Etude et realisation d'un banc didactique de demonstration d'un cycle frigorifique a compression de vapeur

DEDICACES

Je dédie ce travail à :

Mes parents monsieur et madame YAOUBA pour leur soutien moral, affectif et financier.

BASSIROU YAOUBA

Je dédie ce travail à :

Ma fille EHADI WONDJE MARILLINE JOSIANE pour la joie qu'elle a apportée dans ma vie.

EPANE EPANE Danielle

Je dédie ce travail à :

Mon feu papa MOUSSI PENDA SAMUEL celui sans qui je ne serais pas celle que je suis.

LOLLO MOUSSI Priscille

Je dédie ce travail à :

La famille MBELEG PIERRE pour leur soutien moral, affectif, spirituel et financier.

MBELEG Pierre

REMERCIEMENTS

Nous témoignons notre profonde gratitude à tous ceux qui de près ou de loin ont contribué à la réalisation de cet ouvrage. Notre reconnaissance et nos remerciements vont à l'endroit :

· Du directeur de l'ENSET Douala, Pr BEKOLO Claude qui a toujours su se mettre à la disposition des étudiants ;

· Du chef de département Génie électrique, Dr ESSIBEN DIKOUNDOU Jean François pour sa disponibilité ;

· Des membres du jury, qui ont disposé de leur temps précieux pour cette soutenance ;

· D'Ing Pr KEMAJOU Alexis Responsable du laboratoire de thermique et environnement de l'ENSET, pour son dévouement ;

· M. DIBOMA Benjamin, pour tous ses conseils ;

· M. EHADI NSONG Armand, notre encadreur pour tous ses efforts ainsi que pour son enthousiasme au sujet du travail ;

· Tous nos enseignants de l'ENSET, pour le savoir et les connaissances nouvelles qu'ils nous ont apportés en particulier ceux du laboratoire de Thermique et Environnement ;

· Nos camarades de classe, pour l'esprit d'équipe et de famille ayant régné entre nous durant notre premier cycle à l'ENSET.

AVANT-PROPOS

L'Ecole Normale Supérieure d'Enseignement Technique (ENSET) de Douala créée au Cameroun par arrêté présidentiel N^o 260/CAB/PR du 10 Août 1976 est une grande école de l'Université de Douala dont la principale mission est la formation des professeurs d'enseignement technique. Depuis cinq ans, l'ENSET s'est alignée dans le système académique international L-M-D entendez Licence-Master-Doctorat ; qui permettra à ses produits non seulement d'enseigner dans les lycées et collèges d'enseignement technique, mais aussi de leur permettre d'être à la hauteur des entreprises.

Dans le cadre de la formation des professeurs d'enseignement technique, il est prévu à l'ENSET, la soutenance d'un projet de mémoire rédigé par les étudiants à la fin du premier cycle ; sous la direction et l'encadrement d'un ou de deux de sa spécialité. Ceci en vue de la contribution à l'obtention du DI.P.E.T.I : entendez Diplôme des Professeurs d'Enseignement Technique premier grade.

Le dit mémoire donne l'occasion aux étudiants d'approfondir un sujet dans leur domaine de spécialisation. Ainsi peuvent-ils à leur guise faire valoir son esprit d'initiative, de recherche, d'aptitude, d'analyse, de conception, de réalisation et de synthèse dans le but de résoudre un problème donné. D'où le choix du thème : « Etude et réalisation d'un banc didactique de démonstration du cycle frigorifique à compression de vapeur ».

CHAPITRE 1. RESUME

Ce document est une réalisation d'un banc didactique qui consiste à visualiser clairement les différentes phases de changement d'état d'un fluide frigorigène dans un circuit frigorifique à compression de vapeur. Il pose sur : comment faire comprendre facilement la notion du fonctionnement du cycle frigorifique de base?

Notre méthodologie consiste à monter les éléments frigorifiques sur un châssis en bois, équipé de 4 roulettes. L'apparence physique de notre banc didactique est de forme rectangulaire avec les caractéristiques géométriques de la chambre qui sont les suivantes : longueur 80 cm, hauteur 10 cm, largeur 60 cm. Le groupe est incorporé sur le système, au dessus du coffre, constitue l'enceinte à refroidir. Un évaporateur de forme rectangulaire, est placé en dessus c'est-à-dire dans la chambre ; et est constitué d'un tube serpentin en matière plastique, et un condenseur à air muni des tuyauteries transparentes sur les deux orifices (entrée et sortie). Pour mieux apprécier le serpentin, notre maquette aura, sur la face une surface vitrée, afin que les apprenants aient une vue sur le serpentin.

Cependant, nous suggérons qu'une étude ultérieure pourrait se faire également pour un cycle avec deux étages de compressions.

Mots clés : compression, démonstration, flexible transparent, banc didactique.

CHAPITRE 2. ABSTRACT

This document is a realization of a didactic bench that consists in visualizing the different phases of change of state of fluid refrigeration clearly in a refrigerated circuit to compression of steam. He/it puts on: how to make understand the notion of the working of the refrigerated cycle of basis easily.

Our methodology consists in bringing up the refrigerated elements on a frame made of wood, equipped with 4 roulettes. The physical appearance of our didactic bench is of oblong shape with the geometric features of the room that are the following: length 80 cm, height 10 cm, width 60 cm. The group is incorporated on the system, to the over of the case, constitute the surrounding wall to cool. An oblong shape evaporator is placed in over that means in the room; and is constituted of a tube streamer in plastic matter, and a condenser to air provided with the transparent tubing on the two openings (entry and exit). To appreciate the streamer better, our model will have, on the face a glazed surface, so that the learners have a view on the streamer.

However, we suggest that an ulterior survey could also make itself for a cycle with two floors of compressions.

Key words: compression, demonstration, transparent flexible, didactic ground.

LISTE DES FIGURES

Figure 1-1: compresseur hermétique à piston 3

Figure 1-2: Représentation du condenseur 25

Figure 1-3: évaporateur 27

Figure 1-4: détendeur capillaire 28

Figure 1-5: voyant liquide 28

Figure 1-6: déshydrateur 29

Figure 1-7:schéma principe 33

Figure 2-1: schématisation de la mini chambre froide 38

Figure 2-2: support en bois 49

Figure 2-3: schéma descriptif du circuit fluidique 50

Figure 2-4: schéma électrique 50

Figure 2-5: assemblage du matériel 53

Figure 2-6:pose du compresseur 54

Figure 2-7: pose du condenseur 55

Figure 2-8: montage du filtre déshydrateur 56

Figure 2-9: montage de l'évaporateur 56

Figure 2-10: réalisation du circuit fluidique 57

Figure 2-11: Réalisation du circuit électrique 58

Figure 3-1 : Présentation de l'étuve 65

Figure 3-2: Vue de face du séchoir électrique du laboratoire de thermique et environnement de l'ENSET 65

Figure 3-3: Présentation de l'anémomètre 66

Figure 3-4: Présentation du multimètre utilisé comme thermocouple 66

Figure 3-5: Présentation de la balance électronique 67

Figure 3-6 : Présentation de l'espèce Gnetum Africanum 67

Figure 3-7: Présentation du séchage au soleil 69

Figure 3-8 : Présentation des échantillons de Gnetum sec 69

Figure 3-9 : Présentation des réactifs utilisés 71

Figure 3-10 : Présentation du minéralisateur 71

Figure 3-11 : Présentation de L'appareil `' Kjeltec System 1002 Distilling Unit'' 72

LISTE DES TABLEAUX

Tableau 1-1: Avantages et inconvénients des condenseurs à air et à eau 3

Tableau 2-1: indication des conductivités thermiques des matériaux 37

Tableau 2-2: Récapitulatif des différents apports de chaleur 41

Tableau 2-3: valeurs des points du cycle 42

Tableau 2-4: nomenclature du schéma électrique 48

Tableau 2-5: Récapitulatif des matériaux utilisés pour le condenseur 49

Tableau 2-6: étude financière 56

Tableau 3-1: Anonymat des échantillons secs de Gnetum 65

LISTE DES ABREVIATIONS ET NOMENCLATURE

SYMBOLES	DESIGNATIONS	UNITES
è	Température	°C
?è	Ecart de température	°C
??	Conductivité thermique	w/m°C
K	Coefficient global de transmission	w/m^2°C
Ök	Puissance calorifique	w
Öo	Production frigorifique	w
qm	Débit masse	Kg/s
Q	Apports de chaleur journalière	kJ
Qv	Débit volume du fluide frigorigène	m^3/s
f	Efficacité frigorifique	_
V'	Volume spécifique	m^3/kg
P	Pression absolue	Bar
D	Diamètre des conduites	mm
Va	Vitesse du fluide dans la conduite d'aspiration	m/s
H	Enthalpie massique de l'air	Kj/kg
HR	Humidité relative	%
T	Température absolue	K

TABLE DES MATIERES

Dédicaces Erreur ! Signet non défini.

AVANT-PROPOS iii

RESUME iv

ABSTRACT v

LISTE DES FIGURES vi

LISTE DES TABLEAUX vii

TABLE DES MATIERES ix

Introduction générale 15

Chapitre 1. GENERALITES SUR LE FROID 17

1-1- INTRODUCTION 17

1-2- DÉFINITIONS DES CONCEPTS 18

1-2-1- La chaleur [1] 18

1-2-2- Le froid [1] 18

1-2-3- La température [1] 18

1-2-4- Échange de chaleur [1] 18

1-2-5- Le fluide frigorigène [1] 18

1-3- MOYENS DE PRODUCTION DU FROID [3] 18

1-3-1- La sublimation d'un solide 19

1-3-2- La détente d'un gaz comprimé 19

1-3-3-La fusion d'un corps solide 19

1-3-4-Le refroidissement thermoélectrique 19

1-3-5-La dissolution de certains sels 19

1-3-6-La vaporisation d'un liquide en circuit fermé 20

1-4-LES ELEMENTS PRINCIPAUX D'UNE MACHINE FRIGORIFIQUE A COMPRESSION DE VAPEUR 20

1-4-1- Le compresseur [4] 21

1-4-1-1-Sur la base de leur fonctionnement 21

1-4-1-1-1-Les compresseurs volumétriques 21

1-4-1-1-2-Les compresseurs centrifuges 21

1-4-1-2-Sur la base de l'association Moteur Compresseur 22

1-4-2- Le condenseur [4] 23

1-4-2-1-Notion de groupe de condensation 24

1-4-3- L'évaporateur [4] 25

1-4-3-1-Les évaporateurs à eau 26

1-4-3-2-Les évaporateurs à air 26

1-4-3-3-Les évaporateurs à détente sèche ou à surchauffe 26

1-4-3-4-Les évaporateurs noyés ou évaporateurs à regorgement 27

1-4-4-Le détendeur [3] 27

1-4-4-1-Dans le cas des évaporateurs à détente directe 27

1-4-4-2-Dans le cas d'évaporateurs noyés 27

1-5- QUELQUES ORGANES ANNEXES DU CIRCUIT FRIGORIFIQUE 28

1-5-1- Le voyant liquide [8] 28

1-5-2- Les deshydrateurs [1] 28

1-5-3- Le pressostat [4] 29

1-6- LES FLUIDES FRIGORIGÈNES 29

1-6-1- Définition [1] 29

1-6-2- Propriétés des fluides frigorigènes [2] 30

1-6-2-1-Propriétés physiques [2] 30

1-6-2-2- Propriétés chimiques [2] 30

1-6-2-3- Propriétés physiologiques [2] 30

1-6-2-4- Propriétés techniques [2] 30

1-7- PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT D'UNE MACHINE FRIGORIFIQUE UTILISANT UN COMPRESSEUR A PISTON [8] 31

1-8- PRÉSENTATION DE QUELQUES MODÈLES [5] 33

1-9-CONCLUSION 36

Chapitre 2. dimensionnement et realisation du banc didactique de demonstration du cycle frigorifique 37

