Principes de réfrigération des chambres froides : un guide complet

C’est un fait que la chaleur ne peut être transférée que d’objets à haute température vers des objets à basse température, mais pas l’inverse, tout comme l’eau ne s’écoule que d’objets à haute température vers des objets à basse température, mais pas dans le sens inverse.

Dans une installation de stockage frigorifique , les produits tels que les aliments sont refroidis, congelés et réfrigérés dans un environnement à basse température tout en libérant constamment de la chaleur. Pour maintenir la basse température , il faut un transfert continu de chaleur de l’intérieur de l’entrepôt frigorifique ou de l’entrepôt vers l’environnement extérieur – un processus qui nécessite une réfrigération mécanique artificielle.

L’objectif de la réfrigération est atteint lorsqu’un dispositif de réfrigération à compression de vapeur tire parti des changements d’état de la substance, qui consiste à transférer la chaleur de l’article ou du produit refroidi à l’objet à haute température en effectuant une quantité de travail externe.

 

 

I. Cycle de réfrigération à compression à un étage

 

Principe du système de cycle de réfrigération à compression à un étage

Un système de réfrigération à compression de vapeur est composé de compresseurs et d’équipements de réfrigération interconnectés par divers tuyaux . Dans le système, le réfrigérant est continuellement recyclé pour garantir que le processus de réfrigération reste ininterrompu.

La figure 2 illustre le concept de fonctionnement d’un système de réfrigération à un étage. Le système est composé d’un compresseur frigorifique , d’un condenseur , d’ un détendeur et d’un évaporateur reliés par des conduites pour former un système de réfrigération fermé.

Comme indiqué sur la figure 2, le compresseur comprime le réfrigérant sous forme gazeuse pour transformer le gaz à basse pression en gaz à haute température et haute pression. Le condenseur refroidit et condense ensuite le gaz à haute pression et haute température provenant du compresseur pour libérer de la chaleur et en même temps changer l’état du gaz en liquide.

Le liquide à haute pression et température sera ensuite décompressé par le papillon des gaz pour le détendre en un réfrigérant à basse pression et température toujours sous forme liquide.

La tâche de l’évaporateur est d’absorber la chaleur de l’environnement, puis de vaporiser le liquide à basse pression et à basse température provenant du papillon des gaz pour le transformer en gaz afin de réduire la température de l’environnement.

Fondamentalement, un système de réfrigération est composé de quatre composants essentiels : le compresseur de réfrigération, le condenseur, le papillon des gaz et l’évaporateur. Pour améliorer l’efficacité et l’efficience de l’opération de réfrigération, divers équipements sont également ajoutés, tels que des séparateurs d’huile, des refroidisseurs intermédiaires, des récepteurs de liquide et des récepteurs de liquide auxiliaires, des récepteurs de liquide à circulation basse pression, des séparateurs de liquide ammoniac et des vannes de régulation, pour n’en citer que quelques-uns.

Ces composants supplémentaires facilitent le fonctionnement en garantissant que le processus de réfrigération est continu et efficace tout en améliorant la fiabilité du système. Les systèmes fonctionnant à -15 ℃ tels que le refroidissement des aliments, la production de glace, le stockage de glace et le stockage à froid des fruits et légumes utilisent généralement le cycle de réfrigération à compression à un étage.

 

II. Différentes formes de cycle de base du cycle de réfrigération à compression à un étage

Le cycle de réfrigération à compression à un étage est le plus basique de tous les systèmes de réfrigération. C’est pourquoi il sert de base et de fondement à d’autres cycles de réfrigération. Il existe différentes formes de cycle en fonction des conditions avant que le réfrigérant n’entre dans le compresseur et le papillon des gaz.

 

Cycle de réfrigération à compression saturée

Un cycle de réfrigération à compression saturée est un cycle dans lequel le réfrigérant pénètre dans le cylindre du compresseur sous forme de vapeur saturée sèche puis se dirige vers le papillon des gaz sous forme de liquide saturé.

La figure 3 illustre le cycle de réfrigération à compression saturée ainsi que l’évaporation et la vaporisation isothermes et isobares du liquide dans l’évaporateur.

