1. Production de froid
AMIOT Alexandre
BINTI MAZLAN Nurwazni
BINTI MOHD SALEH Nur Syafiqah
BRU Manon
GILLES Marielle
1
Année 2015
Groupe P2

2. Introduction
Objectif : Choisir et dimensionner une installation permettant de produire du
froid.
Puissance demandée 70kW.
Production de froid pour une chambre froide à -18°C.
Nous avons à notre disposition de la vapeur à 3 bars et de l’eau à 15°C.
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3. Plan
Introduction
I) Recherches bibliographiques
a) Préambule sur le froid
b) les procédés existants
c) choix du binaire
II) Fonctionnement du procédé
a) Utilisation des diagrammes
b) Calculs
III) Bilans
IV) Pré-dimensionnement
Conclusion
3

4. I. Recherches bibliographiques
a) Préambule sur le froid
A partir de quand ?
- 1862 : Première machine pour faire de la glace par absorption – Ferdinand Carré.
- Années 1870 : Première armoire conservatrice d’aliments- Tellier.
2 types de machines à froid se distinguent : absorption et compression mécanique.
Améliorations successives
- Changement des fluides frigorigènes utilisés.
- Procédes de condensation.
- Compresseurs.
- -Amélioration du procédé pour réduire l’impact environnemental.
4

5. Préambule sur le froid : Sa nécéssité
Applications industrielles :
- Agro-alimentaire.
- Industries chimiques et pétrochimiques.
- Nucléaire.
- Médical (ex: Conservation du plasma sanguin).
- Génie Civil (ex: barrage : refroidissement de béton).
Société :
- Climatisation.
- Réfrigération.
5

6. b) Les procédés existants
! La compression
! L’effet thermoélectrique
! L’absorption : procédé choisi par l’enseignant
6

7. Installation frigorifique à compression7
Evaporateur
Compressseur
Condenseur
Détente
Air refroiditAir entrant

8. La réfrigération thermoélectrique
! Utilisation de modules de Peltier : Un courant continu circulant au
point de liaison de différents métaux engendre du froid sur une
première face du module et de la chaleur sur la deuxième.
.
! Procédé peu répandu, car froid produit est faible.
8

9. Réfrigération par absorption
! Principe : compression remplacé par une
absorption.
! Avantages :
- Nécéssite moins de place.
- Peu de bruit.
- Peu de pannes.
Inconvénients :
- Coût de fabrication.
- Consommation éléctrique.
9
Condensation
Vanne de
détente
Évaporation
Absorption de
l’ammoniac
par l’eau
Pompe
Séparation

10. c) Choix du binaire : eau- amoniac
Deux types de binaires pour ce type d’installation :
- Bromure de lithium – eau.
- Amoniac – eau.
Pourquoi ce choix ?
- LiBr-Eau : installations ménagères , froid climatique.
- Amoniac- eau : utilisé dans ce type d’installation : Ɵ
<
0
°C
10

11. Caractéristiques du binaire
Eau – Ammoniac
! Caractéristiques du binaire :
L’eau a la capacité d’absorber à froid une grande quantité de gaz
ammoniac et de restituer ce gaz quand on chauffe la solution riche
ainsi formée.
! Caractéristiques de l’ammoniac (NH3) :
- Tempétature d’ébullition à P atm = 33,5 °C.
- Incolore
- Toxique : Irritation des voies respiratoires.
- Inflammable.
- Dangeureux pour l’environnement.
11

12. II.Fonctionnement du procédé
12
Bouteill
e de
liquide
Evaporateur
Colonne d’
absorption
Echangeur
Colonne
de
séparation
Condenseur
Air -18°C
1
-17°C
4
25°CEau 15°C
2
118°C
T° ambiante
Eau 15°C
25°C
Liquide
Liquide
Vapeur
Vapeur
Liquide
Liquide
Déflegmateur
Bouilleur
Enrichi en N
(1à 6)
Mélange e
( a à e )
Enrichi en e
a
b
e
c
d
5
6
3

