Étude expérimentale des mélanges HCs

(1)

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Submitted on 11 Jul 2018

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To cite this version:

Émile Semaan. Étude expérimentale des mélanges HCs. Thermique [physics.class-ph]. 2015. �dumas-01835113�

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CNAM

É tude expe rimentale

des me langes HCs

Mémoire

présenté pour l′obtention du diplôme

d′ingénieur

Préparé par

EMILE

SEMAAN

Spécialité

ÉNERGÉTIQUE – FROID ET CLIMATISATION

Président du jury

Dr. Christophe Marvillet

Membres

Dr.Toni Jabour Dr.Francois Khoury 2014 – 2015

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Remerciements

Avant de commencer la présentation de ce travail, je profite de l’occasion pour remercier toutes les personnes qui ont contribué de près ou de loin à la réalisation de ce projet de fin d’études.

Je tiens à exprimer mes vifs remerciements pour mon grand et respectueux professeur, Dr.Francois

Khoury d’avoir accepté de m’encadrer pour mon projet de fin d’études, ainsi que pour son soutien,

ses remarques pertinentes et son encouragement.

Au terme de ce travail, je tiens à exprimer ma profonde gratitude et mes sincères remerciements à mes amis dans le cadre de travail à l’école des arts et métiers, les professeurs M. Antoine Haddad et M. Degaulle koubayati pour tout le temps qu’ils m’ont consacré, et les conseils précieux qu’ils m’ont prodigués tout au long de la réalisation de ce projet. Je tiens aussi à remercier vivement le

Dr. Tony Jabbour, le chef de département mécanique et énergétique pour leur direction précieuse

du projet.

J’adresse également mes remerciements au Dr.Christophe Marvillet le président du jury.

Mes remerciements vont aussi à tous mes professeurs, enseignants et famille qui m’ont soutenu et encourage’ jusqu’au bout, et qui n’ont pas cessé de me donner des conseils très importants en signe de reconnaissance. Je souhaite enfin à l’institut de l’ISAE, plus de réussite et de développement pour les futures générations d’étudiants.

(4)

Étude expérimentale des réfrigérants et mélanges

d′hydrocarbures pour remplacer le HFC-134a et le R22 dans

l′appareil de climatisation et de réfrigération

(5)

Mémoire d’Ingénieur en Énergétique - Emile Semaan 2015 Page 2

SOMMAIRE

Page

Liste des figures……… 4

Liste des tables……….. 6

Abstrait………...…….. 7

1. Introduction ………... 8

1.1 Effet de CFC et de HFC sur l′environnement ………..……….... 8

1.2 Les réfrigérants hydrocarbures ……….………..………... 9

1.3 Utilisation des réfrigérants hydrocarbures sur une échelle globale ………... 10

2. Etudes expérimentales……… 12

2.1 Appareil expérimental chargé de HFC-134a ………... 12

2.2 Procédés expérimentaux d′installation et d’essais………... 14

2.3 Outillages et équipements nécessaires………..…... 15

3. Préparation des mélanges……….. 17

3.1 Mélange zéotropique……….………... 17

3.2 Démarche à suivre pour la technique de remplissage et de vidange……... 18

3.2.1 La préparation technique de l′appareil ……….. 19

3.2.2 Les procédés de contrôle et de régulation……….. 21

4. Essais expérimentaux et résultats……….. 22

4.1 Le HFC-134a pur ……….………. 22 4.1.1 Calculs………... 27 4.1.2 Discussion………. 28 4.2 Le propane R290 pur ……….……….. 30 4.2.1 Calculs………... 31 4.2.2 Discussion………. 32

4.3 Mélange de trois d′hydrocarbures ……….………. 33

4.3.1 Mélange propane/butane/isobutane 70%/25%/5%... 33

4.3.2 Mélange propane/butane/isobutane 50%/40%/10%... 34

4.3.3 Calculs………... 36

4.3.4 Discussion………. 37

4.4 Mélange de deux hydrocarbures………. 40

4.4.1 Mélange propane/butane60%/40%... 40

4.4.2 Mélange propane/isobutane60%/40%... 41

4.4.3 Calculs………... 42

(6)

Page

4.5 Mélange de deux hydrocarbures avec le HFC-134a……… 46

4.5.1 Mélange propane/isobutane/HFC40%/30%/30%... 46

4.5.2 Mélange propane/butane/HFC40%/30%/30%... 47

4.5.3 Calculs……… 48

4.5.4 Discussion……… 50

5. Etude expérimentale sur l′appareil de climatisation chargé de R22……….…... 53

5.1 Le HCFC-22 pur………. 54 5.1.1 Calculs et résultats……… 55 5.2 Le propane R290 pur ……….……… 56 5.2.1 Calculs ……… 57 5.2.2 Discussion……… 58 6. Les procédures de sécurité ………..……… 60

6.1 Limite pratique d′inflammabilité ……….……… 60

6.2 Les sources d′allumage ……….……… 60

6.3 Identification des sources d′allumage potentielles ……….……….. 60

6.4 Le secteur de remplissage ……….……… 62

6.5 Transport et stockage de réfrigérant d′hydrocarbure ……….……… 63

6.6 Etiquetage des appareils………….……… 63

7. Conclusion………..………... 65

8. Références……….………... 67

(7)

Liste des figures

Page Fig.2.1 - Schéma de l′appareil expérimental d’un réfrigérateur domestique didactique …. 12

Fig.2.2 - Schéma mécanique de l′appareil expérimental………. 13

Fig.2.3 - Schéma électrique de l′appareil expérimental………. 14

Fig.3.1 - Effet de glissement de la température dans l′évaporateur ………... 17

Fig.3.2 - Phénomène de surchauffe dans l′évaporateur……… 17

Fig.3.3 - Effet de charger le mélange comme liquide ou gaz……… 18

Fig.3.4 - Mise au vide de la bouteille de récupération………... 19

Fig.3.5 - Procédure de récupération du R134a du système………. 19

Fig.3.6 - Récupération du R 134a de l′installation par un appareil spécial de récupération du Type ITE- MINI-R2……….. 19

Fig.3.7 - Piquage par soudage OA sur le condenseur partie HP……… 20

Fig.3.8 - Piquage par soudage OA sur l′évaporateur partie BP……….. 20

Fig.3.9 - Changement du déshydrateur R134a par un autre compatible à l′HC ………… 20

Fig.3.10 - Détection de la fuite par la bouteille d’azote ……… 20

Fig.4.1 - Mesure de l′impureté du R 134a ……… 23

Fig.4.2 - Procédure de vacuum de deux côtés (HP et BP) ………... 24

Fig.4.3 a -Technique de remplissage du R-134a pur ………. 24

Fig.4.3 b - Relèvement des valeurs de pression et température de Saturation pour une masse chargée de 50g par point. ……… 25

Fig.4.4 - Mesure de la consommation électrique du compresseur chargé du R-134a …… 25

Fig.4.5 - Mesure de l'ampérage pour le R 134a……….. 25

Fig.4.6 - Placer le DATTA LOGGER après réglage dans les deux compartiments……….. 26

Fig.4.7 - Relever les profiles de température pour les deux compartiments ………. 26

Fig.4.8 - Profil de température en forme zigzag pour les deux compartiments………. 29

Fig.4.9 - Courbe de saturation pour le HFC-134a ……….. 29

Fig.4.10 - Mesure de l'impureté pour le R 290 pur par l'identifier ID 1000 PRO …………... 30

Fig.4.11 - Remplissage du R290 pur ……… 31

Fig.4.12 - Placer le DATTA LOGGER à l'intérieur des deux compartiments ……… 31

Fig.4.13 - Profil de température de R290 en forme zigzag pour les deux compartiments… 32 Fig.4.14 - Courbe de saturation pour le propane R290………. 33

Fig.4.15 - Evacuation du propane vers l'extérieur par un tuyau flexible ………. 34

Fig.4.16 - Résultats d′impureté pour les 3 hydrocarbures R 290,R 600 et R600a mesurés par l'identifier ID 1000 PRO ……… 34

