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Technique du froid & composants frigorifiques Technique du froid Technique du froid & & composants frigorifiques composants frigorifiques Mohammed YOUBI-IDRISSI Chargé de Recherche, Cemagref Mohammed YOUBI-IDRISSI Chargé de Recherche, Cemagref LICENCE PROFESSIONNELLE MANAGEMENT DE LA CHAÎNE DU FROID - TRANSPORT ET LOGISTIQUE 1er Cours, 2006

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Technique du froid &

composants frigorifiques

Technique du froid Technique du froid &&

composants frigorifiquescomposants frigorifiques

Mohammed YOUBI-IDRISSI

Chargé de Recherche, Cemagref

Mohammed YOUBI-IDRISSI

Chargé de Recherche, Cemagref

LICENCE PROFESSIONNELLE MANAGEMENT DE LA CHAÎNE DU FROID - TRANSPORT ET LOGISTIQUE

1er Cours, 2006

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2

Un peu d’histoire, …

2

1862 Développement d’une machine de production de glace par Ferdinand Carré (1824-1894)

1874 Développement d’une machine frigorifique à compression de vapeur pour conserver la viande et le transporter par Charles Tellier (1828-1913)

Le froid s’élance à la conquête des industries agro-alimentaires : conservation des produits d’origine animale et végétale

Le froid est présent dans les industries métallurgiques, mécaniques, chimiques, spatiales, …

Le froid est un facteur de confort industriel ou individuel (climatisation, froid domestique)

Le froid est présent le domaine médical : fabrication des médicaments, conservation du plasma sanguin, opérations microchirurgicales, …

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3

Rappels et réflexions, …

3

Un travail mécanique peut être intégralement transformé en chaleur (1er principe)Un travail mécanique peut être intégralement transformé en chaleur (1er principe)

Une chaleur ne peut pas être intégralement transformée en travail mécanique (2e principe)Une chaleur ne peut pas être intégralement transformée en travail mécanique (2e principe)

La chaleur est une forme dégradée de l’énergie La chaleur est une forme dégradée de l’énergie

Le 1er principe établit une conservation d’énergie Le 1er principe établit une conservation d’énergie

Le 2e principe précise le sens d’évolution d’une transformationirréversible Le 2e principe précise le sens d’évolution d’une transformationirréversible

Énoncé de Clausius « le passage de la chaleur d’un corps froid à un corps chaud n’a jamais lieu spontanément ou sans compensation »Énoncé de Clausius « le passage de la chaleur d’un corps froid à un corps chaud n’a jamais lieu spontanément ou sans compensation »

Énoncé de Kelvin « un système qui parcourt un cycle mono-thermique, en contact avec une seule source de chaleur est incapable de fournir de travail »

Énoncé de Kelvin « un système qui parcourt un cycle mono-thermique, en contact avec une seule source de chaleur est incapable de fournir de travail »

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4

Machine frigorifique, PAC

4

Pompe dechaleur

Energie

Tsc

Tsf Tamb=Tsf

Tsc Tamb=

Energie

Machinefrigorifique

Déplacer une quantité de chaleur d'un niveau bas vers un niveau plus élevé de températurecDéplacer une quantité de chaleur d'un niveau bas vers un niveau plus élevé de températurec

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5

Constitution d’une installation frigorifique

5

Composants annexes :le séparateur d’huile (5), le réservoir de liquide (6),

le déshydrateur (7), le voyant liquide (8),

la bouteille d’aspiration (9), le filtre d’aspiration (10)

Composants principaux :le compresseur (1)

le condenseur (2)

le détendeur (3)

l’évaporateur (4)

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6

Diagramme de Mollier

6

Pression (bars)

Enthalpie (kJ/kg)

liquide vapeurliquide + vapeur

point critique

courbe de saturation liquidecourbe de bulle

courbe de saturation vapeurcourbe de rosée

La pression est présentée sur une échelle logarithmique

Chaleur latente

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7

Diagramme de Mollier

7

TerminologieTerminologieLa distinction entre « gaz » et « vapeur » est floue. On parlera de :

« gaz » s’il est improbable qu’il change de phase (l’air ambiant par

exemple);

« vapeur » si la probabilité d’occurrence d’un changement de phase est réelle.

Vapeur saturée : vapeur en équilibre avec du liquide.

Liquide saturé : en équilibre avec sa vapeur.

Pression de saturation : pression à laquelle il y a équilibre entre phases pourune température donnée.

Vapeur surchauffée : vapeur qui n’est pas en équilibre avec du liquide et ne peut donc contenir aucune trace de celui-ci.

Liquide sous-refroidi : liquide qui n ’est pas en équilibre avec de la vapeur etne peut donc contenir aucune trace de celle-ci.

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8

Diagramme de Mollier

8

TcT1c T2< <P

h

SurchauffeSous-refroidissement

Courbes isothermesCourbes isothermes

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9

Diagramme de Mollier

9

Au-delà du point critique•Il n’y a plus de changement de phase•Les isothermes se rapprochent progressivement de la forme hyperbolique, caractéristique d’un gaz idéal

Continuité du passage de l’état liquide à l’état vapeur

(Il n’y a pas de passage brutal entre les deux états)

États métastablesÉtats métastables

En réalité, en décrivant une isotherme, il peut y avoir :•un retard de vaporisation : liquide surchauffé•un retard de condensation : vapeur sous-refroidie

évolution brusque vers l’état d ’équilibre normal dès la présence des germes de condensation ou des sites de nuclééation

RemarquesRemarques

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10

Diagramme de Mollier

10

V1 [dm3/kg]

V2 [dm3/kg]

V1<V2

V3<V4

V3 V4P

h

Courbes isochoresCourbes isochores

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11

Diagramme de Mollier

11

Courbes isentropiquesCourbes isentropiques

P

h

s1 s2 s3 s4< < <

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12

Diagramme de Mollier

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Courbes isotitres en vapeurCourbes isotitres en vapeur

x = 0

x = 1

P

h

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13

Diagramme de Mollier

13Référence

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14

Cycle de référence

14

Hypothèses : IRREVERSIBILITES MINIMALES

Pas de résistances de transfert de matièrePas de résistances de transfert de matière

Pas de pertes de pressionPas de pertes de pression

Échange thermique réversibleÉchange thermique réversible

Échange thermique entre fluide frigorigène et fluides

secondaires dans les échangeurs uniquement

Échange thermique entre fluide frigorigène et fluides

secondaires dans les échangeurs uniquement

Compresseur parfait : adiabatique, réversibleCompresseur parfait : adiabatique, réversible

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15

Cycle de Carnot

0

0

=−

=+−

k

k

o

o

ko

T

Q

T

Q

WQQ

15

La machine idéale de Carnot, réversible et sans frottement a permis de comprendre la conversion de chaleur en travail

(1796-1832)

Le cycle de Carnot est un cycle réversible entre deux sources de chaleur, il est composé de deux isothermes et de deux isentropes

T

s1

23

4

1er PP

2ème PP ok

ooc

TT

T

W

QCOP

==

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16

Cycle de référence

16

4-1 : absorption de chaleur1-2 : élévation température2-3 : rejet de chaleur3-4 : bouclage4 1