13. III.Bilans
a)Utilisation des diagrammes
- Détermination de la pression et température en sortie
des appareils :
Exemple : point 6
! détermination de l’ étape d’ammoniac : nous avons supposé
vapeur saturante car sortie de l’ évaporateur.
! nous avons supposé sa pression est la même que la pression à la
sortie du détendeur, 1.6 bars
! nous avons placé le point 6 sur le diagramme de Mollier en
fixant son état et sa pression pour déterminer sa température.
13
Evaporateur
6
Colonne d’
absorption

14. Détermination des titres pour tous les points de l’installation :
! Utilisation du diagramme de Markel eau – ammoniac
! Les titres pour les points a,b, et c sont les mêmes car c’est la solution riche
et les points d,e, et f sont les mêmes aussi car c’est la solution pauvre
! Détermination des titres d’après les pressions et températures connus
14
E
n
t
h
a
l
p
i
q
u
e

15. Détermination des enthalpies :
Par lecture graphique sur différents diagrammes enthalpiques :
1) Diagramme de Mollier de l’ammoniac (détermination des enthalpies
pour les points 1,2,3,4,5, et 6)
Nous avons lu les enthalpies d’après les températures et
pressions connus
2) Diagramme de Markel eau-ammoniac (détermination des
enthalpies pour les points a,b,c,d,e, et f)
15
Diagramme de
Mollier de
l’ammoniac

16. III) Bilans
b) Calculs
1) Évaporateur
16
Évaporateur
Air
Ɵs,FP -18°C
​ɸ↓𝐹 = 70 kW
Ɵe,FP
ƟF
​
ṁ↓
𝐹
On fixe un pincement de température Δɵpin
=
5°C
pour pouvoir estimer la température de vaporisation du frigorigène ƟF
ƟF
=
Ɵs,FP
–
Δɵpin
=
-­‐18
–
5
=
-­‐23°C
=
Ɵ6
​ɸ↓𝐹 = ​ṁ↓𝐹 (​ℎ↓6 - ​ℎ↓5 ) = ​ṁ↓𝐹𝑃 (​ℎ↓6 - ​ℎ↓4 )
D’où ​ṁ↓𝐹 = ​​ɸ↓𝐹 /​ℎ↓6 − ​ℎ↓4 = ​70000/1550−450 = 0,064 kg/s = 13,45 kmol/h
Ɵ6

17. 2) Condenseur17
Condenseur
Ɵe,CD
=
15°C Ɵs,CD
Ɵc
On fixe l’échauffement de l’eau à 10°C donc ​ 𝜃↓𝑆, 𝐶𝐷 =25°C et
Δɵpin
=
5°C
​ 𝜃↓𝐶 = ​∆ 𝜃↓𝑝𝑖𝑛 + ​ 𝜃↓𝑆, 𝐶𝐷 = 5 + 25 = 30°C
On peut en déduire la température en sortie de la bouteille de liquide : 𝜃3
La température de sous refroidissement au condenseur ​ 𝜃↓𝑆𝑅 = température de
condensation du frigorigène moins 𝜃3.
On fixe ​ 𝜃↓𝑆𝑅 = 5°C Donc 𝜃3 = 25°C
Température constante jusqu’à la détente car 25°C ~ température ambiante
Donc 𝜃4 = 25°C
Puissance thermique : ​ɸ↓𝐶𝐷 = mF x (h2 – h3) = 75,2 kW
𝜃3
𝜃4
​ɸ↓𝐶𝐷 = 75,2
kW

18. 3) Absorbeur
18
Absorbeur
liquide
Evaporateur
𝜃6 𝜃1
Vers pom
𝜃e,AB=15°C
𝜃s,AB=
𝜃a
" Estimation de 𝜃a :
​ 𝜃↓𝑎 = ​∆ 𝜃↓𝑝𝑖𝑛 + ​ 𝜃↓𝑆, 𝐴𝐵 = 5 + 20 = 25°C
# pour avoir un écart idéal il faut ajouter 5˚C
​ 𝜃↓𝑎 ’ = 30°C
" Estimation de ​ 𝜃↓1 :
# échauffement du frigorigène de 6˚C entre l’évaporateur et
l’absorbeur # ​ 𝜃↓1 = ​∆ 𝜃↓𝑝𝑖𝑛 + ​ 𝜃↓𝐹 = 6 + (-23) = - 17˚C

