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Bilan Frigorifique en réfrigération et en congélation
03/11/2002 16:49 C.F.I Richardets 2
Sommaires• 1.Généralités• 2.Postes thermiques du bilan frigorifique d’une C.F• 3.Échanges thermiques par les parois de la C.F• 4.Refroidissement des denrées • 5.Échanges atmosphériques entre la C.F. et l’extérieur• 6.Éclairage• 7.Matériels énergétique en fonctionnement dans la C.F• 8.Personnel• 9.Ventilation interne dans la C.F• 10.Bilan frigorifique• 11.Puissance Frigorifique
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1.GénéralitésIl est nécessaires de déterminer les besoins de froid
des CF dans l’industrie agro-alimentaire et dans d ’autres secteurs industriels pharmaceutique.
Le bilan frigorifique se fait en régime permanent établi .Les températures restent fixes (notamment la T°ext).
En climatisation,le calcul des charges se fait heure par heure pour tenir compte de l’inertie du bâtiment mais aussi de l’ensoleillement variable.
Pour les chambres froides ,l’inertie thermique due au denrée permet d’ignorer les variations de t°ext et « gomme »les imperfections des calculs.
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2.Postes thermiques du bilan frigorifique d’une C.F
On fait la somme de tous les apports de chaleur dans la chambre froide .Une majoration est envisagée pour les apports calorifiques non calculables.
Cette majoration est prise entre 3 à 10 % des apports calculables
Schéma
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3.Échanges thermiques par les parois de la C.F
• 3.1.Définir un temps de base de calcul• 3.2.Calcul de l’épaisseur d’isolation• 3.3.Quelques valeurs du flux thermiques unitaire
maximal
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3.Échanges thermiques par les parois de la C.F
• 3.1.Définir un temps de base de calcul– tb=24h=24*3600=86400 secondes
• Ou un temps de fonctionnement cyclique :– exemple:6 heures pour un tunnel de congélation.
hie
heKavec
i
n
i
i 111
tbA∆θKtbAQCycle
J
1
n
++=
⋅⋅⋅=⋅⋅=
∑= λ
ϕ
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3.Échanges thermiques par les parois de la C.F
• 3.2.Calcul de l’épaisseur d’isolation
is
n
isavecii i
i
u
ehihe
e λλϕ
⋅
++−= ∑
≠=1is
11∆θ
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3.Échanges thermiques par les parois de la C.F
• 3.3.Quelques valeurs du flux thermiques unitaire maximal:– en réfrigération : ϕ u de 8 à 12 (W/m²)– en conservation longue durée: ϕ u de 6 à 10 (W/m²)– Tunnel de congélation : ϕ u de 10 à 13 (W/m²)– CF à basse température : ϕ u = 6 (W/m²)
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3.Échanges thermiques par les parois de la C.F
• Concernant les températures:l’écart est différent suivant l’orientation de la paroi même si les T°ext et T°int sont identiques:
∆θ = (θe-θi)+θ virtuelleA l’ouest , θ virtuelle = 10°CA l’est , θ virtuelle = 5°Cau sud , θ virtuelle = 10°Cau nord , θ virtuelle = 0°CPour les combles ventilés rajoutés 5°CPour les combles non ventilés rajoutés 10°CLe sol a une température de 15°C
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3.Échanges thermiques par les parois de la C.F
Lorsqu’une chambre froide est adjacente à la chambre de calcul .On considère que la chambre est arrêtée voir en panne.Alors sa T° sera soit à 15°C soit à une température moyennePlus la chambre est ventilée plus l’air va vitehe =16,7 h ventilés = 30 hi =9.1
−
2θθ cfe
12 −− ⋅⋅ KmW
12 −− ⋅⋅ KmW
12 −− ⋅⋅ KmW
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4.Refroidissement des denrées.
• 4.1.Chaleurs massiques des denrées• 4.2.Déterminations des apports dus aux denrées• 4.3.Refroidissement des emballages,des palettes…• 4.4.Temps de demi-refroidissement• 4.5.Chaleur métabolique des denrées
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4.Refroidissement des denrées.
