Avant-Projet de construction et d'exploitation de chambres froides pour la conservation des produits.

     

         

   

             

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SOMMAIRE

 

SOMMAIRE ... I DÉDICACES ... III REMERCIEMENTS ... IV RESUME ... VI ABSTRACT ... VII LISTE DES TABLEAUX ... VIII LISTE DES FIGURES ... IX

INTRODUCTION ... 1

CHAPITRE 1 : ... 3

ELABORATION DU CAHIER DE CHARGES ... 3

1.1. LA CONSERVATION DES DENRÉES ... 4

1.2. TECHNIQUES DE CONSERVATION ACTUELLEMENT PRATIQUÉES ... 8

1.3. ESTIMATION DES BESOINS ANNUELS DE CONSERVATION ... 8

1.4. CARACTÉRISTIQUE THERMO-PHYSIQUES DES PRODUITS À INTRODUIRE DANS LES CHAMBRES FROIDES ... 14

CHAPITRE 2 : ... 19

DIMENSIONNEMENT DES CHAMBRES FROIDES... 19

2.1. DÉTERMINATION DES ÉPAISSEURS DE L’ISOLATION ... 20

2.2. ORGANISATION SPATIALE DES CHAMBRES FROIDES ... 24

2.3. BILAN THERMIQUE DES CHAMBRES FROIDES ... 25

2.4. DÉTERMINATION DES GRANDEURS CARACTÉRISTIQUES ... 43

CHAPITRE 3 ... 64

CHOIX DES COMPOSANTS DE L’INSTALLATION FRIGORIFIQUE ... 64

3.1. CHOIX DES GROUPES DE CONDENSATION À AIR ... 65

3.2. CHOIX DES ÉVAPORATEURS ... 66

3.3. CHOIX DES DÉTENDEURS ... 68

3.4. CHOIX DES TUYAUTERIES ... 71

3.5. CHOIX DES COMPOSANTS FLUIDIQUES DE RÉGULATION ... 71

3.6. CHOIX DES AUTRES COMPOSANTS ... 74

CHAPITRE 4 ... 76

ETUDE ECONOMIQUE ET FINANCIERE DE L’AVANT - PROJET ... 76

4.1. ESTIMATION DU COUT DE REVIENT DE L’INSTALLATION FRIGORIFIQUE ... 77

4.2. COÛT GLOBAL D'EXPLOITATION ... 78

4.3. AUTRES FRAIS ... 79

4.4. COÛT GLOBAL DU PROJET ... 80

4.5. ESTIMATION DU COÛT JOURNALIER DE CONSERVATION DE LA TONNE DE PRODUIT ... 80

4.6. ETUDE DE LA RENTABILITÉ DU PROJET... 84

CONCLUSION ... 87

REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES ... 88

TABLE DES MATIERES ... 90

ANNEXES ... 93

DÉDICACES

A

Ma mère SESSOU Jeanne Assiba ;

Mes frères et sœur Gaétan, Charles, Edwige ; Mon fiancé Wenceslas MENSAN ;

Tous mes proches ;

Je dédie ce travail.

REMERCIEMENTS

Je ne saurais véritablement commencer sans, du fond de mon cœur, présenter toute ma gratitude à l’éternel Dieu pour ses nombreuses grâces.

Je tiens sincèrement à remercier toutes les personnes qui de près ou de loin, ont contribué non seulement à ma formation mais aussi à l’aboutissement de ce travail. Je veux donc mentionner :



Professeur Félicien AVLESSI, Directeur de l’École Polytechnique d’Abomey-Calavi qui se soucie énormément de ces étudiants polytechniciens ;



Docteur Clément A. BONOU, Directeur Adjoint de l’École Polytechnique d’Abomey-Calavi ;



Docteur Gédéon CHAFFA, Chefs de département du Génie Mécanique et Énergétique ;



Docteur Christophe AWANTO, enseignant à l’EPAC et maître du présent mémoire pour avoir accepté diriger ce travail malgré ses nombreuses préoccupations. Merci pour l’assistance, la courtoisie et l’esprit de partage. Sachez que j’ai beaucoup appris de vous à travers ce travail ;



Tout le corps enseignant de l’École Polytechnique d’Abomey-Calavi en particulier celui du département de Génie Mécanique et Énergétique pour la bonne formation reçue de leur part ;



M. LAKOUSSAN Henri, Directeur de l’entreprise INGRITT, pour ses directives, ses conseils et ses encouragements à mon endroit ; Vous n’avez ménagé aucun effort pour m’accepter dans votre structure. Infiniment merci ;



Tout le personnel de l’entreprise INGRITT, pour l’accueil chaleureux et la collaboration constante ;



Mon oncle AMEGNIGO Benjamin, pour m’avoir initié à la technique.

Merci pour cette belle orientation, vos conseils ont toujours été pour moi une source d’inspiration. Grand merci ;



M. TODOTE Faustin, pour son soutien moral et financier. Merci pour votre générosité ;



Tous nos camarades de promotion pour les peines et joies partagées ;



Tous les parents et amis, recevez mes profondes gratitudes.

RESUME

Le présent travail a pour objectif la formulation d'un avant-projet de conception et d'exploitation d'un entrepôt frigorifique pour la conservation des produits alimentaires. Conformément au cahier des charges, l'entrepôt comporte 2 chambres positive et négative de 70 tonnes chacune. Le travail comporte 2 parties :

Dans la première partie, l'entrepôt frigorifique a été dimensionné ; la chambre froide positive a une puissance de10, 12 kW tandis que celle de la chambre froide négative est de 10,08 kW incluant une cellule de congélation. Les différents équipements frigorifiques afférents à ces différentes chambres ont été choisis.