2-1- INTRODUCTION 37

2-2-DIMENSIONNEMENT 37

2-2-1-Bilan thermique 37

2-2-1-1-Cahier de charge 37

2-2-1-2-Calcul des apports de chaleur 39

2-2-1-2-1-Apport de chaleur par les parois en vitre (Q₁) 39

2-2-1-2-1-1-Détermination du coefficient global de transmission thermique des parois en vitre 39

2-2-1-2-1-2-Détermination de la surface totale des parois en vitre 40

2-2-1-2-1-3-Détermination de la différence de température entre l'ambiance extérieure et l'intérieur : ?è 40

2-2-1-2-2-Apport de chaleur par les parois en bois (Q₂) 40

2-2-1-2-2-1-Détermination du coefficient global de transmission thermique des parois en bois 40

2-2-1-2-2-2-Détermination de la surface totale des parois en bois d'épaisseur e_b 41

2-2-1-2-3 -Apport de chaleur par la paroi en tôle d'aluminium (Q₃) 41

2-2-1-2-4-1-Détermination du coefficient global de transmission thermique de la paroi en tôle d'aluminium 41

2-2-1-2-4-2-Détermination de la surface totale de la paroi en tôle d'aluminium 42

2-2-1-2-5-Apport de chaleur dû à la masse d'air à refroidir (Q₄) 42

2-2-1-2-5-1-Détermination de la masse d'air 42

2-2-1-2-5-2-Détermination du volume intérieur de la chambre 43

2-2-1-2-5-Apport de chaleur dû à l'éclairage (Q₅) 43

Q₃ = K_a × S_a ×?è×86,4 43

2-2-1-3-Détermination de la puissance frigorifique (Ô₀) 44

2-2-2-Dimensionnement des équipements 44

2-2-2-1-Dimensionnement du compresseur 44

2-2-2-2-Dimensionnement des conduites 45

2-2-2-2-1- Conduite d'aspiration 45

2-2-2-2-1-1- Détermination du débit massique 45

2-2-2-2-2- Conduite de refoulement 46

2-2-2-2-3- Conduite liquide 46

2-2-2-3-Dimensionnement de l'évaporateur 46

2-2-2-3-1-Calcul de la longueur du serpentin 47

2-2-2-3-2-Calcul de la surface de l'évaporateur 47

2-2-2-4-Dimensionnement du condenseur 47

2-2-2-4-1-Détermination de la puissance du condenseur 47

2-2-2-4-3-Calcul de la surface Du condenseur 48

2-2-2-4-3-1- Détermination du coefficient global d'échange 48

2-2-2-5-Dimensionnement du tube capillaire 48

2-3-REALISATION DU BANC DIDACTIQUE 48

2-3-1- Réalisation du support 48

2-3-2-Réalisation du circuit frigorifique 49

2-3-3-Réalisation du circuit électrique 50

2-3-4-Matériaux utilisés et leurs caractéristiques 50

2-3-4-1-Pour l'évaporateur 50

2-3-4-2-Pour le condenseur 51

2-3-5-Matériel (outils et machines) utilisé 51

2-3-6-Procédure de fabrication 52

2-3-6-1-Réalisation du circuit frigorifique 52

2-3-6-1-1-La pose du compresseur 52

2-3-6-1-2- La pose du Condenseur 53

2-3-6-1-3- Montage du filtre deshydrateur 54

2-3-6-1-3- Montage du détendeur capillaire 55

2-3-6-1-3- Montage de l'évaporateur 55

2-3-6-2-Réalisation du circuit électrique 57

2-3-7-Opération de mise en marche 57

2-3-7-1-Tirage au vide 58

2-3-7-2-Charge en fluide frigorigène 58

2-3-8-Aperçu final du banc didactique 59

2-3-9-Test de fonctionnement 60

2-3-10-Coût estimatif de la réalisation 60

2-4-CONCLUSION 62

Chapitre 3. EXPERIMENTATION ET RESULTATS 63

3-1-introduction 63

3-2-IDENTIFICATION DES ÉLÉMENTS 63

3-3-VISUALISATION DU FONCTIONNEMENT DU CYCLE FRIGORIFIQUE 63

3-4-TRACÉ DU CYCLE FRIGORIFIQUE DANS UN DIAGRAMME 63

3-5-DÉTECTION DES BORNES D'UN COMPRESSEUR 63

3-6-TIRAGE AU VIDE D'UNE INSTALLATION FRIGORIFIQUE 63

3-6-1-FICHE PEDAGOGIQUE/ PEDAGOGICAL STATEMENT SHEET 64

3-6-2-But et principe 66

3-6-2-1-But 66

3-6-2-2-Principe 66

3-6-3-Matériel utilise 66

3-6-4-Schéma de montage 66

3-6-5-Mode opératoire 67

3-6-6-Mise en situation : exercice d'application 68

3-7-CHARGE EN FLUIDE FRIGORIGÈNE D'UNE INSTALLATION FRIGORIFIQUE 69

3-8-CONCLUSION 69

conclusion generale 70

Références bibliographiques 71

annexes 72

ANNEXE 1 : tableau des rEsistances thermiques superficielles 1/h_i ET 1/h_e EN m².K/W DES PAROIS D'UNE CHAMBRE FROIDE 73

ANNEXE 2 : tableau des propriétes thermodynamiques des materiaux locaux de construction 73

ANNEXE 3 : montage final de l'evaporateur 73

ANNEXE4 : photo montrant les flexibles transparents 74

ANNEXE 5 : Tableau de relevés des données au cours du séchage à 60°C 74

ANNEXE 6 : Tableau de relevés des données au cours du séchage à 65°C 75

ANNEXE 7 : Tableau de relevés des données au cours du séchage à 70°C 75

ANNEXE 8 : Tableau de relevés des données au cours du séchage à 75°C 75

ANNEXE 9 : Tableau de relevés des données au cours du séchage à 80°C 76

ANNEXE 10 : Tableau de relevés des données au cours du séchage à 85°C 76

ANNEXE 11 : Tableau de relevés des données au cours du séchage à 90°C 76

ANNEXE 12 : Tableau de relevés des données au cours du séchage à 95°C 76

ANNEXE 13 : Tableau de relevés des données au cours du séchage à 100°C 77

ANNEXE14 : Tableau de relevés des données au cours du séchage au soleil 77

ANNEXE 15 : présentation des résultats obtenus à l'IRAD d'EKONA 78

INTRODUCTION GÉNÉRALE

Après la baisse des prix du cacao et du café au milieu des années 80, et la dévaluation du franc CFA en 1994, les populations rurales et urbaines du Cameroun se sont tournées, entre autres, vers les produits forestiers non-ligneux (PFNL) pour subvenir à leurs besoins socio-économiques et nutritionnels. Les PFNL représentent, aux yeux des populations locales, la manifestation la plus évidente de la valeur de la forêt. Ils leur sont en effet utiles d'un double point de vue : ils constituent une source de revenus et sont pourvoyeurs de nombreux produits entrant dans l'alimentation, la pharmacopée, la construction, l'artisanat. La contribution des PFNL aux économies nationales des pays d'Afrique centrale ne serait pas négligeable non plus. Tabuna (1999) estime qu'en 1997, le marché des PFNL d'Afrique centrale en direction de certains pays occidentaux (Royaume-Uni, France, Portugal, Belgique et Espagne) représentait 3 475 tonnes par an et un chiffre d'affaire annuel équivalent à 96 millions USD. Selon ce même auteur, l'exportation annuelle des feuilles de Gnetum vers la France et la Belgique dépassait 100 tonnes pour une valeur marchande de plus de 3,07 millions USD. Il est montré que les communautés locales utilisent à des degrés divers près d'un millier d'espèces végétales et que seules quelques-unes d'entre elles sont commercialisées (Lescure 1996).

À l'heure actuelle, plus de 150 PFNL d'origine animale ou végétale feraient l'objet de commerce dans les différents marchés d'Afrique centrale (FAO, 2002).

Le Gnetum est donc l'un des PFNL ; c'est un légume dont les feuilles sont riches en protéines ; on le trouve en Afrique de l'Ouest et en Afrique Centrale. Contrairement aux cultures de rente, le Gnetum peut être exploité pour l'autoconsommation, pour se soigner ou pour des buts commerciaux. Cette plante a un bel avenir. Le Gnetum est un aliment riche en acides aminés, en sels minéraux et en lipides.

Son commerce génère des revenus importants et procure des emplois aux populations rurales pauvres, en particulier aux femmes qui s'occupent en majeure partie de la cueillette, du conditionnement et de la commercialisation des PFNL. Plusieurs contraintes empêchent les producteurs et les commerçants de tirer davantage de bénéfices du commerce de Gnetum. Notamment son conditionnement ; car la conservation à l'état frais est limitée (au trop à une semaine) la conservation par le froid serait plus coûteuse ; le séchage au soleil effectué actuellement par les producteurs est également limité d'autant puis que la récolte se fait le plus souvent en saison de pluies et rarement en saison sèche. Cette situation nous amené à nous poser la question suivante :

Comment sécher le Gnetum en conservant au mieux ses qualités nutritives ?

C'est pour essayer de répondre à cette question que notre travail porte sur le thème : ''Etude de l'influence du séchage sur les qualités nutritives des feuilles de Gnetum : cas des protéines''.

L'objet de cette étude est d'étudier l'évolution de séchage ainsi que l'influence du séchage sur la teneur en protéines des feuilles de Gnetum.

Parallèlement, ce document permettra aux producteurs de mieux comprendre et maîtriser le procédé de séchage de Gnetum. Aussi, cette étude a pour but sur le plan scientifique, non seulement de trouver un modèle de séchage de Gnetum qui conserve au mieux sa teneur en protéines, mais de plus, promouvoir et vulgariser la conservation par séchage des feuilles de Gnetum en vue d'améliorer et d'encourager son commerce national et international.

Le séchage et le Gnetum seront d'abord passés en revue. Les expérimentations (échantillonnages) seront ensuite traitées, en outre une étude sur les protéines, puis en insistant sur l'étude de l'évolution du séchage et sur l'influence du séchage sur la teneur en protéines. Enfin, les résultats, analyses et discutions seront présentés dans l'optique d'une meilleure valorisation de l'espèce.

CHAPITRE 3. GENERALITES SUR LE FROID

3.1. 1-1- INTRODUCTION

La technique frigorifique est une partie constituante de la thermodynamique qui traite du comportement des corps solides, liquides et gazeux. Thermo c'est-à-dire Chaleur et Dynamique c'est-à-dire Science des mouvements. La thermodynamique étudie donc les mouvements thermiques (alimentation et conduction de la chaleur). Ainsi la notion de froid en thermodynamique n'existe pas, car le froid n'est généré que lorsque la chaleur est transportée d'un endroit vers un autre endroit présentant une température plus élevée. Le refroidissement au-dessous de la température ambiante s'appelle refroidissement artificiel ou forcé. Pour obtenir un froid artificiel les installations frigorifiques utilisent des fluides à bas point d'ébullition sous pression relativement faible. Pour l'obtention artificielle du froid, il est nécessaire de fournir un travail permanent et d'assurer le transfert de chaleur du corps à refroidir vers l'atmosphère au moyen du fluide frigorigène. Habituellement, les compresseurs des groupes frigorifiques fonctionnent avec surchauffe des gaz lors de la compression et avec sous-refroidissement du liquide après la condensation. Les fluides frigorigènes ont ainsi pour rôle d'assurer les transferts de chaleur entre l'évaporateur et le condenseur de la machine frigorifique. Ils évoluent cycliquement dans le circuit de la machine absorbant de la chaleur dans l'évaporateur et en cédant de la chaleur dans le condenseur, en changeant des états, que nous ne pouvons voir à l'oeil nu car circulant dans une tuyauterie en cuivre ou en aluminium en circuit fermé. Dans ce chapitre nous proposons de définir les concepts clés, de donner les procédés d'obtention du froid, donner le principe du système à compression, de décrire les machine frigorifique, de présenter quelques modèles.

3.2. 1-2- DÉFINITIONS DES CONCEPTS

3.3. 1-2-1- LA CHALEUR [1]

La chaleur est l'énergie sous forme calorifique susceptible de produire une augmentation de température dans un milieu ou un corps.