Fig.4.17 - Remplissage de l'isobutane dans la bouteille de mélange ………. 35

Fig.4.18 - Remplissage du butane dans la bouteille de mélange ……… 35

Fig.4.19 - Remplissage du propane dans la bouteille de mélange ……….. 35

Fig.4.20 - Remplissage du mélange doit être en phase liquide et avec un tube capillaire... 35

Fig.4.21 - Profil de température du mélange (a) pour les deux compartiments …………... 38

Fig.4.22 - Profil de température du mélange (b) pour les deux compartiments ……… 39

(8)

Fig.4.24 - Mesure de l'impureté : a) pour le R 290 pur et b)pour le R600 pur ……….. 41

Fig.4.25 - Remplissage du mélange liquide par un tube capillaire à l′aspiration du compresseur ……… 41

Fig.4.26 - Profil de température du mélange (a) pour les deux compartiments ……… 44

Fig.4.27 - Profil de température du mélange (b) pour les deux compartiments ……… 45

Fig.4.28 - Comparaison entre les différentes courbes de saturation ……….. 45

Fig.4.29 - Remplissage 30% du R 600a dans la bouteille de mélange ……….. 47

Fig.4.30 - Remplissage du R134a 30% du mélange dans la bouteille ……… 47

Fig.4.31 - Remplissage du R134a 30% du mélange dans la bouteille ……… 47

Fig.4.32 - Résultat du mesure d′exactitude des gaz mélangés tirer par l’identifier ……… 48

Fig.4.33 - Profil de température du mélange (a) pour les deux compartiments ……… 51

Fig.4.34 - Profil de température du mélange (b) pour les deux compartiments ……… 51

Fig.4.35 - Comparaison entre les différentes courbes de saturation ……….. 52

Fig.5.1 - Appareil expérimental didactique de climatisation (split system) ……… 53

Fig.5.2 - Chambre isolée ……… 53

Fig.5.3 - Schéma de l′appareil expérimental : a) mécanique et b) électrique ……… 54

Fig.5.4 - Profil de température de R22 pour l′air de soufflage ……… 56

Fig.5.5 - Profil de température de R290 pour l’air de soufflage en forme zigzag …………. 59

Fig.5.6 - Comparaison entre les deux courbes de saturation ………... 59

Fig.6.1 - Disposition d′aération ………. 62

Fig.6.2 - Stockage des cylindres d'hydrocarbure ……….. 63

(9)

Liste des tables

Page

Table 1.1 - Comparaison entre les réfrigérants CFC - HFC et HC……….… 9

Table 1.2 - Caractéristiques des différents réfrigérants……….. 10

Table 2.1 - Réfrigérateur spécifications……… 12

Table 4.1 - Valeurs de pression et température de saturation pour le HFC-134a pur……….… 27

Table 4.2 - Valeurs de P, T, E et w•c pour le HFC-134a………... 28

Table 4.3 - Valeurs de TSat, CP, et période active pour le R-134a………... 28

Table 4.4 - Valeurs de pression et température de saturation pour le propane pur………. 31

Table 4.5 - Valeurs de P, T, E et w•c pour le R290 pur………. 32

Table 4.6 - Valeurs de TSat, CP, et période active pour le R290 pur………. 32

Table 4.7 - Valeurs de pression et température de saturation pour le mélange(a)…………..… 36

Table 4.8 - Valeurs de pression et température de saturation pour le mélange (b)………. 36

Table 4.9 - Comparaison entre les valeurs de P, T, E et w•c pour les deux mélanges (a) et (b)……… 37

Table 4.10 - Comparaison entre les valeurs de TSat, CP, et période active pour les deux mélanges………. 37

Table 4.11 - Valeurs de pression et température de saturation pour le mélange (a)... 42

Table 4.12 - Valeurs de pression et température de saturation pour le mélange (b)…………. 42

Table 4.13 - Comparaison entre les valeurs de P, T , E et w•c pour les deux mélanges (a)et(b)… ……… 43

Table 4.14 - Comparaison entre les valeurs de TSat, CP avec la période active des deux mélanges………. 43

Table 4.15 - Valeurs de pression et température de saturation pour le mélange (a)……… 49

Table 4.16 - Valeurs de pression et température de saturation pour le mélange (b)………….. 49

Table 4.17 - Comparaison entre les valeurs de P, T, E et w•c pour les deux mélanges (a)et(b)……… 49

Table 4.18 - Comparaison entre les valeurs de TSat, CP avec la période active des deux mélanges……… 49

Table 5.1 - Spécifications de l′unité de climatisation……… 53

Table 5.2 - Valeurs de pression et température de saturation pour le R22 pur………. 55

Table 5.3 - Valeurs de P, T , E et w•c pour le R22 pur………. 55

Table 5.4 - Valeurs de TSat, C, et période active pour le R22 pur………. 55

Table 5.5 - Valeurs de pression et température de saturation pour le propane pur………. 57

Table 5.6 - Valeurs de P, T, E et w•c pour le R290 pur……… 57

Table 5.7 - Valeurs de TSat, CP, et période active pour le R290 pur………. 57

(10)

Abstrait

Ce travail présente une étude expérimentale sur l'application des mélanges d'hydrocarbure pour remplacer le HFC-134a dans un réfrigérateur ménager et le R22 dans un appareil de climatisation séparé. Pour le réfrigérateur Les hydrocarbures étudiés sont le propane (R290), le butane (R600) et l’isobutane (R600a). Dans l’expérience, un réfrigérateur est conçu pour travailler avec le HFC-134a d'une capacité brute de 70L. Dans la présente étude, une méthode expérimentale appelée « essai de consommation d'énergie(ECT) » était utilisée. L′énergie, et la puissance du compresseur consommées à l'admission et la sortie du compresseur sont enregistrées et analysées comme les distributions de la température à diverses positions dans le réfrigérateur. Les mélanges et les réfrigérants utilisés dans les deux appareils sont : le Mélange de trois hydrocarbures, le mélange de deux hydrocarbures, le mélange de deux hydrocarbures avec le HFC-134a, le propane pur et le R22 pur. Les expériences sont exécutées avec les réfrigérants dans les mêmes conditions de charge et à une température ambiante de 25 °C. Les résultats prouvent que le mélange propane/butane 60%/40% est le réfrigérant alternatif le plus approprié au HFC-134a, ainsi que 40% de propane de la masse de R22 chargée dans l′appareil de climatisation est un meilleur alternatif pour remplacer le HCFC-22.

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1. Introduction

L′introduction montre pourquoi nous devons employer des réfrigérants alternatifs autres que les CFC, HCFC et HFC, et quelles solutions de rechange sont disponibles. Elle montre les avantages des réfrigérants d′hydrocarbures et en particulier le mélange hydrocarbure (R290/R600) et où ils sont employés.

1.1. Effet sur l′environnement des CFC, HCFC et du HFC1

Quand les CFCs sont dégazés dans l’atmosphère et pénètrent dans le stratosphère ou ils sont fortement décomposés par le rayon ultraviolet du soleil. Cette décomposition libère le chlore qui épuise l’ozone. L’ozone est formé de 3 atomes d′oxygène au lieu de deux. Un atome de chlore a le potentiel de détruire des milliers de molécules d′ozone. La couche d′ozone nous protège contre le rayonnement ultraviolet, car l′épuisement de cette couche provoque des maladies comme les cancers de peau, les cataractes de l′œil et par suite réduise les rendements de récolte. L′appauvrissement de cette couche provoque un trou dangereux (trou d’ozone) au dessus de l′antarctique.

Les chlorofluorocarbones (CFC) et hydrochlorofluorocarbons (HCFCs) sont une grande classe des produits chimiques contenant du chlore et ont a peu prés des propriétés communes, par exemple : l′ininflammabilité, l′intoxité et la compatibilité matérielle, cela amené à une utilisation répandue dans les industries et dans le monde entier particulièrement comme dans les systèmes de réfrigération et de climatisation.

