Mini-projet Chambre Froide

Remerciement Nos sincères remerciements à tous nos camarades de la deuxième année Energétique de l’Ecole Nationale d’Ingénieur « ENI- ABT » de Bamako. Un merci particulier à M. Arona COULIBALY qui a accepté de prendre sur son temps pour nous écouter. Nous n’oublions pas tous ceux qui d’une manière ou d’une autre ont contribué à la rédaction de ce rapport

Mini-projet : réalisation d’une chambre froide par Kodjo Sokém MILEKO © Octobre 2010

1

Sommaire Remerciement Introduction Conception de la chambre froide

I

Contexte ………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………. ………………………………………………………………………..4 .4

II

Objectifs ……………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………..4 …………………………………………………………..4

III

Résultats attendus ………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………...4 ………………………………………...4 3.1

Bilan thermique ……………………………………………………………………………………………4

Dimensionnement et bilan frigorifique

IV

Hypothèses de calcul ………………………………………………………………………………………………..7

V

Méthodologie …………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………..7 ……………………………………………..7 5.1.

Terminologie particulière …………………………………………………… ……………………………………………………………………………..7 ………………………..7

5.2.

Les dimensions intérieures de la chambre froide ………………………………………….8

5.3.

Bilan frigorifique de la chambre froide ………………………………………… ………………………………………………………….9 ……………….9

5.4.

Exemple de calcul sur une chambre froide pour la conservation de 13000 kg de lait cru à Mopti ……………………………………………………………………………………….14 ……………………………………………………………………………………….14

Choix des équipements

VI

Critères de choix ……………………………………………………………………………………………………..15 ……………………………………………………………………………………………………..15 6.1 Quantité totale de chaleur à extraire …………………………………………………………15 6.2 Définition du temps de fonctionnement ……………………………………………………15 6.3 Puissance frigorifique de l’évaporateur ……………………………………………………..15 6.4 Température d’évaporation …………………………………………… ……………………………………………………………………….16 ………………………….16 6.5 Température de condensation …………………………………………………………………..16 …………………………………………………………………..16 6.6 La capacité nominale du détendeur thermostatique ………………………………….16

VII

Choix des équipements …………………………………………………………………………………………..17 …………………………………………………………………………………………..17 7.1 Schémas et diagramme du circuit de base …………………………………………… ………………………………………………….17 …….17 7.2 Choix du fluide frigorigène ………………………………………………………………………….17 7.3 Choix des évaporateurs ………………………………………………………………………………18 ………………………………………………………………………………18 7.4 Choix des compresseurs ……………………………………………………………………………..18 ……………………………………………………………………………..18 7.5 Choix du condenseur ………………………………………………………………………………….19 ………………………………………………………………………………….19 7.6 Choix du détendeur thermostatique …………………………………………………………..19 …………………………………………………………..19 7.7 Présentation de la salle de machine ……………………………………………………………20

VIII

Portées et limites ……………………………………………………………………………………………………20 ……………………………………………………………………………………………………20

IX

Conclusion ………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………..21 …………………………………………………………..21 Annexe


2

Introduction La conservation des aliments vise à préserver leur comestibilité et leurs propriétés gustatives et nutritives. Elle implique notamment d’empêcher la croissance de microorganismes et de retarder l’oxydation des graisses qui provoque le rancissement. Les méthodes courantes de conservation de la nourriture reposent principalement sur un transfert d’énergie ou de masse qui ont pour objectif d'allonger la durée de vie des produits alimentaires (pasteurisation et stérilisation, séchage, déshydratation o smotique, réfrigération et congélation) ou de les transformer par le jeu de réactions biochimiques ou de changement d'état (cuisson, fermentation, obtention d'état cristallisé ou vitreux…). Ces transformations sont rarement exclusives et les transferts souvent couplés sont associés à des changements d’états. La méthode la plus rependue et la plus pratique pour la conservation domestique et commerciale reste la réfrigération. Elle consiste à maintenir le produit dans un état proche de celui de départ par le froid. Ceci par contre, ne tue pas les microorganismes mais ralentit considérables et d’une manière significative leur progression. L’étude que nous avons menée dont le rapport est le suivant porte sur ce processus de conservation de denrées. L’exemple a été pris sur la conservation du lait cru produit dans la région Malienne de Mopti. A cet effet dans la suite de ce document, nous détaillerons, depuis la présentation du cahier de charge jusqu'au choix des équipements, les différentes étapes à suivre pour la conception et le dimensionnement d’une chambre froide.


