respectivement 1 600 et 1 900 comparés à celui du R 22 : 1 700.

L'utilisation annuelle d'un groupe refroidisseur d'eau est soumise à diverses fluctuations des conditions climatiques et des conditions d'occupation du bâtiment desservi par ce groupe, qui réagissent sur la température de condensation et celle d'évaporation. Une méthodologie simple, exposée dans l'exercice n^o 3, permet de prévoir l'effet de ces fluctuations sur les performances du groupe calculé précédemment et d'évaluer sa consommation énergétique annuelle.

L'exercice n^o 4 décrit les méthodes de calculs des bilans frigorifiques soit pour une chambre froide (bilan énergétique journalier), soit pour un système de réfrigération rapide ou de congélation (bilan dynamique).

Ce dernier amène à l'exercice n^o 5 : détermination d'un circuit frigorifique industriel de type tout à fait conventionnel fonctionnant à l'ammoniac.

L'exercice n^o 6 présente la comparaison, pour une installation de lyophilisation à basse température, entre un circuit frigorifique monofluide et un circuit du type « en cascade » utilisant en premier étage du gaz carbonique et de l'ammoniac pour sa condensation. La comparaison de l'efficacité énergétique des machines frigorifiques peut se faire en se fondant sur la notion de « TEWI » qui englobe à la fois l'impact du frigorigène, par le biais de son GWP, et sa consommation énergétique, intégrés sur sa durée de vie et transformés en tonnes d'équivalent CO₂ émis. L'application en est faite sur l'exemple précédent, traité en système direct avec du R 404A, et en cascade.

Ce dossier vient à la suite d'une série de dossiers sur les machines frigorifiques industrielles :

• [BE 9 740] « Introduction » ;

• [BE 9 741] « Compresseurs » ;

• [BE 9 742] « Échangeurs et capacités sous pression » ;

• [BE 9 743] « Circuits de distribution et implantation » ;

• « Pour en savoir plus ».