23

Évaporateur

Condenseur

CompresseurDétendeur

Haute

Basse

Pression

Pression 1

23

4

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17

Cycle de référence

17

Tsf

p0

δp=0 p0 constante

To=Tsf To constante

ÉvaporateurÉvaporateur

Pour un corps pur ou un mélange azéotrope : T1 = T4= To ; P1 = P4 = Po et X1 = 1

4 1

Aspiration :p et T constantes

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18

Cycle de référence

18

CondenseurCondenseur

δp=0 Pk constante

Tk=Tsc Tk constante

Pour un corps pur ou un mélange azéotrope : T3 = Tk ; P2 = P3 = Pk et X3 = 0

pk

Tsc

Conduite liquide :p et T constantes

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19

Cycle de référence

19

CompresseurCompresseur

Adiabatique + réversible Compression isentropique s1 = s2

pk

1

2

Refoulement compresseur = entrée condenseur

3

po

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20

Cycle de référence

20

DétendeurDétendeur

Wdet non récupéré

Qdet négligeable

Détente isenthalpe

Détente irréversible

pk

1

23

po 4

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21

Cycle de référence

2

14

3

21

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22

Cycle de référence

22

Évaporateur

140 hmhmQo &&& −+=

Condenseur

320 hmhmQk &&& −+=

Détendeur

430 hmhm && −=

Compresseur

210 hmhmW &&& −+=

Variations des énergies cinétique et potentielle sont nulles

Bilans énergétiquesBilans énergétiques

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23

Cycle réel

23

Eau ou air

Eau ou air

8

1

2

34

5

6

7

zone de compression

fluide frigorigène surchauffé

Zone de

désurchauffe

Zone de condensation

Zone

de

sous

-refroid

issem

ent

Zone

de

déte

nte

de 1

00%

liq u

ide

àun

mé l

ange

de

20/3

0 % v

a peu

ret

70/

80%

liqu

i de

Mélange diphasique

Zone d’évaporation

Zone desurchauffe

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24

Cycle réel

24

8 1 θ1> θ8

Ligne d’aspiration

3 2 θ2> θ3

Ligne de refoulement

W&

1

2m&

m&

appQ&

Compresseur

5 4θ5<> θ4

Ligne liquide

Avec pertes thermiques et sans pertes de pressionAvec pertes thermiques et sans pertes de pression

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25

Cycle réel

8 1

22is4

5

6=7

3

25

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26

Cycle réel

26

2

3Pδ

θ∆

Refroidissement

Per te s de p r es si on

Pertes de pression en équivalent de température

Avec pertes thermiques et pertes de pressionAvec pertes thermiques et pertes de pression

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Cycle réel

27

Avec pertes thermiques et pertes de pressionAvec pertes thermiques et pertes de pression

1

2345

6=78

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Les frigorigènes

28

� Fluides naturels

NH3, HC, CO2

� CFC : ChloroFluoroCarbures

Molécules très stables, destructrices d’ozone (ODP élevé), premier frigorigène synthétique

� HCFC : HydroChloroFluoroCarbures

Molécules moins stables que CFC, destructrices d’ozone (ODP faible), fluides de transition

� HFC : Hydrofluorocarbures

ODP = 0, fluides de substitution

CFC/HCFC/HFC participent CFC/HCFC/HFC participent àà ll’’effet de serreeffet de serre

Soumis Soumis àà des contraintes rdes contraintes rééglementairesglementaires

Types de frigorigTypes de frigorigèènes nes

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29

Les frigorigènes

29

� 1930 : CFC

R-12, ...

�1860 : Fluides naturelsCO2 ; SO2 ; NH3Chlorométhane

�1980 : HFCR-134a, ...

�Puis : HCFCR-22

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30

Les frigorigènes

30

� Atomes : C, H, F, (Cl), Br,...

C H F Cl

NomenclatureNomenclature

FF

F F

H H

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31

Les frigorigènes

31

NomenclatureNomenclature

� C ; H ; F ;Cl

� R X Y Z

Nombre de F

Nombre de H+1Nombre de C-1

Refrigerant

R-134a

C = 2 H = 2 F = 4

R- 12

C = 1 H = 0 F = 2

0

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32

Les frigorigènes

32

Reconnaître un CFCReconnaître un CFC

� R - X Y Z

C H FCFC : C, F, Cl ; H = 0

Y=1

Cl

Z ≤ 3

Cl

Z ≤ 5

Cl

Z ≤ 7

Exemple : R11, R12,R13,R14, R113, R114, R115, R116

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33

Les frigorigènes

33

Reconnaître un HCFCReconnaître un HCFC

Exemple : R123, R124, R22, R141a, R142b

� R - X Y Z

C H F

HCFC : C, H, F, Cl ; H ≥≥≥≥ 1

Y ≥≥≥≥ 2 et Cl ≥≥≥≥ 1

Cl

Y+Z ≤ 3

Cl

Y+Z ≤ 5 Y+Z ≤ 7

H H ClH

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34

Les frigorigènes

34

Reconnaître un HFCReconnaître un HFC

Exemple : R32, R23

� Quand X=0 (famille de méthane) Y+Z = 5

� Quand X=1 (dérivés de l’éthane) Y+Z = 7

Exemple : R134a, R125, R152a, R143a

Mélanges zéotropes (Série 400)Mélanges zéotropes (Série 400)

�Un frigorigène zéotrope (ou non-azéotropique) est un mélange dont les compositions en phase liquide et en phase vapeur diffèrent lorsque les deux phases coexistent.

�Ces mélangent se voient attribuer un numéro commençant par 4 et fur et à mesure de leur découverte

Exemple : R404A, R407C, R410A

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35

Les frigorigènes

35

Mélanges azéotropes (Série 500)Mélanges azéotropes (Série 500)

� Un frigorigène azéotrope se comporte comme un fluide pur.

Exemple : R502, R507, R410A

Hydrocarbures (Série 600)Hydrocarbures (Série 600)

Exemple : R600, R600a

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36

Les frigorigènes

36

Les composés inorganiques (Série 700)Les composés inorganiques (Série 700)La règle consiste à rajouter la masse molaire du fluide a près le chiffre 7

NHNH33 : M = 14 + 3: M = 14 + 3

HH22O : M = 2 + 16O : M = 2 + 16

COCO22 : M = 12+ 32: M = 12+ 32

RR--717717

RR--718718

RR--744744

NH3 (60%)+NH3 (60%)+DimDimééthylthyléétherther (40%) : M = 12+ 32(40%) : M = 12+ 32 R723R723

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37

Les frigorigènes

37

Critères de sécurité et d’environnementCritères de sécurité et d’environnement•toxicité ;•inflammabilité ;•effet sur la couche d’ozone;•effet de serre.

Critères technologiques, opérationnels et économiquesCritères technologiques, opérationnels et économiques•masse volumique du liquide élevée = compacité•pression de fonctionnement : Pk modérée et Pk > Patm•propriétés aérauliques et thermiques : viscosité faible et conductivitéthermique élevée ;•compatibilité (huile ; matériaux ; stabilité chimique et thermique) ;•coût et disponibilité.

Critères thermodynamiquesCritères thermodynamiques

•efficacité :12

68

hh

hh

−et chaleur latente, élevés (cycle théorique)

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Technique du froid

&

composants frigorifiques

Technique du froid Technique du froid

&&

composants frigorifiquescomposants frigorifiques

Mohammed YOUBI-IDRISSIChargé de Recherche, CemagrefMohammed YOUBI-IDRISSI

Chargé de Recherche, Cemagref

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Nom de l’événement + date25/11/2006 2

Historique

� 1860 : Fluides naturels :

CO2 ; SO2 ; NH3

Chlorométhane

� 1930 : CFC

R-12, ...

� Puis : HCFC

R-22

� 1980 : HFC

R-134a, ...

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Nom de l’événement + date25/11/2006 3

Nomenclature

� Atomes : C, H, F, (Cl), Br,...

C H F Cl

H H

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Nom de l’événement + date25/11/2006 4

Nomenclature : corps pure

� C ; H ; F ;Cl

� R X Y Z

Nombre de F

Nombre de H+1

Nombre de C-1

Refrigerant

R-134a

C = 2 H = 2 F = 4

R- 12

C = 1 H = 0 F = 2

0

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Nom de l’événement + date25/11/2006 5

Comment reconnaître un CFC ?

� R - X Y Z

C H F CFC : C, F, Cl ; H = 0

Y=1

Cl

Z ≤ 3

Cl

Z ≤ 5

Cl

Z ≤ 7

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Nom de l’événement + date25/11/2006 6

Exemples

R122F 0H 1C

2F 11 01

===

==+=− HC

ClCl

F

F

R1155F 0H 2C

5F 11 11

===

==+=− HC

Cl

FF

FF

F

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Nom de l’événement + date25/11/2006 7

Comment reconnaître un HCFC ?