3

C onception de la chambre froide I Contexte Dans le souci d’approfondir les connaissances théoriques reçues au cour de l’année scolaire, il nous a été confié un mini-projet portant sur la conception et le dimensionnement d’une chambre froide pour la conservation du lait cru dans la région de Mopti.

II Objectifs Ils sont de deux ordres : •

•

L’objectif spécifique qui fera ressortir les calculs des charges thermiques à partir d’un cahier de charge dans lequel nous énumérerons les donnés de base et les conditions de base de calcul Les objectifs globaux qui sont les aboutissants des objectifs spécifiques

III Résultats attendus Nous aurons à concrétiser les objectifs que nous nous sommes fixés un peu plus haut. 3.1. 3.1.1

Bilan thermique Cahier des charges techniques

Pour la conception de notre chambre froide, nous avons établi un cahier de charges où se trouve les donnés techniques de base pour les calculs de dimensionnement. -

Le produit à conserver est du lait cru. L’entrée journalière est de 13000 kg

à une température de 37,8°C (température moyenne ambiante). Le lait est mis dans des fûts kraft imperméabilisés composé de papier Fibre Kraft liner entre-collé avec une colle spécifique puis d'une peinture extérieure imperméabilisante , de diamètre 0,5 m et de hauteur 1 m -

Consignes d’entreposage : le produit est à maintenir à une température

de 3°C et une hygrométrie de 80% pendant 24 heures (duré d’entreposage). L’entreposage du produit sera fait sur une hauteur de 2 m et manuellement L’entrepôt est à réaliser dans un bâtiment existant déjà. C’est un seul entrepôt orienté Nord-Sud, Est-Ouest et situé dans la région de Mopti de latitude 14,5° Nord, de longitude 4,2°Ouest et d’altitude 297m. C’est une chambre froide modulaire aux Mini-projet : réalisation d’une chambre froide par Kodjo Sokém MILEKO © Octobre 2010

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panneaux préfabriqués derrière laquelle est placée la chambre des machines. L’accès de la chambre froide positif pour la réfrigération du lait cru se fait par la route - La chambre froide se situe dans une région de climat tropical sec dont la température extérieure est en moyenne de 37,8°C, une hygrométrie de 41,4% et un 2 rayonnement journalier de 5,85 kWh/m /jour. En quotidien on ferra rentré 13000kg de lait cru. La réalisation se fera avec la main d’œuvre (personnel technique de conduite et de surveillance, personnel de manutention et d’entretien général) prise sur place -

En plus nous précisons que l’entrepôt est réalisé sur sol saint et est

destiné à la commercialisation du lait cru. La perte thermique maximale par les parois est estimée à 5408,99 kJ 3.1.2

Isolation

L’objectif principal visé pour une chambre froide étant la conservation des denrées, il est donc très important de penser aux moyens de maintenir le froid produit pour la conservation de la denrée. Il existe à cet effet, plusieurs matériaux appelés isolant capables de diminuer de manière considérable les déperditions de la chambre froide vers l’extérieur. Ceux sont des matériaux caractérisés par leur faible densité et ayant une très faible conductibilité thermique, non hygroscopiques, imputrescibles, possédant un grand pouvoir de réflexion, stables entre certaines limites de température, ininflammables, sans action sur le bois ou le fer en contact avec elles. Elles ne doivent pas être un terrain favorable pour les rongeurs ou les insectes enfin elles doivent conserver constantes dans le temps leurs qualités d’isolation, être d’un coût peu élevé et d’un approvisionnement facile. Un matériau est isolant thermique s’il contient une grande quantité d’air car l’air est un des meilleurs isolants à condition d’être sec et au repos (λ = 0,020 W/m.K) . Nous avons le choix entre le liège, la fibre de verre, le polystyrène expansé, le styrofoam, les mousses de poly-méthane les caoutchoucs mousses, la laine de roche, le klégecell et le foamglass. Pour notre étude, nous avons pris 0,08 m d’épaisseur de polystyrène expansé 3.1.3