L'exploitation consistera en la location des chambres froides à des particuliers pour la conservation de leurs produits réfrigérés ou congelés. La deuxième partie du travail est donc consacrée à l'étude économique et financière du projet. Cette étude a permis de déterminer le coût de la prestation de service qui s'élève en moyenne à 80 francs CFA par jour par kg de produit conservé.

Mots clés et expressions : entrepôt frigorifique, chambre froide, équipements frigorifiques.

     

ABSTRACT

The specific objective of this study was to design the preliminary scheme for the construction and operation of a warehouse. In accordance with the specifications, the warehouse has one positive cold room and another negative with a capacity of 70 tons each. The work involves two parts :

In the first part, the refrigerated warehouse was sized; the positive cold room has a cooling capacity of 10,12 kW whereas the negative one has a capacity of 10 ,08 kW including a freezing cell. The different refrigeration equipment for these rooms were selected.

The second part of the work is devoted to the economic and financial study of the project. This study determine the cost of service delivery which is on average 80 francs CFA per day per kg of stored product.

Key words and expressions : refrigerated warehouse, cold room, refrigeration equipment.

 

LISTE DES TABLEAUX

Tableau 1.1 : Dimensions de la chambre froide de conservation de poissons ... 11

Tableau 1.2 : Récapitulatif des dimensions de la chambre froide positive ... 13

Tableau 1.3 : Propriétés thermiques du poisson et de la tomate [2] ... 14

Tableau 1.4 : Données climatiques de base (source : ASECNA) ... 15

Tableau 1.5 : Récapitulation des données du cahier de charges ... 17

Tableau 2.1 : Résistances thermiques d’échanges superficiels ... 21 

Tableau 2.2 : Epaisseurs de panneaux sandwich requis pour l'isolation des chambres froides . 24 Tableau 2.3 : Dimensions intérieures des chambres froides ... 25

Tableau 2.4 : Coefficients de transmission global des parois des chambres froides ... 31

Tableau 2.5 : Calculs des apports de chaleur par les parois des chambres froides ... 31

Tableau 2.6 : Récapitulatif des apports de chaleur dans les chambres froides ... 42

Tableau 2.7 : Puissance frigorifique de l’installation ... 43

Tableau 2.8 : Récapitulation des données requises pour le tracé du cycle frigorifique ... 56

Tableau 2.9 : Données caractéristiques du fluide frigorigène en différents points du cycle frigorifique ... 58

Tableau 2.10 : Récapitulation des grandeurs caractéristiques ... 63

Tableau 3.1 : Caractéristiques techniques du groupe de condensation ... 66

Tableau 3.2 : Caractéristiques techniques des évaporateurs ... 68

Tableau 3.3 : Chute de pression effective dans les détendeurs ... 69

Tableau 3.4 : Caractéristiques des tuyauteries choisies ... 71

Tableau 3.5 : Facteurs de correction dus à la température de liquide avant la vanne [2] ... 72

Tableau 3.6 : Récapitulation des équipements sélectionnés ... 75

Tableau 4.1 : Coût de revient de l’installation frigorifique (détails en annexe 5) ... 77

Tableau 4.2 : Coût global du projet ... 80

Tableau 4.3 : Remboursement de l’emprunt ... 81

Tableau 4.4 : Calcul des cash-flows actualisés du projet ... 85

   

LISTE DES FIGURES

Figure 2.1 : Arrangement des chambres froides ... 24

Figure 2.2 : Sens des flux de chaleur à travers les parois latérales des chambres froides positive et négative ... 27

Figure 2.3 : Schéma de principe de l'installation frigorifique ... 45

Figure 2.4 : Présentation du cycle frigorifique théorique de l’installation ... 47

Figure 2.5 : Coupes présentant le parcours de la tuyauterie ... 49

Figure 2.6 : Vue en perspective de l’installation frigorifique ... 50

Figure 2.7 : Tracé du cycle de la machine frigorifique ... 57

           

INTRODUCTION

 

Le froid trouve de nombreuses applications dans des domaines très variées (industries agroalimentaires, médecine, confort thermique, etc.). Dans le domaine alimentaire, le froid occupe une place prépondérante car il permet de limiter les pertes après récolte et de prolonger la durée de conservation des produits.

L'objectif est de maintenir la qualité originale des produits en limitant les altérations liées au développement des micro-organismes, altérations qui surviennent très rapidement dans les pays chauds à cause des conditions climatiques (température, humidité relative) favorables à la prolifération des bactéries, levures et moisissures.

La production de froid nécessite la mise en place d’une machine frigorifique constituée essentiellement d'un évaporateur, d'un compresseur, d'un condenseur et d’un détendeur. Le choix de ces appareils est fait à partir de la quantification des besoins en froid, c'est-à-dire une détermination exhaustive des gains thermiques de l’enceinte.

Au Bénin, l’insuffisance de chambres froides orientées vers les prestations de service, limite l’accès de certains producteurs à ces infrastructures et favorise les pertes des produits saisonniers durant la période post-production. Ainsi, les filières concernées sont caractérisées par une courte période de disponibilité suivie d'une longue période de pénurie. D'importantes pertes post récolte sont ainsi enregistrées par manque de moyens de conservation.