� R - X Y Z

C H F HCFC : C, F, Cl ; H ≥ 1

Y ≥≥≥≥ 2 et Cl ≥≥≥≥ 1

Y+Z ≤ 3 Y+Z ≤ 5 Y+Z ≤ 7

ClH ClH ClH

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Nom de l’événement + date25/11/2006 8

Exemples

R222F 1H 1C

2F 21 01

===

==+=− HC

ClH

F

F

R1233F 1H 2C

3F 21 11

===

==+=− HC

Cl

FCl

FF

H

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Nom de l’événement + date25/11/2006 9

Comment reconnaître un HFC ?

� R - X Y Z

C H F HFC : C, F, H ; Cl = 0

Y+Z = 5 Y+Z = 7 Y+Z = 9

FH FH FH

Si C = 1 X = 0

Si C = 2 X = 1

Si C = 3 X = 2

R23, R32 R134a, R125, R143a R227ea, R236fa, R245ca

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Nom de l’événement + date25/11/2006 10

Mélange azéotropes/zéotrope

st

rosée

st

rosée

CT à P

CP à T

==

==

bulle

bulle

P

T

�Un mélange azéotrope se comporte comme un fluide pur

�Un mélange zéotrope se comporte comme un fluide pur

st

rosée

st

rosée

CT à P

CP à T

=≠

=≠

bulle

bulle

P

T

( ) ( )

( ) ( ) T n,compositiof pression de glissement : P -

P n,compositiof re températude glissement : - T

rosée

rosée

=

=

bulle

bulle

P

T

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Nom de l’événement + date25/11/2006 11

Diagramme de phase

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Nom de l’événement + date25/11/2006 12

Nomenclature : mélange

�Mélange azéotrope : Série 500

Exemple :

- R502 (HCFC, 48,8%R22 + 51,2%R115) ;

- R507 (HFC, 50% R125+ 50% R143a)

- …

�Mélange zéotrope : Série 400

Exemple :

- R404A (HFC, 44%R125 + 52%R143a+ 4%R134a) ;

- R407C (HFC, 25% R125+23% R32 + 48% R134a)

- R410A (HFC, 50% R125+50% R32)

- …

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Nom de l’événement + date25/11/2006 13

Autres frigorigènes

�Hydrocarbures : Série 600

-Pour un nombre d’atome de carbone égale 1,2, 3, la règle des

frigorigène purs est utilisée : Méthane CH4 (R50), Éthane C2H6 (R170),

Propane C3H8 (R290)

-Pour un nombre d’atome de carbone > 4, on utilise la série 600

Butane R600, Isobutane R600a

�Composés inorganiques : Série 700La règle consiste à utiliser la masse molaire du fluide après le chiffre 7

Exemple :

- Ammoniac NH3 : R717

- CO2 : R744

- Eau : 718

- 60% NH3, 40% DME : R723

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Nom de l’événement + date25/11/2006 14

Choix des frigorigènes

Critères de sécurité et d’environnementCritères de sécurité et d’environnement

•toxicité ;

•inflammabilité ;

•effet sur la couche d’ozone;

•effet de serre.

Critères technologiques, opérationnels et économiquesCritères technologiques, opérationnels et économiques

•masse volumique du liquide élevée = compacité

•pression de fonctionnement : Pk modérée et Pk > Patm

•propriétés aérauliques et thermiques : viscosité faible et conductivité

thermique élevée ;

•compatibilité (huile ; matériaux ; stabilité chimique et thermique) ;

•coût et disponibilité.

Critères thermodynamiquesCritères thermodynamiques

•efficacité :

12

68

hh

hh

−et chaleur latente, élevés (cycle théorique)

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Nom de l’événement + date25/11/2006 15

Les compresseurs frigorifiques

� Rôle du compresseur

Le compresseur a pour rôle d’aspirer les vapeurs venants de l’évaporateur à une pression faible et de refouler à haute pression ces vapeurs comprimées dans le condenseur

� Types de compresseursSur la base de leur fonctionnement, on distingue deux groupes principaux :

-Les compresseurs volumétriques ;* compresseurs à pistons (alternatifs)* compresseurs à palettes (rotatifs) * Compresseurs hélicoïdaux ou à vis (rotatifs)* compresseurs spiroïdaux ou scroll (rotatifs)

-Les compresseur centrifuges (compresseurs à impulsion).

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Nom de l’événement + date25/11/2006 16

Grandeurs caractéristiques

][mn 4

32

ld

=

� Grandeurs géométriques� Grandeurs mécaniques� Grandeurs énergétiques� Grandeurs qualitatifs

1. Grandeurs géométriques

a. Cylindrée C

C’est le volume balayé lors d’une course d’aspiration pendant

un tour de l’arbre

cylindres des nombre :n

[m] course : l

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Nom de l’événement + date25/11/2006 17

Grandeurs caractéristiques

]m[ 60

N n

4

32

sld

Vbal

=

π&

[tr/min]rotation de vitesse: N

b. Débit volume balayé

C’est le volume balayé pendant l’unité du temps, il varie

proportionnellement à la vitesse de rotation du compresseur

�La cylindrée est seule une grandeur purement géométrique

�Le débit volume balayé est souvent exprimé en m3/h

2

2,

1

1,

N

V

N

V balbal&&

=

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Nom de l’événement + date25/11/2006 18

Grandeurs caractéristiques

vηbalasp VV && =

c. Débit volume aspiré

C’est le débit réellement aspiré par le compresseur

[kg/s] vasp′′

= asp

f

Vm

&

&

d. Débit massique

C’est le nombre de kilogrammes de fluide ayant circulé dans

le compresseur pendant une unité de temps

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Nom de l’événement + date25/11/2006 19

Grandeurs caractéristiques

2. Grandeurs mécaniques

Ces caractéristiques découlent du fonctionnement du compresseur et de

l’examen du diagramme de fonctionnement

a. Principe de fonctionnement

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Nom de l’événement + date25/11/2006 20

Grandeurs caractéristiques

a. Principe de fonctionnement

Le piston étant à la fin de sa course d’aspiration (point mort bas), le cylindre est totalement rempli de vapeur à la pression d’aspiration Po

AA

Le piston commence sa course de compression. Les clapets d’aspiration et de refoulement sont fermés. Le Volume diminue et la pression augmente au fur et à mesure

MM

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Nom de l’événement + date25/11/2006 21

Grandeurs caractéristiques

a. Principe de fonctionnement

Lorsque la pression dans le cylindre atteint une pression légèrement supérieure à la pression Pk, les clapets de refoulement s’ouvrent

BB CC

Les vapeurs continuent de s’échapper jusqu’ai ce que le piston atteint le point mort haut. Il reste un volume jamais balayé «espace mort»

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Nom de l’événement + date25/11/2006 22

Grandeurs caractéristiques

balV&

kP

a. Principe de fonctionnement

Le piston amorce sa course de décente, les deux clapets sont fermés. Les clapets d’aspiration s’ouvrent quand la pression est légèrement inférieure à Po. L’espace mort provoque un retard à l’aspiration

DD

BB

AA

CC

DD

PP

VV

oP

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Nom de l’événement + date25/11/2006 23

Grandeurs caractéristiques

( )( )( )∫ −=

−=

−=

=

dlAPP

dlAPPdW

APPF

lFW

i

i

W

0i

0

0

kP

oP

b. Travail indiqué Wi

BB

AA

CC

DD

PP

VV

1l2l

Travail indiqué = aire ABCDA

c. Puissance indiquée

60

NWW ii =&

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Nom de l’événement + date25/11/2006 24

Grandeurs caractéristiques

evbalv

o

evo

hv

VQ

hmQ

∆′′

=

∆=

&&

&&

η

3. Grandeurs énergétiques

a. Puissance frigorifique

Puissance frigorifique délivrée par un compresseur dépend de :- Caractéristiques géométriques du compresseur- Caractéristiques physiques du fluide frigorigène- Conditions de température et de pression HP et BP- Rendement volumétrique

b. Production frigorifique volumétrique

v

hQ ev

v ′′∆

=

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Nom de l’événement + date25/11/2006 25