• 4.1.Chaleurs massiques des denrées– Les produits végétaux et animaux sont constitués d ’eau et de substance
organique ou minéral sèche.
– Chaleur massique avant congélation.a:teneur en eau de la denréeb: teneur en matières sèchesExemple:a=55% b=45% Viande de bœuf demi-grasse– Chaleur latente de congélation
Lc=335 kJ/kgViande de bœuf
11674,1 −− ⋅⋅= KkgkJCsèche
100674,1186,4 baC congelav
⋅+⋅=
110556,3 −− ⋅⋅= KkgkJC congav
kgkJLc /25,18410055335 =⋅=
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4.Refroidissement des denrées.
– Chaleur massique après congélation
– voir document sur les chaleurs massiques
KkgkJC
baC
congap
congap
./90,1100
674,1095,2
=
⋅+⋅=
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4.Refroidissement des denrées.
• 4.2.Déterminations des apports dus aux denrées
( ) [ ]CyclekJcLcmQ cD /2211 θθ ∆⋅++∆⋅⋅=[ ]
[ ]
( ) ( )( )
( )( )1
1
211
2
1
:':
:
::
../:/:
−
−
⋅
⋅
−⋅=∆⋅=−=∆−=∆
kgkJprocessusdufinlaàdenréesdesmassiqueenthalpiehfkgkJentréelàdenréesdesmassiqueenthalpiehe
hfhemhmQrem
ncongélatioaprèsmassiquechaleurcncongélatiodelatentechaleurL
CycleKkgkJncongélatioavmassiquechaleurcCyclekgdurantdenréesdesdébitm
D
entrcc
c
θθθθθθSchéma denrée
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4.Refroidissement des denrées.
• 4.3.Refroidissement des emballages,des palettes…Ils accompagnent les denrées et on suppose qu ’ils subissent les mêmes variations de température que celle-ci.
Cverrerie= 0,837 kJ/kg.K Cbois pour palettes= 2,7 kJ/kg.K
( ) ( )CyclekJCmQ feembembemb /θθ −⋅⋅=
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4.Refroidissement des denrées.
• 4.4.Temps de demi-refroidissement.– Ce concept considéré comme l’hypothèse que la courbe de
refroidissement à une allure exponentielle.Il est alors possible de définir une constante de temps .A chaque fois que la différence de température entre la denrée et l’agent de refroidissement est diminuée de moitié,il s ’écoule le même temps.Le temps de 1/2 refroidissement est le temps nécessaire pour avoir :
2CFdenrée θθ −
diagramme
( )2
111
CFdenréeZtempsduboutAu θθθθ −
−==
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4.Refroidissement des denrées.
• Exemple: temps de 1/2 refroidissement:Z= 8 heuresQuelle est la T°des fruits introduits à 30°C dans une CF à +2°C au bout de 24 heures.
( )
( )
( ) Cheuresdeboutau
Cheuresdeboutau
Cheuresdeboutau
CC
CFd
CFd
CFd
CF
°=−=−
−=
°=−=−
−=
°=−=−
−=
°+=°=
5,55,392
24
97162
16
1614302
8
230
33
22
11
1
θθθθ
θθθθ
θθθθ
θθ
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4.Refroidissement des denrées.
• 4.5.Chaleur métabolique des denrées
Dans les cas ,ou les denrées entreposées sont vivantes:les fruitsles légumesles fromages
On doit considérer pour ces denrées une chaleur de respiration (Fruits, légumes et fermentation pour les fromages).
mdm LmQ ⋅=
emétaboliquChaleurLmassem
m ::
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4.Refroidissement des denrées
La chaleur métabolique est fonction de la température (Lm augmente si θ augmente)et de la denrée.
Rem: Il faut distinguer la chaleur dégagée pendant la période de refroidissement de la denrée et la chaleur dégagée par les denrées déjà refroidies et entreposées.