La mise à la disposition des producteurs et commerçants des chambres froides de conservation sera une contribution à la résolution du problème d’accès difficile à ces infrastructures et par conséquent celui de pénurie et de cherté de certains produits.

Dans cette optique, il nous a été demandé, dans le cadre du présent mémoire, de réfléchir sur le thème libellé : « AVANT-PROJET DE CONSTRUCTION ET D’EXPLOITATION DE CHAMBRES FROIDES POUR LA CONSERVATION DES PRODUITS ».

Le but de ce travail est de concevoir des chambres froides (à température positive et négative) exploitées en prestations de services au profit des producteurs et commerçants. Le site d’implantation choisi pour le dudit projet est la commune d’Abomey-Calavi.

Le présent mémoire comprend quatre chapitres. Dans le premier chapitre, nous présentons l’élaboration du cahier de charges de l’avant-projet. Le deuxième chapitre est consacré dans un premier temps, au dimensionnement des chambres froides et dans un second temps, au bilan du cycle frigorifique. Dans le troisième chapitre, le choix des composants de l’installation frigorifique est fait. Enfin dans le dernier chapitre, nous présentons une étude financière et économique du système qui fait l’objet du présent mémoire.

Chapitre 1 :

ELABORATION DU CAHIER DE CHARGES

1.1. La conservation des denrées 1.1.1. Altération des denrées

Dans certaines régions du monde, la moitié des denrées alimentaires disponibles est perdue entre le moment de la production et celui de la consommation [5]. Ces pertes sont dues à l'action d'agents destructeurs dont les plus importants sont les rongeurs, les insectes, les micro-organismes (champignons et bactéries) et l'homme par des manipulations inadéquates (par méconnaissance ou négligence) qui place les produits dans des endroits favorisant diverses altérations.

On distingue deux grands groupes d'aliments suivant leur origine :

 les produits d'origine végétale ;

 les produits d'origine animale.

Tous ces produits sont périssables et présentent une grande diversité aussi bien au niveau de leurs propriétés physiques que de leurs compositions chimiques.

En général, ils contiennent tous de l'eau, des glucides, des protéines, des sels minéraux et des vitamines. L'eau est en général le constituant majeur et est le principal facteur de l'altérabilité des produits.

L'altération provient :

 du métabolisme (respiration, fermentation, hydrolyses, oxydations...) des produits ;

 du processus d'autolyse ou de putréfaction.

Les agents responsables de ces réactions sont des enzymes endogènes (présentes naturellement dans les produits) ou exogènes (apportées par les micro-organismes qui contaminent l'aliment).

       

1.1.2. Les méthodes de conservation dans les chambres froides 1.1.2.1. La réfrigération

C’est le maintien artificiel du produit en dessous de la température ambiante et au-dessus de son point de congélation, à une température optimale pour sa conservation. La durée de conservation est toujours limitée, elle est fonction de la nature du produit et de la température à laquelle elle est conservée. La réfrigération freine les phénomènes vitaux des tissus vivants ; elle ralentit les métabolismes biochimiques et par suite, l'évolution microbienne et les conséquences de celle-ci (putréfaction, toxines, etc.)

1.1.2.2. La congélation

La congélation est le procédé qui consiste à abaisser la température d'une denrée à un niveau tel que la majeure partie de son eau de constitution soit transformée en cristaux de glace plus ou moins gros.

Les températures de conservation des produits congelés sont comprises entre -10°C et -30°C et la durée de conservation est aussi fonction de la température de stockage et de la nature des denrées.

Pendant la congélation, les enzymes ne sont pas détruites mais la majorité des réactions enzymatiques est annulée. Les caractéristiques organoleptiques évoluent lentement à cause de l'activité de certaines enzymes.

Les microorganismes ne sont pas tués mais le développement des germes bactériens est arrêté au-dessous de -10°C et celui des moisissures (germes fongiques) à partir de -18°C.

1.1.2.3. Surgélation

La surgélation, encore appelée congélation rapide, consiste à soumettre une denrée à l'action du froid à basse température de façon à provoquer rapidement la cristallisation de l'eau (plage de -1°C à -5°C) de la denrée et à abaisser sa température à une valeur suffisamment faible pour que la proportion d'eau non

congelée soit très faible. La température recherchée est de l'ordre de -18°C à -20°C.

Les produits surgelés connaissent une forte expansion due entre autre à la diversification très grande des produits disponibles sur le marché. Un des procédés utilisés en surgélation est le tunnel de congélation. Ce procédé consiste à disposer la denrée dans un courant d'air maintenu aux environs de -30°C a -40°C et à une vitesse de l'ordre de 3m/s. Les produits surgelés sont généralement protégés par un emballage spécial approprié au produit et aux conditions d'utilisation et le produit est destiné dans la plupart des cas à la vente en l'état au consommateur [5].

1.1.2.4. Atmosphères contrôlées

La conservation des produits végétaux peut être améliorée en associant à la réfrigération l’emploi d’atmosphères convenablement appauvries en oxygène (O₂) et/ou enrichies en dioxyde de carbone (CO₂) : c’est la technique de

«l’atmosphère contrôlée ».

Cette technique permet d’allonger la durée de conservation par rapport à la réfrigération en « air normal ». Elle permet également d’obtenir des produits de qualité supérieure en maintenant l’O₂, le CO₂ et l’éthylène à des niveaux prédéterminés en fonction du type de fruit ou de légume entreposé.

