Optimisation d’une installation frigorifique à compression mécanique des vapeurs : la thermodynamique en temps fini


“…Une installation frigorifique est un ensemble d’appareils dont les interactions, entre eux d’une part et avec l’extérieur c’est-à-dire le milieu ambiant et le milieu extérieur, d’autre part, permettent de produire du froid. Seulement ce froid est produit lorsque l’agent thermique décrit un cycle frigorifique.

Le cycle frigorifique est un cycle thermodynamique. Il permet d’abaisser la température d’un milieu relativement froid appelé… »

REPUBLIQUE DU CONGO
Unité-Travail-Progrès

UNIVERSITE MARIEN NGOUABI
ECOLE NATIONALE SUPERIEURE POLYTECHNIQUE

MÉMOIRED’INGÉNIEUR
présenté pour l’obtention du diplôme d’ingénieur électromécanicien

Spécialité: Maintenance

Optimisation d’une installation frigorifique à compression mécanique des vapeurs par la méthode de la thermodynamique entemps fini
Optimisation d’une installation frigorifique à compression mécanique des vapeurs par la méthode de la thermodynamique entemps fini

Par :
MOMBEKI PEA Hamir Johan

Encadreurs :
MISSETETE Alfred Raoul, MA OKOTAKA EBALE Louis

Date de soutenance :
Novembre 2015

Jury:
Président : BOSSOTO Guy Richard, Pr
Examinateurs : EDOURA GAENA Boris, MA MOUKANDI Guy
MEMOIRE D’INGENIEUR EN ELECTROMECANIQUE
SOUTENU A L’ENSP-UMNG PAR. MOMBEKI PEA HAMIR

2014-2015

RESUME :

Le travail présenté dans ce mémoire concerne l’étude des installations frigorifiques à compression mécanique des vapeurs.

Cette étude porte sur l’optimisation des installations frigorifiques lors du transfert de chaleur. Elle consiste à améliorer les performances de l’installation en maximisant son coefficient de performance, tout en partant du fait que le but sera atteint lorsque les points de consigne, aux réservoirs : évaporateur et condenseur, nécessaires à l’élaboration d’un système de régulation permettront la consommation d’une puissance minimale au compresseur.

L’interaction entre les contraintes thermodynamique, technologique et économique pose un problème d’optimisation qui peut trouver sa résolution dans l’application de la thermodynamique en temps fini, laquelle par définition représente la thermodynamique de systèmes réels qui présentent des irréversibilités externes, dues aux différences de températures qui existent entre le fluide interne de l’installation et le fluide externe avec lequel s’effectue un échange de chaleur.

Cette méthode a pour référence le cycle réversible ou idéal de Carnot qui ne considère aucune différence de température entre le deux fluides ce qui permet la production d’un travail mécanique maximal afin d’évacuer vers le milieu à refroidir le flux de chaleur minimale.

Ainsi, les lois de transfert de chaleur des deux réservoirs donnent les flux de chaleur en fonction des conductances et des différences de températures. Ce qui permet la transformation des flux en paramètres adimensionnés pour l’obtention des valeurs optimales de température à l’évaporateur et au condenseur pour une consommation minimale d’énergie au compresseur correspondant à un coefficient de performance maximal.

Les résultats présentés dans la dernière partie de ce mémoire montrent l’évolution des performances de l’installation. Ces valeurs permettront l’élaboration d’un système de régulation capable de produire à chaque variation de la température extérieure, une performance optimale.

ABSTRACT

The work presented in this thesis concerns the study of refrigeration systems with mechanical vapor compression.

This study focuses on the optimization of cooling plants during heat transfer. It is to improve the installation performance by maximizing its coefficient of performance while from the fact that the goal will be achieved when the set points, reservoirs: evaporator and condenser, necessary to develop a system of regulation allow the consumption of a minimum power to the compressor.

The interaction between the thermodynamic constraints, technological and economic pose an optimization problem that can find its resolution in the application of thermodynamics in finite time, which by definition represents the thermodynamics of real systems that are external irreversibilities, due to temperature differences between the internal fluid and the external fluid system with which it performs heat exchange.

This method has as a reference the ideal reversible Carnot cycle or which does not consider any difference in temperature between the two fluids which allows the production of a maximum mechanical work in order to discharge the medium to be cooled to the minimum heat flux.

Thus, the heat transfer laws of both tanks give the heat flow as a function of conductance and temperature differences. This allows processing in adimensionals flow parameters for obtaining optimum values of the temperature of the evaporator and condenser for a minimum energy consumption corresponding to the compressor to a maximum coefficient of performance.

The results presented in the last part of this thesis show the evolution of plant performance. These values allow for the development of a control system capable of producing at each variation of the external temperature, optimum performance.

