Production de froid

AMIOT Alexandre

BINTI MAZLAN Nurwazni

BINTI MOHD SALEH Nur Syafiqah

BRU Manon

GILLES Marielle

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Année 2015 Groupe P2

Introduction

Objectif : Choisir et dimensionner une installation permettant de produire du froid.

Puissance demandée 70kW.

Production de froid pour une chambre froide à -18°C.

Nous avons à notre disposition de la vapeur à 3 bars et de l’eau à 15°C.

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Plan Introduction

I)  Recherches bibliographiques a) Préambule sur le froid

b) les procédés existants

c) choix du binaire

II) Fonctionnement du procédé

a) Utilisation des diagrammes

b) Calculs

III) Bilans

IV) Pré-dimensionnement

Conclusion

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I. Recherches bibliographiques a) Préambule sur le froid

A partir de quand ? -  1862 : Première machine pour faire de la glace par absorption – Ferdinand Carré.

-  Années 1870 : Première armoire conservatrice d’aliments- Tellier.

2 types de machines à froid se distinguent : absorption et compression mécanique.

Améliorations successives -  Changement des fluides frigorigènes utilisés.

-  Procédes de condensation.

-  Compresseurs.

-  -Amélioration du procédé pour réduire l’impact environnemental.

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Préambule sur le froid : Sa nécéssité

Applications industrielles :

-  Agro-alimentaire.

-  Industries chimiques et pétrochimiques.

-  Nucléaire.

-  Médical (ex: Conservation du plasma sanguin).

-  Génie Civil (ex: barrage : refroidissement de béton).

Société :

-  Climatisation.

-  Réfrigération.

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b) Les procédés existants

!  La compression

!  L’effet thermoélectrique

!  L’absorption : procédé choisi par l’enseignant

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Installation frigorifique à compression 7

Evaporateur

Compressseur

Condenseur

Détente

Air refroidit Air entrant

La réfrigération thermoélectrique

!  Utilisation de modules de Peltier : Un courant continu circulant au point de liaison de différents métaux engendre du froid sur une première face du module et de la chaleur sur la deuxième.

.

!  Procédé peu répandu, car froid produit est faible.

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Réfrigération par absorption

!  Principe : compression remplacé par une

absorption.

!  Avantages :

- Nécéssite moins de place.

-  Peu de bruit.

-  Peu de pannes.

Inconvénients :

-  Coût de fabrication.

-  Consommation éléctrique.

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Condensation

Vanne de détente

Évaporation

Absorption de l’ammoniac

par l’eau

Pompe

Séparation

c) Choix du binaire : eau- amoniac

Deux types de binaires pour ce type d’installation :

- Bromure de lithium – eau.

-  Amoniac – eau.

Pourquoi ce choix ?

-  LiBr-Eau : installations ménagères , froid climatique.

-  Amoniac- eau : utilisé dans ce type d’installation : Ɵ  <  0  °C

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Caractéristiques du binaire Eau – Ammoniac

!  Caractéristiques du binaire :

L’eau a la capacité d’absorber à froid une grande quantité de gaz ammoniac et de restituer ce gaz quand on chauffe la solution riche ainsi formée.

!  Caractéristiques de l’ammoniac (NH3) :

- Tempétature d’ébullition à P atm = 33,5 °C. - Incolore

- Toxique : Irritation des voies respiratoires.

- Inflammable.

- Dangeureux pour l’environnement.

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II.Fonctionnement du procédé 12

Bouteille de

liquide

Evaporateur

Colonne d’ absorption

Echangeur

Colonne de

séparation

Condenseur

Air -18°C

1

-17°C

4

25°C Eau 15°C

2

118°C

T° ambiante

Eau 15°C 25°C

Liquide

Liquide

Vapeur

Vapeur

Liquide

Liquide

Déflegmateur

Bouilleur

Enrichi en NH3 (1à 6) Mélange eau-NH3 ( a à e ) Enrichi en eau

a

b

e

c

d

5

6

3

III.Bilans a)Utilisation des diagrammes

-  Détermination de la pression et température en sortie des appareils :

Exemple : point 6

!  détermination de l’ étape d’ammoniac : nous avons supposé vapeur saturante car sortie de l’ évaporateur.