Grandeurs caractéristiques

o

k

P

P=τ

4. Grandeurs qualitatives

a. Taux de compression

b. Rendements du compresseur

weff

Compresseur

wfm

wirr

wfm

wfl

qa

h1

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Nom de l’événement + date25/11/2006 26

Grandeurs caractéristiques

��Bilan Bilan éénergnergéétiquetique

021 =−−+ aeff qhmhmW &&&&

BILAN FLUIDE

ηi

wth

wp

= ηis

hishr

=∆

��Rendement indiquRendement indiquéé ��Rendement isentropiqueRendement isentropique

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Nom de l’événement + date25/11/2006 27

Grandeurs caractéristiques

��Rendement mRendement méécaniquecanique

ηm

wp

weff

=énergie utile réelle

énergie consommée

''Qualité" compresseur

Compresseur parfait

compresseur réel

Transformation globale

ηeff

wth

weff

=

��Rendement effectifRendement effectif

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Technique du froid &

composants frigorifiques

Technique du froid Technique du froid &&

composants frigorifiquescomposants frigorifiques

Mohammed YOUBI-IDRISSI

Chargé de Recherche, Cemagref

Mohammed YOUBI-IDRISSI

Chargé de Recherche, Cemagref

LICENCE PROFESSIONNELLE MANAGEMENT DE LA CHAÎNE DU FROID - TRANSPORT ET LOGISTIQUE

3ème Cours, 2006

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Nom de l’événement + date06/12/2006 2

Technologie des compresseurs

Sur la base de leur fonctionnement, on distingue deux groupes principaux :

- Les compresseurs volumétriques ; où la compression du fluide frigorigène se fait par réduction du volume de la chambre de compression :

* compresseurs à pistons (alternatifs)* compresseurs à palettes (rotatifs) * compresseurs hélicoïdaux ou à vis (rotatifs)* compresseurs spiroïdaux ou scroll (rotatifs)

- Les compresseur centrifuges (compresseurs à impulsion) ; où la compression du fluide est créée par la force centrifuge générée par une roue à aubes. On parle de turbocompresseur.

On les distingue également par l'association moteur-compresseur

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Nom de l’événement + date06/12/2006 3

Technologie des compresseurs

Le compresseur ouvert, où le moteur est dissocié du compresseur et raccordé par un manchon ou une courroie. L'accès aux différents éléments est possible pour réparation et la vitesse de rotation est modifiable en changeant la poulie du moteur. Mais ces deux avantages (fort théoriques...) ne compensent pas le défaut majeur de l'existence d'un joint d'étanchéitérotatif à la traversée du carter par l'arbre. Ce joint, qui doit être lubrifiépour assurer l'étanchéité, est source de fuites... inacceptables aujourd'hui dans un contexte "zéro-fuite".

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Nom de l’événement + date06/12/2006 4

Technologie des compresseurs

Le compresseur hermétique, où moteur et compresseur sont enfermés dans une même enveloppe. Le joint tournant disparaît et avec lui le risque de fuite. Mais des contraintes nouvelles apparaissent, dont le fait que le refroidissement du moteur est réalisé par le fluide frigorigène lui-même. Le compresseur hermétique est couramment utilisé pour les petites et moyennes puissances : froid domestique, climatiseurs, armoires de climatisation, pompes à chaleur, ...

L’échauffement du compresseur hermétique est préjudiciable au cycle frigorifique puisque la température àl'aspiration du compresseur augmente. De plus, si le moteur vient à griller, c'est l'ensemble du circuit frigorifique qui sera pollué : un nettoyage complet du circuit doit être réalisé si l'on veut éviter de nouveaux ennuis. En cas de problème, il n'est plus possible de réparer

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Nom de l’événement + date06/12/2006 5

Technologie des compresseurs

Le compresseur semi-hermétique, qui réalise un compromis entre les deux produits précédents. Il tente de bénéficier des avantages du groupe ouvert (accès aux mécanismes) et du groupe hermétique (limitation des fuites). Mais l'étanchéité reste imparfaite (nombre de joints non négligeable) et le prix est sensiblement plus élevé que pour le compresseur hermétique. Le compresseur semi-hermétique est utilisé pour les moyennes puissances.

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Nom de l’événement + date06/12/2006 6

Technologie des compresseurs

Compresseurs à pistons�Le compresseur à pistons a besoin d'être lubrifié en permanence. La partie inférieure du carter forme réserve d'huile. La pression régnant dans le carter est la pression d'aspiration. La pompe à huile délivre une pression supérieure de 0.5 à 4 bars à la pression régnant dans le carter.

�Le compresseur à piston est très sensible à l'arrivée de fluide liquide : si quelques gouttes de liquide pénètrent au niveau des soupapes, elles en provoquent une usure lente. Si du fluide liquide pénètre en grande quantité, la destruction des clapets est immédiate. De là, les protections anti-coups de liquide adoptées (ressort puissant sur le chapeau de cylindre, capable de se soulever en cas d'arrivée de liquide).

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Nom de l’événement + date06/12/2006 7

Technologie des compresseurs

Compresseur spiro-orbital, dit "scroll"�Le compresseur SCROLL est composé de deux rouleaux identiques en forme de spirale. Le premier est fixe, le second décrit un mouvement circulaire continu sans tourner sur lui même. Les spirales sont déphasées de 180°.

�Le mouvement orbital entraîne le déplacement vers le centre des poches de gaz, ce déplacement est accompagné d'une réduction progressive de leur volume jusqu'à disparition totale.

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Nom de l’événement + date06/12/2006 8

Technologie des compresseurs

Avantages et inconvénients du compresseur "scroll"�une réduction des pièces mécaniques en mouvement (suppression des clapets) et donc une plus grande fiabilité, �un rendement volumétrique d'un compresseur assez bon grâce à l'absence d'espaces morts, comme dans les compresseurs à pistons, �une meilleure modulation de puissance, �une plus grande longévité,

�un niveau sonore nettement plus favorable (moins de vibrations), surtout pour les appareils hermétiques, �une moindre sensibilité aux entrées de fluide frigorigène liquide ("coups de liquide" destructeurs des compresseurs àpistons), �un coût de maintenance également plus faible, puisque le risque de panne est diminué.

�un coût élevé�puissance limitée (<50kW)

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Nom de l’événement + date06/12/2006 9

Technologie des compresseurs

Compresseur à vis�le fluide frigorigène gazeux est comprimé par une vis hélicoïdale (un peu comme dans un hache-viande) tournant à grande vitesse. Le compresseur est entraîné par un moteur électrique.�Le rendement volumétrique d'un compresseur à vis est bon grâce à l'absence d'espaces morts, comme dans les compresseurs à pistons. Cette propriété permet d'assurer des taux de compression élevés avec un bon rendement volumétrique. �Le compresseur à vis doit être abondamment lubrifié, pour assurer l'étanchéitéentre les pièces en mouvement et pour réduire le niveau sonore, mais aussi pour refroidir le fluide frigorigène : on peut alors atteindre des taux de compression élevés (jusqu'à 20) sans altérer le fluide frigorigène.

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Nom de l’événement + date06/12/2006 10

Technologie des compresseurs

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Nom de l’événement + date06/12/2006 11

Lubrification et lubrifiants

Hormis les compresseurs secs, toutes les catégories de compresseurs évoquées auparavant ont besoin d’ une lubrification

Rôles de l’huile de lubrification

� La lubrification des pièces mécaniques en mouvement du compresseur :

pistons, bielle-manivelle, clapets, ...

� Élément d ’étanchéité : cylindre / piston ou inter-lobes des vis

� Refroidissement

� Évacuation des dépôts

� Réduction du bruit

� La lubrification des pièces mécaniques en mouvement du compresseur :

pistons, bielle-manivelle, clapets, ...

