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Article

1 - INTÉRÊT DE LA COMPRESSION MULTIÉTAGÉE. LIMITES

2 - CYCLE FRIGORIFIQUE BIÉTAGÉ

3 - CYCLES FRIGORIFIQUES MULTIÉTAGÉS

4 - CYCLES FRIGORIFIQUES (OU DE POMPES À CHALEUR) EN CASCADE À FRIGORIGÈNES SÉPARÉS

5 - VALORISATION DE LA CHALEUR ISSUE DU CONDENSEUR D'UNE MACHINE FRIGORIFIQUE

6 - CYCLES À MÉLANGES ZÉOTROPES DE FRIGORIGÈNES

Article de référence | Réf : BE9732 v1

Cycle frigorifique biétagé
Théorie des machines frigorifiques - Machine à compression mécanique. Cycles multiétagés

Auteur(s) : Maxime DUMINIL, Jean-Pierre DOMBLIDES

Relu et validé le 16 oct. 2019

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RÉSUMÉ

Parmi les cycles frigorifiques à compression, les cycles multiétagés et notamment biétagés sont utilisés dans des domaines variés : la congélation en général, l'industrie chimique et la lyophilisation. Après des indications générales sur ces cycles, les cycles biétagés, et en particulier, les cycles à injection partielle, à injection totale, et à économiseur sont à l'étude. Le choix de la pression intermédiaire est important car il influe sur la consommation énergétique de l'ensemble des deux étages. La production des très basses températures, les cycles en cascades CO2 associés à d'autres fluides et les différents cycles à mélange zéotropes sont présentés.

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ABSTRACT

Theory of refrigerating machines - Mechanical compression machines. Multistage cycles

Among compression refrigeration cycles, multistage cycles and in particular two-stage cycles are used in various domains: freezing in general, the chemical industry and lyophilization. After providing general information on these cycles, this article focuses on two-stage cycles and in particular partial injection cycles, total injection cycles and economizer cycles. The choice of the intermediate pressure is essential as it impacts the energetic consumption of the two stages. The production of very low temperatures, CO2 cascade cycles associated with other fluids and the various cycles using zeotropic blends are presented.

Auteur(s)

  • Maxime DUMINIL : Ancien professeur de l'Institut français du froid industriel et du génie climatique, au CNAM - Ancien professeur à l'École centrale de Paris - Expert honoraire près la Cour d'Appel de Paris

  • Jean-Pierre DOMBLIDES : Maître de conférences au conservatoire national des arts et métiers et à l'IFFI - Institut français du froid industriel et du génie climatique - Président de la commission formation de l'Association française du froid (AFF)

INTRODUCTION

La bonne connaissance des cycles frigorifiques à compression est d'une importance majeure, ce qui justifie le développement qui leur est réservé.

Après avoir donné des indications générales sur les systèmes frigorifiques dans le dossier [BE 9 730], le dossier [BE 9 731] étudie les cycles frigorifiques à un étage de compression mécanique.

Ce dossier [BE 9 732] est consacré aux cycles frigorifiques à compression multiétagée et, singulièrement, aux machines biétagées que l'on retrouve dans les domaines aussi variés que ceux de la congélation en général, de l'industrie chimique et de la lyophilisation. Une étude des cycles frigorifiques en cascade complète ce texte.

Le dossier suivant [BE 9 733] porte sur les fluides actifs des machines à compression : les frigorigènes et leur impact sur l'environnement.

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DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-be9732


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2. Cycle frigorifique biétagé

Un tel cycle se développe entre trois niveaux de pression p C > p i > p F auxquels correspondent trois niveaux de température de saturation du frigorigène q C > q i > q F (figure 2) où p i et q i sont respectivement la pression et la température de saturation intermédiaires.

Le compresseur basse pression comprime le frigorigène de p F à p i  , le compresseur haute pression le comprime de p i à p C :

avec :

τH et τB
 : 
respectivement taux de compression des compresseurs haute pression et basse pression.

On atteint ainsi le premier objectif visé : la réduction du taux de compression de chaque compresseur.

On refroidit les vapeurs comprimées par le compresseur basse pression en les mettant en contact avec la source à la température q i (ou à une température voisine). On satisfait ainsi à la deuxième condition : le refroidissement des vapeurs entre les étages.

Le troisième but, le refroidissement du liquide avant le détendeur alimentant l'évaporateur, peut être également atteint grâce à la source à q i (ou à une température voisine).

Deux cycles biétagés appliquent ces principes :

  • le cycle à injection totale ;

  • le cycle à injection partielle.

Pour tous les cycles étudiés dans la suite de cet article, les points de refoulement réels 2 et 4 étant généralement mal connus, on fait les calculs en supposant que les compressions sont isentropiques (on parle alors de 2is et de 4is). Selon la qualité de refroidissement du compresseur, le point de refoulement réel peut être à droite du point de refoulement isentropique si le refroidissement du compresseur est faible, ou à gauche si le refroidissement du compresseur est important.

2.1 Cycle...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - DUMINIL (M.) -   Cours de génie frigorifique. Institut français du froid industriel et du génie climatique.  -  Conservatoire national des arts et métiers (1988).

  • (2) - DUMINIL (M.), VRINAT (G.) -   Systèmes frigorifiques et pompes à chaleur.  -  Travaux de recherches. Institut International du Froid Éd. Tome 1 : Cycles à compression – Systèmes et fluides actifs, 128 p. ; Tome 2 : Caloporteurs – Échanges thermiques – Échangeurs, 161 p. ; Tome 3 : Compresseurs et moteurs – Détendeurs et régulation, 71 p. ; Tome 4 : Pompes à chaleur à sorption et chimiques, à gaz, hybrides – Applications industrielles des pompes à chaleur, 139 p. ; Tome 5 : Annuaire des centres de recherches mondiaux, 50 p.

  • (3) -   *  -  Bulletin bibliographique de l'Institut International du Froid (Revue bilingue français-anglais sur les travaux internationaux relatifs au froid).

  • (4) - INSTITUT INTERNATIONAL DU FROID (IIF), PARIS -   Cycles à compression pour systèmes frigorifiques, climatisation et pompes à chaleur préservant l'environnement.  -  169 p. (1993). Économie d'énergie en matière de froid, 224 p. (1982). Collection des comptes rendus des commissions de l'IIF,...

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