La réunion du programme d'environnement des nations unit (UNIP) a décidé l'élimination progressive des CFC-11 et CFC-12, utilisés principalement dans les appareils de réfrigération et de climatisation, et la remplacement des HCFCs en 1998 par d’autres alternatives. Puisque les propriétés thermo-physiques du HFC-134a sont très semblables à ceux du CFC-12 et est également non toxique. Les fabricants Américains ont recommandé le réfrigérant HFC-134a comme remplacement potentiel. Pour le CFC-12 dans des réfrigérateurs ménagers. Cependant, tandis que les potentiels d'appauvrissement de la couche d'ozone de HFC-134a relatif au CFC-11 sont très bas (<0.0005), les potentiels de réchauffement global sont extrêmement hauts (1300 de GWP) voir (table 1.1 et 1.2). Pour cette raison, la production et l'usage du HFC-134a seront achevés dans un avenir proche.

(12)

1.2. Les Réfrigérants d'hydrocarbures

Les hydrocarbures sont des substances naturelles qui sont obtenues à partir des raffineries après distillation. Ils ont été employés comme réfrigérants depuis longtemps dans des petits et moyens systèmes de réfrigération à basse température. Les réfrigérants d′hydrocarbures (HCs) sont des bons alternatifs pour des raisons suivantes:

• les réfrigérants d'hydrocarbures sont disponibles pour des applications très larges, comme le remplacement direct du R12 et du R134a.

• ils ne présentent pas des impacts sur l'environnement en comparaison avec les HFCs et les HFCs.

• ils sont compatibles avec le cuivre et les huiles minérales standards.

• les procédures de service et d′entretien sont semblables que pour les réfrigérants R12, R22 et R134a sauf les conditions de sécurité

• les systèmes de réfrigération utilisant les hydrocarbures doivent être conçus de sorte que la fuite ne soit pas dangereuse.

• pendant la fabrication, l'équipement approprié devrait être utilisé pour charger les systèmes, et le secteur de remplissage doit être ventilé.

• des techniciens de service doivent être formés pour manipuler les réfrigérants d′hydrocarbures sans risque

Refrigerants ODP GWP Infla mm able

Toxique Compatibilité avec les matériaux

Autres issues

CFC haut haut Non Non Bon

HCFCs bas haut Non Non Bon sera mis en phase

dehors

HFCs zero haut Non Non besoin de changement

de déshydrateur certains problèmes de joint

humidité et contamination dans les systèmes, il y a un sérieux problème Hydrocarbures

(HC)

zero Très bas Oui Non Bon

Ammoniac zero zero Oui Oui ne peut pas employer

les composants de cuivre

Toxicité

limite l'utilisation

de manière significative Table 1.1- Comparaison entre les réfrigérants CFC - HFC et HC2

2

(13)

1.3. Utilisation des réfrigérantes d'hydrocarbure sur une échelle globale

Le propane (R290) a été employé dans le monde entier dans les grands systèmes industriels depuis longtemps.

• 90% de réfrigérateurs ménagers et de congélateurs en Allemagne et en suisse (y compris les modèles «nofrost») Fonctionnent avec l′isobutane (R600a).Beaucoup d'autres pays européens suivent l’exemple. Le volume global actuel de production est de plusieurs millions d'unités par an.

• les refroidisseurs de boissons utilisent les hydrocarbures sont disponibles en Allemagne comme l'Elster et nofrost.

• 95% des refroidisseurs d'eau (jusqu'à 300 kilowatts) produits par Bonus en propane ou un mélange de propane et de l'éthane en Suède.

Presque tous les réfrigérateurs ménagers d'hydrocarbures construits jusqu'à présent utilisent l'isobutane (R600a) et le mélange HC (R290/R600a ou/R600) d'isobutane / propane ou butane sont semblables dans l'opération au R12 et R134a.

Table1.2 - Caractéristiques des différents réfrigérants3

La performance obtenue était plus grande que cela obtenue à partir du CFC-12 pour les mêmes conditions expérimentales, des ingénieurs et des physiciens ont étudié expérimentalement la capacité de réfrigération, la puissance du compresseur et le coefficient de performance (COP) d'un réfrigérateur (R12) ménager fonctionnant avec un mélange de propane/butane. Les résultats ont indiqués que l’application du mélange du propane et du butane est valable pour le remplacement de CFC-12 dans le réfrigérateur

3

-SomchaiWongwises, Nares Chimres, Energy Conversion and Management 46 (2005) 85-100, March 2004

No. Code Chemical formula Molecu-lar weight Boiling point (°C) at 101.325 kPa Critical tempera ture (°C) Critical pressure (MPa) Latent heat (kj/kg) Hazard to life group classifi cation Explosive limits In air,% by volume ODP GWP (100yr) 1 12 CCl2F2 120.9 -29.8 112 4.14 165.24 6 Nonflamm able 0.82 8100 2 134a CH2FCF2 102.0 -26.1 101.1 4.06 216.87 6 Nonflamm able 0 1300 3 50 CH4 /méthane 16.04 -161.5 -82.5 4.638 510.54 5b 4.9-15 0 20 4 170 C2H6 /éthane 30.07 -88.8 32.2 4.891 487.03 5b 3.3-10.6 0 20 5 290 C3H8 /propane 44.1 -42.07 96.7 4.25 423.33 5b 2.3-7.3 0 20 6 600 C4H10 /butane 58.13 -0.5 152 3.8 385.77 5b 1.6-6.5 0 20 7 600a C4H10 /isobutane 58.13 -11.73 134.7 3.64 364.25 5b 1.8-8.4 0 20

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ménager.et autres ont examiné l'exécution d'un mélange du propane et isobutane utilisé dans des réfrigérateurs.

Une analyse thermodynamique a montré que le coefficient de performance (COP) du système a augmenté jusqu'à 2.3% par rapport au CFC-12. Les résultats ont indiqué qu'un mélange de butane, de propane et de HFC-134a ont donné une excellente exécution...D’autres ont entrepris une étude expérimentale sur l'utilisation de l'isobutane dans un réfrigérateur ménager. Les résultats ont prouvé que le coefficient de performance (COP) était comparable à ceux obtenus quand le CFC-12 et le HCFC-22 ont été employés comme réfrigérants.

Puisque les hydrocarbures, par exemple le gaz de pétrole liquéfié, sont des substances alternatives et de prix acceptable, leur utilisation comme réfrigérant dans les réfrigérateurs et la climatisation domestiques est très convenable. Dans la présente étude, la principale préoccupation est d′obtenir les résultats expérimentaux de l'utilisation des réfrigérants suivants dans les appareils de réfrigération à basse et moyenne pression:

• HFC-134a pur • Propane pur • Propane/butane 60%/40% • Propane/isobutane 60%/40% • Propane/butane/isobutane 70%/25%/5% • Propane/butane/isobutane 50%/40%/10% • Propane/butane/HFC-134a 40%/30%/30% • Propane/isobutane/HFC-134a 40%/30%/30% • HCFC - 22

L'étude expérimentale conduit à des divers rapports de mélange dans le même réfrigérateur.

A la fin des expériences, les hydrocarbures purs ou mélangés les plus appropriés sont considérés comme réfrigérant alternatif au HFC-134a et au R-22.

(15)

2. Etudes expérimentales

2.1. Appareil expérimental chargé de HFC-134a

Les schémas de principe mécanique et électrique de l'appareil didactique expérimental sont montrés d’après les (Figures2.1, 2.2 et 2.3).Ils consistent essentiellement à un réfrigérateur domestique qui a été conçu pour fonctionner avec du HFC-134a. Les caractéristiques du réfrigérateur utilisé sont montrées dans le (table2.1).Le réfrigérateur a deux compartiments séparés: compartiment de stockage de nourriture fraîche (FSC frais) et compartiment de stockage d'aliments surgelés (FSC congelé).

Le réfrigérateur est monté sur une plate-forme de bois dur. Tous les côtés des plateaux sont ouverts pour permettre la circulation d'air. Le plateau prolongé d′une distance de 300 millimètres horizontalement vers l′avant et dans chaque côté du réfrigérateur. Sa partie supérieure est de 300 millimètres au-dessus du niveau du plancher. Il n'y a aucun équipement dans la salle d'essai, et donc, il n'y a aucune émission de chaleur d'équipements. La vitesse de l'air à proximité du réfrigérateur est moins de 0.25 m/s.