1.1.3. Notion d’incompatibilité d'entreposage

Dans les pays en développement on est souvent amené à entreposer plusieurs

types de produits dans les chambres froides. Il faut alors tenir compte des

« incompatibilités de conservation » qui peuvent avoir pour origines :

 la différence de température de conservation des divers produits entreposés ;

 le transfert d'odeur d'un produit à un autre ;

 l'effet nocif de l'éthylène émis par certains végétaux.

1.1.3.1. Incompatibilités thermiques

Les produits alimentaires de grande consommation sont divisés en trois catégories suivant leur sensibilité au froid :

 les produits non sensibles ou très peu sensibles au froid, c'est la plupart des produits d'origine animal ; ces produits sont conservés entre -2°C ou -1°C et +4 à +5°C (en réfrigération) ;

 les produits moyennement sensibles au froid que sont les fruits et légumes qui doivent être conservés à des températures moins basses +4 à +10°C (selon l'espèce) ;

 les produits très sensibles au froid exigent une température supérieure à 7°C ou 8°C, il s'agit de certains produits végétaux d'origine tropicale.

Les recommandations suivantes peuvent être appliquées lorsqu'il s'agit d'entreposer ensemble des produits différents :

 choisir la température minimale correspondant au produit le plus sensible au froid lorsque les produits ont des exigences thermiques différentes.

 choisir la température le plus proche de l'optimum de la majorité des produits pour une même catégorie de produits entreposés ;

 une surveillance accrue des différents produits s'avère nécessaire pour permettre d'apprécier à quel moment la conservation est terminée pour chaque type de produit [5].

1.1.3.2. Incompatibilité due aux odeurs et à l'éthylène

Les composés volatils responsables de l'arôme de certains produits peuvent être adsorbés par d'autres produits voisins et leur conférer une odeur ou un goût indésirable. Par exemple, l'odeur des pommes et des agrumes est facilement fixée par le beurre, la viande et les œufs.

Les organes végétaux «vivants» sont capables de produire de l'éthylène à différents niveaux. Ce gaz inodore même en faible quantité écourte la vie des

organes qui le synthétisent ou de ceux qui sont dans leur voisinage en accélérant leur sénescence ou leur maturation pour les fruits.

1.2. Techniques de conservation actuellement pratiquées  1.2.1. Produits d’origine animal

Il s’agit essentiellement des viandes et des poissons. A l’heure actuelle, la réfrigération et la congélation sont les techniques les plus utilisées. Dans l’industrie de la pêche la glace est très utilisée pour réfrigérer les poissons pêchés localement. Elle est produite par des fabriques de glaces. Les produits sont mélangés à la glace fractionnée et en quantité suffisante pour être gardé à de bonnes températures jusqu’aux points de transformations et de vente. Quant aux produits importés, ils sont souvent congelés et sont conservés ainsi dans les chambres. Les produits de l’élevage, en l’occurrence les volailles sont souvent conservés congelés.

1.2.2. Les produits d’origine végétale

Au Bénin, un grand nombre de produits maraîchers sont produits mais les statistiques officielles ne portent que sur 5 d’entre eux : gombo, légumes feuilles, oignon, piment et tomate. Ces produits sont souvent séchés et ne sont presque jamais conservés sous la forme réfrigérée ou congelée.

1.3. Estimation des besoins annuels de conservation 1.3.1. Cas du poisson

Une enquête sur le terrain, à la direction de la pêche et de l’élevage nous a permis d’avoir les statistiques de production et d’importation de quelques produits de la pêche et de l’élevage (annexe 1). Il est prévu dans le cahier de charges de ce projet, une chambre froide négative de 70 tonnes intégrant un mini congélateur qui permettra de porter les poissons non congelés à la congélation avant leur introduction dans la chambre froide.

Dans le cadre de ce travail, le flux journalier maximal, les surfaces et volumes des chambres froides sont calculés en se basant sur la référence [1].

1.3.1.1. Flux journalier maximal de produit

Les quantités de produit en entrée et en sortie peuvent être obtenues en fonction du tonnage  de la chambre et de la rotation R [en  ] des produits dans la chambre.

On obtient :

La masse maximale de produit à l’entrée

(1.1) La masse maximale de produit à la sortie

(1.2)

Avec R la rotation  en   des produits dans la chambre.

 5 à 6        

10  à  15          

On suppose en outre que les produits peuvent être reçu tous les jours, mais que les sorties n’ont lieu que les jours ouvrables.

  et représentent respectivement les coefficients d’irrégularité des entrées et sorties de la chambre ; est compris entre (1,5 et 2,5) et  entre (1,1 et 1,5).

Dans le cas de la présente chambre, on obtient : 

70  6

365 2,5 2,88   

,    

70  6

365 1,5 1,72 

,  

1.3.1.2. Volume et surface utiles d’entreposage - Volume utile

Le volume utile de la chambre froide est le volume occupé par les produits et est calculé à partir de la formule suivante :

(1.3)

Dans cette relation, représente la densité volumique d’entreposage en

  et est égale à 350 ⁄ pour le poisson.

,  

 

- Surface utile

La surface utile au sol de la chambre, c’est-à-dire celle sur laquelle repose les produits est calculée par la formule suivante :

(1.4)

est la hauteur utile ou hauteur de gerbage ; c’est la hauteur que les produits occupent. Sa valeur est variable et dépend du mode d’entreposage. Elle est estimée dans le cas de notre projet à 3 m.

On obtient donc : 200

3 66,66  

,   

1.3.1.3. Surface de construction

C’est la surface utile plus les différentes allées centrales ou latérales.