19. 4) Bouilleur et déflegmateur
19
Colonne
De
Distillation
Vers échan
Vapeur
3 bars
​
𝜃↓𝐶
𝑉
​ 𝜃↓𝑑
​ 𝜃↓2
Vapeur 3 bars = vapeur saturante = 133°C
Détermination de ​ 𝜃↓𝑑 :
​ 𝜃↓𝑑 = ​ 𝜃↓𝐶𝑉 - ​∆ 𝜃↓𝑝𝑖𝑛
​ 𝜃↓𝑑 = 133 – 5 = 123˚C
​ 𝜃↓𝑑 ′ = ​ 𝜃↓𝑑 - 5˚C = 118˚C # imperfection
bouilleur
Détermination de ​ 𝜃↓2 :
Vapeur saturante en sortie et P = 11,67 bars
​ 𝜃↓2 = 30 °C

20. 5) Calculs des débits
20
Condenseur
Bouteille de
liquide
Vanne de
détente
Évaporateur
Colonne
d’absorption
Pompe
Echangeur
Colonne de
distillation
VFv1
VFv2
VFv4
VFV1 = ṁF
x
VFV1
=
0,064
x
0,85
=
0,0544
​
𝑚↑3 /s
VFV2 =
0,00768
​ 𝑚↑3 /s
VFV4 =
0,0001056
​ 𝑚↑3 /s
a) Débit volumique
b) Solution riche
τc,R
=​ 𝑥 𝐹𝑅− 𝑥𝑃/𝑥𝑅− 𝑥𝑃 = ​0,995−0,255/0,35−0,255
= 7,789 kg NH3 /kg de solution
ṁSR
=
τc,R
x
ṁF
=
0,064
x
7,789
=
0,4984
kg/s
VSR,a = ṁSR
x
V
SR
=0,4984
x
1,149
x
​10↑3
=
5,73
x
​10↑−4
𝑚↑3 /s
c) Solution pauvre
τc,p
=​ 𝑥 𝐹𝑅− 𝑥𝑅/𝑥𝑅− 𝑥𝑃 = ​0,995−0,35/0,35−0,255 =
6,789 kg NH3 /kg de solution
ṁSP
=
τc,P
x
ṁF
=
0,4984
kg/s
VSP,a = ṁSP
x
V
SR
=
5,17x
​10↑−4 ​ 𝑚↑3 /s

21.
21
6) Pompe
a
b
Pf = 1,6 bars
Pc = 11,67 bars
Puissance consommée par la pompe :
Cas idéal ​ 𝑃↓𝑃𝑆, 𝑖 = ​ 𝑄 𝑣↓𝑆𝑅, 𝑎 (​ 𝑝↓𝐶 - ​ 𝑝↓𝐹 ) = 577 W
Cas réél avec un rendement de 70 %
​ 𝑃↓𝑃𝑆, 𝑟 = ​​ 𝑄 𝑣↓𝑆𝑅, 𝑎 (​ 𝑝↓𝐶 − ​ 𝑝↓𝐹 )/​ 𝜂↓𝑀𝑃 = ​577/0,7 =
824,3 W
Différence de temperature entre a et b :
​∆ 𝜃↓𝑎𝑏 = (​ 𝜃↓𝑏 - ​ 𝜃↓𝑎 ) = ​​ℎ↓𝑏 − ​ℎ↓𝑎 /​ 𝐶↓𝑆𝑅 = ​
1,6539/1,06 𝑥 4,18 = 0,37˚C
# Négligeable

22. 7) Bilan énergétique
à à l’absorbeur
= + - = 117,15 kW
# Puissance de la colonne de distillation -
- = + - 114,76 kW
# Puissance thermique à apporter au bouilleur,
= x = 154,24 kW
# Puissance thermique à extraire au déflegmateur,
= x = 29,5 kW
22

23. Schéma récapitulatif
23
Bouteill
e de
liquide
Evaporateur
Colonne d’
absorption
Echangeur
Colonne
de
séparation
Condenseur
Air -18°C
-23°C
-17°C
25°C
25°CEau 15°C
30°C
118°C
30°C
P=11,67bars
30°C
P=1,6bars
P=11,67 bars
P=1,6 bars
​ɸ↓𝐴𝐵 =
117,15Kw
​ɸ↓𝑀 - ​ɸ↓𝐷𝐸 = 114,76
kW
ɸ p= 577 W
ɸE=70 kW
ɸcd=75,2 kW
ɸ 𝐸𝑡=158,7 𝑘𝑊
T° ambiante
Eau 15°C
25°C
Liquide
Liquide
Vapeur
Vapeur
Liquide
Liquide