� Élément d ’étanchéité : cylindre / piston ou inter-lobes des vis

� Refroidissement

� Évacuation des dépôts

� Réduction du bruit

Types d’huile

� Les huiles minérales : utilisées avec les CFC et les fluides naturels

� Les huiles AB : utilisées avec les HCFC

� Les huiles synthétiques (POE, PAG, PVE) : utilisées avec les HFC

� Les huiles minérales : utilisées avec les CFC et les fluides naturels

� Les huiles AB : utilisées avec les HCFC

� Les huiles synthétiques (POE, PAG, PVE) : utilisées avec les HFC

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Nom de l’événement + date06/12/2006 12

Lubrification et lubrifiants

Caractéristiques principales

� La miscibilité avec le fluide frigorigène utilisé dans le circuit

� Viscosité pour assurer un film d’huile suffisant pour la lubrification

� Le point de figeage : la température à laquelle l’huile coule encore

� Indice de désémulsion : pour pallier les problèmes de moussage

� La miscibilité avec le fluide frigorigène utilisé dans le circuit

� Viscosité pour assurer un film d’huile suffisant pour la lubrification

� Le point de figeage : la température à laquelle l’huile coule encore

� Indice de désémulsion : pour pallier les problèmes de moussage

Choix de l’huile

Il résulte d’un compromis de plusieurs paramètres

� Température de figeage basse ;

� Huile non hygroscopique ;

� Viscosité suffisante en haute température et faible en basse température ;

� Faible solubilité du frigorigène dans l’huile

Choix de l’huile

Il résulte d’un compromis de plusieurs paramètres

� Température de figeage basse ;

� Huile non hygroscopique ;

� Viscosité suffisante en haute température et faible en basse température ;

� Faible solubilité du frigorigène dans l’huile

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Nom de l’événement + date06/12/2006 13

Lubrification et lubrifiants

Entraînement d’huile : comment ?

A l’arrêt de la machine :

�la température dans l ’évaporateur augmente : désorption du frigorigène

�la température dans le carter diminue : absorption du frigorigène

�équivalence de pression : niveau du liquide dans le carter augmente (d’autant plus) :

-si la température du carter est plus froide

-si l ’arrêt est plus long

-si le rapport de la masse volumique frigorigène/huile > 1

A la mise en marche

�chute rapide de pression dans le carter

�désorption du frigorigène et moussage intense

�départ de l’huile dans le circuit : coup d ’huile

Recommandation : chauffage pendant l’arrêt ou isolement du compresseur

EntraEntraîînement dnement d’’huile : comment ?huile : comment ?

A l’arrêt de la machine :

�la température dans l ’évaporateur augmente : désorption du frigorigène

�la température dans le carter diminue : absorption du frigorigène

�équivalence de pression : niveau du liquide dans le carter augmente (d’autant plus) :

-si la température du carter est plus froide

-si l ’arrêt est plus long

-si le rapport de la masse volumique frigorigène/huile > 1

A la mise en marche

�chute rapide de pression dans le carter

�désorption du frigorigène et moussage intense

�départ de l’huile dans le circuit : coup d ’huile

Recommandation : chauffage pendant lchauffage pendant l’’arrêt ou isolement du compresseurarrêt ou isolement du compresseur

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Nom de l’événement + date06/12/2006 14

Lubrification et lubrifiants

Retour d’huile : recommandations Retour dRetour d’’huile : recommandations huile : recommandations

Vitesse < 2,5 m/s

Vitesse > 2,5 m/s

Accumulation d’huile

L’huile avance

Vitesse < 5 m/s Vitesse > 5 m/s

L ’huile retombe

par gravitéL ’huile monte

normalement

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Nom de l’événement + date06/12/2006 15

Sélection du compresseur

La sLa séélection du compresseur est une lection du compresseur est une éétape importante dans le tape importante dans le dimensionnement ddimensionnement d’’une machine frigorifiqueune machine frigorifique

Généralement

Le cahier de charge est défini pour un point nominal de

fonctionnement :

� puissance frigorifique requise ;

� température d’évaporation ;

� température de condensation ;

� données du cycle frigorifique ;

� fluide frigorigène.

La dLa déémarche consiste marche consiste àà choisir le compresseur adchoisir le compresseur adééquat quat àà partir partir des catalogues de des catalogues de compressoristescompressoristes

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Nom de l’événement + date06/12/2006 16

Sélection du compresseur

DonnDonnéées constructeures constructeur

� Fluide frigorigène : défini

� Conditions du cycle frigorifique : 20°C à l’aspiration du

compresseur et sans sous-refroidissement

� Données techniques : volume balayé, poids, charge en huile,

raccord HP et BP, niveau sonore, …

� Performances

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Nom de l’événement + date06/12/2006 17

Sélection du compresseur

Cycle constructeur, cycle rCycle constructeur, cycle rééelel

1*1*

2*2*3*3*

4*4*

20°C

11

22334455

6=76=788

PP

hh

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Nom de l’événement + date06/12/2006 18

Sélection du compresseur

6,8hmQo ∆= &&

"1vmVasp && =

bal

asp

vV

V

&

&

Cycle réel

Hypothèse : le rendement volumétrique ne dépend que du taux de compression

*vv ηη =

∆=

=

=

"*1

"1

6,8

*4*,1*

"1

"*1

*

*

v

v

h

hQQ

vmvm

VV

oo

aspasp

&&

&&

&&

c.à.d.

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Nom de l’événement + date06/12/2006 19

Sélection du compresseur

* oQ&

Le choix du compresseur (volume balayé) se fait donc dans les

tables données par le constructeur à partir de :

pour avoir une puissance frigorifique la plus proche de :

ko TT et

Le compresseur étant sélectionné, quelle est la puissance frigorifique réellement fournie ?

∆=

"1

"*1

*4*,1

6,8*

v

v

h

hQQ oo&&

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Nom de l’événement + date06/12/2006 20

Température réelle de refoulement

effW& pQ&

1h

2h

fm&

fm&

Bilan compresseur

( )

( ) ( )12

12

1

hhmW

WQ

hhmQW

eff

effp

peff

−=−

=

−=−

&&

&&

&&&

ξ

ξ

( )

( )1212

12

1hhhh

hhmW

is

eff

eff

is

eff

−−

+=

−=

η

ξ

η

&&

La tempLa tempéérature rrature rééelle de refoulement est calculelle de refoulement est calculéée e àà partir de HP et h2partir de HP et h2

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Nom de l’événement + date06/12/2006 21

Composants frigorifiques annexes

Circuit Haute pression

�Séparateur d’huile

�Réservoir liquide

�Déshydrateur

�Filtre

�Amortisseurs de vibration

�Circuit basse pression

�Filtre

�Séparateur liquide

�Bouteille d’aspiration (anti-coup de liquide)

Circuit Haute pression

�Séparateur d’huile

�Réservoir liquide

�Déshydrateur

�Filtre

�Amortisseurs de vibration

�Circuit basse pression

�Filtre

�Séparateur liquide

�Bouteille d’aspiration (anti-coup de liquide)

Les composants suivants ont pour rôle d’assurer un fonctionnement correct du circuit frigorifique

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Nom de l’événement + date06/12/2006 22

SSééparateur dparateur d’’huile huile

Rôle

Empêcher au maximum la circulation de cette huile dans le circuit

frigorifique, la piéger et la renvoyer au carter du compresseur

Montage

Vertical, au plus près du compresseur, favoriser l’élévation de température

Description

Le séparateur se décompose en deux parties :

- la partie haute sert a séparer l'huile du fluide frigorigène.

- la partie basse sert de réservoir d'huile.

Procédés de séparation

-par changement brusque de direction et de vitesse

-par choc sur les parois

- par force centrifuge

Composants frigorifiques annexes

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Nom de l’événement + date06/12/2006 23

RRééservoir de liquide servoir de liquide

Rôle

� alimenter le détendeur en liquide de façon permanente à l'aide de son tube plongeur ;

� compenser les variations de demande en liquide au détendeur ;

� stocker le fluide frigorifique en cas d'intervention sur le circuit BP grâce a sa vanne

de service.

Sélection

La capacité de la bouteille doit permettre de stocker la charge totale en f.f. ±20%

Composants frigorifiques annexes

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Nom de l’événement + date06/12/2006 24

Lubrification et lubrifiants

DDééshydrateurshydrateur

Rôle : Il élimine efficacement

� L'humidité: elle est absorbée et emmagasinée. Le déshydrateur empêche ainsi la

formation de glace au détendeur.