• 1-2 indique le processus de compression adiabatique isentropique au sein du compresseur pour le réfrigérant.
• 2-3-4 indique le processus de compression adiabatique isotrope dans le condenseur, qui implique un refroidissement sous pression et une libération de chaleur par condensation.
• 4-5 indique la détente d’étranglement adiabatique subie par le réfrigérant dans le papillon des gaz.
• Enfin, 5-1 indique le processus de vaporisation et de réfrigération du réfrigérant dans l’évaporateur.

 

Cycle de réfrigération par compression et surchauffe de vapeur

 

La figure 4 illustre un cycle de réfrigération par compression à surchauffe de vapeur. Ce terme désigne un cycle dans lequel un gaz aspiré dans un compresseur est dans un état de vapeur surchauffée.

La figure 4 illustre que dans le cycle de réfrigération par compression, la température d’aspiration du compresseur se déplace du point 1 au point 1′, passant de la ligne de vapeur saturée à la région de vapeur surchauffée, indiquant l’aspiration de gaz surchauffé par le compresseur.

Bien que l’utilisation d’un cycle de réfrigération à compression surchauffée présente des inconvénients pour les systèmes de réfrigération à l’ammoniac, elle empêche l’ammoniac liquide dans la zone de vapeur humide de pénétrer dans le compresseur et de provoquer des incidents de choc liquide. Par conséquent, pendant le fonctionnement réel du système de réfrigération, les compresseurs utilisent souvent différents degrés de compression surchauffée.

Une surchauffe excessive présente également des inconvénients. Elle peut dégrader le compresseur et diminuer son coefficient de réfrigération, c’est pourquoi une surchauffe excessive doit être évitée, en particulier par les opérateurs du système.

 

Cycle de réfrigération par compression avec sous-refroidissement liquide

 

 

 

 

 

Un cycle de réfrigération par compression qui abaisse la température du liquide dans le système de réfrigération en dessous de sa température de saturation est appelé cycle de réfrigération par compression par sous-refroidissement de liquide, illustré dans la figure 5.

La figure 5 illustre un cycle de réfrigération par compression avec sous-refroidissement de liquide. Il s’agit d’un cycle de réfrigération par compression qui abaisse la température du liquide dans le système en dessous de sa température de saturation.

La figure 5 décrit la capacité de refroidissement accrue du compresseur sous la forme Δq ₀ , en maintenant constants le volume spécifique de la vapeur d’aspiration du compresseur et la consommation d’énergie W ₁ . Le cycle de compression de sous-refroidissement du liquide réfrigérant améliore le coefficient de réfrigération, mais il n’est pas couramment utilisé.

 

 

Cycle de réfrigération par compression avec surchauffe de gaz et sous-refroidissement de liquide

Lorsque le gaz d’aspiration du compresseur est surchauffé et que le liquide est sous-refroidi, on parle de cycle de réfrigération par compression avec surchauffe du gaz et sous-refroidissement du liquide, comme illustré dans la figure 6.

Le sous-refroidissement du liquide entraîne une augmentation de la capacité de refroidissement Δq0 tandis que le cycle de compression avec surchauffe du gaz augmente également la capacité de refroidissement Δq0, il augmente également, en même temps, le travail consommé ΔW _L , par conséquent une augmentation du coefficient de refroidissement n’est pas garantie. Le cycle de surchauffe du gaz et de sous-refroidissement du liquide est plus avantageux pour les systèmes de réfrigération au fréon.

Les échangeurs de chaleur sont généralement intégrés dans les systèmes de réfrigération au fréon pour convertir la surchauffe du gaz en sous-refroidissement du liquide, augmentant ainsi la capacité de refroidissement, mais dans les systèmes à l’ammoniac, une surchauffe excessive peut détériorer les conditions de fonctionnement du compresseur de réfrigération et diminuer le coefficient de réfrigération. Par conséquent, le contrôle de la surchauffe du gaz devient crucial.

 

Cycle de réfrigération à compression humide

La figure 7 illustre un cycle de réfrigération par compression humide. Dans ce cas, le gaz réfrigérant qui entre dans le cylindre du compresseur est dans un état de saturation humide, c’est-à-dire que le gaz contient encore des particules liquides.