24. IV.Pré-dimensionnement – Le
Condenseur
Rôle du condenseur : condenseur les vapeurs d’amoniac en sortie de la
colonne de distillation.
Difficultés :
Changement d’état # création d’un nouveau tableur : utilisation de nouvelles
corrélations et coefficents global d’échange.
Optimisation de l’échangeur avec variations des paramètres suivants :
Us, di/de , Longueur des tubes , espace entre chicanes.
24

25. IV.Pré-dimensionnement – Le
Condenseur
25
Fluide coté tube Eau liquide
Fluide coté calandre Vapeur d’amoniac
Flux échangé (kW) 75
Us (W.m-2.K-1) 500
di/de (mm) 5,48/10,43
Longueur des tubes (m) 2
Vitesse dans les tubes (m.s-1) 0,62 >0,5
Nombre de passes coté tubes 2
% aire d’écart 2< 8 <10
Aire réelle de l’échangeur (m2) 25,15
Pertes de charges coté tubes (bar) 0,08<1
Pertes de charges coté calandre
(bar)
0,001 <1

26. Travaux restants à effectuer :
# Dimensionnement de l’évaporateur, de la colonne d’absorption, du
bouilleur, du déflegmateur et de la colonne à distiller.
# Choix de la pompe.
# Choix des matériaux.
# Schéma de procédé détaillé.
# Choix de la vanne de détente et de réglage.
26

27. Conclusion :
o Rappel d’objectif :
• Choisir et dimensionner une installation permettant de produire du froid
o T
27

28. Bibliographie
Documents papiers
JACQUARD Patrick et SANDRE Serge. La pratique du froid : 4eme édition. Paris DUNOD: PYC, Octobre 2011. 543
pages. ISBN : 9782100550302
MEUNIER Francis, RIVET Paul et TERRIER Marie-France. Froid industriel. Paris DUNOD, Février 2005. 495 pages. ISBN: 2 10
005301 9
THERVILLE Robert. L'ABC du FROID : Je monte... j'entretiens … je dépanne... 3ème édition PYC Livres, Octobre 2013. 560
pages. ISBN:978-2-86243-108-6
DESMONS Jean. Froid industriel : 3ème édition. Paris. DUNOD, Avril 2014. 411pages. ISBN 978-2-10-070943-4
RAPIN Pierre et JACQUARD Patrick. Formulaire du froid. 14 ème édition. Paris : DUNOD, Mai 2010. 672 pages ISBN :
978-2-10-053893-5
RAPIN Pierre et JACQUARD Patrick. Technologie des installations frigorifiques, 8ème édition,Paris : DUNOD, Septembre
2004. 516 pages ISBN: 2 10 0075942
Documents internet :
DUMINIL, Maxime., 10 oct. 2002, « Machines thermofrigorifiques Calcul d’un système à absorption ». Dans : « Production
de froid mécanique », [en ligne], Editions T.I. [Paris, France], 2015, be9736, [Consulté le 02/02/2015], TIB211DUO, [base
de données en ligne], disponible à l'adresse : http://www.techniques-ingenieur.fr/base-documentaire/energies-th4/
production-de-froid-mecanique-42211210/machines-thermofrigorifiques-calcul-d-un-systeme-a-absorption-be9736/
DE SOUSA, Jose. Solution absorption. [En ligne]. Dernière mise à jour : 01-09-2013. [ref. du 04-02-1015]. Diagramme de
Merkel NH3-H2O. Disponible sur le Web : http://energie-diderot.info/MERKEL_NH3_H2O_4
PICCARD, D. Diagrammes Thermodynamiques [En ligne]. Dernière mise à jour : 13-12-2013. [ref. du 04-02-2015].
Diagramme de Mollier de l’ammoniac NH3. Disponible sur le Web : http://physiquecira.free.fr/index.htm
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