Dispositions constructives de la chambre froide

Pour des raisons économiques et de modernité, notre choix portera sur la construction modulable, réalisée à l’aide de panneaux sandwichs à âme isolante en polyuréthane expansé. Les revêtements intérieur et extérieur sont en tôle traitée contre l’oxydation, peinte avec une peinture laquée cuite au four, ils peuvent être également constitués par des résines polyesters. L’assemblage des panneaux est réalisé avec des dispositifs mécaniques divers mais dont beaucoup font appel au système came-axe. L’étanchéité entre les panneaux est obtenue par serrage des joints d’étanchéité montés en périphérie de chacune des parois d’un panneau. Ce serrage est réalisé grâce au système Mini-projet : réalisation d’une chambre froide par Kodjo Sokém MILEKO © Octobre 2010

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d’assemblage précité. Les angles des chambres froides ainsi constituées sont réalisés à partir de pièces de raccordement qui permettent d’assembler entre elles les parois latérales et ces mêmes parois avec le sol et le plafond. Les panneaux constituants le sol ont une résistance mécanique capable de supporter des charges de stockage ou de roulement ; ils sont en plus dotés d’un revêtement intérieur antidérapant obtenu généralement avec des résines p olyesters. Bien souvent ces sols sont posés sur un chevronnage permettant une ventilation naturelle. La construction modulable nécessite des panneaux préfabriqués constitués d’un isolant (polyuréthane) dont les faces sont intiment collées à deux feuilles résistantes. L’entrée dans la chambre frigorifique se fait grâce à une porte constituée de panneaux sandwich à âme isolante en polyuréthane expansé avec des parements en tôle d’acier galvanisée (comme pour les panneaux préfabriqués). L’épaisseur d’isolation de la porte est de 0,80 m 3.1.4

Eclairage de la chambre froide

Afin d’assurer une manufaction dans de bonne condition et la sécurité du personnel, nous avons préféré utilisé des tubes fluorescences disposés dans les allées de service et des luminaires étanches. Vu le volume de la chambre froide, nous avons prévu un dispositif d’avertissement sonore, un voyant lumineux s’éclairant lorsque la chambre est elle-même éclairée pour permettre au personnel d’y travailler et une porte pouvant s’ouvrir manuellement pour toute personne se trouvant à l’intérieur. 3.1.5

Migration d’humidité

Un des phénomènes généralement rencontré est la migration de la vapeur d’eau (tension de vapeur saturante) ambiante vers l’intérieur des chambres froides. Pour éviter cette migration, nous avons mis en place : · des isolants étanches par nature (à cellules fermées) ; · des revêtements pare - vapeur (écran d’étanchéité) sur les parois (faces chaudes : vers l’extérieur) de la chambre froide (enduits visqueux, flinkote, feuilles minces d’aluminium, film plastique) ; · sur la face interne : mise en place d’un revêtement poreux pour assurer la migration de l’eau vers l’évaporateur. L’humidité peut altérer les isolants tels que le polystyrène diminuant ainsi leur pouvoir isolant.


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Dimensionnement et bilan frigorifique IV

Hypothèses de calcul Pour effectué les calculs de dimensionnement de la chambre froide, no us avons

fait des suppositions suivantes : 

Hauteur des murs : 3,5 m



Epaisseur du plancher



Température d’entrée du lait égale à la température ambiante

V 5.1.

Méthodologie Terminologie particulière

Avant de commencer le calcul des charges proprement dit nous définissons ici quelques thermes particuliers qui entre dans les calculs de dimensionnement. Ces terminologies sont très importantes dans le dimensionnement d’une chambre froide. Capacité utile de la chambre froide :

Il représente le volume intérieur de l’espace calorifugé, déduction faite du frigorifère, gainages et autres accessoires. Ce volume est défini à partir de la hauteur, de la largeur et de la profondeur de la chambre froide Volume utile : Il diffère de la capacité utile. C’est l’emplacement exclusivement réservé aux produits. On le définit en multipliant la surface sur laquelle on peut disposer les produits par la hauteur de stockage. Charge journalière : C’est la masse de denrées introduites chaque jour régulièrement, dans la chambre froide. Elle est de 13000 kg/jour. Charge maximale : C’est la masse maximale de denrées pouvant être placées dans le volume utile du réfrigérateur. Elle est fonction de la densité de charge par mètre cube de volume utile ou par mètre carré de surface utile. Mini-projet : réalisation d’une chambre froide par Kodjo Sokém MILEKO © Octobre 2010

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Réfrigération : Application du froid consistant à abaisser la température de produits ou denrées en deçà de la limite de congélation et dans des conditions hygrométriques appropriées. Température intérieure de la chambre froide (θm) : Elle est la moyenne arithmétique de quatre valeurs mesurées en régime de fonctionnement de l’installation. Température moyenne d’évaporation : Pour obtenir cette température on a procédé comme suit. On a relevé les températures du fluide frigorigène à l’entrée de l’évaporateur (première moyenne arithmétique θ3). Simultanément on relève les températures du fluide frigorigène à la sortie de l’évaporateur près du bulbe thermostatique du détendeur (deuxième moyenne arithmétique θ6). La moyenne arithmétique de θ 3 et θ6 est la température moyenne d’évaporation. 5.2.