Ce cycle de réfrigération augmente la température du fluide frigorigène dans le compresseur et amplifie le transfert de chaleur. Cela signifie qu’il réduit la capacité de refroidissement, diminue l’efficacité de réfrigération du compresseur tout en augmentant la consommation d’énergie.

De plus, cela peut entraîner des risques importants pouvant entraîner des dommages dus à une utilisation intempestive, tels que des incidents de choc liquide (gel) et des accidents de rinçage des cylindres.

En raison de ces inconvénients, dans les systèmes de réfrigération pratiques, un séparateur ammoniac-liquide est généralement incorporé pour séparer le gaz et le liquide, empêchant ainsi l’apparition de cycles de réfrigération par compression humide dans le système.

 

Cycle de réfrigération à compression réel

Le cycle de réfrigération par compression décrit précédemment représente le scénario idéal, différant du cycle de réfrigération par compression réel en raison de plusieurs facteurs :

1) Dans le cycle de réfrigération par compression idéal, les processus d’évaporation et de condensation du réfrigérant supposent une pression et une température constantes. Cependant, la pression et la température diminuent pendant la condensation tandis qu’elles augmentent pendant l’évaporation du réfrigérant.

2) Le cycle de réfrigération par compression idéal ne suppose aucune perte dans les canalisations du système de réfrigération, et la chute de pression est due au papillon des gaz. Il existe des résistances dans les canalisations, les vannes et d’autres composants qui contribuent à un certain degré de chute de pression.

3) Dans le cycle de réfrigération par compression idéal, le compresseur est supposé subir une compression adiabatique sans aucune perte. Cependant, le cylindre du compresseur effectue un échange de chaleur avec l’environnement, ce qui entraîne des pertes telles que le frottement et l’étranglement des soupapes à l’intérieur du cylindre, ainsi que des facteurs tels que le volume de jeu, qui augmentent tous la consommation d’énergie du compresseur.

Cycle de réfrigération à compression à deux étages

Le cycle de réfrigération à compression à deux étages est une évolution du cycle de réfrigération à compression à un étage, qui implique un processus de compression divisé en deux étages.

La vapeur de réfrigérant provenant de l’évaporateur pénètre initialement dans le cylindre basse pression (ou compresseur à étage basse pression), où elle subit une compression à une pression intermédiaire.

Après cette étape, il sera refroidi par l’échangeur thermique et ensuite dirigé vers le cylindre haute pression (ou compresseur à étage haute pression), où il atteindra l’étage de compression final menant au condenseur. Cette méthode constitue le cycle de réfrigération à compression à deux étages.

 

Cycle de réfrigération à compression à deux étages avec étranglement à un étage et refroidissement intermédiaire complet

Dans une configuration de réfrigération à deux étages à base d’ammoniac, le réfrigérant liquide à pression de condensation agit comme un régulateur pour le refroidisseur intermédiaire. Cette partie du réfrigérant liquide à moyenne pression refroidit la vapeur surchauffée libérée par l’étage basse pression, réduisant sa température au niveau de saturation correspondant à la pression intermédiaire. Cette méthode de refroidissement intermédiaire appelée « refroidissement complet intermédiaire » est illustrée dans la figure 8.

 

Cycle de réfrigération à compression à deux étages avec refroidissement intermédiaire partiel

Au sein du système de réfrigération, la distinction entre les cycles de réfrigération à compression à deux étages réside dans le refroidissement intermédiaire incomplet ou complet.

Un cycle de réfrigération à compression à deux étages comporte deux types, à savoir le refroidissement incomplet et le refroidissement complet. Dans le refroidissement intermédiaire incomplet, le gaz de refoulement provenant du compresseur à basse pression se combine directement avec la vapeur provenant du refroidisseur intermédiaire tout en le contournant pour entrer dans le compresseur à haute pression. Ce type de système est uniquement utilisé dans les systèmes de réfrigération à compression à deux étages à base de fréon. La figure 9 illustre le cycle de réfrigération à compression à deux étages avec refroidissement intermédiaire partiel.

Cycle de réfrigération à compression en cascade

En règle générale, un seul réfrigérant est utilisé dans une compression à un ou deux étages. On parle de cycle de compression de réfrigération en cascade si deux ou plusieurs réfrigérants différents sont utilisés séparément pour la réfrigération cyclique.