Fig. 2.1 - Schéma de l’appareil expérimental d’un réfrigérateur domestique didactique

Gross capacity

Freezer storage capacity Nominal electrical input Nominal current and voltage Compressor type Refrigerant Charged mass 40 l 30 l 106 W 0.9 A, 220 V

Reciprocating, hermetically sealed HFC-134a

250 g

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Mémoire d’Ingénieur en Énergétique - Emile Semaan 2015 Page 13 Fig. 2.2 - Schéma mécanique de l’appareil expérimental

(17)

Mémoire d’Ingénieur en Énergétique - Emile Semaan 2015 Page 14 Fig. 2.3 - Schéma électrique de l’appareil expérimental

2.2. Procédés expérimentales d′installation et d′essais

Dans la présente étude, une méthode expérimentale appelée « essai de consommation d'énergie (ECT) » était utilisée. Les mélanges de réfrigérants ont été préparés à l′Ecole

des Arts et Métiers – Dekwaneh et qui ont été divisées en trois groupes: trois

hydrocarbures, deux hydrocarbures et deux hydrocarbures avec HFC-134a. Les températures de l'air dans le compartiment de stockage de nourriture fraîche (FSC frais) et dans le compartiment de stockage des aliments surgelés (FSC congelé) ont été surveillées et ont été enregistrées sans interruption à chaque minute. Ensuite, l'énergie consommée en 12h est mesurée par un compteur digital en kwh. Sa précision est de ±1%.La pression et la température du réfrigérant à l'admission et à la sortie du compresseur étaient enregistrées. La température a été surveillée et enregistrée sans interruption par un thermomètre digital «LCD panel, TPM-10».Le courant électrique consommée par le

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compresseur a été mesurée par un multimètre digital du type MT87 avec haute précision. Toutes les expériences ont été faites dans une chambre à une température de 25 °C et d’humidité relative de 60% mesurée par un Hygromètre. Toutes les conditions à l’intérieur et à l′extérieur du réfrigérateur sont les mêmes pour toutes les expériences.

2.3. Outillages et équipements nécessaires4 a) Balance digital :

- Specification: 3kg/6g/15kg/30kg/32kg - Precision : 1/200

- Out Electric power: 240V (+10% ~ -15%); 50±2 Hz ;

b) Multimètre digital :

- Modèle: MT87

- Courant alternatif:0.0~ 400A. - Tension AC: gamme 1v ~ 450v. - Tension DC: gamme 1v ~ 600v.

c) Compteur digital :

- Monophasé - Affichage LCD

d) Machine de récupération du fluide frigorigène :

-Type: MINI-R2

- Réfrigérant: 12, 22, 134a, 401A/B, 402A/B, 404A, 500, 502, 407A/B/C - Pression: 25 bar e) Thermomètre digital : - Intervalle de mesure: -50oC ~ +70oC - Précision: ±1oC(±2F) - Power: DC1.5V AG13 4

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f) Pompe à vide:

- Model VE225

- Pumping speed (50Hz): 2 m3/ h

-Total ultimate pressure: 5(5x10-2) Pa(mbar) - Oil capacity: 0,28 l

- Motor: 0,22(0,3) kw( hp)

g) Refrigerant identifier:

- Sample parameters: Vapor only, oil-free, 300 psi (2MPa) Maximum

- Detected compounds: R12, R134a, R 22, Hydrocarbons, Air

- Refrigerant sample size:0.3 ounces (8.5 grams) per sample

- Power: 9-15 VDC, 2 Amps Maximum - Operational temperature: 40-130˚ F

h) Data Logger:

- Marge de mesure (Température): -40°C à 85°C - Précision (Température) : ±0.5°C (± 1 °F) - Résolution : 0.01 °C

- Précision (Temps) : +/- 100 ppm @ 75°F - Alimentation : 3.0V (Batterie lithium)

i) Bouteille de récupération:

Deux types : bleu américain et jaune européen

►Ne pas remplir le cylindre plus que 80% de son volume. Le

poids de remplissage devrait être marqué sur le cylindre de récupération.

j) Analyseur:

- Mesurer la pression et la température - Evacuer et remplir l’installation

k) Bouteilles des réfrigérants HCs:

Bouteilles d′hydrocarbures butane/propane/isobutane R600/R290/R600a.

(20)

3. Préparation des mélanges

5

3.1. Mélange zéotropique

Le réfrigérant du mélange d'hydrocarbure est une substance zéotropique Ceci signifie qu'il ne se comporte pas comme une substance simple pure durant les phases de condensation et d′évaporation c.à.d. la température et la pression durant les phases d′évaporation et de condensation sont différentes et par suite présente un glissement de température

entre les deux durant le changement d'état. Donc il est représenté par deux courbes de saturation différentes suivant les indications de la figure 3.1.

Fig. 3.1 - Effet de glissement de la température dans l’évaporateur

Le mélange d'hydrocarbure a un glissement de température approximativement de 8 K. pour cette raison, une accumulation inégale du givre peut se produire sur l′évaporateur. Ce n'est pas habituellement un problème. Illustrations schématiques fig. 3.2.

Fig.3.2 - Phénomène de surchauffe dans l’évaporateur

(21)

Puisque le réfrigérant est un mélange zéotropique, le remplissage d'une composition incorrecte en mélange affecte le système, dans ce cas la pression augmente lors du fonctionnement et le compresseur pourrait devenir surchargé. C’est pour cela il est nécessaire de remplir le système par un mélange de composition liquide correcte (Fig.3.3)

Fig.3.3 - Effet de charger le mélange comme liquide ou gaz

Selon le fournisseur, les cylindres réfrigérants sont délivrés avec des vannes liquide et à gaz. Par exemple le HR12 et le HR134a sont fournis dans des cylindres qui ont une vanne simple d’aspiration liquide. Si la vanne liquide d’aspiration est adaptée, le cylindre doit être utilisé tout droit, si le cylindre contient une seul vanne à gaz, dans ce cas il faut renverser le cylindre

3.2. Démarche à suivre pour la technique de remplissage et de vidange

Avant de réaliser les essais et relever les résultats des différentes réfrigérants, il faut réaliser les deux procédures techniques suivantes :

- La préparation technique de l’appareil. - Les procédés de contrôle et de régulation.

(22)

3.2.1. La préparation technique de l′appareil a) Réaliser le vacuum de la bouteille par une

pompe à vide (fig. 3.4)

b) Récupération du réfrigérant R134a

Fig.3.4 - Mise au vide de la bouteille de récupération

Le réfrigérant R134a est nuisible à l′environnement, pour cela, il faut le récupérer et l′entreposer dans des cylindres spéciaux (bouteille de récupération).

Une machine et un cylindre de récupération sont utilisés pour récupérer le R134a (Figures 3.5 et 3.6).La machine est très simple, elle comporte un compresseur hermétique et des filtres. Le réfrigérant est aspiré en phase gazeuse du système puis il est filtré et refoulé sous forme liquide dans la bouteille de récupération. Des réfrigérants différents ne devraient pas être mélangés dans une machine ou dans un cylindre de récupération.

Ne pas remplir le cylindre plus que 80% de son volume. Le poids de remplissage devrait être marqué sur le cylindre de récupération.

Fig. 3.5 - Procédure de récupération du R134a du système

Fig.3.6 - Récupération du R 134a de l′installation par un appareil spécial de

(23)

c) Souder les piquages des manomètres et des thermomètres par un poste de soudage

oxyacétylénique (OA) afin de relever les valeurs de température et de pression de saturation de l′évaporateur et du condenseur comme indiquent les figures 3.7 et 3.8.

Fig.3.7 - Piquage par soudage OA sur le condenseur partie HP

Fig.3.8 - Piquage par soudage OA sur l′évaporateur partie BP

d) Remplacer le déshydrateur par un autre

spécial pour les réfrigérants d′hydrocarbure (Fig. 3.9).