!  nous avons supposé sa pression est la même que la pression à la sortie du détendeur, 1.6 bars

!  nous avons placé le point 6 sur le diagramme de Mollier en fixant son état et sa pression pour déterminer sa température.

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Evaporateur

6Colonne d’ absorption

Détermination des titres pour tous les points de l’installation :

!  Utilisation du diagramme de Markel eau – ammoniac

!  Les titres pour les points a,b, et c sont les mêmes car c’est la solution riche et les points d,e, et f sont les mêmes aussi car c’est la solution pauvre

!  Détermination des titres d’après les pressions et températures connus

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Enthalpique

Détermination des enthalpies :

Par lecture graphique sur différents diagrammes enthalpiques :

1) Diagramme de Mollier de l’ammoniac (détermination des enthalpies pour les points 1,2,3,4,5, et 6)

Nous avons lu les enthalpies d’après les températures et pressions connus

2) Diagramme de Markel eau-ammoniac (détermination des enthalpies pour les points a,b,c,d,e, et f)

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Diagramme de Mollier de l’ammoniac

III) Bilans b) Calculs

1)  Évaporateur

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Évaporateur Air Ɵs,FP -18°C

ɸ↓𝐹   = 70 kW

Ɵe,FP

ƟF

ṁ↓𝐹 

On fixe un pincement de température Δɵpin  =  5°C pour pouvoir estimer la température de vaporisation du frigorigène ƟF    ƟF  =  Ɵs,FP  –  Δɵpin  =  -­‐18  –  5  =  -­‐23°C  =  Ɵ6  

ɸ↓𝐹  = ṁ↓𝐹  ( ℎ↓6  - ℎ↓5 ) = ṁ↓𝐹𝑃  ( ℎ↓6  - ℎ↓4 ) D’où ṁ↓𝐹  = ɸ↓𝐹 /ℎ↓6 −   ℎ↓4   = 70000/1550−450  = 0,064 kg/s = 13,45 kmol/h  

Ɵ6

2) Condenseur

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Condenseur

Ɵe,CD  =  15°C

Ɵs,CD

Ɵc

On fixe l’échauffement de l’eau à 10°C donc 𝜃↓𝑆,𝐶𝐷 =25°C  et  Δɵpin  =  5°C    𝜃↓𝐶  = ∆𝜃↓𝑝𝑖𝑛  + 𝜃↓𝑆,𝐶𝐷  = 5 + 25 = 30°C On peut en déduire la température en sortie de la bouteille de liquide : 𝜃3 La température de sous refroidissement au condenseur 𝜃↓𝑆𝑅  = température de condensation du frigorigène moins 𝜃3. On fixe 𝜃↓𝑆𝑅 = 5°C Donc 𝜃3 = 25°C Température constante jusqu’à la détente car 25°C ~   température ambiante Donc 𝜃4 = 25°C Puissance thermique : ɸ↓𝐶𝐷   = mF x (h2 – h3) = 75,2 kW

𝜃3

𝜃4

ɸ↓𝐶𝐷  = 75,2 kW

3) Absorbeur 18

Absorbeur liquide

Evaporateur

𝜃6 𝜃1

Vers pompe

𝜃e,AB=15°C 𝜃s,AB=20°C

𝜃a

"  Estimation de 𝜃a :

𝜃↓𝑎   = ∆𝜃↓𝑝𝑖𝑛  + 𝜃↓𝑆,𝐴𝐵  = 5 + 20 = 25°C # pour avoir un écart idéal il faut ajouter 5˚C 𝜃↓𝑎 ’ = 30°C

"  Estimation de 𝜃↓1 :