Les figures 10 et 11 illustrent le système de cycle de réfrigération à compression en cascade. En général, le R22 est utilisé comme réfrigérant dans la partie haute température tandis que le R13 est utilisé dans la partie basse température. Cela permet une température d’évaporation aussi basse que -90°C à -80°C.

_{Le système de réfrigération à vis} en cascade NH3 _– CO2 a été introduit car les réfrigérants à base d’ammoniac ont des caractéristiques inflammables, toxiques et explosives. C’est l’une des solutions mises en place pour réduire la quantité d’ammoniac dans les systèmes de réfrigération afin d’éliminer les risques de dangers.

La figure 11 illustre un système divisé en deux segments : le cycle à haute température et le cycle à basse température.

Dans le cycle à haute température, le NH3 _est comprimé dans le compresseur, puis l’huile et le gaz sont séparés. Il passe ensuite dans le condenseur de NH3 _pour se condenser, puis entre dans l’évaporateur de condensation après avoir été étranglé par le réservoir de liquide. Dans le réservoir, il absorbe le CO2 _, ce qui entraîne l’évaporation de la chaleur condensée. Ensuite, une séparation gaz-liquide se produit dans le séparateur gaz-liquide. Le gaz rentre ensuite dans le compresseur pour faciliter la circulation dans le système à haute température.

Dans le cycle à basse température, le CO2 _subit une compression par le compresseur, suivie d’une séparation de l’huile et du gaz. Il passe ensuite par l’évaporateur à condensation, où il se mélange au NH3 à haute température _. Après un échange de chaleur, il se condense en liquide, puis pénètre dans le réservoir de CO2 _liquide

Après être entré dans le réservoir, il subit un séchage via un filtre sécheur avant d’être étranglé et dépressurisé pour entrer dans le séparateur gaz-liquide CO2. Ce séparateur alimente l’évaporateur en liquide par circulation de pompe _.

Le mélange gaz-liquide provenant de l’évaporateur rentre ensuite dans le séparateur gaz-liquide pour être séparé, puis le gaz retourne au compresseur, permettant ainsi la circulation au sein du système de réfrigération à basse température.

 

 

II. Schéma du système de réfrigération

Le schéma du système de réfrigération d’un entrepôt frigorifique (également appelé schéma du système de réfrigération) illustre les interconnexions entre tous les équipements, conteneurs, tuyaux, vannes et autres composants de l’appareil de réfrigération. Son objectif est de donner une vue globale de l’ensemble du système de réfrigération.

Le schéma comprend les détails clés suivants :

1) Échelle et caractéristiques du système de réfrigération.

2) Spécifications, noms, modèles et quantités de tous les équipements.

3) Avancements du système, exhaustivité et identification de tous les problèmes ou défis existants.

Il est impératif que le personnel de l’unité de construction et les installateurs de systèmes de réfrigération examinent le schéma du système de réfrigération. Cela leur permet de comprendre l’appareil de réfrigération et de se familiariser avec le projet d’installation.

De plus, les opérateurs de la salle des machines frigorifiques doivent lire le schéma du système de réfrigération, les listes d’équipements, les annotations, entre autres, pour se familiariser. La première étape pour comprendre le fonctionnement d’un schéma consiste à consulter les légendes identifiées. Des exemples courants de tuyaux et de vannes fréquemment trouvés dans les schémas de réfrigération des chambres froides sont détaillés dans le tableau 1-8.

Une fois que vous avez déterminé ce que les légendes indiquent, vous serez désormais en mesure de comprendre le flux de processus global du système de réfrigération dans l’ensemble du projet. Lors de l’interprétation du diagramme, commencez par comprendre les fonctions de chaque compresseur et les solutions de réfrigération disponibles qui peuvent être commutées entre elles, telles que l’identification de divers processus auxiliaires comme la libération d’air, la libération d’huile, le rinçage du givre et le chargement de réfrigérant.

En connaissant ces cycles et processus de réfrigération, vous serez en mesure de développer une compréhension de l’ensemble du système de processus. Si vous vous familiarisez avec les différentes vannes et instruments du système et le schéma, vous serez en mesure d’identifier le modèle, les spécifications, la quantité et d’autres informations pertinentes pour chaque pièce d’équipement.

 

 

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