[ ]kJ/CycleCFladansproduitsdesQ onsintroducti m+= desQQ mtotalem
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4.Refroidissement des denrées
Détermination de LmCes chaleurs sont indiquées dans des tableaux pour une T°moy ou bien peuvent-être déterminé à partir d’abaque .Le problème consiste à déterminer la T°moy du produit au cours d’un cycle.
( )
CFdenrmoy
min
max
minmaxlnmoy
denrmoymdenrmoy
θθ
∆θ∆θLn
∆θ∆θ∆θ
θfL?θ
−=−
=
==denrée
θ CFθ 2
∆θ max
θ 1
∆θ mini
0Cycle
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4.Refroidissement des denrées
Soit une température moyenne de denrée:
exemple: Poires Précoces
min
max
minmaxCFdenrmoy
∆θ∆θLn
∆θ∆θθθ −+=
CtWhtkJhtkcal
heuresen
°====
°=−=°+=
−=°=
−
1,9θ/6324./7,544524..1300?L
C0θθθ∆θmini24C2θθθ∆θmaxC25θ
denréemoy
1R
CF
CF22
CF11
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4.Refroidissement des denrées
remarque:concernant la fermentationLa fermentation provoque un dégagement de chaleur et d’ammoniac,celui-ci attaque le cuivre et les alliages cuivreux.On utilise l’acier ou inox.
Camembert Lf = 10465 à 12600 kJ/T.jour (10°/12°)Brie Lf = 4186 à 5230 kJ/T.jour (10°/12°)Roquefort Lf = 4190 à 7225 kJ/T.jour
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5.Échanges atmosphériques entre la C.F. et l’extérieur
• Ces échanges peuvent être des volets d’introduction d ’air neuf et d’extraction d ’air vicié.Si des personnes sont présentes dans l’enceintes ,il faut lutter contre les dégagements gazeux(éthylène pour les fruits) et les odeurs.En général ,ces échanges atmosphériques ne sont pas souhaités.Problème avec les ouvertures de porte
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5.Échanges atmosphériques entre la C.F. et l’extérieur
Ces échanges entraînent des apports de chaleur et d ’humidité dans la chambre froide .
( )hiheCycleMairQ atmech −⋅=
( )hiheVVQ RNAi
CFatmech −⋅Γ⋅=
[ ][ ]kJ/kgintérieurair l' de massique enthalpie:hi
kJ/kgextérieurair l' de massique enthalpie:hecycleparaird'mentsrenouvelledeTauxΓ/kgmCFladeairl'despécifiquevolume:V
CFladevolume:V
RNA
3i
CF
=
IntérieurExtérieur
Air chaud et humide
Air froid et sec
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5.Échanges atmosphériques entre la C.F. et l’extérieur
L’importance de ces échanges dépendent:– de la T°interne de la CF– de ∆θ=θe-θi– de la surface de la porte – du nombre d’ouverture et de leur durée
En avant projets :on pourra utiliser.
V:volume de la CFΓrna:taux de renouvellement d’air/jour
V70τRNA =
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5.Échanges atmosphériques entre la C.F. et l’extérieur
• Déterminons l’apport par renouvellement en fonction des dimensions de la porte.