Les dimensions intérieures de la chambre froide

Le choix des dimensions de la chambre froide se fera en fonction des critères suivants : -

Efficacité : pour augmenté l’efficacité on prendra un entrepôt à

-

Aération : La plupart des entrepôts ont des murs d'une hauteur de

surface carrée 2,4 à 4,8 m. Les murs bas, de moins de 2,4 m, sont à rejeter parce qu'ils restreignent la circulation d'air et limitent les possibilités de variations futures dans la disposition des produits et dans l'utilisation des lieux hors saison, d’où une hauteur de 3,5 m pour notre chambre froide. -

Disposition des produits : Pour un même volume de produits entreposés,

il est généralement moins coûteux de les empiler que de les étaler sur le plancher. C'est dire qu'avec des contenants empilables, la surface de plancher peut être réduite et le coût de construction est moins élevé -

Le volume intérieur (volume brut) d’une chambre est obtenu à partir

du volume utile de la chambre froide et des volumes nécessaires pour la circulation de l’air, -

Contenance totale de la chambre obtenue avec la formule :

CCF = S.H.de.hoc

kg

Où : S : surface de la chambre froide en m² H : hauteur maximale de gerbage en m de : densité d’entreposage en kg/m3 hoc : coefficient d’occupation au sol des marchandises en %


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Tableau : 1 Coefficients d’occupation du sol d’une chambre froide en fonction du type

d’entreposage des marchandises. Type d entreposage Entreposage de marchandises réfrigérées palettisées à faible rotation Entreposage de marchandises réfrigérées palettisées à rotation rapide Entreposage de marchandises congelées palettisées à faible rotation Entreposage de marchandises congelées palettisées à rotation rapide ’

5.3.

Coefficient d’occupation du sol ηoc (%)

0,65 – 0,70 0,45 – 0,50 0,75 – 0,80 0,50 – 0,60

Bilan frigorifique de la chambre froide

Ce bilan porte sur le calcul des charges thermiques externes et internes : 5.3.1

Charges thermiques externes 

Charge thermique journalière par transmission à travers les parois : Q trp

Le calcul s'effectue paroi par paroi à savoir les quatre parois verticales puis le plancher haut (toiture).

Фtr = ∑ [(K.S + k l.Li).ΔT] (W) Où : K : coefficient d’échange thermique global de la paroi considérée en W/m² °C S : surface de la paroi considérée en m² kl : coefficient d’échange linéique en W/m.K ; il varie de 0,20 à 0,40 W/m.K Li : longueur intérieure de la liaison en m ; ΔT : écart de température de part et d’autre de la paroi considérée en °C (les parois de la chambre ne sont pas nécessairement toutes contre des ambiances aux mêmes températures partout) La charge thermique par transmission, en kJ, a pour valeur :

Q tr = 24*3600*Фtr/1000

(kJ)


9

-

Détermination de K

Il est obtenu par la formule :

K =

1 1

he

+Σ

ei

λ i

+

1

hi

Où : he

2

: est le coefficient d’échange thermique superficiel externe (W/m °C)

∑ei/λi : est la somme des résistances thermiques des différentes couches de matériaux constituant la paroi (m 2°C/W) ei : est l’épaisseur de la paroi considérée (m) λi : est la conductivité thermique de la paroi (W/m°C) hi

2

: est le coefficient d’échange thermique superficiel interne (W/m °C)

Tableau : 2 Coefficients de transmission thermique K d’une paroi type sandwich composée

d’une âme en mousse rigide de polyuréthane et de deux revêtements métalliques . Epaisseur d’isolant (mm) 50 60 75 80 100 125 150 160 180 200 