3.4. 1-2-2- LE FROID [1]

La sensation que fait éprouver l'absence, la perte, ou la diminution de la chaleur. Par comparaison, le froid est à la chaleur ce que l'obscurité est à la lumière. Froid et obscurité sont des termes négatifs. Ils indiquent simplement l'absence ou la diminution, soit de la chaleur, soit de la lumière.

3.5. 1-2-3- LA TEMPÉRATURE [1]

La température est un paramètre thermodynamique qui permet de spécifier le niveau de chaleur dans un milieu. C'est la température qui nous permet de dire qu'un corps est plus ou moins chaud qu'un autre.

3.6. 1-2-4- ÉCHANGE DE CHALEUR [1]

Lorsque deux corps sont en présence, la chaleur va toujours du corps chaud au corps froid, l'échange de chaleur ne cessant que lorsque les deux corps sont à la même température.

3.7. 1-2-5- LE FLUIDE FRIGORIGÈNE [1]

Le fluide frigorigène est un composé chimique facilement liquéfiable capable de véhiculer de la chaleur par le biais d'un changement d'état, il dispose donc d'un certain nombre de propriétés à l'instar de la très basse température d'ébullition.

3.8. 1-3- MOYENS DE PRODUCTION DU FROID [3]

La production du froid qui consiste à absorber la chaleur contenue dans un milieu peut être obtenue suivant plusieurs modes. Parmi les différents modes de production du froid, il faut retenir :

· la sublimation d'un solide ;

· la détente d'un gaz comprimé ;

· la fusion d'un corps solide ;

· le refroidissement thermoélectrique ;

· la dissolution de certains sels ;

· la vaporisation d'un liquide en circuit fermé.

3.9. 1-3-1- LA SUBLIMATION D'UN SOLIDE

La sublimation d'un solide consiste à le faire passer de l'état solide à l'état vapeur par absorption de chaleur, le cas le plus courant est celui du CO2 qui à la pression atmosphérique a une température de sublimation de -78.9°C.

3.10. 1-3-2- LA DÉTENTE D'UN GAZ COMPRIMÉ

La détente d'un gaz comprimé repose sur le principe de l'abaissement de la température d'un fluide lors de sa détente (avec ou sans travail extérieur).

3.11. 1-3-3-LA FUSION D'UN CORPS SOLIDE

La fusion d'un corps solide se fait à température constante par absorption de la chaleur latente de fusion du corps considéré, ce procédé discontinu bien que simple présente l'inconvénient de nécessiter une congélation préalable à moins que cet état ne soit disponible à l'état naturel.

3.12. 1-3-4-LE REFROIDISSEMENT THERMOÉLECTRIQUE

Le refroidissement thermoélectrique (effet Peltier) est utilisé pour produire de très petites quantités de froid. Il consiste à faire passer un courant continu dans un thermocouple constitué de conducteurs de natures différentes reliés alternativement par des ponts de cuivre

3.13. 1-3-5-LA DISSOLUTION DE CERTAINS SELS

La dissolution d'un sel dans l'eau provoque un abaissement de la température de la solution. Ce n'est pas un phénomène très utilisé dans l'industrie frigorifique à cause de la nécessité de vaporisation ultérieure de l'eau (récupération du sel).

3.14. 1-3-6-LA VAPORISATION D'UN LIQUIDE EN CIRCUIT FERMÉ

La vaporisation d'un liquide permet de produire du froid par l'absorption de la chaleur à travers un échangeur (évaporateur), la vapeur produite étant ultérieurement liquéfiée dans un autre échangeur (condenseur), le fluide décrit ainsi un cycle au sein d'une machine fonctionnant de manière continue.

Les machines utilisant ce principe peuvent être regroupées en deux grandes familles que sont :

· les machines à compression mécanique ;

· les machines à absorption.

La vaporisation d'un liquide en circuit fermé reste la méthode la plus utilisée pour la production du froid. La production de froid pour les besoins domestiques, commerciaux et industriels nécessitent l'utilisation d'un dispositif capable d'extraire de la chaleur dans le milieu à refroidir pour la rejeter dans un milieu dit extérieur, ce dispositif qui obéit nécessairement au second principe de la thermodynamique est appelé « machine frigorifique».

Le froid peut être produit directement ou indirectement. On parle de refroidissement direct lorsque la substance à refroidir (par exemple l'air) est en contact avec le fluide circulant en circuit fermé dans la machine (par l'intermédiaire de l'échangeur).

Le refroidissement est dit indirect lorsqu'on utilise un fluide intermédiaire (par exemple l'eau) entre la substance à refroidir (l'air) et le fluide circulant en circuit fermé dans la machine. Le fluide intermédiaire est appelé fluide frigoporteur.

3.15. 1-4-LES ELEMENTS PRINCIPAUX D'UNE MACHINE FRIGORIFIQUE A COMPRESSION DE VAPEUR

La production de froid se fait à partir de 4 éléments principaux qui sont :

· le compresseur ;

· le condenseur ;

· l'évaporateur ;

· le détendeur.

3.16. 1-4-1- LE COMPRESSEUR [4]

Il aspire les vapeurs froides provenant de l'évaporateur (vapeur se situant à un bas niveau de température et de pression), les comprime jusqu'à un plus haut niveau de température et de pression et les refoule dans le condenseur. On peut classer les compresseurs suivant plusieurs critères.

3.17. 1-4-1-1-SUR LA BASE DE LEUR FONCTIONNEMENT

On distingue deux groupes principaux :

· les compresseurs volumétriques ;

· les compresseurs centrifuges.

1-4-1-1-1-Les compresseurs volumétriques

Dans ces compresseurs, la compression du fluide frigorigène se fait par réduction du volume de la chambre de compression. On distingue dans ce groupe :

· Les compresseurs à pistons (alternatifs), ici la compression des vapeurs est obtenue par le déplacement d'un ou de plusieurs pistons dans une capacité donnée (cylindre);

· Les compresseurs à palettes (rotatifs), dans ce cas la compression des vapeurs est obtenue par déplacement d'un corps cylindrique creux d'une masse excentrée agissant sur une palette mobile ;

· Les compresseurs hélicoïdaux ou à vis (rotatifs), parmi lesquels il faut distinguer les compresseurs mono vis (mono rotor) et les compresseurs double vis (bi rotors) ;

· Les compresseurs spiroïdaux ou scroll (rotatifs), dans ces compresseurs la compression des vapeurs est obtenue par la rotation d'une spirale mobile dans une spirale fixe.

1-4-1-1-2-Les compresseurs centrifuges

Encore appelés compresseurs à impulsion, ici la compression du fluide est créée par la force centrifuge générée par une roue à aubes utilisés pour de grandes puissances. On parle de turbocompresseur.

3.18. 1-4-1-2-SUR LA BASE DE L'ASSOCIATION MOTEUR COMPRESSEUR

Lorsqu'on parle de compresseur, on sous entend moto compresseur, le compresseur étant la partie mécanique entraînée par un moteur. Suivant le type de liaison ou d'association entre les deux parties, on distingue :

· Les compresseurs hermétiques ; Le moteur électrique et le compresseur sont enfermés dans la même enveloppe sans possibilité d'accès « en principe » à chacune des parties de manière isolée ;

· Les compresseurs ouverts ; Le moteur électrique et le compresseur sont associés par un organe de liaison qui peut être un manchon d'accouplement ou une ou plusieurs courroies ;

· Les compresseurs semi hermétiques ou semi ouverts : Il s'agit d'un type intermédiaire entre les précédents types. Le moteur électrique et le compresseur sont montés sur un arbre commun et sur le même bâti avec la possibilité d'accès à chaque élément, ce qui fait que ces compresseurs sont également appelés compresseurs hermétiques « accessibles ».

De manière générale, les compresseurs disposent du point de vue extérieur d'un bornier de raccordement électrique ainsi que de trois orifices comme l'indique la figure ci- dessous :

1. un orifice de charge / vidange pour le fluide frigorifique (côté BP) ;

2. un orifice d'aspiration (BP) ;

3. un orifice de refoulement (HP).

Figure 1-1: compresseur hermétique à piston

3.19. 1-4-2- LE CONDENSEUR [4]

Les condenseurs sont des échangeurs thermiques entre le fluide frigorigène et un fluide de refroidissement. Le fluide frigorigène cède la chaleur acquise, dans l'évaporateur et lors de la compression, au fluide de refroidissement. Lors de son passage dans le condenseur, le fluide frigorigène passe de l'état vapeur à l'état liquide. On distingue deux familles de condenseurs suivant le fluide de refroidissement :

· Les condenseurs à air, ici le medium de refroidissement est l'air ;

· Les condenseurs à eau, nous avons ici comme medium de refroidissement l'eau.

Le tableau suivant donne les avantages et les inconvénients de chacune des deux familles.

Tableau 1-1: Avantages et inconvénients des condenseurs à air et à eau

	Avantages	Inconvénients
condenseurs à air	Air disponible en quantité illimitée Entretien simple et réduit	Coefficients globaux d'échange thermique relativement faible Plus imposants et plus lourds Températures de condensation élevées dans les pays chauds
condenseurs à eau	Coefficients globaux d'échange thermique plus élevés Plus compacts et moins encombrants à puissance égale Température de condensation stables et de bas niveau Fonctionnement moins bruyant Possibilité de récupération d'énergie	Gaspillage d'eau pour les condenseurs à eau perdue Nécessité de mise en place d'un système de refroidissement de l'eau

3.20. 1-4-2-1-NOTION DE GROUPE DE CONDENSATION

Ce terme renvoie à l'association d'un compresseur, d'un condenseur et d'une bouteille liquide, le tout étant monté d'origine sur le même bâti. Ce type d'appareil est répandu en froid commercial (chambres froides, vitrine réfrigérée...).

La figure ci-dessous élucide les étapes subies par le fluide dans un condenseur à air.

40

Figure 1-2: Représentation du condenseur

La figure ci-dessus montre clairement les étapes subies par le fluide dans un condenseur ; Cette évacuation de chaleur s'effectue en trois étapes :

· la désurchauffe des vapeurs de fluide frigorigène (évacuation par chaleur

sensible - tronçon AB) ;

· la condensation des vapeurs (évacuation par chaleur latente - étape

principale - tronçon BC) ;

· le sous refroidissement du fluide frigorigène liquide (évacuation par chaleur sensible tronçon CD).

3.21. 1-4-3- L'ÉVAPORATEUR [4]

L'évaporateur est un échangeur de chaleur dans lequel le fluide frigorigène liquide à bas niveau de température et de pression va absorber la chaleur du milieu à refroidir (air ou eau) à pression constante devenant ainsi gazeux.

On distingue deux familles d'évaporateurs suivant le fluide à refroidir :

· les évaporateurs à eau ;

· les évaporateurs à air.

3.22. 1-4-3-1-LES ÉVAPORATEURS À EAU

On peut citer :

· les évaporateurs doubles tubes (évaporateurs coaxiaux) : Ils sont constitués de deux tubes coaxiaux, le plus souvent enroulés en hélice. Dans le tube central circule le fluide frigorigène qui se vaporise en refroidissant le fluide circulant dans l'espace annulaire compris entre les deux tubes, la circulation s'effectuant de préférence à contre-courant.

· les évaporateurs du type serpentin : Ils sont constitués de tubes (le plus souvent en cuivre) enroulé dans un bac ou dans un réservoir contenant le fluide à refroidir.

· les évaporateurs multitubulaires : Ils sont constitués d'un grand nombre de tubes qui sont proches entre eux et qui sont disposés en parallèle dans un corps cylindrique.

· les évaporateurs du type échangeur à plaques.

3.23. 1-4-3-2-LES ÉVAPORATEURS À AIR

On peut citer :

· les évaporateurs à air à convection naturelle ;

· les évaporateurs à air à convection forcée.

Suivant le mode de fonctionnement de l'évaporateur, on distingue :

· les évaporateurs à détente sèche ou à surchauffe ;

· les évaporateurs noyés ou évaporateurs à regorgement.