ɳ

(1.5)

ɳ  est le coefficient d’occupation du sol, tenant compte des passages, des espacements entre les caisses, palettes, etc. Il est choisi en fonction du type d’entreposage. Pour l’entreposage des marchandises congelées palettisées à faible rotation, ɳ , . Le tableau 1.1 présente les dimensions de la chambre froide négative. En introduisant les valeurs de et ɳ dans la relation, on obtient :

66,66

0,75 88.88   ,  

La surface de la chambre froide est l’arrondi entier par excès de la valeur calculée.

Tableau 1.1 : Dimensions de la chambre froide de conservation de poissons

           

1.3.2. Estimation des besoins annuels des fruits et légumes : Cas de la tomate Au Bénin, la production annuelle de la tomate est d’environ 400.000 tonnes. Les 75 % de cette production sont concentrés dans les départements du sud du Bénin (Mono-Couffo, Ouémé-Plateau, Atlantique-Littoral). La production de la tomate est saisonnière et caractérisée par une courte période de disponibilité du produit

Tonnage (t)

Volume utile (m³)

Surface utile (m²)

Surface chambre

(m²)

Hauteur utile

(m)

70 200 66,66 89 3

suivie d'une longue période de pénurie. En effet, d'importantes pertes post-récolte sont enregistrées car la tomate à l'état frais ne se conserve pas longtemps à la température ambiante. Ainsi, elle subit d’importantes variations tant au niveau des prix que des quantités disponibles.

Il est prévu dans le cahier de charges, une chambre froide positive de 70 tonnes de capacité.

1.3.2.1. Flux journalier maximal de tomate

Le flux journalier d’entrée et de sortie de la tomate est calculé à partir des formules (1.1) et (1.2).

Dans le cas de la présente chambre, on obtient : 

70  6

365 2.5 2,88   

,    

70  6

365 1,5 1,72  ,  

 

1.3.2.2. Volume et surface utiles d’entreposage - Volume utile

Le volume utile de la chambre froide est calculé à partir de la formule 1.3 . La densité volumique d’entreposage est égale à 500 ⁄ pour la tomate.

   70

0,5 140   

- Surface utile

La surface utile au sol de la chambre est calculée à partir de la formule  1.4 . Nous avons choisi une hauteur utile égale à 3 m.

On obtient : 140

3 46,66

,  

1.3.2.3. Surface de construction

Elle est calculée à partir de la formule  1.5 .

Le coefficient d’occupation du sol, pour l’entreposage des marchandises réfrigérées palettisées à faible rotation est pris égal à  , .

   46,66

0,65 71,79  ,   

Nous allons adopter comme surface de la chambre froide, l’arrondi entier par excès de la valeur calculée.

Le tableau 1.2 présente le récapitulatif des dimensions de la chambre froide de conservation de la tomate.

Tableau 1.2 : Récapitulatif des dimensions de la chambre froide positive

Tonnage (t)

Volume utile (m³)

Surface utile (m²)

Surface chambre

(m²)

Hauteur utile

(m)

70 140 46,66 72 3

1.4. Caractéristique thermo-physiques des produits à introduire dans les chambres froides

1.4.1. Les aliments

Comme mentionner dans les paragraphes précédents, on distingue deux groupes d’aliment suivant leur origine :

- les produits d'origine animale à congeler tels que, le poisson et la viande ;

- les produits d'origine végétale à réfrigérer tels que, les fruits et les légumes ;

Il sera pris en compte dans le cadre de cette étude, les produits tels que le poisson pour la chambre froide négative et la tomate pour la chambre froide positive. Le tableau 1.3 présente les propriétés thermiques de chacun de ces produits.

Tableau 1.3 : Propriétés thermiques du poisson et de la tomate [2]

GRANDEURS Poisson Tomate

Température de conservation -18°C 7 à 10°C

Humidité relative requise 90 % 85 à 90 %

Point de congélation -2,2° C -0,5°C

Chaleur spécifique

Avant

congélation 0,7 kcal/kg.°C 0,95 kcal/kg.°C Après

Congélation 0,38 kcal/kg.°C 0,48 kcal/kg. °C Chaleur latente de congélation 50 kcal/kg 75 kcal/kg. °C Température d’introduction des produits dans

les chambres froides Au plus -15°C Au plus 32°C

Température d’introduction des produits dans

la cellule de congélation Au plus 26°C -

Chaleur de respiration - 0,5 à 0,8 kcal/kg. °C

1.4.2. Les emballages

Les poissons sont emballés dans des cartons, tandis que les tomates sont dans des caisses en bois. Ces cartons et caisses sont introduits dans les chambres froides et disposés sur des étagères. Ils sont constitués de la même substance (bois humide) de chaleur spécifique 1.383 kJ/kg.°C [3].

1.4.3. Base de données climatiques : Conditions extérieures de base

En général, dans les pays chauds on distingue à quelques nuances près deux types de climat : le climat tropical sec et le climat tropical humide. Si les régions du Sud du Bénin constituent réellement des zones tropicales humides, celles du septentrion se rattachent de plus en plus au climat tropical sec.

L’évaluation du bilan thermique est basée sur l’estimation des gains externes et internes pendant le mois le plus chaud appelé mois de base. Les conditions extérieures de base correspondent à des températures sèches et humides simultanées qui ne sont dépassées que pendant quelques heures par an pour le mois le plus chaud [4].