Fig.3.9 - Changement du déshydrateur R134a par un autre compatible à l′hydrocarbure

e) Comprimer l′installation avec l’azote (N2)

pour détecter la fuite après soudage (fig.3.10)

Fig.3.10 - Détection du fuite par la bouteille de N2

(24)

3.2.2. Les procédés de contrôle et de régulation6

a) Utiliser une pompe à vide pour vidanger l′installation du Type VE série 225 (fig. f) b) Mesurer l’impureté et l’exactitude de remplissage du gaz pur ou mélangé en utilisant

l′identifier réfrigérant. ID 1000 PRO.(fig. g)

c) Remplir l′installation par réfrigérant pur ou par le mélange d′hydrocarbure nécessaire à l’aide des analyseurs spéciaux.(fig. j)

d) Relever les valeurs de pression et de température de saturation à chaque masse de remplissage de 50g par point

e) Utiliser une balance digitale pour peser l’exactitude de remplissage. (fig. a)

f) Installer des thermomètres digitales du Type Elitech TP M10 dans les deux compartiments congelés et frais pour indiquer la température interne. (fig. e)

g) Régler la température du déclenchement et d′enclenchement du thermostat de -10 à - 20 °c (on-off) dans les deux compartiments

h) Utiliser un appareil spécial le DATA LOGGER pour tracer le profil de température et de dégivrage dans les deux compartiments (fig. h)

i) Régler par l′ordinateur le DATA LOGGER durant 12h de fonctionnement puis placer l′appareil dans les compartiments

j) Installer le DATA LOGGER sur l′ordinateur pour relever les profils de température et de dégivrage en fonction du temps

k) Mesurer la consommation par un compteur digital en kwh pour 12h de fonctionnement (fig. c)

l) Mesurer l′ampérage par un multimètre du Type MT87 (fig. b)

6

(25)

4. Essais expérimentaux et résultats

Les réfrigérants et les mélanges utilisés dans l′expérience sur le réfrigérateur domestique chargé du R134a sont :

 Le HFC-134a pur  Le propane pur  Mélange propane/butane/isobutane 70%/25%/5%  Mélange propane/butane/isobutane 50%/40%/10%  Mélange propane/isobutane 60%/40%  Mélange propane/butane 60%/40%  Mélange propane/isobutane/HFC-134a 40%/30%/30%  Mélange propane/butane/HFC-134a 40%/30%/30% 4.1. Le HFC - 134a pur

1) Après la préparation technique de l′appareil et avant de réaliser la technique de remplissage et de vidange, Il faut mesurer l′impureté du réfrigérant pour le R134a pur par l′appareil de réfrigérant « identifier» du Type ID1000PRO (Figure 4.1) et résultat (R1) car l′impureté du réfrigérant à une influence sur la précision des résultats (annexe1 fig. 1)

2) Réaliser la technique de vidange à l′aide d′une pompe à vide du Type VE Série 225 pour faire le vacuum de l′installation jusqu'à ce que le manomètre indique une pression de- 30 PSI. (Figure 4.2)

3) Remplir l′installation par le HFC - 134a de masse 250g puis relever les valeurs de pression et de température de saturation pour chaque masse de remplissage 50g par point en utilisant un analyseur pour le R 134a et une balance digitale avec une bouteille de R 134a (Figure 4.3 a et b et Table 4.1)

4) Relever les valeurs de pression et de température à l′entrée et à la sortie du compresseur (Table 4.2)

5) Mesurer la consommation électrique du compresseur en kWh durant 12h de fonctionnement par un compteur digital (table 4.2 et fig.4.4)

6) Mesurer le temps du fonctionnement du compresseur durant la plage de régulation du thermostat (période active) en minute pour le R134a par un chronomètre (table.4.3)

(26)

7) Utiliser un multimètre du Type MT87 pour mesurer l′ampérage du compresseur afin de calculer la puissance effective w•c (table 4.2 et fig.4.5)

8) Régler le DATA LOGGER par l′ordinateur puis placer l′appareil dans les deux compartiments frais et surgelés (fig.4.6 et annexe 1 fig.3)

9) Installer le DATA LOGGER sur l′ordinateur puis relever les profils de température et de dégivrage en fonction du temps durant 12h de fonctionnement de l′appareil (fig. 4.7et fig. 4.8)

10) Tracer la courbe de saturation pour le R134a en utilisant les points de saturation d′après la (table 4.1 et fig. 4.9)

(27)

Mémoire d’Ingénieur en Énergétique - Emile Semaan 2015 Page 24 Fig.4.2 - Procédure de vacuum de deux côtés (HP et BP)

(28)

Fig.4.3 b - Relèvement des valeurs de pression et température de

Saturation pour une masse chargée de 50g par point.

Fig.4.4 - Mesure de la consommation électrique

du compresseur chargé du R-134a

(29)

Fig.4.6 - Placer le DATTA LOGGER après réglage dans les deux compartiments

(30)

4.1.1. Calculs

a) Calcul de la chaleur latente en (KJ/Kg)7: d′après la loi de Raoult la pression du mélange est donnée en fonction des concentrations molaires en phase liquide et des pressions saturantes des corps purs à la même température par:

P= XRaPoRa+ XRbPoRb+ XRcPoRc

Avec Ra,Rb et Rc sont les fluides frigorigènes.

Les concentrations molaires Xi ou Yi sont reliées aux concentrations massiques.

Cette formule de conversion est celle correspondant aux concentrations réelles dans les phases liquide et vapeur et elle n′est pas nécessairement égale à la masse molaire correspondant a la concentrations nominale du mélange.

De même on peut écrire la formule de la chaleur latente totale d’un mélange : Cpaxby(Ti) = a.Cp(Tc) (x) + b.Cp(Tc) (y) + c.Cp(Tc) (z)

Cp : Chaleur latente en kJ/kg

a,b,c: pourcentage de la masse mélangée du réfrigérant

 Pour le HFC-134a pur de masse 250 g @ T= -21,8°C On trouve Cp R134a = 212 kJ/kg (voir annexe 3)8

b) Calcul de la puissance électrique du compresseur en watts(w)

 Pour le HFC-134a pur de masse 250g

IA= 1,3A U= 220V Cos Φ = 0, 75

Peff = U I Cos Φ = 220 x1, 3 x 0, 75 = 214, 5 W = w•Comp

c) Tableaux pour le HFC-134a pur de masse 250g pour 50 g/point

FF Pts. PS (BP)bar TS (BP)°C PS (HP)bar TS (HP) °C 1 1 -25 6 20 R – 134a 2 1,5 -18 8 25 m=250g 3 2 -10 10 40 essais 50g/pts. 4 2,5 -5 12 46 5 3 0 13 50

Table 4.1 - valeurs de pression et température de saturation pour le HFC-134a pur

7

- Francis Meunier, Paul Rivet, Marie-franceTenier, Froid Industriel, RPF Dunod, Paris, N°5443, Juin 2007.

8

(31)

Réfrigérants E12h (kwh) T in (°C) T out (°C) P in (bar) P out (bar) w•c(w)

HFC-134a 2.5 -20 45 1.4 12 214.5

Table 4.2 - Valeurs de P, T, E et w•c pour le HFC-134a

Réfrigérants T sat (°C) Chaleur latente (kJ/kg) Période active (min)

HFC-134a -21.84 212 8.15

Table 4.3 - Valeurs de TSat, CP, et période active pour le R-134a

4.1.2. Discussion

Le HFC-134a est un réfrigérant employé dans le monde entier. Dans cette étude, en employant 250 g de HFC-134a, le réfrigérateur a consommé 2.5 kwh en 12h. Les distributions de la température de l'air refroidi à l'intérieur du compartiment de stockage de nourriture fraîche (FSC frais) et le compartiment de stockage d'aliments surgelés (FSC congelé) sont semblables. Le processus commence à la fin de la période de dégivrage où la température des deux compartiments surgelés et frais (FSC) atteint 17°C et 8-9 °C respectivement. A la fin du dégivrage, le compresseur est mis en marche (fin de la période de dégivrage). La température diminue sans interruption jusqu'à -20 °C pour le FSC congelé et 3°C pour le FSC frais à ce moment le thermostat donne une commande pour faire arrêter le compresseur, dans ce cas la température augmente jusqu'au -10 °C pour le FSC congelé et 7 °C pour le FSC frais. En atteignant la température maximale, le thermostat redémarre le compresseur, qui fait diminuer la température de nouveau, et ainsi, le processus se répète, suivant les indications montrées par la figure 4.8.