3.24. 1-4-3-3-LES ÉVAPORATEURS À DÉTENTE SÈCHE OU À SURCHAUFFE

Dans ce type d'évaporateurs, les vapeurs de fluide frigorigène sont surchauffées, cette surchauffe doit garantir l'admission d'un fluide frigorigène exemple de liquide au compresseur. Ils sont le plus souvent alimentés par un détendeur thermostatique qui ne va laisser passer qu'une quantité de fluide frigorigène liquide correspondante à celle qui sera complètement évaporée dans l'évaporateur en fonction de sa charge thermique.

3.25. 1-4-3-4-LES ÉVAPORATEURS NOYÉS OU ÉVAPORATEURS À REGORGEMENT

Le fonctionnement de ces évaporateurs réside sur le principe que les surfaces d'échange doivent toujours être en contact avec du fluide frigorigène liquide.

Figure 1-3: évaporateur

Cette absorption de chaleur s'effectue en deux étapes :

· l'évaporation du fluide frigorigène liquide (aspiration de chaleur latente

étape principale - tronçon AB) ;

· la surchauffe des vapeurs issues de l'évaporation du fluide frigorigène liquide (aspiration de chaleur sensible - tronçon BC).

3.26. 1-4-4-LE DÉTENDEUR [3]

L'alimentation automatique en fluide frigorigène de l'évaporateur d'une installation frigorifique nécessite entre autre, un appareillage qui aura pour rôle de n'injecter à l'évaporateur que la quantité juste nécessaire de fluide pour absorber l'apport calorifique en provenance du milieu à refroidir. Il existe plusieurs types d'appareils fonctionnant suivant des principes différents.

3.27. 1-4-4-1-DANS LE CAS DES ÉVAPORATEURS À DÉTENTE DIRECTE

On distingue des détendeurs capillaires, des détendeurs thermostatiques, qui peuvent être à égalisation interne de pression ou à égalisation externe de pression ; des détendeurs à commande électronique.

3.28. 1-4-4-2-DANS LE CAS D'ÉVAPORATEURS NOYÉS 

On peut citer des régulateurs de niveau ; des détendeurs à flotteurs.

La figure ci-dessous présente un tube capillaire.

Figure 1-4: détendeur capillaire

Cette figure nous montre qu'un détendeur relie deux cotés ; un coté haute pression et un coté basse pression d'un circuit frigorifique.

3.29. 1-5- QUELQUES ORGANES ANNEXES DU CIRCUIT FRIGORIFIQUE

3.30. 1-5-1- LE VOYANT LIQUIDE [8]

Celui-ci se situe sur la ligne liquide et informe par contrôle visuel de la phase (vapeur, liquide ou mélange) du réfrigérant dans la ligne liquide. Il peut aussi être équipé d'une pastille réactive à l'humidité qui nous indiquera s'il y a ou non présence d'humidité dans le circuit. Cette pastille est généralement verte et vire au jaune s'il y a présence d'humidité.

Figure 1-5: voyant liquide

3.31. 1-5-2- LES DESHYDRATEURS [1]

Placé sur la ligne liquide (entre le condenseur et le détendeur), Ils ont pour but de maintenir la quantité d'eau contenue dans le fluide en dessous d'une valeur maximale qui dépend de la nature du fluide. L'efficacité d'un deshydrateur dépend en premier lieu de la nature du produit déshydratant utilisé et également de la vitesse avec laquelle le fluide traverse ce produit, aussi, le diamètre des deshydrateurs est-il toujours relativement grand, ce qui entre autres avantages permet d'obtenir des pertes de charge faibles. Le déshydrateur comporte un filtre disposé à l'entrée du fluide. Le corps du déshydrateur est en cuivre ou en acier et les fonds d'extrémité emboutis portent les abouts de raccordement, qui peut être visé ou soudé selon le type. Il faut pour déterminer le type de deshydrateur à monter sur une installation tenir compte de la charge en fluide frigorigène de l'installation et non de la puissance du compresseur.

La figure ci-dessous présente un déshydrateur.

Figure 1-6: déshydrateur

3.32. 1-5-3- LE PRESSOSTAT [4]

Cet appareil qui assure deux fonctions peut être classé en deux catégories :

· appareil de régulation : dont le rôle est d'assurer la marche automatique de l'installation en fonction de la pression d'évaporation du fluide frigorigène et de régler aussi indirectement la température de l'enceinte refroidie.

· appareil de sécurité et de protection dont le rôle est de mettre à l'arrêt le compresseur en cas de baisse anormale de la pression d'aspiration (sécurité basse pression) et de le remettre en service lorsque les conditions normales de marche sont rétablies.

3.33. 1-6- LES FLUIDES FRIGORIGÈNES

3.34. 1-6-1- DÉFINITION [1]

Un système de réfrigération constitué par l'évaporateur, le détendeur, le compresseur, le condenseur, etc., est seulement une unité mécanique dont le rôle est de faciliter le changement d'état du fluide frigorigène, ce qui a pour effet d'absorber de la chaleur à l'évaporateur et d'en rejeter au condenseur ; c'est le fluide frigorigène qui accomplit le transfert.

Le fluide frigorigène est donc un composé chimique facilement liquéfiable capable de véhiculer de la chaleur par le biais d'un changement d'état, il dispose donc d'un certain nombre de propriétés a l'instar de la très basse température d'ébullition.

3.35. 1-6-2- PROPRIÉTÉS DES FLUIDES FRIGORIGÈNES [2]

3.36. 1-6-2-1-PROPRIÉTÉS PHYSIQUES [2]

La température d'ébullition d'un fluide frigorigène doit être supérieure à la température d'ébullition c'est à dire à la pression atmosphérique. La température critique doit être très élevée. La chaleur massique du fluide frigorigène à l'état liquide doit être très faible ainsi que son volume massique. La chaleur latente de vaporisation doit être élevée.

3.37. 1-6-2-2- PROPRIÉTÉS CHIMIQUES [2]

Le fluide frigorigène doit être non toxique et la réaction sur l'air sans effet sur l'environnement, non corrosif, non inflammable, miscibles avec les huiles de lubrification, non explosif.

3.38. 1-6-2-3- PROPRIÉTÉS PHYSIOLOGIQUES [2]

· Non toxique ;

· Sans effet sur la peau ;

· Sans effet sur la santé ;

· Non odorat.

3.39. 1-6-2-4- PROPRIÉTÉS TECHNIQUES [2]

· Les fluides frigorigènes doivent êtres neutres vis-à-vis des constituants du circuit frigorifique ;

· Les fluides frigorifiques doivent dissoudre la plus grande quantité d'eau possible ;

· La molécule du fluide frigorigène doit rester stable ;

· La détection des fuites du fluide frigorigène doit être relativement aisée ;

· Les fluides frigorigènes doivent avoir un potentiel d'action sur l'ozone voisin de zéro au mieux nul.

Effet, les fluides frigorigènes de l'avenir doivent être sans action sur la couche d'ozone.

3.40. 1-7- PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT D'UNE MACHINE FRIGORIFIQUE UTILISANT UN COMPRESSEUR A PISTON [8]

Dans le cylindre du compresseur le fluide frigorigène gazeux est comprimé à l'aide du piston qui remonte. La compression des vapeurs a pour effet d'augmenter la pression et la température du fluide. Les vapeurs surchauffées traversent le clapet de refoulement puis la tuyauterie de refoulement et se dirigent vers le condenseur.

Ces vapeurs arrivent au condenseur à une température supérieure au medium de refroidissement ; (l'air ou l'eau) qui doit les refroidir.

Le medium retire à ces vapeurs la quantité de chaleur qu'elles ont absorbée dans l'évaporateur, augmentée de la quantité de chaleur due à la compression.

Ces vapeurs se désurchauffent en cédant peu à peu leur chaleur, à travers le condenseur, au medium. Le fluide frigorigène gazeux voit sa température baisser (c'est la désurchauffe).

Les premières gouttelettes de liquide apparaissent dans le haut du condenseur dès que la température correspondant à la tension de vapeur saturée du fluide considéré en fonction de la pression est atteinte ou plus simplement quand la température correspondant à la pression de condensation est atteinte (c'est la condensation).

Au fur et à mesure du passage dans le condenseur nous avons de plus en plus de fluide frigorigène liquide dont la température et la pression restent la même.

A l'extrémité du condenseur il n'ya plus que du fluide frigorigène à l'état liquide qui continue à céder de la chaleur à une pression égale à celle de la pression de refoulement mais à une température inférieure à la température correspondant à la pression de condensation (c'est le sous-refroidissement).

Le fluide frigorigène liquide sous-refroidi se dirige par l'intermédiaire de la ligne liquide vers un organe de détente qui, tout en maintenant une différence de pression entre son entrée et sa sortie, règle le débit du fluide frigorigène dans l'évaporateur nécessaire à l'absorption de la charge calorifique. Le fluide frigorigène arrivé dans l'évaporateur en ayant subi une baisse brutale de sa pression. Du fait de cette différence de pression, une détente se produit.

Le fluide à cette pression, en fonction de la relation pression-température ne peut plus se trouver qu'à l'état vapeur, et non à l'état liquide. Le fluide doit se vaporiser, mais pour se vaporiser il lui faut une certaine quantité de chaleur ; celle du milieu à refroidir, air ou eau circulant à travers l'évaporateur (c'est l'évaporation).

Si de la chaleur est enlevée au milieu à refroidir, grâce à l'évaporateur qui récupère cette chaleur par le fluide qui évaporé, la température va baisser. Si la température du milieu baisse, il fait plus froid. On dit qu'il y'a « production de froid ».

L'évaporateur, d'abord pratiquement plein de fluide frigorigène liquide n'a plus à sa sortie que du fluide frigorigène gazeux. Ce dosage est obtenu par le réglage de l'organe de détente.

Tant qu'il ya du fluide frigorigène en présence de vapeur dans l'évaporateur, la température d'évaporation reste la même, quelle que soit la quantité de liquide dans l'évaporateur, si la pression dans celui-ci reste la même (pertes de charge nulles). Cette température d'évaporation correspond à la pression qui règne dans l'évaporateur. A l'extrémité de l'évaporateur, comme il n'ya que des vapeurs et que celles-ci continuent à récupérer de la chaleur dans le milieu ambiant, la température augmente sans augmentation de la pression (c'est la surchauffe).

Ces vapeurs surchauffées à la sortie de l'évaporateur, chargées de calories récupérées dans l'enceinte à refroidir sont aspirées par le compresseur, à travers la tuyauterie d'aspiration, à l'aide du piston du compresseur qui redescend.

Après leur passage par le clapet d'aspiration, les vapeurs de fluide frigorigène remplissent le cylindre. Le (ou les) clapet(s) d'aspiration ne permettant au fluide frigorigène gazeux de ne passer que quand le (ou les) piston(s) descend (ent). Il interdit de ressortir quand le piston remonte. Le (ou les) clapet(s) de refoulement permet (tent) l'opération inverse.

Quand le piston remonte le cycle reprend. La figure ci-dessous montre les étapes subies par le fluide dans une installation frigorifique comme l'indique le fonctionnement

Figure 1-7:schéma principe

3.41. 1-8- PRÉSENTATION DE QUELQUES MODÈLES [5]

La Société PRODIDAC, implantée dans l'agglomération grenobloise, propose du matériel pédagogique et des équipements didactiques destinés à l'enseignement technique et professionnel pour les laboratoires de travaux pratiques en Génie Énergétique des lycées. Parmi ces équipements nous avons : le banc didactique visuel d'étude de la réfrigération - 801 réalisé en 2010 qui permet d'illustrer clairement les principes de base sur le cycle de Carnot inversé et de simuler des pannes.

Ses spécifications sont les suivantes :

· l'appareil est monté sur un châssis en acier avec une base et un panneau arrière en acier inoxydable ;

· Condenseur à refroidissement par air et équipé d'un compresseur alternatif bi-cylindrique ouvert.

· Un évaporateur en plastique transparent illustrera clairement le changement d'état du liquide frigorigène de la phase liquide à la phase vapeur.