Le lieu d’implantation du présent projet est la commune d’Abomey-Calavi. En l’absence de données atmosphériques relevées pour ce site, on l’assimile au site de Cotonou dont les conditions extérieures de base sont présentées au tableau 1.4.

Les données brutes obtenues de l’ASECNA sont fournies à l’annexe 2.

Tableau 1.4 : Données atmosphériques de base Station

météorologique Mois de base Température sèche (°C)

Humidité relative (%) Cotonou Février 32,5 75,7

1.4.4. Présentation des chambres froides et caractéristiques du matériau constitutif des parois

On distingue deux types de chambre froide selon le signe de la température qui y règne : les chambres froides à température positive et les chambres froides à température négative. Suivant le mode de construction de la chambre froide, on distingue aussi les chambres froides traditionnelles avec une construction en maçonnerie avec isolant (généralement du polystyrène) et les chambres froides à panneaux préfabriqués (ou panneaux sandwich, généralement à âme de polyuréthane) qui sont montés sur des ossatures en acier ou en béton.

Le choix du matériau isolant à utiliser, résulte de l'examen de plusieurs critères à savoir :

- le pouvoir isolant (caractérisé par le coefficient de conductivité thermique) ;

- la perméabilité à l’humidité ; - la résistance mécanique ;

- la dilatation linéaire (stabilité dimensionnelle) ; - la facilité de pose ;

- la disponibilité ; - le prix de revient.

Dans le cadre de ce projet, nous optons pour la construction de chambres à panneaux préfabriqués (polyuréthane). Les panneaux peuvent être démontés et utilisés de nouveau ; ils offrent des avantages économiques et pratiques en application. Ils présentent les caractéristiques suivantes :

- Masse volumique : 30-40 kg/m³ ;

- Conductibilité thermique : 0,023-0,28 W/m.°C.

1.4.5. Présentation du cahier de charges Caractéristiques des chambres froides : 

Le tableau ci- dessous récapitule les caractéristiques des chambres froides.

Tableau 1.5 : Récapitulation des données du cahier de charges Paramètres Chambre froide

positive

Chambre froide négative Produits à

conserver - Tomate Poisson

Conditions de l’ambiance

intérieure

Température 7 à 10°C -18°C

Humidité relative 85 à 90% 90%

Conditions de l’ambiance

extérieure

Température 32.5°C 32.5°C

Humidité 75.7% 75.7%

Température d’introduction des

produits 32°C -15°C

Charge journalière 2.88 tonnes 2.88 tonnes

Quantité de produits à

conserver 70 tonnes 70 tonnes

Volume utile des

chambres froides 140 m3 200 m3

Isolation thermique

Matériaux Polyuréthane Polyuréthane Epaisseur des parois A déterminer A déterminer

Tenant compte de toutes les considérations techniques de la présente étude, la suite du travail consistera à :

 déterminer et adopter les épaisseurs des isolants thermiques constitutifs des parois ;

 procéder à l'organisation spatiale des chambres froides ;

 Faire une évaluation globale des besoins (bilan thermique) des chambres froides en vue de l’estimation raisonnable de la puissance frigorifique du matériel à installer ;

 Calculer ou dimensionner, en fonction des besoins de l’installation, les différents appareils du circuit frigorifique pour faire un choix rationnel du matériel (choix du groupe frigorifique) existant déjà sur le marché ;

 Procéder à l’étude financière et économique du système.

Chapitre 2 :

DIMENSIONNEMENT DES CHAMBRES FROIDES

 

2.1. Détermination des épaisseurs de l’isolation

Pour la détermination des épaisseurs d'isolant, on adopte généralement une densité de flux égale à  = K. = 8 W/m² en réfrigération et  = 6 W/m² en congélation [6].

En se basant sur la densité de flux, on obtient :

 . ∆ ∅

∑

. (2.1)

avec :

h_ext : coefficient d'échanges convectifs à l'extérieur de la paroi ; h_int : coefficient d'échanges convectifs à l'intérieur de la paroi ;

e_i ; i : respectivement épaisseur et conductivité thermique des différentes couches de la paroi.

Pour ce projet,  les parois sont en panneaux préfabriqués. Il résulte donc que :

∑ et ∑ .

On obtient ainsi :

 .

d’où       (2.2)

  avec :

eiso , iso : respectivement épaisseur et conductivité thermique de l'isolant.

Les valeurs de   et sont obtenues de la référence [2] et consignées dans le tableau 2.1.

Tableau 2.1 : Résistances thermiques d’échange superficiel

Résistances thermiques d’échanges superficiels

(R en m².K/W)

Position de la paroi

Angle formé avec le

plan horizontal

Sens du flux

Paroi en contact avec - L’extérieur

- Un passage couvert - Un local couvert

- Un local chauffé ou non - Un comble - Un vide sanitaire 1/h_i 1/h_e 1/h_i +1/h_e 1/h_i 1/h_e 1/h_i +1/h_e Verticale 60° 0,11 0,06 0,17 0,11 0,11 0,22

Horizontale 60°

0,09 0,05 0,14 0,09 0,09 0,18

0,17 0,05 0,22 0,17 0,17 0,34  

2.1.1. Epaisseur d’isolation des parois verticales

En se référant à la documentation [2], on relève les résistances thermiques d’échange superficiel. Rappelons ici que la paroi est en contact avec l’extérieur.