Le graphique montre un modèle en zigzag jusqu'à ce que la période de dégivrage commence. Les distributions de l′air sont semblables dans le FSC congelé. L′ordre des températures est le résultat d'une plus basse température de l′air ayant une densité plus élevée que l'air à une température plus élevée. Ceci signifie que l'air avec une plus basse température sortant de l′évaporateur ira vers le bas du compartiment d'entreposage FSC. Par conséquent, la température à ce point est également basse. Pour le HFC-134a, le temps de fonctionnement du compresseur est de 8.15 minutes (ceci s'appelle la période active).C'est le temps nécessaire pour diminuer la température d′environ de – 10°C à -20 °C pour le FSC congelé et de 7 à 3 °C pour le FSC frais. La durée du cycle opératoire de dégivrage est de 9.95 mn. La température de saturation est de - 21.84°C. La valeur de la chaleur latente à cette condition de travail est de 212kJ/kg.

(32)

Mémoire d’Ingénieur en Énergétique - Emile Semaan 2015 Page 29 Fig.4.8 - Profil de température en forme zigzag pour les deux compartiments

(33)

4.2. Le propane pur (R290)

1) Avant de faire l′essai du R290, il faut récupérer le HFC-134a dans la bouteille de récupération par une machine de récupération spéciale indiquer préalablement par la figure 3.2.

2) Réaliser la technique de vidange par une pompe à vide comme précédemment. 3) Mesurer l′impureté du R290 par le réfrigérant identifié (fig. 4.10) et résultat (R2).

4) Remplir l′installation par le réfrigérant R290 de masse 250g pour 50g/points puis relever les valeurs de température et de pression de saturation (table 4.4) et (figure 4.11)

5) Relever les valeurs de pression et de température à l′entrée et à la sortie du compresseur (table 4.5).

6) Mesurer la consommation électrique en Kwh durant 12h de fonctionnement du compresseur par un compteur digitale (table 4.5)

7) Mesurer le temps de fonctionnement du compresseur (période active) R290 durant la

plage de régulation du Thermostat en minute pour le R290 pur Par un chronomètre d’après (table 4.6).

8) Régler le DATA LOGGER par l’ordinateur puis placer l′appareil dans les deux compartiments (figure 4.12)

9) Relever les profils de température et de dégivrage en fonction du temps durant 12h de fonctionnent de l′appareil (figure4.13)

10) Tracer la courbe de saturation pour R290 (figure 4.14)

(34)

Fig.4.11 - Remplissage du R290 pur Fig.4.12 - Placer le DATTA LOGGER à

l'intérieur des deux compartiments

4.2.1. Calculs

a) Calcul de la chaleur latente en (KJ/Kg)

 Propane 100% pur de masse 125g (50% de R-134a) CpT= (100% R290+0% R600+0%R600a) @T = -35,37°C

CpR290 = 416,7 kJ/kg (annexe 3 table R290)

b) Calcul de la puissance électrique du compresseur en watts(w)

 pour le propane pur 100% de masse 125g

IA =1,58A U= 220V Cos Φ= 0, 75

Peff = U I Cos Φ = 220 x 1, 58 x 0, 75 = 260 W = W Comp

c) Tableaux pour le HC-290 de masse 125g pour 25 g/point

FF pts PS (BP)bar TS (BP)°C PS (HP)bar TS (HP) °C 1 1 -40 6 8 R 290 2 1,3 -30 8 18 m=125g 3 2 -25 10 21 essais 25g/pts 4 3,2 -12 11 30 5 4,5 -5 12,5 39

(35)

Réfrigérants E12h (kwh) Tin (°C) T out (°C) P in (bar) P out (bar) w•c (w)

Propane 100% 1.5 -17 48 2.6 17 260

Table 4.5 - Valeurs de P, T, E et w•c pour le R290 pur

Réfrigérants Tsat (°C) Chaleur latente (kJ/kg) Période active(min)

Propane/butane/isobutane

100%/0%/0% -35.37 416.7 2

Table 4.6 - Valeurs de TSat, CP, et période active pour le R290 pur

L′hydrocarbure utilisé dans la présente étude est le propane pur. Le réfrigérateur chargé de 125g de propane pur montre la plus petite quantité d'énergie consommée par jour. Cependant, il y a une différence dans la période active et la durée du cycle opératoire de dégivrage. Le «on-time» (période active) est de 2 minutes pour le propane pur.la durée du cycle opératoire de dégivrage est de 1077mn (17.95h). Cependant, la quantité de cette énergie consommée augmente quand le réfrigérant à une proportion inférieure de propane.

*

Fig.4.13 - Profil de température de R290 en forme zigzag pour les deux compartiments

(36)

Mémoire d’Ingénieur en Énergétique - Emile Semaan 2015 Page 33 Fig.4.14 - Courbe de saturation pour le propane R290

4.3. Mélanges de trois hydrocarbures

4.3.1Le mélange propane/butane/isobutane 70%/25%/5%

1- Evacuer le propane de l′installation vers l’extérieur par un tuyau (fig. 4.15).

2- Mesurer l′impureté des hydrocarbures utilisés par «l′identifier» comme la mesure précédente (fig.4.16 et résultat R2).

3- Réaliser le vacuum de la bouteille de récupération comme l′opération précédente avant de mélanger les gaz.

4- Mélanger les hydrocarbures selon les pourcentages dans la bouteille de mélange en introduisant premièrement le réfrigérant qui a une pression supérieure à l’autre (fig. 4.17-4.18-4.19).

5- Vidanger l′installation par une pompe à vide comme l’opération précédente.

6- Remplir l’installation par le mélange de masse 125g et de 50g/points en phase liquide à l’aide d’un tube capillaire puis relever les valeurs de température et de pression de saturation (table 4.7 et fig. 4.20).

7- Mesurer l′ampérage pour calculer la puissance effective de compresseur w•c

(Table 4.9).

8- Mesurer le temps de fonctionnement du compresseur (Table 4.10).

9- Mesurer la consommation électrique en Kwh durant 12h de fonctionnement (Table4.9).

10- Placer le DATTA LOGGER dans les deux compartiments pour relever les profils de température en fonction du temps durant 12h (fig. 4.21).

(37)

4.3.2. Mélange propane/butane/isobutane 50%/ 40%/10%

Mêmes procédures que le mélange précèdent mais avec des résultats différents (table 4.8-4.9-4.10) et (fig.4.22 et 4.23).

Fig.4.15 - Evacuation du propane vers l'extérieur par un tuyau flexible9

Fig.4.16 - Résultats d′impureté pour les 3 hydrocarbures R 290, R 600 et R600a Mesurés par l'identifier ID 1000 PRO

9_{-Gisela Wahlen,A program to save the ozone layer, GTZ Proklima, http://www.gtz.de/proklima}

Pompe à vide Connection à la BP du compresseur

Evacuation du R290 vers l’exterieur

(38)

Mémoire d’Ingénieur en Énergétique - Emile Semaan 2015 Page 35 Fig.4.17 - Remplissage de

l'isobutane dans la bouteille de mélange

Fig.4.18 - Remplissage du butane dans la bouteille de mélange

Fig.4.19 - Remplissage du propane dans la bouteille de mélange

Fig.4.20 - Remplissage du mélange liquide à l′aspiration avec un tube capillaire10

10

(39)

4.3.3. Calculs

a) Calcul de la chaleur latente pour les deux essais a et b (voir tables annexe 3)

 Mélange (70% R290/25% R600/5%R600a) de masse 125g CpT = (70% R290+25% R600+5%R600a) @T = -29,5°C

Cpmel = 0,7x 410 + 0, 25 x 416,5+0,05x381 = 410,17 kj/kg  Mélange (50% R290/40% R600/10%R600a) de masse 125g

CpT= (50% R290+40% R600+14%R600a) @T = -24,03°C

Cpmel= 0,5 x 403,8 + 0,4 x 408,25 + 0,1 x 376,7 = 402,87 kj/kg

b) Calcul de la puissance électrique du compresseur pour les deux essais a et b

 Mélange de (50%R290/ 40%R600/10%R600a)

IA =1,4A U= 220V Cos Φ= 0, 75

Peff = U I Cos Φ = 220 x 1, 4 x 0, 75 = 231 W = W Comp  Mélange de (70%R290/ 25%R600/ 5%R600a)