· Dispositifs de contrôle de débit du liquide frigorigène sélectionné à l'aide de vannes d'expansion automatique, détendeur thermostatique à équilibrage interne, capillaire avec filtre déshydrateur séparé.

· Échangeur thermique liquide-vapeur

· Déshydrateur de la conduite de liquide et hublot de visualisation

· Haute Pression / Basse Pression

· Mano vacuomètre et manomètre

· Vannes d'aspiration et de refoulement

· Vanne manuelle à volant pour conduite de liquide afin de faciliter l'évacuation manuelle du liquide frigorigène R134a

· Boîtier de commande électrique comprenant des indicateurs / alarmes lumineuses, un contacteur marche / arrêt, un dispositif de protection contre les surcharges ainsi qu'un dispositif de courant résiduel afin de protéger contre une éventuelle fuite à la terre. Fourni avec manuel d'utilisation avec travaux pratiques

Depuis 1967, la société française DELTALAB / COSIMI située à 335 Boulevard Joseph Gay Lussac ,11000 CARCOSSONNE propose une large gamme de produits pour l'enseignement général, l'enseignement scientifique, professionnel et technique, la recherche universitaire et industrielle. Elle a réalisé un appareil de démonstration du cycle frigorifique de référence MP2041, où les phases d'évaporation et de condensation peuvent être observées de manière optimale. Ce banc de dimensions 180 x 80 x 180 cm est monté sur un châssis inox avec noix aluminium, équipé de 4 roulettes dont 2 autobloquantes et fonctionnant avec une alimentation électrique (230 V - 50 Hz) monophasée. Ses spécifications techniques sont les suivantes :

· compresseur de type hermétique ;

· condenseur à air forcé et à débit variable ;

· 2 chambres frigorifiques à évaporateurs indépendants ;

· vannes de réglage thermostatiques et régulateur de pression ;

· régulation de la température avec différentiel réglable ;

· échangeur pour le sous-refroidissement du liquide ;

· système d'acquisition des paramètres de fonctionnement constitué par 1 débitmètre à flotteur, 2 manomètres 0-15 et 0-35 bars ;

· sondes pour la mesure des températures tout le long du circuit ;

· wattmètre - voltmètre - ampèremètre ;

· indicateur de passage de liquide et d'humidité, filtres déshydrateurs. 

3.42. 1-9-CONCLUSION

Ce chapitre nous a permis d'observer la variété, la diversité et la complexité des du froid en général ; il était question de définir quelques concepts clés de notre travail ; d'expliquer le fonctionnement détaillé du cycle frigorifique de base et de présenter quelques modèles de bancs didactiques de démonstration du cycle frigorifique. Il sera pour nous dans le prochain chapitre de dimensionner et de réaliser notre banc didactique.

CHAPITRE 4. DIMENSIONNEMENT ET REALISATION DU BANC DIDACTIQUE DE DEMONSTRATION DU CYCLE FRIGORIFIQUE

4.1. 2-1- INTRODUCTION

Ce chapitre nous permettra d'estimer le bilan total des apports de chaleur s'attaquant journalièrement dans le banc didactique afin de dimensionner ses différents composants. A partir des résultats obtenus après le dimensionnement de passer à la réalisation de notre banc didactique. Pour atteindre les objectifs fixés, nous présenterons l'approche scientifique qui conduit à monter ce banc didactique. Nous allons également présenter le matériel à utiliser pour chaque composant ; puis nous indiquerons les différentes opérations effectuées. Ensuite nous clôturerons par une présentation finale du banc didactique et de son cout estimatif.

4.2. 2-2-DIMENSIONNEMENT

4.3. 2-2-1-BILAN THERMIQUE

L'évaluation du bilan thermique permet de préciser la puissance frigorifique nécessaire pour combattre les agressions thermiques de la maquette. Ici il est nécessaire de rappeler brièvement les différents apports externes et internes qui influencent les consommations énergétiques de la maquette à savoir :

· les apports de chaleur par les parois ;

· les apports de chaleur par l'air de l'enceinte à refroidir ;

· apport de chaleur par l'éclairage.

4.4. 2-2-1-1-CAHIER DE CHARGE

Il s'agit d'indiquer les principaux éléments à prendre en considération :

Figure 2-1: Schématisation de la mini chambre froide

· Température maximale de l'ambiance, +29°C ;

· Température moyenne à l'intérieur de la chambre froide, +5°C ;

· Chaleur spécifique de l'air 1KJ/Kg°C ; [11]

· Masse volumique de l'air 1,157Kg/m³ ; [11]

· Réfrigérant : R 134a

· Dimensions

· Longueur = 80 cm

· Largeur = 40 cm

· Hauteur = 10 cm

· Paroi en vitre d'épaisseur e_v= 2mm ;

· Parois en bois d'épaisseur e_b= 2cm ;

· Paroi en tôle d'aluminium d'épaisseur e_a= 1mm ;

· Temps de fonctionnement de la maquette 18 heures ;

· Eclairage : une lampe de 40W ;

· 1/he= 0,12 m² K/ W [12] ; 1/hi= 0,12 m² K/ W [12] ;

· Surchauffe 5K ;

· Sous refroidissement 5K.

D'après l'annexe, nous avons le tableau ci-dessous qui nous présente les conductivités thermiques des différents matériaux.

Tableau 2-1: Indication des conductivités thermiques des matériaux

Nature du matériau	Conductivité thermique (W/m.K)
vitre	1,15
bois	0,12
tôle d'aluminium	70

4.5. 2-2-1-2-CALCUL DES APPORTS DE CHALEUR

2-2-1-2-1-Apport de chaleur par les parois en vitre (Q1)

Pour le calcul de la quantité de chaleur pénétrant par les parois en vitre par jour, appliquons la formule suivante :

Q₁ = K_v × S_v ×?è×86,4 [8] (1)

Avec :

· Q₁ : Apport de chaleur par parois en vitre en [kJ]

· K_v : Coefficient global d'échange à travers les parois en vitre en [W/m²°C]

· S_v : Surface des parois en vitre en [m²]

· ?è : Différence de température entre l'air ambiant et l'intérieur de la chambre à refroidir en [°C]

2-2-1-2-1-1-Détermination du coefficient global de transmission thermique des parois en vitre

Nous appliquons la formule suivante:

K_v= [9]

Avec :

· K_v : Coefficient global de transmission de chaleur par les parois en vitre [W/m²°C]

· h_ex et h_i: Coefficient de convection thermique [W/ (m²°C)]

· ??_v : Coefficient de conductivité thermique de la vitre [W/m K]

· e_v : épaisseur des parois en vitre en [m]

Après calcul on obtient : K_v = 4,14W/m²°C

2-2-1-2-1-2-Détermination de la surface totale des parois en vitre

La surface totale des parois en vitre est le produit Longueur X hauteur (L x H).

Soit S_v = (L x H) 

En application numérique on trouve : S_v = 0,32m²

2-2-1-2-1-3-Détermination de la différence de température entre l'ambiance extérieure et l'intérieur : ?è

C'est la différence de température en degré (°C) entre la température à l'extérieur et la température à obtenir à l'intérieur de la chambre froide. On trouve : ?è = 24°C

En application numérique on trouve :

Q₁ = 2747 KJ

2-2-1-2-2-Apport de chaleur par les parois en bois (Q2)

Pour le calcul de la quantité de chaleur pénétrant par les parois en bois par jour, appliquons la formule suivante :

Q₂ = K_b × S_b ×?è×86,4 [8] (2)

Avec :

· Q₂ : Apport de chaleur par parois en bois en [kJ]

· K_b : Coefficient global d'échange à travers les parois en bois en [W/m²°C]

· S_b : Surface des parois en bois en [m²]

· ?è : Différence de température entre l'air ambiant et l'intérieur de la chambre à refroidir en [°C]

2-2-1-2-2-1-Détermination du coefficient global de transmission thermique des parois en bois

Nous appliquons la formule suivante:

K_b= [9]

Avec :

· K_b : Coefficient global de transmission de chaleur par les parois en bois d'épaisseur e_b [W/m²°C]

· h_ex et h_i: Coefficients de convection thermique [W/ (m²°C)]

· ??_b : Coefficient de conductivité thermique du bois [W/m K]

· e_b : épaisseur des parois en bois en [m]

Après calcul on obtient : K_b = 2,46W/ m²°C

2-2-1-2-2-2-Détermination de la surface totale des parois en bois d'épaisseur eb

La surface totale des parois en bois est la somme du produit Longueur X Largeur (L x l) et du double du produit Largeur X hauteur (l x H) et produit Longueur X hauteur(LxH) .

Soit S_b = (L x H) + 2(l x H) + (L x l) 

En application numérique on trouve : S_b = 0,48m²

En appliquant la formule (2) on trouve :

Q₂ = 2449 kJ

2-2-1-2-3 -Apport de chaleur par la paroi en tôle d'aluminium (Q3)

Pour le calcul de la quantité de chaleur pénétrant par la paroi en tôle d'aluminium par jour, appliquons la formule suivante :

Q₃ = K_a × S_a ×?è×86,4 [8] (3)

Avec :

· Q₄ : Apport de chaleur par la paroi en tôle d'aluminium en [kJ]

· K_a : Coefficient global d'échange à travers les parois en tôle d'aluminium en [W/m²°C]

· S_a : Surface de la paroi en tôle d'aluminium en [m²]

· ?è : Différence de température entre l'air ambiant et l'intérieur de la chambre à refroidir en [°C]

2-2-1-2-4-1-Détermination du coefficient global de transmission thermique de la paroi en tôle d'aluminium

Nous appliquons la formule suivante:

K_a= [9]

Avec :

· K_a : Coefficient global de transmission de chaleur par la paroi en en tôle d'aluminium [W/m²°C]

· h_ex et h_i: Coefficients de convection thermique [W/ (m²°C)]

· ??_a : Coefficient de conductivité thermique de la tôle d'aluminium [W/m K]

· e_a : épaisseur de la paroi en tôle d'aluminium en [m]

Après calcul on obtient : K_a = 4,17W/ m²°C

2-2-1-2-4-2-Détermination de la surface totale de la paroi en tôle d'aluminium

La surface totale de paroi en tôle d'aluminium est le produit Longueur X largeur (L x l).

Soit S_a = (L x l) 

En application numérique on trouve : S_a = 0,08m²

En appliquant la formule (3) on trouve :

Q₃ = 692kJ

2-2-1-2-5-Apport de chaleur dû à la masse d'air à refroidir (Q4)

Nous appliquons la formule suivante :

Q₄ = m (C_a ? ??) [4] (4)

· Q₄ : Apports de chaleur par l'air de la chambre en [kJ]

· m : Masse d'air [kg]

· C_av : Chaleur spécifique de l'air en [kJ/kg.k]

· ? ?? : Différence de température entre l'intérieur de la chambre et l'extérieur

2-2-1-2-5-1-Détermination de la masse d'air

La masse d'air est obtenue en faisant le produit de la masse volumique ñ et le volume intérieur V de la chambre froide.

Nous appliquons la formule suivante :

m = ñ x V

Avec :

· m : Masse d'air en [kg]

· ñ : masse volumique de l'air en [kg /m³]

· V : volume intérieur de la chambre en [m³]

2-2-1-2-5-2-Détermination du volume intérieur de la chambre

Le volume intérieur est le produit de la longueur, de la largeur et de la hauteur.

Soit V = L x l x H

En application numérique on trouve : V = 0,032 m³

Après calcul on obtient : m = 0,037 kg

En appliquant la formule (4) on obtient :

Q₄ = 1 kJ

2-2-1-2-5-Apport de chaleur dû à l'éclairage (Q5)

Nous appliquons la formule suivante :

Q₅ = n x P x 86,4 (5)

Avec :

· Q₅ : Apport de chaleur dû à l'éclairage en [kJ] ;

· n : nombre de lampe ;

· P : puissance d'une lampe en [W].