Coefficient K (W/m²°C) 0,39 0,32 0,26 0,24 0,19 0,15 0,13 0,12 0,11 0,10

Ecart de température conseillé (°C) 20

Utilisation jusqu’à environ -4

34

-10

45 56 70

-20 -30 -45

Charge thermique journalière due au renouvellement d'air : Q rai

Pour des raisons suivantes (maintenir les denrées en état de fraîcheur ; éliminer les odeurs ; éviter une modification de la composition de l’air due à la respiration des produits végétaux et des personnes), nous avons prévu un renouvellement du à l’ouverture des portes. La quantité d'air neuf admise (par infiltration et par ouverture de la porte) doit être refroidie de la température extérieure à la température de la chambre froide et constitue donc une charge thermique. Elle est calculée par : Mini-projet : réalisation d’une chambre froide par Kodjo Sokém MILEKO © Octobre 2010

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Q ra = (V*Δh*n)/Vsp (kJ)

Où : V : volume de la chambre froide vide (m3) Δh : différence d'enthalpie entre l'air intérieur de la chambre froide et l'air extérieur (kJ/kgas) Δh = he - hi avec he : enthalpie spécifique de l’air extérieur hi : enthalpie spécifique de l’air intérieur he et hi sont déterminées par le diagramme de Mollier de l’air ou diagramme psychrométrique de l’air humide. L’humidité relative de l’air de la chambre froide peut alors être prise égale à 90%. n : nombre de renouvellement d’air par jour Vsp : volume spécifique de l’air extérieur (m3/kg) 

Charges thermiques due à l’ouverture des portes : Q p

Le calcul de La charge thermique par ouverture des portes ou autres ouvertures de manutention passe par la détermination du débit-massique d’air circulant par la porte. Dans la littérature on donne une expression permettant de calculer ce débit en kg/h :

mop = (8+ 0,067*Δθ) touv*ρai*H*L*(hae – hai)*Cmin*√ [H*(1 – ρae/ρai)] (kg/h) Où : Δθ : Ecart de température de l’air entre les 2 côtés de la porte (°C) touv : temps d’ouverture des portes (mn/h) ρai : masse volumique de l’air dans la chambre froide (kg/m3) ρae : masse volumique de l’air de l’autre côté de la porte (kg/m3) hai : enthalpie de l’air dans la chambre froide (kJ/kg) hae : enthalpie de l’air de l’autre côté de la porte autre que la chambre froide (kJ/kg) L : largeur de la porte (m) H : hauteur de la porte (m) Cmin : coefficient de minoration dû à la présence éventuelle d’un rideau d’air (Cmin = 1 dans le cas d’une porte sans rideau) D’où la charge thermique par renouvellement :

Q po = mpo *Δh*24 (kJ) Où : mpo : débit massique d’air sec entrant (kg/h) Δh : différence d’enthalpie de part et d’autre de la porte (kJ/kgas) Δh = h ae - hai Mini-projet : réalisation d’une chambre froide par Kodjo Sokém MILEKO © Octobre 2010

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5.3.2

Charges thermiques internes

Elle est représente les charges thermiques internes indépendantes des produits entreposés et dépendantes des produits entreposés.

5.3.2.1

Charges thermiques internes indépendantes des produits entreposés

Quantité de chaleur journalière dégagée par le personnel travaillant dans la chambre froide : Q pers Elle est obtenue par : 

Q pers = (n*Mpers*t*3600)/1000 (kJ) Où : n : nombre de personnes opérant dans la chambre froide Mpers : charge thermique dégagée par une personne en activité en (W) t : durée de présence de chaque personne dans la chambre froide (h/j)

Tableau : 3 Quantité de chaleur dégagée par unité de temps par une personne en activité moyenne dans une chambre froide.

Température de la chambre froide (°C) +10 +7 +4 +2 0 -7 -12 -18 -23



Chaleur dégagée par personne et par heure : M pers (W) Travail dur Travail moyen Travail léger 372 244 186 372 250 198 372 256 209 372 267 221 372 273 233 384 314 279 395 337 291 407 372 326 419 407 349

Charge thermique journalière dégagée due à l'éclairage : Q ecl

Les luminaires des chambres froides classiques doivent pouvoir résister au froid, à l'humidité, être étanches à l'eau, être protégés des contacts avec tous objets (degré de protection IP 68 d'après les normes NF C 20-010 et 51-115) et être insensibles aux effets de la poussière. Elle est exprimée par :

Q ecl = 10*S*t*3600/1000 (kJ) Mini-projet : réalisation d’une chambre froide par Kodjo Sokém MILEKO © Octobre 2010

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

Charge thermique journalière dégagée par les ventilateurs de l'évaporateur : Q vev