� Les acides nuisibles. Il emmagasine les acides nuisibles se produisant dans le circuit

frigorifique empêchant ainsi toute corrosion.

� Les particules étrangères: ce sont les boues et produits de décomposition de l'huile.

Montage

Sur la tuyauterie liquide, verticalement de préférence

Il faut tenir le déshydrateur obturé jusqu'au moment du montage

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Nom de l’événement + date06/12/2006 25

Voyant liquide Voyant liquide Rôle

�Détecter la présence de bulle dans la ligne liquide de l’installation

� Vérifier le bon fonctionnement du retour d’huile

� Indiquer le niveau dans les bouteilles

�Indiquer la teneur en humidité du fluide frigorigène

Montage

Le voyant de liquide se monte entre le détendeur et le déshydrateur

Composants frigorifiques annexes

Fonctionnement

�La couleur verte apparaît lorsque la quantité d'eau contenue dans le fluide est

inférieure à la quantité d'eau maximale admissible.

� La couleur jaune nous garantit avec certitude des effets nuisibles provenant de

l'humidité

� Lorsque la couleur jaune apparaît, il faut remplacer le déshydrateur

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Technique du froid &

composants frigorifiques

Technique du froid Technique du froid &&

composants frigorifiquescomposants frigorifiques

Mohammed YOUBI-IDRISSIChargé de Recherche, Cemagref

Mohammed YOUBI-IDRISSIChargé de Recherche, Cemagref

LICENCE PROFESSIONNELLE MANAGEMENT DE LA CHAÎNE DU FROID - TRANSPORT ET LOGISTIQUE

4ème Cours, 2006

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Nom de l’événement + date18/12/2006 2

Echangeurs thermiques

Échangeurs thermiques :

- systèmes de transmission de la chaleur d'un fluide chaud vers un fluide

froid

- Présents à 90% dans les procédés industriels (chimie, agroalimentaire,

énergie, …)

Échangeurs thermiques :

- systèmes de transmission de la chaleur d'un fluide chaud vers un fluide

froid

- Présents à 90% dans les procédés industriels (chimie, agroalimentaire,

énergie, …)

- fluide : vapeur, gaz, liquide, mélange liquide/vapeur, ...

- fluide chaud : cède de la chaleur

- fluide froid : absorbe de la chaleur

Modes de transfert de chaleur :Modes de transfert de chaleur :- conduction (à l'intérieur des solides), convection (fluide en mouvement) et rayonnement (à travers les gaz/vapeurs)

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Nom de l’événement + date18/12/2006 3

Echangeurs thermiques

Classification des échangeurs

- nature des fluides

- technologique : tubes, à plaques, canaux, caloducs, directs, …

- fonctionnel : avec ou sans changement de phase, co-courant,

contre courant, courant croisé, …

- niveaux de température

- compacité (700m²/m3), matériaux, mode de transfert, ...

Classification des échangeurs

- nature des fluides

- technologique : tubes, à plaques, canaux, caloducs, directs, …

- fonctionnel : avec ou sans changement de phase, co-courant,

contre courant, courant croisé, …

- niveaux de température

- compacité (700m²/m3), matériaux, mode de transfert, ...

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Nom de l’événement + date

Echangeurs thermiques

Echangeurs avec ou sans changement de phase

�chaleur sensible : conduit à une variation de température

�chaleur latente : produit un changement de phase

�chaleur sensible : conduit à une variation de température

�chaleur latente : produit un changement de phase

SANS CHANGEMENT DE PHASE

chaleur sensible seule

AVEC CHANGEMENT DE PHASE

chaleur latente et/ou sensible

�évaporateur : le fluide froid s'évapore

�condenseur : le fluide chaud se condense

�évaporateur : le fluide froid s'évapore

�condenseur : le fluide chaud se condense

18/12/2006 4

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Nom de l’événement + date

Echangeurs thermiques

Echangeurs à paroi

COURANTS PARALLELES

fluide chaud fluide chaud

fluide froidfluide froid

• co-courants• antiméthodique• équicourant

• contre-courants • méthodique

COURANTS CROISESnombre de passes

• contre-courants • méthodique

• co-courants• antiméthodique• équicourant

18/12/2006 5

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Nom de l’événement + date

Echangeurs thermiques

Echangeurs tubulaires

Mono-tubulaireMono-tubulaire

Multitubulaire : tubes concentriquesMultitubulaire : tubes concentriques

Multitubulaire immergésMultitubulaire immergés

18/12/2006 6

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Nom de l’événement + date

Echangeurs thermiques

Multitubulaire tube et calandreMultitubulaire tube et calandre

- classe A : à boite fixe, conditions inhabituelles d ’utilisation (gaz toxique) - classe B : à boite flottante, conditions classiques - classe C : à tubes en U, applications à faible risque

3 classes3 classes

Boîte : distributeur + collecteur du fluideBoîte : distributeur + collecteur du fluide

Calandre : enveloppe métallique compatible avec le fluide Calandre : enveloppe métallique compatible avec le fluide

Plaques tubulaires : supports des tubesPlaques tubulaires : supports des tubes

18/12/2006 7

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Nom de l’événement + date

Echangeurs thermiques

Tubes : diamètre normalisé et longueur standard(2,44 / 3,05 / 3,66 / 4,88 / 6,1)

Tubes : diamètre normalisé et longueur standard(2,44 / 3,05 / 3,66 / 4,88 / 6,1)

Facilité de maintenance Compacte et économique

Chicanes : augmentation de la turbulence et de la rigidité, mais dPChicanes : augmentation de la turbulence et de la rigidité, mais dP

Segments Barreaux Disques

18/12/2006 8

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Nom de l’événement + date

Echangeurs thermiques

Echangeurs à spirales

�faible encrassement (force centrifuge)

�bon échange thermique (effet de "swirl")

�démontable

�faible encrassement (force centrifuge)

�bon échange thermique (effet de "swirl")

�démontable

18/12/2006 9

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Nom de l’événement + date

Echangeurs thermiques

FonctionnementFonctionnement

Echangeurs à plaques

18/12/2006 10

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Nom de l’événement + date

Echangeurs thermiques

Echangeurs à plaques

Échangeurs à plaques et joints

- pression limitée (15 à 20 bars)

- température <150°C

- cannelures droites, à chevrons, ...

Échangeurs à plaques et joints

- pression limitée (15 à 20 bars)

- température <150°C

- cannelures droites, à chevrons, ...

Échangeurs à plaques soudées ou brasées Échangeurs à plaques soudées ou brasées

300°C

40 bars

18/12/2006 11

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Nom de l’événement + date

Echangeurs thermiques

Echangeurs en tubes et ailettes

Ailettes continues ou indépendantesAilettes continues ou indépendantes

Nombre des circuits et des nappesNombre des circuits et des nappes

Surface externe / interneSurface externe / interne

Surface frontale Surface frontale

Perméabilité : SF/Surface exposéePerméabilité : SF/Surface exposée

Circuitage : dP , configuration de la machineCircuitage : dP , configuration de la machine

18/12/2006 12

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Nom de l’événement + date

Echangeurs en mini-canaux

Mini-canaux (< 1mm) , micro-canaux (2 à 5 mm) Mini-canaux (< 1mm) , micro-canaux (2 à 5 mm)

circulaires rectangulaires

triangulaires rectangulaires

rainurées Avantages

- gain de poids et de compacité (aluminium) + facilité de recyclage

- réduction en quantité de fluide, en perte de charge coté air

- pressions de services élevées

Avantages

- gain de poids et de compacité (aluminium) + facilité de recyclage

- réduction en quantité de fluide, en perte de charge coté air

- pressions de services élevées

Inconvénient : prix élevéInconvénient : prix élevé

Echangeurs thermiques

18/12/2006 13

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Nom de l’événement + date

Echangeurs à ruissellement

Echangeurs thermiques

18/12/2006 14

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Nom de l’événement + date

Problèmes de fonctionnement

Encrassement : accumulation d’éléments solides indésirables en surface

- particulière : poussière, fumée, …

- entartrage

- biologique (microorganismes) ou par réaction chimique ( pétrochimie)