Après calcul on obtient :

Q₅ = 3456 kJ

Tableau 2-2: Récapitulatif des différents apports de chaleur

POSTES DU BILAN	CALCUL	RESULTATS EN kJ
Paroi en vitre	Q1 = Kv × Sv ×?è×86,4	2747
parois en bois	Q2 = Kb × Sb ×?è×86,4	2449
paroi en tôle	Q3 = Ka × Sa ×?è×86,4	692
air	Q4 = m (Ca ? ??)	1
éclairage	Q5 = n x P x 86,4	3456
total	Q =	9345
Pertes non chiffrables	5% Q	467
Bilan total	QT = Q + 5% Q	9812

4.6. 2-2-1-3-DÉTERMINATION DE LA PUISSANCE FRIGORIFIQUE (Ô0)

La puissance frigorifique à fournir à notre chambre pour équilibrer le bilan thermique journalier Q est :

Ô₀ =

Avec :

· Ô₀ : Puissance frigorifique en kilowatts [kW]

· Q_T : Bilan thermique journalier (total) en kilojoules [kJ]

· t : Temps de fonctionnement en secondes [s]

Après calcul on obtient: Ô₀ = 0,15 kW = 150 W

4.7. 2-2-2-DIMENSIONNEMENT DES ÉQUIPEMENTS

4.8. 2-2-2-1-DIMENSIONNEMENT DU COMPRESSEUR

Il s'agit de déterminer la puissance absorbée au sein du compresseur et de le sélectionner.

La puissance absorbée est le quotient de la puissance frigorifique et du coefficient de performance.

P_a =

D'après le constructeur UNITE HERMETIQUE le coefficient de performance est de 1,36. Après calcul on obtient :

P_a = 110 W

Les caractéristiques de notre compresseur sont les suivantes d'après le catalogue de AZ1320Y ; 220-240 V~ 50Hz ; In 0,5A ; Id 7,2A ; S/N 02G31 ; 102543 ; 6021231100 Après avoir tracé de notre cycle frigorifique sur le diagramme enthalpique avons obtenu le tableau suivant :

Tableau 2-3: valeurs des points du cycle

	è	H	P	V'
Points	°C	kJ/kg	bar	m^3/kg
1	0	399,87	2,43	0,085
2	61,85	440,94	11,30	0,020
3	61,85	440,94	11,30	0,020
4	39	254,95	11,30	0,00087
5	-5	254,95	2,43	0,026
6	0	399,87	2,43	0,085

4.9. 2-2-2-2-DIMENSIONNEMENT DES CONDUITES

2-2-2-2-1- Conduite d'aspiration

2-2-2-2-1-1- Détermination du débit massique

Sachant que Ô₀ = q_m?H or ?H = h₁ - h₅

Alors, q_m =

Avec :

· q_m : Débit masse du fluide frigorigène en [kg /s]

· Ô₀ : Puissance frigorifique en [kW]

· h₁ : enthalpie du point 1 en [kJ/kg]

· h₅ : enthalpie du point 5 en [kJ/kg]

On obtient après calcul : q_m = 0,001kg/s

Le débit q_m du fluide en circulation est fonction du diamètre intérieur de la conduite et de la vitesse d'aspiration V_asp = 3,66m /s [13].

QmV₁' = Q_v (1) or Qv = × V_asp

En remplaçant Q_V dans l'équation (1) on obtient : D_in = [10]

Avec :

· D_in : le diamètre intérieur de la conduite en m

· q_m : le débit massique du fluide en Kg /s

· V_asp : la vitesse d'aspiration en m/s

· V₁' : volume spécifique du fluide à l'aspiration en m³ /Kg

Après application numérique on obtient un diamètre de 5,44mm qui est sensiblement égale à 1/4pouce. 

2-2-2-2-2- Conduite de refoulement

La vitesse du fluide frigorigène en circulation dans la conduite de refoulement est de: V_ref = 2,49m/s [13]

Nous déduisons de la formule précédente : D_in = [10]

Avec : 

· D_in : le diamètre intérieur de la conduite en m

· q_m : le débit massique du fluide en Kg /s

· V_ref : la vitesse au refoulement en m/s

· V₂' : volume spécifique du fluide au refoulement en m³ /Kg

Après application numérique on obtient un diamètre de 3,2mm qui est sensiblement égale à 1/4  pouce. 

2-2-2-2-3- Conduite liquide

La vitesse dans la conduite liquide est de: V_L = 0,23m/s [13]

Nous déduisons de la formule précédente : D _in = [10]

Avec :

· D_in : le diamètre intérieur de la conduite en m

· q_m : le débit massique du fluide en Kg /s

· V_L : la vitesse au refoulement en m/s

· V₄' : volume spécifique du fluide au refoulement en m³ /Kg

Après application numérique on obtient un diamètre de 2,2 mm qui est sensiblement égale à 5/32 pouce. 

4.10. 2-2-2-3-DIMENSIONNEMENT DE L'ÉVAPORATEUR 

Il s'agit ici de calculer la longueur du serpentin et de trouver la surface nécessaire pour la production frigorifique. L'évaporateur est fait en plastique de rayon intérieur 3,175mm, de rayon extérieur 4,175mm et de conductivité thermique du plastique (polycarbonate) 0,0029W/m.K.

2-2-2-3-1-Calcul de la longueur du serpentin

Cette longueur est donnée par la formule suivante :

[9]

Avec :

· L : longueur du serpentin en mètres (m) ;

· Ô₀ : Puissance frigorifique en [W] ;

· r₂ : rayon extérieur en mètres(m) ;

· r₁ : rayon intérieur en mètres (m) ;

· ?? : Coefficient de conductivité thermique du plastique (W/m K) ;

· ? T : Différence de température en degré kelvin (K) entre la température à obtenir à l'intérieur de la chambre froide et la température d'évaporation.

Après application numérique on obtient : L = 8m

2-2-2-3-2-Calcul de la surface de l'évaporateur

Cette surface est donnée par la formule suivante :

S = ??DL

Avec

· S : surface d'échange de l'évaporateur (m²) ;

· D : diamètre de la tuyauterie en mètres (m) ;

· L : longueur du serpentin en mètres.

En application numérique on trouve : S = 0,24m²

4.11. 2-2-2-4-DIMENSIONNEMENT DU CONDENSEUR

Le condenseur est un condenseur à air en acier de conductivité thermique 52 W/m K.

2-2-2-4-1-Détermination de la puissance du condenseur

Cette puissance est la somme entre la puissance absorbée par le compresseur et la production frigorifique au sein de l'évaporateur.

Ô_K = ô_O + P_a

Après calcul on trouve: ô_K = 260W

2-2-2-4-3-Calcul de la surface Du condenseur

C'est le rapport de la quantité de chaleur évacuée au condenseur par rapport au produit entre le coefficient global d'échange K et la différence de température (ambiance et la température de condensation).

S =

2-2-2-4-3-1- Détermination du coefficient global d'échange

La valeur du coefficient global de transmission d'un condenseur à air est comprise entre 22 et 30 W/m²C. En faisant une moyenne, on estime ce coefficient à :

K = 26 W/m²°C

Après calcul on obtient : S = 0,67 m²

4.12. 2-2-2-5-DIMENSIONNEMENT DU TUBE CAPILLAIRE

D'après le logiciel DANCAP nous obtenons un tube capillaire de longueur 1,66 m et de diamètre 0,90 mm.

4.13. 2-3-REALISATION DU BANC DIDACTIQUE

La réalisation de cette maquette a été subdivisée en plusieurs étapes à savoir :

· la réalisation du support sur lequel seront fixés les différents équipements ;

· la réalisation du circuit frigorifique ;

· la réalisation du circuit électrique.

4.14. 2-3-1- RÉALISATION DU SUPPORT

Pour réaliser ce support, nous avons fait appel à un menuisier à qui nous avons présenté le dessin d'ensemble de l'avant projet et expliquer les tenants et les aboutissants de notre projet, ce dernier nous a alors proposé le support ci-dessous 

Figure 2-2: support en bois

4.15. 2-3-2-RÉALISATION DU CIRCUIT FRIGORIFIQUE

La réalisation du circuit électrique a été faite comme suit. Nous avons d'abord fixé le compresseur sur le support, ensuite faire le raccordement des éléments principaux (condenseur, tube capillaire et évaporateur) et annexes (filtre déshydrateur et manomètres), puis la vérification de l'étanchéité du circuit fluidique, le tirage au vide et enfin la charge en fluide frigorigène.

Figure 2-3: schéma descriptif du circuit fluidique

4.16. 2-3-3-RÉALISATION DU CIRCUIT ÉLECTRIQUE

Nous avons également établi le schéma électrique du banc didactique que nous présente la figure ci-dessous :

Figure 2-4: schéma électrique

Le circuit électrique de notre projet de mémoire est constitué des éléments suivants :

Tableau 2-4: nomenclature du schéma électrique

Ph : Phase / N : neutre	K : Protection thermique
S1 : Interrupteur de mise en marche de la lampe	C, S, R : Bornes du compresseur
	CP : compresseur hermétique
D : disjoncteur	RT : Relais de tension
B0 : thermostat de régulation	H : lampe d'éclairage interne

4.17. 2-3-4-MATÉRIAUX UTILISÉS ET LEURS CARACTÉRISTIQUES

4.18. 2-3-4-1-POUR L'ÉVAPORATEUR

Pour l'évaporateur, nous avons utilisé des flexibles transparents en plastique de diamètre ¼ de pouce ; de longueur chacun et des raccords en cuivre de diamètre ¼ de pouce.

4.18.1.1. 2-3-4-2-Pour le condenseur

.

Nous résumons dans le tableau ci-dessous les caractéristiques des matériaux que nous avons utilisés pour la réalisation du condenseur.

Tableau 2-5: Récapitulatif des matériaux utilisés pour le condenseur

Matériaux	Caractéristiques
Tuyauterie en acier	De diamètre ¼ de pouce De surface 0,01m^2
Flexibles transparents en plastique	De diamètre ¼ de pouce De longueur 0,90m
Raccords en cuivre	De diamètre ¼ de pouce

4.19. 2-3-5-MATÉRIEL (OUTILS ET MACHINES) UTILISÉ

Nous indiquons ici les outils et machines que nous avons utilisés pour la réalisation. Nous pouvons citer entre autre :

· Une table ;

· Des marteaux ;

· Des tournevis ;

· Des pinces ;

· Le mètre ;

· Le multimètre ;

· L'ampèremètre ;

· Le marqueur ;

· Un poste de soudure oxyacétylénique ;

· Une lampe à souder ;

· Une perceuse ;

· Des coupe-tubes ;

· Une dudgeonnière ;

· Des baguettes ;

· Des vis à glace ;

· La silicone ;

· Des attaches.

4.20. 2-3-6-PROCÉDURE DE FABRICATION

Figure 2-5: assemblage du matériel

4.21. 2-3-6-1-RÉALISATION DU CIRCUIT FRIGORIFIQUE

La dite réalisation s'est faite en plusieurs étapes parmi lesquelles :

· la pose du compresseur ;

· la pose du condenseur ;

· montage du filtre deshydrateur ;

· montage du détendeur capillaire ;

· montage de l'évaporateur. 

2-3-6-1-1-La pose du compresseur 

Dans un premier temps, il fallait repérer les trous de fixation à l'aide d'un marqueur ; ensuite à l'aide d'une perceuse, nous avons percé quatre trous sur le support, lesquels a été fixé notre compresseur reposant sur un amortisseur de vibration stabilisé grâce aux quatre vis de diamètre 10 mm supportant une pression de 48 newton chacune ; par la suite nous avons soudé les raccords de charge ou prises de pressions aux différents orifices (entrée et sortie) du compresseur.

Figure 2-6:pose du compresseur

2-3-6-1-2- La pose du Condenseur 

Nous avons centralisé notre condenseur sur la face arrière de notre support, afin de limiter l'encombrement, ensuite nous avons fixé le condenseur au support grâce aux vis à glace, par la suite, nous avons soudé les raccords de charge à l'entrée et sortie de notre condenseur.

Figure 2-7: pose du condenseur

2-3-6-1-3- Montage du filtre deshydrateur 

Dans un premier temps, il a fallu démonter les bouchons de deux orifices, ensuite nous avons soudé les raccords de charge à l'entrée du filtre, et par la suite nous avons fixé le filtre sur le support dans une position oblique grâce à la vis à glace.