Nous avons :

1 1

0,11 0,06

- Chambre froide positive

Dans le cas de la chambre froide positive, l’épaisseur de l’isolant des parois latérales donne :

0,023 32,5 7

8 0,17  

,    

- Chambre froide négative

L’épaisseur de l’isolant des parois latérales dans le cas de la chambre froide négative donne :

0,023 32,5 18

6 0,17

,  

- Epaisseur d’isolation des cloisons

Les résistances thermiques d’échange superficiel des cloisons en contact avec l’intérieur donnent :

1 1

0,11 0,11

0,023 7 18

8 0,22

,   

2.1.2. Epaisseur d’isolation de la toiture

Les résistances thermiques d’échange superficiel des parois horizontales en contact avec l’extérieur donnent :

1 1

0,17 0,05

- Chambre froide positive

Dans le cas de la chambre froide positive, l’épaisseur de l’isolant de la toiture donne :

0,023 32,5 7

8 0,22

,  

- Chambre froide négative

L’épaisseur de l’isolant de la toiture dans le cas de la chambre froide négative donne :

0,023 32,5 18

6 0,22

,  

2.1.3. Epaisseur d’isolation du plancher

Pour le plancher, les résistances thermiques d’échange superficiel donnent :

1 1

0,09 0,05

- Chambre froide positive

Dans le cas de la chambre froide positive, l’épaisseur de l’isolant du plancher donne :

0,023 32,5 7

8 0,14

,  

- Chambre froide négative

L’épaisseur de l’isolant de la toiture dans le cas de la chambre froide négative donne :

0,023 32,5 18

6 0,14

,  

Les épaisseurs d’isolation des différentes parois des chambres froides, arrondis conformément aux épaisseurs commerciales existant sur le marché sont consignées dans le tableau 2.2

 

Tableau 2.2 : Épaisseurs de panneaux sandwich requis pour l'isolation des chambres froides

Température extérieure

de base (en °C)

EPAISSEURS D’ISOLATION DES PAROIS (EPAISSEURS DE PANNEAUX EN POLYURETHANE)

(en mm)

Parois latérales Toiture Plancher

Chambre positive

Chambre

négative Cloisons Chambre positive

Chambre négative

Chambre positive

Chambre négative

32.5 70 190 70 70 190 70 190

2.2. Organisation spatiale des chambres froides

Dans le cadre de cette étude, il est question de définir la disposition et l'espace requis pour les chambres froides. Des places devraient être prévues de manière à accommoder la plus grande longueur du rayonnage, prenant en compte les situations de la porte d'entrée et des unités de réfrigération.

Figure 2.1 : Arrangement des chambres froides

 

CHAMBRE FROIDE POSITIVE

 

CHAMBRE FROIDE NEGATIVE

CONGELATEUR 

Salle de pré-stockage  Bureau du

personnel 

Pour cet arrangement, la hauteur intérieure H des chambres froides est prise égale à 3,2 mètres. Les longueurs (L) et largeurs (l) des chambres sont prises conformément aux surfaces des chambres calculées précédemment. En ce qui concerne la capacité de la cellule de congélation, elle est estimée au cinquième (1/5) de celle de la chambre froide négative.

Le tableau 2.3 présente les dimensions intérieures des chambres froides.

Tableau 2.3 : Dimensions intérieures des chambres froides Chambres froides négatives

Chambre froide positive Chambre de conservation Congélateur

H (m)

l (m)

L (m)

H (m)

l (m)

L (m)

H (m)

l (m)

L (m) 3,2 8.9 10 3,2 3 6 3,2 7.2 10

2.3. Bilan thermique des chambres froides

Le bilan thermique d’une chambre froide permet de déterminer la puissance frigorifique de l’installation afin d’en dimensionner les différents composants. Il est établi en conformité avec le cahier de charges régissant l’installation et qui a fait l’objet du chapitre précédent.

Le bilan thermique global de chacune des chambres froides est effectué sur 24 heures et est constitué de tous les apports journaliers de chaleur dans ladite chambre (apports calorifiques externes et quantité de chaleur à évacuer des produits à traiter).

Pour chacune des chambres le bilan thermique global QT est donné par la formule suivante [2] :

4 3 2 1

T Q Q Q Q

Q = + + + (2.3)

avec :

Q₁ : apport de chaleur par transmission à travers les parois (kJ) ; Q₂ : apport de chaleur par renouvellement et infiltration d’air (kJ) ; Q₃ : apport de chaleur par les produits (kJ) ;

Q4 : apport de chaleur divers (éclairage, ventilateur, personnel, etc.) (kJ).

2.3.1. Apport de chaleur par transmission à travers les parois (Q1)

Pour les chambres froides positive et négative, les apports de chaleur par transmission à travers les parois Q₁ sont donnés par la relation générale suivante [6] :





 

 ⁶

1 j

j j j

1 K S Δθ

1000 24

Q 3600 (2.4)

avec :

Kj : coefficient de transmission globale de la paroi j (en W/m².K) ; Sj : surface extérieure de la paroi j (en m²) ;

θj

Δ : écart de température entre le milieu extérieur de la paroi et la chambre froide (en K) ;

Les déperditions par les liaisons dues aux discontinuités dans l’isolation thermique sont assez négligeables. Elles pourront être prises en compte dans les apports incalculables.

 Détermination des coefficients de transmission globale Kj

Le coefficient de transmission globale Kj est donné par la formule suivante :

j

j R

K  1 ^(2.5)

où R_j désigne la résistance thermique globale de la paroi (en m².K/W). Cette résistance est évaluée par la formule ci-après :

∑ + +

= =

n 1

r r e

j

j i h

e 1 h

R 1 ^r

λ

(2.6)

avec :

h_e : coefficient d'échanges convectifs de l’air extérieur ; hi : coefficient d'échanges convectifs de l’air intérieur ;

λr: conductivités thermiques des différentes couches de la paroi j ;

jr

e : épaisseurs des différentes couches de la paroi j.