d=6 min/t pour une palette C=0.25 pour un rideau d’aird=0.08 min/t pour l’automatique C=1 sans rideau d’airF= flux journalier (T/jour) S=section de la porteρint/ext masse volumique de l’air intérieure et extérieure [kg/m3]
24FdZ ∗=
Ch∗∆∗∗∗∗∗∗∗+= ))ρintρext-(1(hSρintZ)∆θ0.067(8Q
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6.Éclairage
• Toute énergie fournit au lampe est transformé en chaleur
• Pu: Puissance unitaire de l’éclairage (W/m²)#5 à 20 W/m².plafond
• Apl:aire du plafond (m²)• tecl:temps d’éclairage (s)
[ ]CycleJtreelAplPuQecl /⋅⋅=
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7.Matériels énergétique en fct dans la C.F
tPQmot •=
• P:Puissance du matériel• t:temps de fonctionnement• chariots élévateurs:Puissance de 8 à 12 kW
– t fct moy de 3 à 4 heures/jour
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8.Personnel• La puissance thermique dégagée par une personne est
fonction de la température de l’activité,de l’habillement ,ectc…
• Punitaire: (W/pers) =-6*θcf+270• n:nombre de personnes• T:temps de présence
420-25
450-30
300-5
2700
2405
21010
390360330Puissance unitaire(W/pers)
-20-15-10θ CF [°C]
⋅⋅= CycleJtnPunitQpers
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9.Ventilation interne dans la C.F
• La ventilation est assurée par les ventilateurs qui équipent les évaporateurs
• t:temps de fonctionnement [s/Cycle]• Pv:Puissance des ventilateurs (w)
tPvQv ⋅=
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9.Ventilation interne dans la C.F
• Puissance électrique des ventilateurs
ηgv∆PqvPv ⋅
=
[ ][ ]Pa 600 ∆P Tunnel
Pa 400 à 200 de ∆P C.F. 0,7ηgv0,4 rsventilateudesrendement:ηgv
rsventilateudesuemanométriqhauteur:∆P
rsventilateulesparbrassévolumedébit:qvs
m3
≅
<<
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9.Ventilation interne dans la C.F• Pour le débit volume d’air qv,on utilise la notion de
coefficient de brassage.
CFladeinterneVolumersventilateulesparheurepardéplacéaird'VolumeΓbr
hV
=
3600brVcfqv
sm3 Γ⋅
=
)1000200(hV 100Γbr:ncongélatio de Tunnel
hVΓbr:issementprérefroid deCF
hV40à10deΓbr:eentreposagd'Chambre
−
>
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9.Ventilation interne dans la C.F• rem:Pour les tunnels de congélation
• Une forte ventilation facilite des échanges au niveau des denrées et améliore l’homogénéité des T° dans les CF.Par contre les pertes en eau des denrées seront plus importantes.La consommation d’énergie électrique augmente ainsi que la puissance frigorifique.
[ ] videtunnelledansms 3 à 1 vavec airVitessesection:qvsm
1-3
= ⋅
VairSection
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10.Bilan frigorifique
• Bilan frigorifique provisoire
• Bilan frigorifique définitif:On prend une certaine marge pour tenir compte des apports incalculables,on majore le Qprovisoire de 3% à10%
∑=
=
n
iQiQprov
CyclekJ
1
QpràQdefCyclekJ
⋅=
)10,103,1(
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11.Puissance Frigorifique
[ ] [ ]
=ΦsCycle
kJ
rscompresseudesmentfonctionnetQdéfinitifokW
• Temps de fonctionnement:• de 14 à 16 heures pour les domaines de la :
– Réfrigération– Congélation– Commerciale
• de 16 à 22 heures pour les installations de type industrielle
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11.Puissance Frigorifique
• Un temps de fonctionnement cour du compresseur entraîne une Φo élevé.Par contre,si le temps de fonctionnement est long ,l’entretien de la machine est plus compliquée et cela réduit la durée de vie de l’installation.
• Par ailleurs le temps de fonctionnement peut être imposé par des conditions particulières d’emploi de la machine.Par exemple,certaines machines ne fonctionnent que la nuit lorsque le prix de l’électricité est le moins chers.
ÉlémentRatio
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Documents annexes
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Schéma de CF
Air
extérieurϕu
Denrée+emballage
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Évolution de la T°en fct du tpsθ
θe∆θ1
Congélationθc
∆θ2
θentr
(t)Début congélation
Fin de congélation
Fin de refroidissement
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Évolution du tps de demi-refroidissement
θ1
θ1z
θ2zθ3zθ4z
z
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Des éléments de ratio• Le ratio évolue beaucoup en fonction de la taille de la CF
20 W/m325 W/m35000<Vcf<15000 m3
8 à 10 W/m310 à 25 W/m3Vcf>15000 m3
30 W/m340 W/m31000<Vcf<3000 m380 à 100 W/m380 à 100 W/m3Vcf<50 m3
Ratio pour CF -Ratio pour CF +Volume de la CF
VcfoRatio Φ=