Figure 2-8: montage du filtre déshydrateur

2-3-6-1-3- Montage du détendeur capillaire 

Après le déroulage du capillaire, nous l'avons boudiné afin augmenter la perte de charge, ensuite nous avons soudé un de ses orifices à l'orifice de sortie du filtre deshydrateur et l'autre orifice sera prévu pour l'injection du fluide frigorigène à l'entrée de l'évaporateur.

2-3-6-1-3- Montage de l'évaporateur 

Il est du type serpentin ; dans un premier temps, nous avons assemblé deux raccords de charge, ceci nous permettra de joindre la tuyauterie transparente entre eux, ensuite nous avons procéder à l'assemblage de la tuyauterie dans la chambre à refroidir ; à l'entrée est fixée la sortie du détendeur capillaire, et la sortie de la tuyauterie transparente est fixée à l'aspiration du compresseur.

Figure 2-9: montage de l'évaporateur

La figure ci-dessous nous montre l'état final de la réalisation du circuit frigorifique.

Figure 2-10: réalisation du circuit fluidique

4.22. 2-3-6-2-RÉALISATION DU CIRCUIT ÉLECTRIQUE

Cette partie est faite en plusieurs étapes parmi lesquelles :

· fixation de la boite de dérivation ;

· fixation du disjoncteur ;

· fixation de la lampe ;

· fixation du thermostat ;

· fixation de l'interrupteur ;

· réalisation du câblage électrique.

Figure 2-11: Réalisation du circuit électrique

4.23. 2-3-7-OPÉRATION DE MISE EN MARCHE

Dans cette partie nous parlerons des opérations effectuées avant, pendant et après la mise en marche de notre installation.

4.24. 2-3-7-1-TIRAGE AU VIDE

Afin d'éliminer complètement l'air et l'humidité rentré dans le circuit lors de l'assemblage, nous avons effectués un tirage au vide du circuit fluidique, à l'aide d'une pompe à vide et d'un manifold pour le contrôle du vide.

Une fois la pompe à vide et le manifold branché sur le circuit fluidique sur sa partie basse pression, nous avons fait le tirage au vide pendant 30 minutes, jusqu'à ce que nous avons obtenu une pression de 76 millimètre de mercure (76mmHg) en dessous de la pression atmosphérique après que le tirage soit fini, la pression du vide s'est stabilisée, ce qui nous a permis de constater que note circuit ne comporte aucune fuite. Ce qui nous permet donc d'effectuer sans crainte la charge en fluide frigorigène. La figure suivante nous présente d'ailleurs l'opération du tirage au vide.

Figure 2-12: tirage au vide

4.25. 2-3-7-2-CHARGE EN FLUIDE FRIGORIGÈNE

Nous avons effectués la charge du coté basse pression. Le réfrigérant utilisé est le R134a. Une fois la charge terminée, le compresseur a atteint son régime de marche normal, avec une intensité nominale de 0 .45 ampères, correspondant à une pression d'aspiration de 0 bars, et une pression de refoulement de10 bars.

Figure 2-13: charge en fluide frigorigène

4.26. 2-3-8-APERÇU FINAL DU BANC DIDACTIQUE

La figure ci-dessous nous présente notre banc didactique en fin de réalisation

Figure 2-14: Aperçu final du banc

L'ensemble des activités menées dans cette partie nous a permis de mettre sur pieds le banc didactique dont les dimensions ont été données plus haut, et à notre grande satisfaction, s'est mis à fonctionner. Il est tout de même à noter que pour la mise en service de notre banc, certains essais devraient être effectués afin d'atteindre les prescriptions de notre cahier de charge.

4.27. 2-3-9-TEST DE FONCTIONNEMENT

Les conditions extérieures dans lesquelles notre banc devrait fonctionner ont été mentionnées dans notre cahier de charge qui sont de : =32°C ; HR_e = 83,6%. Lorsque nous faisons les tests de fonctionnement dans ces conditions, nous constatons que, pour obtenir les conditions intérieurs (è_i =5°C ; HR_i = 85%) le banc doit fonctionner pendant 01heur environ, la photo suivante nous la présente avec un thermostat qui nous permet de bien lire la température et voir qu'effectivement nous atteindrons nos +5°C de température intérieure :

Figure 2-15: test de fonctionnement

4.28. 2-3-10-COÛT ESTIMATIF DE LA RÉALISATION

Le banc didactique que nous avons réalisé fera l'objet d'une étude financière que nous avons résumé dans un tableau dans lequel nous donnerons en détail le cout de tous les éléments utilisés.

Tableau 2-6: étude financière

ORDRES	DESIGNATIONS	PRIX UNITAIRE	QUANTITES	PRIX DE REVIENT
01	Compresseur		01
02	Manomètres BP		02
03	Manomètres HP		02
04	Carcasse du banc	40000	01	40000
05	Thermostat de régulation		01
06	Filtre		01
07	Capillaire		M
08	Tôles galvanisées		M
9	Tube transparent (1/4Ø)		M
10	Tube cuivre (1/4Ø)		M
11	Fluide frigorigène (R134A)		Kg
12	Accessoires de soudure		/
13	Câbles électriques		M
14	Domino (16A)		01
15	Disjoncteur (16A)		01
16	Vitres		M
17	Peinture		1pot
18	Attaches		10
19	Vis		30
21	Roulettes		04
22	Tuyau d'évacuation d'eau		M
23	câble du compresseur 2,5mm		M
24	Boite de dérivation		01
25	Raccords de charge		05
26	Interrupteurs		02
27	Embellissement
28
Devis matériel
Main d'oeuvre (30% du devis matériel)
Logistique + internet
Total

4.29. 2-4-CONCLUSION

Ce chapitre a consisté au dimensionnement et à la réalisation de notre banc didactique. Le dimensionnement du banc didactique a consisté, sous la base de l'établissement d'un bilan thermique ; à déterminer non seulement les puissances énergétiques échangées. Mais aussi et surtout à déterminer les surfaces nécessaires des différents composants. Où nous obtenons une production frigorifique de 150 W, pour une surface d'échange de l'évaporateur de 0,24 m². Comme puissance absorbée par le compresseur nous obtenons 110 W. la quantité de chaleur évacuée par le condenseur s'élève à 260 W pour une surface de condenseur de 0,30 m². La réalisation de notre banc didactique s'est faite en plusieurs étapes à savoir ; la réalisation du support sur lequel seront fixés les différents équipements, ensuite la réalisation du circuit frigorifique et enfin la réalisation du circuit électrique. Nous avons également présenté le coût d'investissement de notre travail de recherche, afin de voir l'importance de la bonne gestion de ce banc didactique au cours des différents travaux pratiques à réaliser. C'est l'objet du chapitre 3 qui suivra.

CHAPITRE 5. EXPERIMENTATION ET RESULTATS

5.1. 3-1-INTRODUCTION

Ce chapitre traite des expérimentations faites dans le cadre de notre travail. Les travaux pratiques portent sur l'identification des éléments, la visualisation du fonctionnement du cycle frigorifique, la détection des bornes d'un compresseur, le tirage au vide d'une installation frigorifique ainsi que la charge en fluide frigorigène d'une installation frigorifique. Pour cela, une présentation du matériel est faite ; ensuite la procédure des manipulations utilisées pendant les dits travaux pratiques. Enfin nous allons élaborer des fiches de préparation pour les apprenants.

5.2. 3-2-IDENTIFICATION DES ÉLÉMENTS

5.3. 3-3-VISUALISATION DU FONCTIONNEMENT DU CYCLE FRIGORIFIQUE

5.4. 3-4-TRACÉ DU CYCLE FRIGORIFIQUE DANS UN DIAGRAMME

5.5. 3-5-DÉTECTION DES BORNES D'UN COMPRESSEUR

5.6. 3-6-TIRAGE AU VIDE D'UNE INSTALLATION FRIGORIFIQUE

5.7. 3-6-1-FICHE PEDAGOGIQUE/ PEDAGOGICAL STATEMENT SHEET 

A. IDENTIFICATION

Matière / Subject: REFRIGERATION DE BASE Niveau / Level: SECONDE F5

Enseignants /Teachers:BASSIROU,EPANE LOLLO,MBELEG Local / Place: LABO `' F5''

Durée de la leçon / Timing of the lesson: 02 heures

B. INFORMATIONS

Titre de la leçon / Title of lesson: LE TIRAGE AU VIDE D'UNE INSTALLATION FRIGORIFIQUE

Place de la leçon dans la progression du cours / Situation of the lesson in the schemework : conforme à la progression normale du cours ;

· Après la leçon sur La recherche des fuites;

· Avant la leçon sur la charge d'une installation frigorifique ;

Connaissances particulières pré-requises / Pre-requisites for the lesson :

· Notions sur les ennemis d'un circuit frigorifique ;

· L'utilisation du manifold ;

Vocabulaire nouveau (lexique) / New vocabulary (lexicon):

· Faire le vide,

· pompe à vide,

C. COMPETENCES/ OBJECTIVES

1) Compétence à atteindre/ General objective : La leçon vise à rendre l'élève apte à réaliser le tirage au vide d'une installation frigorifique à partir d'une pompe à vide.

2) Eléménts de compétences/ Specific objectives : A la fin de cette leçon, l'élève devrait être capable :

· De reconnaître une pompe à vide parmi les machines

· De donner l'importance du tirage au vide d'une installation frigorifique ;

· D'énumérer les appareillages à utiliser pour la réalisation du tirage au vide ;

· D'énoncer la procédure du tirage au vide ;

· De réaliser le montage de la pompe à vide, du manifold sur une installation frigorifique ;

· De faire le vide dans une installation frigorifique à partir de la pompe à vide et du manifold

D. METHODE ET ORGANISATION / METHODS AND ORGANISATION

1) Plan de la leçon / Lesson plan:

INTRODUCTION

I. BUT ET PRINCIPE

1) But

2) Principe

II. MATERIEL UTILISE

III. SCHEMA DE MONTAGE

IV. MODE OPERATOIRE

V. MISE EN SITUATION : EXERCICE D'APPLICATION

CONCLUSION

EXERCICE DE CONSOLIDATION

2) Materiels didactiques à utiliser / didactical materials to be used:

Tableau, craie, chiffon, pompe à vide, installation frigorifique, alimentation électrique, jeu de flexible, manifold.

3) Support à préparer et à remettre / Teaching aids to be prepared and handed in : Fiche de manipulation

E. EVALUATION :

1) Exercices d'application / Application exercices :

Après avoir réalisé le montage ci-dessus, vous effectuerez l'opération de tirage au vide et interpréterez les résultats selon le tableau.

2) Exercices de consolidation / Consolidation exercices :

1-Donner l'importance du tirage au vide d'une installation frigorifique.

2-Quels risques court-on si on charge l'installation sans l'avoir tirer au vide ? 

3-Quel est le matériel utilisé pour tirer une installation au vide ?

4-Décriver le mode opératoire du tirage au vide

BIBLIOGRAPHIE / REFERENCES :

1) HUGO NOACK, ROLF SEIDEL ; PRATIQUES DES INSTALLATIONS FRIGORIFIQUES ; PYC édition livres ; Paris 1991 et réimprimé en 1994.

2) Joseph DJOMGOUE ; COURS PRATIQUE DE REFRIGERATION Tome1 ; Collection APF,

3) Pierre Rapin.Patrick Jacquard, Formulaire du froid, 11^e édition, DUNOD

4) W.MAAKE-H.-J.ECKERT-Jean-Louis CAUCHEPIN, LE POHLMANN, Manuel technique du froid, deuxième édition tome1, PYC

5) Catalogue Cofriset 2006.

6) Jacques BERNIER ; Itinéraire du frigoriste ; 3^e édition ; PYC édiion livres 

5.8. 3-6-2-BUT ET PRINCIPE

5.9. 3-6-2-1-BUT 

Le but principal du tirage au vide est donc d'éliminer du circuit fluidique l'air et l'humidité qui s'y trouvent. Le vide correspond à une pression en dessous de la pression atmosphérique.