IA =1,5A U= 220V Cos Φ= 0, 75

Peff = U I Cos Φ = 220 x 1, 5 x 0,75 = 247,5 W = w•Comp

c) Tableaux pour les deux mélanges a et b de trois composants de masse 125g pour 25 g/point

FF(a) pts PS (BP)bar TS (BP)°C PS (HP)bar TS (HP) °C

1 1 -38 6 18

Mélange de (70%R290/ 2 1,5 -27 7 20

25%R600/5%R600a) 3 2 -20 8 25

m=125g 4 3 -9 10 35

Essais 25g/pts 5 4 0 12,5 40

Table 4.7 - Valeurs de pression et de température de saturation pour le mélange (a)

FF (b) pts PS (BP)bar TS (BP)°C PS (HP)bar TS (HP) °C 1 1 -30 6 20 Mélange de (50%R290/ 2 1,5 -21 7 30 40%R600/10%R600a) 3 2 -18 9 38 m=125g 4 2,5 -8 11 40 Essais 25g/pts 5 3 0 12 45

(40)

Réfrigérants E12h (kwh) T in (°C) T out (°C) P in (bar) P out (bar) w•c (w)

HFC-134a 2.5 -20 45 1.4 12 214.5 Propane 100% 1.5 -17 48 2.6 17 260 Propane/butane/isobutane 70%/25%/5% 2 -16 48.5 2.1 13.2 231 Propane/butane/isobutane 50%/40%/10% 2.1 -19 50 2 12.5 247

Table 4.9 - Comparaison entre les valeurs de P, T, E et w•c pour les deux mélanges (a) et (b)

Propane/butane/isobutane 100%/0%/0% -35.37 416.7 2 Propane/butane/isobutane 70%/25%/5% -29.52 410.17 3.3 Propane/butane/isobutane 50%/40%/10% -24.03 402.87 3.4 HFC-134a -21.84 212 8.15

Table 4.10 - Comparaison entre les valeurs de TSat, CP, et période active pour les deux mélanges

Les hydrocarbures utilisés dans la présente étude étaient le propane, le butane et l′isobutane, 125g du mélange a été employé dans chaque essai. Les résultats expérimentaux sont énumérés d’après les tables précédentes.

La distribution de l’air et de température à l'intérieur du réfrigérateur est semblable à celui d'un réfrigérateur chargé de HFC-134a. Cependant, il y a une différence dans la période active et la durée du cycle opératoire de dégivrage. Le «on- time» (période active) est de 2 minutes pour le propane/butane/isobutane de 100/0/0, et 3.30 minute pour le propane/butane/isobutane de 70/25/5 et 3.40 minutes pour le propane/butane/isobutane de 50/40/10, suivant les indications des figures précédentes. Les durées du cycle opératoire de dégivrage sont 1077, 673.5 et 661.5 min (17.95h, 11.225h et 11.025h respectivement). Le réfrigérateur chargé de propane 100% montre la plus petite quantité d'énergie consommée en 12h. Cependant, la quantité de cette énergie consommée augmente quand le réfrigérant a une proportion inférieure de propane. Bien que ce qui trouve soit impressionnant, un réfrigérant ne devrait pas être choisi en tant qu'une alternative appropriée sur ce critère seul. Les propriétés thermodynamiques d'un réfrigérant devraient également être pris en compte comme critères pour le choix. Le réfrigérant choisi

(41)

ne devrait pas modifier le type de réfrigérateur. En d'autres termes, le réfrigérant devrait avoir des propriétés semblables à ceux du HFC-134a.

Les indications de la (fig.4.24), montrent les différences entre les courbes de saturation de pression et de température entre le HFC-134a et les mélanges d'hydrocarbures sont petits. En outre, suivant l’indication des tables précédentes, toutes les données mesurées des deux mélanges d'hydrocarbures sont presque égales. Dans ce cas-ci, les deux mélanges pourraient être utilisés et remplacés par le R134a dans l′installation.

(42)

Mémoire d’Ingénieur en Énergétique - Emile Semaan 2015 Page 39 Fig.4.22 - Profils de température du mélange (b) pour les deux compartiments

(43)

4.4. Le Mélange de deux hydrocarbures 4.4.1. Mélange propane/butane/ 60%/40%

1. Evacuer l′installation vers l’extérieur comme précédent

2. Mesurer l′impureté du R290 et R600 par le réfrigérant identifier comme d′habitude (résultat R2 et fig.4.24)

3. Vidanger la bouteille du mélange par une pompe à vide

4. Mélanger les hydrocarbures selon les pourcentages dans la bouteille de remplissage en introduisant premièrement le réfrigérant qui a une pression supérieure de l’autre comme les opérations précédentes (fig.4.18 et 4.29)

5. Vidanger l′installation par une pompe avide comme précédent

6. Remplir l′installation par le mélange de masse 125g pour 50g/points en phase liquide avec un tube capillaire puis relever les valeurs de température et de pression de saturation (table4.11 et fig.4.25)

7. Mesurer les consommations électriques en kwh durant 12h de fonctionnement du compresseur en Emel (table4.13)

8. Mesurer la période active du compresseur (table 4.14)

9. Mesurer l′ampérage du compresseur pour calculer w•c (table4.13)

10. Placer le DATTA LOGGER dans les deux compartiments pour relever les profiles de température et de dégivrage en fonction du temps durant 12h (fig.4.26)

11. Tracer les courbes de saturation des mélanges et faire la comparaison avec le R-134a (fig.4.28 et annexe 2)

(44)

4.4.2. Mélange propane/isobutane 60%/40%

Même procédures que le mélange précèdent mais les valeurs sont différentes. (Voir tables 4.12 – 4.13 – 4.14, figures 4.27 – 4.28 et l′annexe 2)

Fig.4.24 - Mesure de l'impureté: a) pour le R 290 pur et b) pour le R600 pur

Fig.4.25 - Remplissage du mélange liquide par un tube capillaire à l′aspiration du compresseur

(45)

4.4.3. Calculs

a) Calcul de la chaleur latente pour les deux essais a et b (voir l’annexe 3)

 Mélange (60% R290/40% R600) de masse 125g @T= -26,74 °C CpT = (60% R290+40% R600) @T = -26, 74°C

Cpme l= 0, 6 x 407, 33 + 0, 4 x 412, 3 = 409, 3 kJ/kg

 Mélange (60% R290/40% R600a) de masse 125g @T = -28,06°C CpT= (60% R290+40% R600a) @T = -28, 06°C

Cpmel= 0,6 x 408, 5 + 0, 4 x 380, 14 = 397, 15 kj/kg

 Mélange de (60%R290/ 40%R600) de masse 125g IA =1,5A U= 220V Cos Φ= 0, 75

Peff = U I Cos Φ = 220 x 1, 5 x 0, 75 = 247, 5 W = w•Comp  Mélange de (60%R290/ 40%R600a) de masse 125g

IA =1,5A U= 220V Cos Φ= 0, 75

Peff= UI Cos Φ = 220 x1, 5 x 0, 75 = 247, 5 W = W Comp

c) Tableaux pour les deux mélanges a et b de deux composants de masse 125g pour 25 g/point

FF (a) pts PS (BP)bar TS (BP)°C PS (HP)bar TS (HP) °C

1 1 -37 6 20

Mélange de 2 1,5 -39 8 25

(60%R290/40%R600) 3 2 -22 10 40

m=125g 4 2,5 -15 12 46

Essais 25g/pts. 5 3 -8 13 49

Table 4.11 - Valeurs de pression et température de saturation pour le mélange (a)

FF (b) pts PS (BP)bar TS (BP)°C PS (HP)bar TS (HP) °C 1 1 -38 6 18 Mélange de 2 1,5 -30 8 22 (60%R290/40%R600a) 3 2 -23 10 37 m=125g 4 2,5 -18 12 43 Essais 25g/pts. 5 3 -10 13 48

(46)

Réfrigérants E12h (kwh) T in (°C) T out (°C) P in (bar) P out (bar) w•c (w)

HFC-134a 2.5 -20 45 1.4 12 214.5

Propane 100% 1.5 -17 48 2.6 17 260

Propane/butane 60%/40% 1.83 -19 48.5 2.5 15 247 Propane/isobutane

60%/40% 2.3 -19 50 1.5 13 247

Table 4.13 - Comparaison entre les valeurs de P, T, E et W pour les deux mélanges (a) et (b)

Propane/butane 60%/40% -26.74 409.3 2.2

Propane/isobutane 60%/40% -28.06 397.15 3.3

HFC-134a -21.84 212 8.15

Table 4.14 - Comparaison entre les valeurs de TSat, CP avec la période active des deux mélanges

Les mélanges de deux hydrocarbures étaient le propane/butane (60%/40%), et le propane/isobutane (60%/40%). La masse chargée dans le réfrigérateur était de 125g. Les quantités d'énergie consommées sont présentées dans les tables précédentes.