TABLE DES MATIERES
INTRODUCTION12
CHAP I : Synthèse sur les installations frigorifiques….. 16
I.Généralités sur les installations frigorifiques.17
I.1. Principaux composants……17
I.2. Fonctionnement d’une installation frigorifique..18
I.2.1. Fluides frigorigènes..…21
I.2.2. Evaporateur..….24
I.2.3. Compresseur.27
I.2.4. Condenseur.….30
I.2.5. Détendeur..…33
I.3.Diagramme enthalpique de MOLLIER…35
I.4.Influence des variations de température sur le fonctionnement de l’installation37
CHAP II : Méthode de la thermodynamique en temps fini….40
II.1.Théorie généralisée de la thermodynamique en temps fini .41
II.1.1. Cycle énergétique.…41
II.1.2. Cycle frigorifique….42
II.2.Application de la thermodynamique en temps fini dans la régulation de la centrale de conditionnement d’air..43
II.3.Thermodynamique en temps fini du cycle frigorifique réel à compression mécanique de vapeur : Cas de la centrale à eau glacée de la BEAC-Brazzaville… 51
II.3.1. Aspect technique de la centrale à eau glacée….…..…..53
II.3.2. Optimisation de la centrale à eau glacée…..…..…54
CHAP III : RESULTATS ET ANALYSES59
Résultats60
Analyses…63
CONCLUSION.….. 63
BIBLIOGRAPHIE. 65
ANNEXES.….. 69
GLOSSAIRE 83
RESUME. 85
ABSTRACT….86

LISTE DES TABLEAUX ET FIGURES

LISTE DES FIGURES
Figure 1 : Principe de fonctionnement d’une installation frigorifique…18
Figure 2 : Fonctionnement de l’évaporateur…24
Figure 3 : Graphe de correspondance ∆𝑇0-Humidité relative.26
Figure 4 : Fonctionnement du compresseur…27
Figure 5 : Cycle théorique du compresseur….28
Figure 6 : Fonctionnement du condenseur……30
Figure 7 : Détendeur thermostatique…33
Figure 8 : Diagramme de Mollier…36
Figure 9 : Diagramme T-S…43
Figure 10 : Centrale à eau glacée..…50
Figure 11 : Centrale de traitement d’air…..….50
Figure 12 : Installation frigorifique à compression mécanique des vapeurs.52
Figure 13 : Cycle frigorifique de l’installation..53

LISTE DES TABLEAUX
Tableau 1 : Puissances de destruction de la couche d’ozone et de l’effet de serre..14
Tableau 2: Température d’ébullition de quelques fluides à pression atmosphérique..…19
Tableau 3: Chaleurs sensibles et chaleurs latentes d’évaporation de quelques fluides…..….2
Tableau 4 : Récapitulatif de l’application numérique de l’optimisation de la centrale à eau glacée57

AVANT – PROPOS

La problématique de ce thème repose sur un problème énergétique. L’installation frigorifique consomme beaucoup d’énergie. Il s’agit pour nous de réduire cette consommation d’énergie en optimisant par la méthode de la thermodynamique en temps fini.

Elle consiste à déterminer les points de consigne nécessaires à l’élaboration d’un système de régulation permettant de rationaliser l’énergie consommée dans une installation frigorifique.

Ces points de consigne seront obtenus en déterminant les écarts optimaux de température à l’évaporateur et au condenseur correspondant à une puissance minimale consommée au compresseur pour un coefficient de performance maximal.

INTRODUCTION GENERALE

Des statistiques récentes montrent que dans les pays industrialisés, plus de 15% de l’énergie électrique produite est consacrée à la production du froid (12%) et au conditionnement d’air (3%) via des installations frigorifiques à compression mécanique de vapeur. Ces chiffres vont incontestablement augmenter du point de vue de la demande croissante, aussi bien pour la climatisation urbaine que pour le froid dans les moyennes et grandes surfaces commerciales.[6]

L’enjeu environnemental qui découle de ces tendances est considérable, plaçant aujourd’hui la recherche de performances énergétiques accrues de tels systèmes et des fluides frigorigènes adéquats à court et à long terme, plus que jamais, au cœur des préoccupations sociales, politiques et économiques.

Sachant que le changement de fluides frigorigènes entraine dans la plus part des cas une diminution des performances des installations frigorifiques, ils méritent pour cela une attention particulière d’utilisation.

De nos jours, deux propriétés des fluides frigorigènes font l’objet d’une attention particulière, il s’agit :

 du potentiel d’appauvrissement de la couche d’ozone (PAO) ou ODP (Ozone Depletion Potential) ;

 du potentiel d’action global sur l’effet de serre à 100 ans (PAES100) ou GWP (Global Warning Potential).

En effet, des études de laboratoire avaient confirmé les constatations faites en 1972-1974 sur la diminution de la couche d’ozone protégeant la Terre des rayonnements ultraviolets dangereux pour notre environnement et qui impliquaient les CFC (Chlorofluorocarbone) et les BrFC (Bromofluorocarbone). A ce sujet, le Protocole de Montréal de 1987 prévoyait par la suite l’interdiction des CFC dans l’industrie rigorifique en réglementant l’utilisation de fluides de transition que sont les HCFC (hydrochlorofluorocarbones), l’objectif à terme étant l’utilisation de fluides sans action sur la couche d’ozone parmi lesquels sont classés les HFC (hydrofluorocarbones).