Encrassement : accumulation d’éléments solides indésirables en surface

- particulière : poussière, fumée, …

- entartrage

- biologique (microorganismes) ou par réaction chimique ( pétrochimie)

Corrosion

- chimique ou électrochimique, partielle ou généralisée

- contraintes mécaniques, stagnation, variation locale de T°, …

Corrosion

- chimique ou électrochimique, partielle ou généralisée

- contraintes mécaniques, stagnation, variation locale de T°, …

Vibrations

- vitesse -20% de Vcritique , plaques entre chicanes, …

Vibrations

- vitesse -20% de Vcritique , plaques entre chicanes, …

18/12/2006 15

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Nom de l’événement + date

Coefficient d’échange global

Surface de référence

- interne

Surface de référence

- interne

e

i

ei

ei

i D

D

hDDD

h

K 1ln

2

1

11

+

+

=

λ

18/12/2006 16

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Nom de l’événement + date

NUT et Efficacité

Action sur KS : dépend des fluides et de la géométrieAction sur KS : dépend des fluides et de la géométrie

LMTKSQ ∆=&

Action sur DTLM : efficacitéAction sur DTLM : efficacité

( ) ( )

−−−=∆

fecs

fsce

fecsfsce

LM

TT

TT

TTTTT

ln

Pour amPour amééliorer la puissance :liorer la puissance :

18/12/2006 17

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Nom de l’événement + date

NUT et Efficacité

Pour un échangeur infiniment long : le fluide qui a une capacité

minimum, subite la plus grande variation de température

Pour un échangeur infiniment long : le fluide qui a une capacité

minimum, subite la plus grande variation de température

( ) ( )efecp TTcmQ −=minmax &&

Efficacité :Efficacité :

efec

efsf

efec

scec

max TT

TTou

TT

TTE

−==

φφ

( )

R

eE

RNUT

+−

=+−

1

1 1 ( )

( ) 1

1

1

1

−=

−−

−−

RNUT

RNUT

Re

eE

co-courant contre courant

Avec : Avec : minC

KSNUT =

max

min

C

CR =

18/12/2006 18

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Nom de l’événement + date

NUT et Efficacité

Problème 2

S, K, Cmin, Cmax , T° entrée. T° sortie +

Problème 2

S, K, Cmin, Cmax , T° entrée. T° sortie + Q&

Problème 1

1- calcul de l’efficacité

2- calcul de NUT

3- calcul de S

1- calcul de puissance

2- calcul de DTLM

3- calcul de S

Problème 2

1- calcul de NUT

2- calcul de l’efficacité

3- calcul de T° de sortie

4- calcul de la puissance

1- estimation des T° de sortie

2- calcul de DTLM

3- calcul de la puissance

4- déduction des T° de sortie

5- comparaison et itération

Problème 2 est le plus rencontré : NUT est la mieux adaptée

Problème 1

K, Cmin, Cmax , T° e/s. S ?

Problème 1

K, Cmin, Cmax , T° e/s. S ?

18/12/2006 19

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Nom de l’événement + date

Evaporateurs

Point 1Point 1 : Fluide sous-refroidi

Point 2Point 2 : Fluide détendu, une partie du liquide se vaporiseTitre en vapeur : 20 à 30%

Point 3Point 3 : Disparition de la dernière goute de liquide Titre en vapeur 100%

Entre 3 et 4Entre 3 et 4 : zone de surchauffe

Evaporateur à détente directe

CôtCôtéé frigorigfrigorigèène ne

18/12/2006 20

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Nom de l’événement + date

Evaporateurs

Kàes 10 6=∆θKàoae 02 15=−θθ

� Le fluide se refroidie, la différence de température dépend de l’efficacité de l’échangeur et des échanges thermiques entre le frigorigène et le fluide secondaire.

Dans beaucoup d’applications courantes, on rencontre les évaporateurs refroidisseurs d'air :� En climatisation :

�En froid commercial :

Evaporateur à détente directe

CôtCôtéé fluide secondaire fluide secondaire

Kàes 5 3=∆θKàoae 01 6=−θθ18/12/2006 21

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Nom de l’événement + date

Evaporateurs

Evaporateur noyés

sans recirculation à regorgement

vapeurvers compresseur

liquidefrigorigène

Avec recirculation

vers compresseur

liquide

séparateurchambrefroide

pompe

18/12/2006 22

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Nom de l’événement + date

Evaporateurs

Evaporateur refroidisseurs de liquide

Evaporateurs à immersion Evaporateurs à immersion

�évaporateurs les plus anciens utilisés dans le froid

�fluide frigorigène à l'intérieur des tubes, évaporateurs à surchauffe

�évaporateurs les plus anciens utilisés dans le froid

�fluide frigorigène à l'intérieur des tubes, évaporateurs à surchauffe

�fluide frigorigène à l'intérieur

ou à l'extérieur,

� évaporateurs à surchauffe ou

noyés

�fluide frigorigène à l'intérieur

ou à l'extérieur,

� évaporateurs à surchauffe ou

noyés

Evaporateurs multitubulaires Evaporateurs multitubulaires

18/12/2006 23

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Nom de l’événement + date

Evaporateurs

Evaporateur refroidisseurs de gaz

air

vapeur

liq. frigo.

différents typesd'ailettes

Evaporateur plafonnier Evaporateur mural

18/12/2006 24

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Nom de l’événement + date

Evaporateurs

Evaporateur refroidisseurs de gaz

Evaporateurs pour le froid domestique

Givrage / dégivrage Givrage / dégivrage

CTT roséeparoi °<< 0

Condition

d’apparition du givreCondition

d’apparition du givre

Procédés de dégivrage :

-par résistance électrique

-par gaz chauds

-par inversion de cycle

Procédés de dégivrage :

-par résistance électrique

-par gaz chauds

-par inversion de cycle

18/12/2006 25

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Nom de l’événement + date

Condenseurs

Fonctionnement d’un condenseur

CôtCôtéé frigorigfrigorigèène ne

Point APoint A : les vapeurs surchauffées entrent dans le condenseur

Point BPoint B : les vapeurs attiennent la température de condensation

Point CPoint C : disparition de la dernière bulle de vapeur (fin de condensation)

Point DPoint D : le liquide est sous refroidi

18/12/2006 26

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Nom de l’événement + date

Condenseurs

Fonctionnement d’un condenseur

CôtCôtéé fluide secondaire fluide secondaire

� Le fluide se réchauffe, la différence de température dépend de l’efficacité de l’échangeur et des échanges thermiques entre le frigorigène et le fluide secondaire.

�Pour les condenseurs à air :

�Pour les condenseurs à eau :

Kàes 10 5=∆θKàoae 02 10=−θθ

Kàes 15 5=∆θKàoae 02 10=−θθ

18/12/2006 27

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Nom de l’événement + date

Condenseurs

Condenseurs à air

Les plus utilisés

- gratuité de l'air

- pas de risque de gel- gratuité de l'air

- pas de risque de gel

-échange thermique médiocre, ailettes souvent nécessaires

- encombrement important

- circulation d'air souvent nécessaire

- température variable selon les saisons

- efficacité diminue avec l'altitude

- risque d'encrassement par poussière entre les ailettes

-échange thermique médiocre, ailettes souvent nécessaires

- encombrement important

- circulation d'air souvent nécessaire

- température variable selon les saisons

- efficacité diminue avec l'altitude

- risque d'encrassement par poussière entre les ailettes

Avantages Inconvénients

18/12/2006 28

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Nom de l’événement + date

Condenseurs

Condenseurs à eau

Condenseurs à eau verticaux

-Ils sont destinés à la construction d'armoire de

conditionnement d'air et de pompe à chaleur.

-Ils offrent la possibilité de stockage du fluide frigorigène

-Ils sont destinés à la construction d'armoire de

conditionnement d'air et de pompe à chaleur.

-Ils offrent la possibilité de stockage du fluide frigorigène

Condenseurs tube en tube -Ils sont constitués par deux tubes enfilés l’un dans l’autre.