# échauffement du frigorigène de 6˚C entre l’évaporateur et l’absorbeur # 𝜃↓1  = ∆𝜃↓𝑝𝑖𝑛  + 𝜃↓𝐹  = 6 + (-23) = - 17˚C

4) Bouilleur et déflegmateur

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Colonne De

Distillation

Vers échangeur

Vapeur 3 bars

𝜃↓𝐶𝑉 

𝜃↓𝑑 

𝜃↓2 

Vapeur 3 bars = vapeur saturante = 133°C Détermination de 𝜃↓𝑑  : 𝜃↓𝑑   = 𝜃↓𝐶𝑉    -   ∆𝜃↓𝑝𝑖𝑛  𝜃↓𝑑   = 133 – 5 = 123˚C 𝜃↓𝑑 ′ = 𝜃↓𝑑  - 5˚C = 118˚C # imperfection bouilleur Détermination de 𝜃↓2 : Vapeur saturante en sortie et P = 11,67 bars 𝜃↓2  = 30 °C

5) Calculs des débits

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Condenseur

Bouteille de liquide

Vanne de détente

Évaporateur

Colonne d’absorption

Pompe

Echangeur

Colonne de distillation

VFv1

VFv2

VFv4

VFV1 = ṁF  x  VFV1  =  0,064  x  0,85  =  0,0544   𝑚↑3 /s       VFV2 =  0,00768   𝑚↑3 /s    VFV4 =  0,0001056   𝑚↑3 /s      

a) Débit volumique

b) Solution riche τc,R    = 𝑥𝐹𝑅−𝑥𝑃/𝑥𝑅−𝑥𝑃 = 0,995−0,255/0,35−0,255  = 7,789 kg NH3 /kg de solution ṁSR  =  τc,R  x  ṁF  =  0,064  x  7,789  =  0,4984  kg/s    VSR,a = ṁSR  x  V  SR  =0,4984  x  1,149  x   10↑3   =  5,73  x   10↑−4    𝑚↑3 /s      c) Solution pauvre τc,p    = 𝑥𝐹𝑅−𝑥𝑅/𝑥𝑅−𝑥𝑃 = 0,995−0,35/0,35−0,255  = 6,789 kg NH3 /kg de solution ṁSP  =  τc,P  x  ṁF  =  0,4984  kg/s VSP,a = ṁSP  x  V  SR    =  5,17x   10↑−4    𝑚↑3 /s    

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6) Pompe

a

b

Pf = 1,6 bars

Pc = 11,67 bars

Puissance consommée par la pompe : Cas idéal 𝑃↓𝑃𝑆,𝑖  = 𝑄𝑣↓𝑆𝑅,𝑎  ( 𝑝↓𝐶    - 𝑝↓𝐹 )  = 577 W Cas réél avec un rendement de 70 % 𝑃↓𝑃𝑆,𝑟  = 𝑄𝑣↓𝑆𝑅,𝑎   ( 𝑝↓𝐶   −   𝑝↓𝐹 )/𝜂↓𝑀𝑃   = 577/0,7  = 824,3 W Différence de temperature entre a et b : ∆𝜃↓𝑎𝑏  = ( 𝜃↓𝑏    - 𝜃↓𝑎 ) = ℎ↓𝑏   −   ℎ↓𝑎 /𝐶↓𝑆𝑅     = 1,6539/1,06  𝑥  4,18  = 0,37˚C

# Négligeable

7) Bilan énergétique

à à l’absorbeur

= + - = 117,15 kW

#  Puissance de la colonne de distillation -

- = + - 114,76 kW

# Puissance thermique à apporter au bouilleur,

= x = 154,24 kW

# Puissance thermique à extraire au déflegmateur,

= x = 29,5 kW

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Schéma récapitulatif 23

Bouteille de

liquide

Evaporateur

Colonne d’ absorption

Echangeur

Colonne de

séparation

Condenseur

Air -18°C

-23°C

-17°C

25°C

25°C Eau 15°C

30°C

118°C

30°C P=11,67bars

30°C P=1,6bars

P=11,67 bars

P=1,6 bars

ɸ↓𝐴𝐵  = 117,15Kw

ɸ↓𝑀  - ɸ↓𝐷𝐸  = 114,76 kW

ɸ  p=  577 W

ɸE=70  kW

ɸcd=75,2  kW

ɸ𝐸𝑡=158,7  𝑘𝑊

T° ambiante

Eau 15°C 25°C

Liquide

Liquide

Vapeur

Vapeur

Liquide

Liquide

IV.Pré-dimensionnement – Le Condenseur

Rôle du condenseur : condenseur les vapeurs d’amoniac en sortie de la colonne de distillation.