On suppose que le moteur du ventilateur tourne en permanence. En effet, pendant la période de dégivrage, la quantité de chaleur dégagée par celui-ci est supposée être équivalente à la chaleur dégagée par le moteur de l'évaporateur. En tenant compte d'une puissance de 30 W/m² de chambre froide, on obtient :

Q vev = 30*S*24*3600/1000 (kJ) Où : S est la surface intérieure de la chambre froide en m2. 5.3.2.2

Charges thermiques internes dépendantes des denrées entreposées 

Charge thermique journalière par introduction des denrées à température ambiante extérieure : Q den

La quantité de chaleur à extraire des denrées dans le cas d’une chambre froide positive ne représente qu’une certaine quantité de chaleur sensible entre la température d’introduction des produits et la température de la chambre froide correspondant à la température de stockage.

Q den = mden*cpav*Δθ (kJ) Où : mden : masse journalière des denrées à entreposer (kg) cpav : chaleur spécifique avant congélation des denrées (kJ/kg.K) Δθ: différence entre la température d’introduction des denrées et la température de stockage (°C ou K) Cette charge ne tient pas en compte la chaleur thermique dégagée par l’emballage. Alors, on la détermine à partir de :

Q emb = memb.cpemb.Δθ (kJ) Où : memb : masse des emballages correspond à l’entreposage journalier des denrées (kg) cpemb : chaleur spécifique des emballages (kJ/kg.K) Δθ: différence entre la température d’introduction des denrées et la température de stockage (°C ou K) Charge thermique journalière produite par la respiration des denrées : Q res Cette charge thermique est évaluée en partant de la chaleur moyenne dégagée qui est de 1,4 Wh/kg/24 heures. On obtient alors : 

Q res = 1,4*3600*mden/1000 (kJ) Mini-projet : réalisation d’une chambre froide par Kodjo Sokém MILEKO © Octobre 2010

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

Charge thermique due à la fermentation des denrées : Q ferm

Elle est également appelée chaleur de dissociation et est due à une modification physico chimique des tissus par suite de l’action des liquides biologiques qui s’y trouvent. C’est la fermentation qui s’accompagne d’un dégagement de chaleur. Sans l’action précoce du froid, il y aurait putréfaction des produits. La charge correspondante a pour valeur :

Q ferm = mden*Lferm (kJ) Où : mden : masse journalière des denrées (kg) Lferm : chaleur spécifique de fermentation des denrées (kJ/kg)

5.4.

Exemple de calcul sur une chambre froide pour la conservation de 13000 kg de lait cru à Mopti

Les applications numériques sont effectuées et reportés dans les tableaux en annexe


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C hoix des équipements VI Critères de choix 6.1

Quantité totale de chaleur à extraite

Elle correspond à la somme de toutes les charges intérieures et extérieure à enlever pour maintenir le produit à la température désirée. On l’obtient par l’expression suivante :

Q T = ∑Q (kJ) AN :

QT = 3154898,86 kJ

6.2

Définition du temps de fonctionnement

Le temps de fonctionnement est estimé à 16 heures par jour 6.3

Puissance frigorifique de l’évaporateur

Puissance intermédiaire Φint

Фint = (Q T – Q vev)/3600*t AN : Фint = (3154898,86 – 60160,32)/3600*16

Фint = 53,73 kW

Puissance prévisionnelle

Φprev

Фprev = 1,2* Фint AN : Фprev = 1,2*53,73

Фprev = 64,48 kW Mini-projet : réalisation d’une chambre froide par Kodjo Sokém MILEKO © Octobre 2010

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Puissance effective

Φ0

Ф0 = Q T/3600*t AN : Ф0 = 3154898,86/3600*16

Ф0 = 54,77 kW 6.4

Température d’évaporation

Notons que le fonctionnement se fait en régime externe avec un évaporateur à refroidisseur d’air - La température de l’air soufflé est de : θas = θar – Δθ Où : θar = 3°C est la température de l’air repris Δθ = 7°C est l’écart de température

θas = - 4°C - La température d’évaporation est de : θ0 = θas – θpa Où : θpa = 6°C est le pincement en sortie

θ0 = - 10°C 6.5

Température de condensation

- La température de l’air à la sortie du condenseur est de : θa2 = Δθak+θa1 Où : Δθak = 6°C est l’écart de températures sur l’air θa1 = 37,8°C la température de l’air à l’entrée de l’évaporateur