Ce protocole a fait l’objet de plusieurs amendements soumis à la ratification des différentes Parties à la Convention de Vienne notamment : l’amendement de Londres 1990 suivi de l’amendement de Copenhague 1992 puis de l’amendement de Montréal 1997 et de l’amendement de Pékin 1999.

Les fluides les plus utilisés actuellement dans les machines frigorifiques à compression

mécanique des vapeurs sont : R12, R502, R22, R404a, R500, R13B1, NH3.

Tableau 1: Puissances de destruction de la couche d’ozone et de l’effet de serre chaque fluide

Fluide ODP GWP Durée de vie

en années

Inflammable
R 11

R 12

R 22

NH 3

R 123

R 134a R 404A R 502

1

0.9

0.04

0

0.013

0

0

0.15

1

2.8

0.32

0

0.017

0.24

0.9

4

60

120

15

15

N

N N O N N N N

L’étude développée dans ce document porte principalement sur les problèmes actuels liés à l’utilisation rationnelle de l’énergie et à la préservation de l’environnement, dans le domaine de la production de froid et de chaleur, qui imposent des contraintes sur le fonctionnement des systèmes énergétiques. Ces contraintes sont d’ordre thermodynamique (minimisation des irréversibilités en limitant les températures à l’évaporateur et au condenseur, les surchauffes, etc.), technologique (limitation de la charge afin de réduire les pertes de réfrigérant, de la température de refoulement du compresseur) et économique.

L’interaction entre ces contraintes pose un problème d’optimisation qui peut trouver sa résolution dans l’application de la thermodynamique en temps fini laquelle par définition représente la thermodynamique des systèmes réels dont les échanges de chaleur avec les réservoirs (évaporateur et condenseur) présentent des irréversibilités externes. Dans l’industrie du froid, ce problème se traduit par la maximisation des performances de l’installation frigorifique, autrement dit, la maximisation du coefficient de performance (COP= production frigorifique à l’évaporateur/ puissance consommée au compresseur).

Ainsi, la rationalisation de l’énergie consommée sera obtenue par la minimisation de la puissance consommée au compresseur pour une maximisation du froid produit à l’évaporateur et implicitement dans le milieu à refroidir.

L’optimisation d’un tel système nécessite donc d’établir un modèle, en d’autres termes de représenter le système par un ensemble d’équations permettant l’étude des conditions de fonctionnement et conduisant à l’établissement de lois prévisionnelles. De ce fait, la thermodynamique en temps fini nous permet de déterminer les écarts de température à l’évaporateur et au condenseur pour lesquels le système est optimum c’est-à-dire que l’énergie consommée est rationnalisée.

La régulation de notre système s’effectue sur une plage de température que nous allons par la suite fixer. Notons que le système optimum pour les conditions nominales de fonctionnement n’est pas forcément optimum sur toute la plage de fonctionnement.

Dans le chapitre I, nous introduirons des notions sur le fonctionnement des installations frigorifiques dans leurs généralités.

Au chapitre II, nous présenterons la méthode de la thermodynamique en temps fini qui nous permettra de déterminer les points de consigne (à l’évaporateur et au condenseur) autour desquels le fonctionnement de l’installation atteint des performances optimums, par une transformation des grandeurs dimensionnées en paramètres adimensionnés.

Ensuite, au chapitre III, nous présenterons les courbes obtenues de cette optimisation, que nous analyserons en fonction des grandeurs optimales déterminée à l’évaporateur et au condenseur, sur le fonctionnement de l’installation réelle.

Enfin, ce travail sera clos par une conclusion dans laquelle nous effectuerons la comparaison des performances de l’installation réelles, de l’installation déterminée dans ce document.

SYNTHESE SUR LES INSTALLATIONS FRIGORIFIQUES – CHAPITRE I :

I. Généralités sur l’installation frigorifique

Une installation frigorifique est un ensemble d’appareils dont les interactions, entre eux d’une part et avec l’extérieur c’est-à-dire le milieu ambiant et le milieu extérieur, d’autre part, permettent de produire du froid. Seulement ce froid est produit lorsque l’agent thermique décrit un cycle frigorifique.

Le cycle frigorifique est un cycle thermodynamique. Il permet d’abaisser la température d’un milieu relativement froid appelé enceinte à refroidir et, simultanément, d’augmenter la température d’un autre milieu relativement chaud appelé milieu extérieur, au moyen d’une dépense d’énergie mécanique.

I. 1. Principaux composants

Un circuit frigorifique est composé des organes suivants :

Le compresseur : Il a pour rôle d’entretenir la circulation du fluide frigorigène en maintenant une différence de pression entre l’évaporateur (basse pression) et le condenseur (haute pression).

Le détendeur : C’est un organe au sein duquel le fluide frigorigène subit une détente dans un orifice à section variable entrainant simultanément la chute de température et de pression.

L’évaporateur : C’est le lieu dans lequel se produit la vaporisation du fluide frigorigène à pression constante. Il se situe dans la zone basse pression de l’installation.

Le condenseur : Il se situe dans la zone haute pression et a pour rôle de permettre la condensation c’est à dire transformer l’état du fluide frigorigène en liquide.

 Un fluide frigorigène dont on provoque les changements d’état afin qu’il absorbe ou cède principalement la chaleur latente.

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