-Le fluide frigorigène circule entre les deux tubes.

-Avec ce type de condenseur il faut utiliser un réservoir de liquide.

-Ils sont constitués par deux tubes enfilés l’un dans l’autre.

-Le fluide frigorigène circule entre les deux tubes.

-Avec ce type de condenseur il faut utiliser un réservoir de liquide.

Condenseurs multitubulaires

-eau à l'intérieur des tubes

-condensation autour des tubes dans la calandre-eau à l'intérieur des tubes

-condensation autour des tubes dans la calandre

18/12/2006 29

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Nom de l’événement + date

Condenseurs

Condenseurs à eau

Avantages Inconvénients

- bon échange thermique : faible

encombrement

- température relativement constante dans

l'année

- récupération de la chaleur cédée à l'eau aisée

- peu bruyants

- bon échange thermique : faible

encombrement

- température relativement constante dans

l'année

- récupération de la chaleur cédée à l'eau aisée

- peu bruyants

- forte consommation d'eau (eau perdue)

coût, réglementation

- entretien et maintenance (corrosion,

entartrage)

- protection contre le gel

- forte consommation d'eau (eau perdue)

coût, réglementation

- entretien et maintenance (corrosion,

entartrage)

- protection contre le gel

18/12/2006 30

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Nom de l’événement + date

Condenseurs

Condenseurs évaporatifs

Contact air/eau

Évaporation d’une partie d’eau

Humidification d’air

18/12/2006 31

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Nom de l’événement + date

Condenseurs

( ) KàapprocheTT

KTT

KT

airheaue

eausk

eau

73

5

5

,,

,

≈−

=−

=∆

Condenseurs évaporatifs

Consommation d'eau 50 à 100 fois plus faible que pour un circuit à eau perdue

TTkk

TTe,eaue,eau

TTs,eaus,eau

TTh,airh,air

approcheapproche

18/12/2006 32

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Nom de l’événement + date

Coef. d’ échange K :ordre de grandeur

18/12/2006 33

Coefficient global

d'échange (W /m ².K)

Évaporateur à plaques Largeur entre plaques : 2 m m 1250

Condenseur à plaques Largeur entre plaques : 2 m m 2400

Diam ètre des tubes9 m m 14007 m m 14504 m m 1500

Diam ètre des tubes9 m m 11007 m m 11504 m m 1200

Tube lisse de diam ètre 15 m m 1700Tube à ailettes de D = 15 m m 3500

Condenseur extra-tubulaire

Type d'échangeur Caractéristiques géom étriques

Évaporateur intra-tubulaire

C ondenseur intra-tubulaire

situation physique Coefficient d’échange partiel en W/m2.K

Air en convection naturelle 5-10Air en convection forcée 30-80Eau en convection forcée 3000-10000

HFC en évaporation à convection forcée 1000-5000Ammoniac en évaporation 5000-10000

HFC en condensation à convection forcée 1000-3000

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Nom de l’événement + date

Récapitulatif

18/12/2006 34

•Charge de fluide frigorigène élevée

•Médiocre coefficient de transfert (nécessité de

tubes améliorés)

•Construction de la calandre à la pression du

fluide frigorigène (forte pression)

•Peut très difficilement s’adapter aux mélanges

zéotropes

•Perte de pression faible sur le fluide frigorigène

•Bonne nettoyabilité des tubes sur le fluide

frigoporteur

•Pas de difficulté de la distribution du fluide

frigorigène à l’entrée de l’évaporateur (pas de

limitation en puissance)

•Peut convenir à des fluides frigorigènes et

huiles non miscibles

•tous fluides y compris avec huile

non miscible (NH3) avec une

restriction sur les mélanges

zéotropes

•eau glycolée, saumure…

•de 1 à plusieurs MW

Evaporateur

noyé

•Perte de pression élevée sur le fluide

frigorigène

•Nettoyabilité faible du faisceau de tubes (coté

calandre)

•Criticité de la distribution du fluide frigorigène

à l’entrée de l’évaporateur (limitation en

puissance)

•Ne peut convenir à des fluides frigorigènes et

huiles non miscibles (cas fréquents rencontrés

avec l’ammonia

•Charge de fluide frigorigène limitée

•Bon coefficient de transfert

•Construction de la calandre à la pression du

fluide frigoporteur (faible pression)

•tous avec huiles miscibles

•eau glycolée ou autres

•de 100 kW à 1 MW

Evaporateur

intratubulaire

•Perte de pression élevée sur le fluide

frigorigène

•Nettoyabilité réduite du coté fluide de

refroidissement

•Implique parfois l’emploi d’une bouteille haute

pression

•Charge de fluide frigorigène limitée

•Construction de la calandre à la pression du

fluide frigoporteur (faible pression)

•Adaptée à tous les fluides y compris les

mélanges zéotropes

•tous fluides (HFC, NH3)

•eau industrielle, eau de tour

•de 100 kW à plusieurs MW

Condenseur

intratubulaire

•Impose des charges de fluides frigorigène

importante

•Nécessite une construction de la calandre pour

une pression élevée

•Mal adapté aux fluides zéotrope

•Nécessite l’utilisation systématique de tubes à

ailettes intégrales en paroi externe pour tous les

HFC

•Pas de perte de pression sur le fluide

frigorigène

•Maîtrise du sous refroidissement du condensat

(par noyage des rangées inférieures des tubes)

•Assure la fonction de bouteille haute pression

•Nettoyage aisé des tubes (en cas

d’encrassement par l’eau)

•tous fluides (HFC, NH3) avec des

réserves sur les mélanges zéotropes

•eau industrielle, eau de tour

•de 100 kW à plusieurs MW

Condenseur

extratubulaire

Limites de la technologie Avantages de la technologieCritères d’utilisationTechnologie

d’échangeur

Page 124: Technique du froid composants frigorifiques - enrdd.comenrdd.com/documents/documents/Aerothermie... · Technique du froid & composants frigorifiques Mohammed YOUBI-IDRISSI Chargé

Nom de l’événement + date

Récapitulatif

18/12/2006 35

�Pertes de pression élevée sur le fluide frigorigène�Nettoyage délicat des canaux (en cas d’encrassement par l’eau)�Fragilité de l’appareil (en cas notamment de gel du fluide frigoporteur dans l’évaporateur)�Nécessité de régulation adaptée pour le détendeur (temps de réponse élevée) de par la faible inertie de l’appareil)�Ne convient pas à l’ammoniac dans sa version la plus courante (brasure cuivre). Des versions adaptées à l’ammoniac existent toutefois sur le marché.

�Compacité élevée et volume réduit de l’échangeur�

�Impose des charges de fluide frigorigène très faible�

�Bon coefficient de transfert �Adapté aux fluides HFC y compris aux mélanges zéotropes de type R407C de par la circulation en parallèle des fluides

�tous fluides frigorigènes de type HFC� Eau, eau glycolée (pas adaptée au saumure) �de quelques kW à environ 500 kW

Echangeur àplaques brasées Condenseur ou évaporateur

�Encombrement important de l’appareil�Domaine d’application limité aux faibles et moyennes puissances (<80 kW)�Perte de pression élevée sur le fluide frigorigène

�Bon coefficient de transfert�Adapté aux fluides HFC y compris aux mélanges zéotropes de type R407C (circulation parallèle

�tous fluides frigorigènes y compris NH3 (si les matériaux des tubes sont adaptés) �eau, eau glycolée, saumure �de quelques kW à moins de 100 kW

Echangeur coaxiaux Condenseur ou évaporateur

�Pertes de pression élevée sur le fluide frigorigène�Difficulté de l’équilibrage des circuits parallèle de fluide frigorigène�Adaptation délicate aux mélanges zéotropes

�Très grande souplesse d’utilisation�Impose des faibles charges de fluide frigorigène

�tous fluides�de quelques centaines de W àplusieurs MW

Batterie àailettes Condenseur ou évaporateur

Limites de la technologie Avantages de la technologieCritères d’utilisationTechnologie

d’échangeur