5.10. 3-6-2-2-PRINCIPE 

Le principe est de brancher la pompe à vide et le manifold suivant la règle de l'art à l'installation et mettre la pompe sous tension. Ce dernier (la pompe à vide) crée une dépression dans le circuit fluidique en aspirant ainsi toute impureté (air et humidité) du circuit.

5.11. 3-6-3-MATÉRIEL UTILISE

· Une pompe à vide possédant des performances suffisantes ;

· Un manifold (jeu de manomètres HP et BP) ;

· Un jeu de flexibles parfaitement étanches.

5.12. 3-6-4-SCHÉMA DE MONTAGE

9

:

9

6

7

8

5

3

1

4

2

²

Numéro	Designation
1	Compresseur
2	Condenseur
3	Detendeur
4	Evaporateur
5	Bouteille de liquide
6	Vanne de service refoulement du compresseur
7	Vanne de service aspiration du compresseur
8	Manifold
9	Prise de courant

5.13. 3-6-5-MODE OPÉRATOIRE

Généralement, on effectue le tirage au vide par l'orifice qui sert à la charge en fluide. Pour le faire, on procède comme suit :

· Identifier les principaux composants de l'installation (compresseur, condenseur, détendeur et évaporateur) ;

· Identifier les éléments auxiliaires (filtre déshydrateur, la bouteille de liquide ou d'aspiration etc.)

· S'assurer que l'installation n'est pas sous tension et qu'elle ne comporte pas de fuites ;

· Raccorder le manifold sur l'installation comme le montre le schéma ;

· Brancher la pompe à vide sur l'orifice central du manifold ;

· Ouvrir les vannes du manifold ;

· Mettre la pompe à vide en fonctionnement ;

Le vide étant atteint,

· Fermer les vannes du manifold ;

· Arrêter la pompe à vide.

L'installation est alors prête à être chargée en fluide frigorigène.

NB : Si l'aiguille remonte à plus de 0 bar, l'installation n'est pas étanche, il y a fuite et il faut y remédier et recommencer l'opération. Si par contre au bout de quelques temps, le vide est maintenu, l'aiguille du manomètre n'a pas bougé, on peut conclure que le vide est parfait et que l'installation est étanche et commencer la charge en fluide frigorigène.

Durée du tirage au vide

Le manomètre donne une indication sur le vide obtenu mais ne peut nous indiquer le moment où le vide limite est atteint ; le temps nécessaire au tirage au vide est fonction de l'importance de l'installation, de la quantité d'humidité se trouvant dans le circuit et des caractéristiques de la pompe à vide, il varie de 30 minutes à plusieurs heures.

5.14. 3-6-6-MISE EN SITUATION : EXERCICE D'APPLICATION

Après avoir réalisé le montage ci-dessus, vous effectuerez l'opération de tirage au vide et interpréterez les résultats selon la pression que vous aurez atteinte :

Conclusion (Cinq lignes maximum)

..................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................

Barème de notation :

Travail demandé		Note
Identification des éléments		................./2
Préparation des matériels didactiques		................ /2
Réalisation du montage		................./5
Organisation de poste de travail		................./2
Déroulement de la manipulation et justesse de lecture		................./7
Rédaction de la conclusion		................../2
Total ....... /20

5.15. 3-7-CHARGE EN FLUIDE FRIGORIGÈNE D'UNE INSTALLATION FRIGORIFIQUE

5.16. 3-8-CONCLUSION

Les expérimentations effectuées dans le cadre de ce chapitre ont porté sur l'étude de l'évolution du séchage du Gnetum ainsi que sur les dosages à l'azote protéique. L'évolution du séchage s'est faite à travers l'étude de la variation de la teneur en eau en fonction du temps, de variation de la cinétique de séchage en fonction du temps également, et la variation de la cinétique de séchage en fonction de la teneur en eau. Le dosage à l'azote protéique quant à lui s'est fait partir de la méthode de KJELDAH.

CHAPITRE 6. CONCLUSION GENERALE

Il a été question dans le cadre de ce projet de fin d'étude de concevoir et de réaliser un banc didactique de démonstration d'un cycle de compression de gaz à vapeur. Cette étude est faite en vu permettre aux élèves des lycées et collèges d'enseignement technique option froid et climatisation de voir ou d'observer les différentes étapes de changement des phases d'un fluide frigorigènes dans un cycle frigorifique fermé, afin qu'ils analysent eux même et de pouvoir tirer des conclusions, ceci dans le but comprendre le simple principe de fonctionnement d'un circuit frigorifique. Pour y parvenir, nous avons d'abord fait une généralité sur le froid, nous avons ensuite fait le dimensionnement et le bilan thermique de notre maquette.

Le calcul de la puissance frigorifique nous a permis de nous rendre compte de l'importance de la quantité de chaleur s'attaquant journalièrement a notre banc didactique, ce qui nous a donc permis de faire un bon choix du groupe à installer ainsi que des accessoires. Après opération de montage, nous avons pu obtenir une température intérieure de +5°C, ce qui nous permet de dire que les prescriptions du cahier de charge ont été atteintes.

Cependant nous remarquons que notre banc didactique met plus de temps à atteindre sa température de consigne dans une enceinte non climatisée que lorsqu'il se trouve dans une enceinte climatisée. Outre sa fonction de démonstration, notre banc didactique a pour avantage qu'il n'exige pas un entreposage des denrées.

Notre étude étant limitée à la réalisation d'un cycle de démonstration de compression de gaz à vapeur, une étude ultérieure pourrait se faire également pour un cycle avec deux étages de compressions.

Comme l'oeuvre humaine n'étant pas parfaite, nous restons ouverts à toutes critiques et suggestions constructives qui pourraient aider à l'amélioration et à l'enrichissement de ce

RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES

[1] PIERRE RAPIN, PATRICK JACQUARD, Formulaire de froid, DUNOD ,11^è édition, 1999, Paris.

[2] ROBERT THERVILLE, L'A.B.C du froid, PYC LIVRES, 2003, Paris.

[3] BREIDERT H.J, Calcul des chambres froides, PYC LIVRES.

[4] YVE JANNOT, cours thermique: transfert et métrologie, 2005, Paris.

[5] TECHNIQUE DU FROID COURS DE BASE, juillet 2007.

[6] GEORGES RIGOT, Meubles & Vitrines frigorifiques, PYC EDITION, 1990, Paris

[7] PIERRE RAPIN, PATRICK JACQUARD, Installations frigorifiques, Physique du froid, PYC EDITION, 11^e édition, Avenue de Verdun.

[8] BIKAI JACQUES, Cours d'initiation à la production du froid, ENSET-DOUALA (Cours non publié), 2011.

[9] EHADI NSONG A, cours de réfrigération de base seconde F5, IST- DOUALA, (Cours non publié), 2012.

[10] LINJECK PATRICK, cours de dessin Première F5, LYCEE TECHNIQUE DE NKOLBISSON-YAOUNDE, (Cours non publié), 2005.

[11] www. wilkipedia. Com (site visité le 15 janvier 2014 à 13 heures).

[12] www. techno -froid. Com (site visité le 03 Mars 2014 à 14 heures).

CHAPITRE 7. ANNEXES

CHAPITRE 8. ANNEXE 1 : TABLEAU DES RESISTANCES THERMIQUES SUPERFICIELLES 1/HI ET 1/HE EN M2.K/W DES PAROIS D'UNE CHAMBRE FROIDE

Coté externe de la paroi	1/he	Coté interne de la paroi	1/hi
Cas où il est en contact avec l'air extérieur	0,03	Cas d'une chambre froide en ventilation mécanique	0,06
Cas où il est en contact avec un autre local	0,12	Cas d'une chambre froide en ventilation naturelle	0.12

CHAPITRE 9. ANNEXE 2 : TABLEAU DES PROPRIÉTES THERMODYNAMIQUES DES MATERIAUX LOCAUX DE CONSTRUCTION

CHAPITRE 10. ANNEXE 3 : MONTAGE FINAL DE L'EVAPORATEUR

CHAPITRE 11. ANNEXE4 : PHOTO MONTRANT LES FLEXIBLES TRANSPARENTS

CHAPITRE 12. ANNEXE 5 : TABLEAU DE RELEVÉS DES DONNÉES AU COURS DU SÉCHAGE À 60°C

T	E1	E2
0	100	100
10	68,83	68,73
20	48,52	48,54
30	40,2	40,16
40	37,48	37,51
50	34,12	34,18
60	32,14	32,11
70	31,01	31,04

CHAPITRE 13. ANNEXE 6 : TABLEAU DE RELEVÉS DES DONNÉES AU COURS DU SÉCHAGE À 65°C

t	E1	E2	E3
0	100	100	100
10	66,8	66,85	66,78
20	46,25	46,29	46,28
30	38,15	38,19	38,22
40	34,81	34,76	34,84
50	32,17	32,21	32,26
60	31,58	31,51	31,61

CHAPITRE 14. ANNEXE 7 : TABLEAU DE RELEVÉS DES DONNÉES AU COURS DU SÉCHAGE À 70°C

	E1	E2	E3
0	100	100	100
10	61,24	61,28	61,19
20	42,6	42,56	42,63
30	35,29	35,22	35,31
40	32,21	32,09	32,18
50	31,12	31,16	31,24

CHAPITRE 15. ANNEXE 8 : TABLEAU DE RELEVÉS DES DONNÉES AU COURS DU SÉCHAGE À 75°C

t	E1	E2	E3
0	100	100	100
10	58,96	58,94	58,89
20	39,37	39,34	39,39
30	33,29	33,32	33,27
40	31,54	31,52	31,58
50	31,46	31,41	31,49

CHAPITRE 16. ANNEXE 9 : TABLEAU DE RELEVÉS DES DONNÉES AU COURS DU SÉCHAGE À 80°C

t	E1	E2	E3
0	100	100	100
10	53,43	53,41	53,47
20	37,56	37,49	37,54
30	32,02	32,12	32,01
40	31,07	31,03	31,1

CHAPITRE 17. ANNEXE 10 : TABLEAU DE RELEVÉS DES DONNÉES AU COURS DU SÉCHAGE À 85°C

t	E1	E2
0	100	100
10	46,07	46,03
20	35,98	35,85
30	31,15	31,19
40	31,08	31,04

CHAPITRE 18. ANNEXE 11 : TABLEAU DE RELEVÉS DES DONNÉES AU COURS DU SÉCHAGE À 90°C

t	E1	E2	E3
0	100	100	100
10	43,59	43,55	43,62
20	33,24	33,19	33,27
30	31,59	31,62	31,54

CHAPITRE 19. ANNEXE 12 : TABLEAU DE RELEVÉS DES DONNÉES AU COURS DU SÉCHAGE À 95°C

t	E1	E2	E3
0	100	100	100
10	37,54	37,51	37,58
20	32,01	32,05	32,09
30	31,37	31,34	31,32

CHAPITRE 20. ANNEXE 13 : TABLEAU DE RELEVÉS DES DONNÉES AU COURS DU SÉCHAGE À 100°C

t	E1	E2	E3
0	100	100	100
10	34,63	34,64	34,61
20	31,6	31,53	31,61

CHAPITRE 21. ANNEXE14 : TABLEAU DE RELEVÉS DES DONNÉES AU COURS DU SÉCHAGE AU SOLEIL

t	E1	E2	E3
0	100	100	100
10	90,68	90,53	90,43
20	80,4	80,13	80,19
30	72,44	72,31	72,2
40	64,41	64,35	64,49
50	54,89	54,72	54,95
60	45,07	45,13	45,18
70	40,92	40,54	40,71
80	37,73	37,84	37,13
90	35,44	35,41	35,52
100	34,29	34,33	34,41
110	33,92	33,97	33,44
120	33,13	33,01	33,18
130	32,34	32,05	32,92
140	31,55	31,09	31,66

CHAPITRE 22. ANNEXE 15 : PRÉSENTATION DES RÉSULTATS OBTENUS À L'IRAD D'EKONA