θa2 = 43,8°C - La température de condensation est de : θk = θa2 – Δθpa Où : Δθpa = 4°C est le pincement en sortie

θk = 39,8°C 6.6

La capacité nominale

Φ n du

détendeur thermostatique

Pour θ 0 = -10°C, une hauteur géométrique h= 6 m et ΔP = 4,7 ; on obtient par interpolation

Фn = 8,8 kW


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VII Choix des équipements 7.1

Schémas et diagramme du circuit de base

Fig. 1 : diagramme P-h d’un circuit frigorifique

Fig. :2 schémas de base d’un circuit frigorifique

7.2

Choix du fluide frigorigene

le fluide frigorigene est le carburant d’une installation frigorifique dans laquelle, circulant, il est évaporé, comprimé, liquefié et détendu. Il assure le transfert de la chaleur en recevant, en dessous de la température ambiante, la chaleur, par évaporation, et en la cedant à nouveau, au dessus de la temperature ambiante, par liquefaction. Le choix du fluide frigorigene adapté, influe indiscutablement sur la performmence, le coût de conception et la consomation énergétique d’une installation frigorifique. Ainsi, nous avons choisi le R22 de la famille des HCFC pour les raisons suivantes : ∗ possibilité d’emploi en moyenne ou haute température ∗ poids moléculaire : 86,48 g/mol 3 ∗ masse volumique de la phase liquide (1,013 bar au point d'ébullition) : 1413 kg/m ∗ équivalent gaz/liquide (1,013 bar et 15 °C) : 385 vol/vol ∗ point d'ébullition (1,013 bar) : -40,8 °C Chaleur latente de vaporisation (1,013 bar au point d'ébullition) : 233,95 kJ/kg ∗ Mini-projet : réalisation d’une chambre froide par Kodjo Sokém MILEKO © Octobre 2010

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∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗

7.3

température critique : 96 °C pression critique : 49,36 bars 3 masse volumique du gaz (1,013 bar au point d'ébullition) : 4,706 kg/m masse volumique de la phase gazeuse (1,013 bar et 15 °C) : 3,66 kg/m 3 facteur de compressibilité (Z) (1,013 bar et 15 °C) : 0,9831 masse volumique (air = 1) (1,013 bar et 21 °C) : 3,08 3 volume spécifique (1,013 bar et 21 °C) : 0,275 m /kg chaleur spécifique à pression constante (Cp) (1,013 bar et 30 °C) : 0,057 kJ/ (mole.K) chaleur spécifique à volume constant (Cv) (1,013 bar et 30 °C) : 0.048 kJ/ (mole.K) rapport des chaleurs spécifiques (Gamma: Cp/Cv) (1,013 bar et 30 °C) : 1,178253 viscosité (1,013 bar et 0 °C) : 0,0001256 Poise Choix des évaporateurs

-

ΔФ = 9,71 kW : différence entre la puissance effective et la puissance effective prévisionnelle. - θ0 = -10°C - Δθ = 7°C écart de température entre l’intérieure et la température d’évaporation - Ф0 = 54,77 kW En considérant un coefficient de sécurité le choix à porté sur quatre évaporateurs refroidisseurs d’air de modèle SK 44 de puissance frigorifique 13,70 kW et de 12 mm d’écartement entre les ailettes.

Photo1 : évaporateur

7.4

Choix des compresseurs

Puissance du compresseur P c = mf (h1 – h2) ↔ Pc = 10,23 kW En tenant compte d’un coefficient de sécurité, nous avons choisi deux compresseurs de 5,25 kW pouvant fournir chacun une puissance frigorifique de 13,70 kW chacun


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Photo2 : compresseurs

7.5

Choix du condenseur

θa1 = 37,8°C température d’entrée de l’air au condenseur θk = 39,8°C température de condensation Δθ = 2°C écart entre la température de condensation et la température d’entrée de l’air au condenseur Фk = 65,03 kW A partir du catalogue et en tenant compte des marges de sécurité, nous avons porté notre choix sur un condenseur à air de 64,1 kW modèle Ca 76 E2 SL de surface 335 m2, de volume circuit 38 dm 3 et de diamètre 900 mm

Photo3 : condenseur

7.6

Choix du détendeur thermostatique

Pour θ0 = -10°C, une hauteur géométrique h= 6 m et ΔP = 4,7 ; on obtient par interpolation Фn = 8,8 kW D’où le choix d’un détendeur thermostatique de 9,6 kW modèle TX 2/TEX 2-3,0 et d’orifice n° 05