La distribution de température et de l’air est semblable à celle du deuxième groupe, cependant, la période active et la durée du cycle opératoire de dégivrage sont différents. Pour le mélange contenant le propane/butane (60%/40%), la période active et la durée de commande du cycle de dégivrage sont 2.2 et 711 minutes (11.85h) respectivement, alors que pour le propane/isobutane (60%/40%), la période active et la durée du cycle opératoire de dégivrage sont 3.3 et 659 minutes (10,98h) respectivement. Le réfrigérateur chargé du mélange propane/ butane (60%/40%) a besoin de moins d'énergie en 12h comparé avec le réfrigérateur qui a employé le mélange propane/isobutane (60%/40%).C'est parce que la chaleur latente est plus grande que celle de ce dernier. Par conséquent, le potentiel de réfrigération par unité du mélange propane et butane (60%/40%) est plus grand que celui du mélange propane/isobutane (60%/40%). Ceci signifie une réduction du temps de fonctionnement du compresseur (table 4.14), de plus les températures et les pressions de saturation sont très proches. Ceci indique que les deux mélanges d'hydrocarbures montrent des propriétés semblables à ceux du HFC-134a.

L′énergie consommée par le réfrigérateur est de 4.86% de celle du HFC-134a. En raison de cette conclusion, ce mélange particulier est choisi dans ce groupe. Après avoir

(47)

considéré tous les résultats rassemblés de ce groupe, on peut conclure que le réfrigérant contenant le propane/butane 60%, 40% est un produit de remplacement approprié pour un certain nombre de raisons: Premièrement, le réfrigérateur consomme moins d'énergie que le réfrigérateur fonctionnant avec le HFC-134a. C’est parce que la température de saturation du propane/ butane (60%, 40%) est plus basse et la valeur de la chaleur latente du propane/ butane (60%, 40%) est plus grande que celle du HFC-134a voir (table 4.13). Ceci signifie que la chaleur transférée au mélange d'hydrocarbure est plus grande que celle du HFC-134a. Le mélange montre un meilleur échange thermique que le HFC-134a. Ainsi, la période active du réfrigérateur utilisant le mélange choisi est de 2.2 minutes tandis que la période active employant le HFC-134a augmente jusqu’à 8.15 mn. En outre, la masse chargée dans le système est également inférieure (125g de HC< 250g de HFC-134a).Ceci prouve que ce mélange est très convenable comme alternatif et en plus économique.

(48)

Mémoire d’Ingénieur en Énergétique - Emile Semaan 2015 Page 45 Fig.4.27 - Profils de température du mélange (b) pour les deux compartiments

(49)

4.5. Mélange de deux hydrocarbures avec le HFC-134a 4.5.1. Mélange propane/isobutane/HFC-134a 40%30%/30%

1. De même évacuer le mélange hydrocarbure de l′installation vers l’extérieur

2. Mélanger puis Mesurer l′impureté et l’exactitude du pourcentage mélangé dans la bouteille par le réfrigérant identifier (fig.4.29-4.30-4.31-4.32et résultat R3-R4)

3. Avant il faut évacuer la bouteille par une pompe à vide

4. Vidanger l′installation par une pompe avide comme d′habitude

5. Remplir l′installation par le mélange de masse 125g pour 50g/points en phase liquide avec un tube capillaire puis relever les valeurs de température et de pression de saturation (table 4.15)

6. Mesurer les consommations électriques en kwh durant 12h de fonctionnement du compresseur Emel (table 4.17)

7. Mesurer la période active du compresseur (table 4.18)

8. Mesurer l′ampérage du compresseur pour calculer w•c (table 4.17)

9. Placer le DATTA LOGGER dans les deux compartiments pour relever les profiles de température et de dégivrage en fonction du temps durant 12h (fig.4.33)

(50)

4.5.2. Mélange propane/butane/HFC-134a (40%30%/30%)

Même procédure que le mélange précèdent mais les valeurs sont différentes. (Voir tables 4.16 – 4.17 – 4.18, figure 4.34, et annexes 2 et 1 fig.2)

Fig.4.29 - Remplissage 30% du R 600a dans la bouteille de mélange

Fig.4.30 - Remplissage du R134a 30% du mélange dans la bouteille

Fig.4.31 - Remplissage du R134a 30% du mélange dans la bouteille

(51)

4.5.3. Calculs et résultats

Fig.4.32 - Résultat du mesure d′exactitude des

gaz mélangés tirés par «l′identifier»

a) Calcul de la chaleur latente pour les deux essais a et b (voir l′annexe 3)

 Mélange de deux composants avec le HFC-134a de masse 125g 1- Mélange (40% R290/ 30% R600/ 30%R-134a) @T = -34,34°C

CpT= (40% R290+30% R600+30%R134a) @ T = -34, 34°C

Cpmél= 0,4 x 416 + 0, 3 x 372 + 0,3 x 220 = 344 kJ/kg

2- Mélange (40% R290/ 30% R600a/ 30%R-134a) @ T = -35,47°C CpT= (40% R290+30% R600a+30%R134a) @ T = -35, 47°C

Cpmel= 0, 4 x 417 + 0, 3 x 387 + 0,3 x 220,4 = 349 kJ/kg

 Mélange de deux composants avec le HFC-134a de masse 125g 1- Mélange de (50%R290/ 30%R600/ 30%R134a)

IA =1,4A U= 220V Cos Φ= 0, 75

Peff = U I Cos Φ = 220 x 1, 4 x 0, 75= 231 W = w•c

2- Mélange de (40%R290/ 30%R600a/ 30%R134a)

IA =1,5A U= 220V Cos Φ= 0, 75

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c) Tableaux pour les deux mélanges a et b de trois composants de masse 125g pour 25 g/point FF ( a) pts PS (BP)bar TS (BP)°C PS (HP)bar TS (HP) °C 1 1 -39 6 1 Mélange de (40%R290/ 2 2 -27 8 20 30%R600/30%R134a) 3 2,5 -22 10 22 m=125g 4 3 -20 12 30 Essais 25g/pts 5 4 -10 13 39

Table 4.15 - Valeurs de pression et température de saturation pour le mélange (a)

FF (b) pts PS (BP)bar TS (BP)°C PS (HP)bar TS (HP) °C 1 1 -39 6 1 Mélange de (40%R290/ 2 2 -27 8 16 30%R600a/30%R134a) 3 2,5 -22 10 19 m=125g 4 3 -20 12 25 Essais 25g/pts 5 4 -10 13 30

Table 4.16 - Valeurs de pression et température de saturation pour le mélange (b)

Réfrigérants E12h(kwh) T in (°C) T out (°C) P in (bar) Pout (bar) w•c (w)

HFC-134a 2.5 -20 45 1.4 12 214.5 Propane 100% 1.5 -17 48 2.6 17 260 Propane/butane/HFC-134a 40%/30%/30% 2.5 -19 45 2.6 15 231 Propane/isobutane HFC-134a 40%/30%/30% 2.6 -20 43 1.5 13.2 247

Table 4.17 - Comparaison entre les valeurs de P, T, E et w•c pour les deux mélanges (a) et (b)

Réfrigérants Tsat (°C) Chaleur latente (kJ/kg) Période active(min)

Propane/butane/HFC-134a

40%/30%/30% -34.34 344.2 4

Propane/isobutane/HFC-134a

40%/30%/30% -35.47 349.1 3.4

HFC-134a -21.84 212.2 8.15