Difficultés :

Changement d’état # création d’un nouveau tableur : utilisation de nouvelles corrélations et coefficents global d’échange.

Optimisation de l’échangeur avec variations des paramètres suivants :

Us, di/de , Longueur des tubes , espace entre chicanes.

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IV.Pré-dimensionnement – Le Condenseur 25

Fluide coté tube Eau liquide

Fluide coté calandre Vapeur d’amoniac

Flux échangé (kW) 75

Us (W.m-2.K-1) 500

di/de (mm) 5,48/10,43

Longueur des tubes (m) 2

Vitesse dans les tubes (m.s-1) 0,62 >0,5

Nombre de passes coté tubes 2

% aire d’écart 2< 8 <10

Aire réelle de l’échangeur (m2) 25,15

Pertes de charges coté tubes (bar) 0,08<1

Pertes de charges coté calandre (bar)

0,001 <1

Travaux restants à effectuer :

#  Dimensionnement de l’évaporateur, de la colonne d’absorption, du bouilleur, du déflegmateur et de la colonne à distiller.

#  Choix de la pompe.

#  Choix des matériaux.

#  Schéma de procédé détaillé.

#  Choix de la vanne de détente et de réglage.

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Conclusion :

o  Rappel d’objectif :

•  Choisir et dimensionner une installation permettant de produire du froid

o  T

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Bibliographie

Documents papiers

JACQUARD Patrick et SANDRE Serge. La pratique du froid  : 4eme édition. Paris DUNOD: PYC, Octobre 2011. 543 pages. ISBN : 9782100550302

MEUNIER Francis, RIVET Paul et TERRIER Marie-France. Froid industriel. Paris DUNOD, Février 2005. 495 pages. ISBN: 2 10 005301 9

THERVILLE Robert. L'ABC du FROID : Je monte... j'entretiens … je dépanne... 3ème édition PYC Livres, Octobre 2013. 560 pages. ISBN:978-2-86243-108-6

DESMONS Jean. Froid industriel : 3ème édition. Paris. DUNOD, Avril 2014. 411pages. ISBN 978-2-10-070943-4

RAPIN Pierre et JACQUARD Patrick. Formulaire du froid. 14 ème édition. Paris : DUNOD, Mai 2010. 672 pages ISBN  : 978-2-10-053893-5

RAPIN Pierre et JACQUARD Patrick. Technologie des installations frigorifiques, 8ème édition,Paris : DUNOD, Septembre 2004. 516 pages ISBN: 2 10 0075942

Documents internet :

DUMINIL, Maxime., 10 oct. 2002, « Machines thermofrigorifiques Calcul d’un système à absorption ». Dans : « Production de froid mécanique », [en ligne], Editions T.I. [Paris, France], 2015, be9736, [Consulté le 02/02/2015], TIB211DUO, [base de données en ligne], disponible à l'adresse : http://www.techniques-ingenieur.fr/base-documentaire/energies-th4/production-de-froid-mecanique-42211210/machines-thermofrigorifiques-calcul-d-un-systeme-a-absorption-be9736/

DE SOUSA, Jose. Solution absorption. [En ligne]. Dernière mise à jour : 01-09-2013. [ref. du 04-02-1015]. Diagramme de Merkel NH3-H2O. Disponible sur le Web : http://energie-diderot.info/MERKEL_NH3_H2O_4

PICCARD, D. Diagrammes Thermodynamiques [En ligne]. Dernière mise à jour  : 13-12-2013. [ref. du 04-02-2015]. Diagramme de Mollier de l’ammoniac NH3. Disponible sur le Web : http://physiquecira.free.fr/index.htm

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