Photo4 : détendeur thermostatique Mini-projet : réalisation d’une chambre froide par Kodjo Sokém MILEKO © Octobre 2010

19

7.7

Présentation de la salle de machine

Photo5 : salle des machines

VIII Portées et limites La difficulté majeure que nous avons rencontré pendant l’étude a été la collecte des informations nous aurions voulu travailler avec un fluide frigorigène R 134a mais par manque d’information suffisante sur l’équipement adéquat, nous avons préféré le R 22. L’autre handicape a été pour la rédaction de ce rapport. Bien que le temps qui nous été accordée soit raisonnable, nous avons été conforté a un problème qui nous a énormément ralenti.


20

IX Conclusion Au terme de ce mini-projet d’étude consacré à la réfrigération du lait cru à Mopti, nous possédons une très bonne vue d’ensemble sur le sujet grâce une recherche d’information très poussée. Nous connaissons maintenant les critères de choix à respecter et les précautions à prendre pour la réalisation de cette technologie. La conservation des denrées suscite toujours un grand engouement, et reste une nécessité primordiale. Les attentes des utilisateurs évoluant avec le temps, il est donc obligatoire de continuer à améliorer la performance des différents éléments entrant dans la réalisation du système. Parmi les équipements utilisés, le problème du fluide frigorigène reste le plus compliquer car il faut arriver à obtenir dans ce cas un bon rendement avec un fluide qui respect au maximum les lois de la protection de l’environnement. Ce qui n’est pas toujours évident. Tout de même il est à noter les études prometteuses qui portent l’utilisation du CO 2. Ainsi nous disons un merci chaleureux à notre professeur M. Arona COULIBALY pour nous avoir ouvrir les yeux sur ces réalités.


21

Annexe


22



Données de base

-

Coefficient d’échange thermique global des murs verticaux et du plafond : 0,24 W/m2°C et 0,679 W/m2°C coefficient d’échange linéique : k l = 0,30 W/m.K 3 masse volumique du lait cru : 1032 kg/m section d’un fût : 0,50 m capacité d’un fût : 200 l nombre de fût : 63 épaisseur de l’isolant : 0,08 m

-

Tableau4 : dimensions et caractéristiques de la chambre froide 3

81,25 m 25066,8 kg 3,5 m 2 23,21 m 4,82 m 4,82 m 3 25,20 m 2,05 m 1,30 m 2 23,21 m 2 23,21 m 2 16,87 m 2 14,21 m 16,87 m2 2 16,87 m 2,67 m2

Capacité utile Contenance totale de la chambre froide Hauteur de la chambre froide Surface intérieure de la chambre froide Largeur de la chambre froide Profondeur de la chambre froide Volume utile Hauteur de la porte Largeur de la porte Surface du plafond Surface du plancher Surface du mur Est Surface du mur Ouest Surface du mur Nord Surface du mur Sud Surface de la porte 

Charges thermiques extérieures

Tableau5 : Charges thermiques extérieures journalières par transmission à travers les parois Parois Est Ouest Sud Nord Porte Plafond Plancher

Différence de température Δθ (°C) 30 30 27 29 30 30 15 Total des apports

La puissance par transmission (W) 164,84 145,51 148,36 159,35 62,60 198,61 252,14 1131,41

La charge thermique par transmission (kJ) 14242,52 12572,24 12818,27 13767,77 5408,99 17160,08 21785,23 97753,82


23

Tableau6 : autres apports extérieures La charge thermique due au renouvellement d’air (kJ) La charge thermique due à l’ouverture des portes (kJ) 

59729 ,73 1157029 ,61

Charges thermiques intérieures

Tableau7 : charges thermiques internes indépendantes des produits entreposés

La charge thermique due aux personnels La charge thermique due à l’éclairage La charge thermique due aux ventilateurs des évaporateurs

1325,81 278,50 60160,32

Tableau8 : charges thermiques internes dépendantes des denrées entreposées

La charge thermique due à l’introduction des denrées (kJ) La charge thermique due aux emballages (kJ) La charge thermique due à la respiration des denrées (kJ) La charge thermique due la fermentation (kJ)



1741740 19000,80 65520 12090

Charge thermique totale

QT = 3154898,86 kJ


24

Référence : Document du cour de froid

Mémotech génie énergétique

www.abza.com

www.fao.org


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Mini-projet Chambre Froide

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