La figure 2.2 ci-après indique le sens des flux de chaleur à travers les parois latérales des chambres froides positive et négative.

     

 

Figure 2.2 : Sens des flux de chaleur à travers les parois latérales des chambres froides positive et négative

 

CHAMBRE FROIDE POSITIVE

 

CHAMBRE FROIDE NEGATIVE

CONGELATEUR 

Salle de pré-stockage  Bureau du

personnel 

   

 

 

 

N 

S 

O  E 

i. Coefficient de transmission globale des parois de la chambre froide positive Ces parois sont en panneaux préfabriqués dont les caractéristiques sont les suivantes :

70  ;  =0,023 W/m.K.

Comme il s'agit de parois verticales en contact avec l'extérieur, les résistances thermiques d'échanges superficiels valent [2] :

W / K m 11 , h 0

1 ₂

i



 et 0,06 m K /W

h

1 ₂

e



 .

Le coefficient de transmission globale de ces parois est donné par la formule :

i iso iso e 1 2 4

h 1 λ e h

1 K 1 K K









   (2.7)

Numériquement, nous avons :  213 , 3

1 11 , 023 0 , 0

07 , 06 0 , 0

1

1 







K      

K W/m 0,311 K

K

K₁  ₂  ₄  ²   

ii. Coefficient de transmission globale des parois de la chambre froide négative Les parois de la chambre froide négative sont en panneaux préfabriqués. Seule l'épaisseur des panneaux diffère. Par analogie, le coefficient de transmission globale des parois de la chambre froide négative est donné par :

Numériquement , nous avons :   43 , 8

1 11 , 023 0 , 0

19 , 06 0 , 0

' 1

1 







K  

K W/m 0,119

K'₁ ²     

i iso iso e 1 2 4

h 1 λ e h

1 K' 1 K' K'









 (2.8)

iii. Coefficient de transmission globale de la cloison entre les deux chambres L’épaisseur du panneau préfabriqué requise pour la cloison entre les deux chambres froides est : 70 

La résistance thermique d'échange superficiel vaut :

W / K m 11 , h 0

1 2

i





Le coefficient de transmission globale de la cloison est évalué à partir de la formule (2.8).

Numériquement, nous avons :

263 , 3

1 11 , 023 0 , 0

07 , 11 0 , 0

1

3 







K    

K W/m 0,306

K₃  ²     

 

iv. Coefficient de transmission globale du plancher

Le coefficient de transmission globale à travers le plancher est donné par la formule (2.8).  

L'application numérique donne :

- Pour la chambre froide positive 

183 , 3

1 09 , 023 0 , 0

07 , 05 0 , 0

1

5 







K  

K W/m 0.314

K₅  ² 

- Pour la chambre froide négative

4 , 8

1 09 , 023 0 , 0

19 , 05 0 , 0

5 1

' 





 K

K W/m 0.119

K^'5  ² 

v. Coefficient de transmission globale de la toiture

Les épaisseurs des panneaux préfabriqués requises pour la toiture sont : - Chambre froide positive : e_iso = 70 mm ;

- Chambre froide négative : eiso = 190 mm ;

W / K m 17 , h 0

1 ₂

i



 et 0,05 m K/W

h

1 ₂

e



 .

Le coefficient de transmission globale à travers la toiture est donné par la formule (2.8).

L'application numérique donne :

- Pour la chambre froide positive

263 , 3

1 17 , 023 0 , 0

07 , 05 0 , 0

1

6 





 K

K 0,306W/m

K₆  ² 

- Pour la chambre froide Négative

48 , 8

1 17 , 023 0 , 0

19 , 05 0 , 0

6 1

' 





 K

K 0.118W/m K^'6  ² 

Le tableau 2.4 présente les coefficients de transmission globale des parois des chambres froides.

Tableau 2.4 : Coefficients de transmission global des parois des chambres froides Coefficients d'échange surfacique global par les parois des chambres froides (W/m².K)

Chambre froide positive Chambre froide négative Mur1

K1

Mur 2 K2

Mur3 K4

Cloison K3

Plancher K5

Toiture K6

Mur1 K'1

Mur 2 K'2

Mur 3 K'4

Plancher K'5

Toiture K'6

0,311 0,311 0,311 0,306 0,314 0,306 0,119 0,119 0,119 0,119 0,118

 

 Evaluation de l’apport de chaleur par les parois

Le tableau 2.5 présente les calculs des apports de chaleur par les parois des chambres froides.

Tableau 2.5 : Calculs des apports de chaleur par les parois des chambres froides CHAMBRE FROIDE NEGATIVE

Parois

Dimensions

extérieures Aire de la

paroi (m²) Δθ

°K K W/m².K

Apport journalier H KJ

(m) l (m)

L (m)

Cloison E 3,58 10,38 37,16 25 0,306 24561,54

Murs

N 3,58 9,09 32,54 50,5 0,119 16896,59

O 3,58 10,38 37,16 50,5 0,119 19294,45

S 3,58 9,09 32,54 50,5 0,119 16896,59

Plafond 9,09 10,38 94,35 50,5 0,118 48578,98

Plancher 9,09 10,38 94,35 50,5 0,119 48990,66

TOTAL 175218,8

CELLULE DE CONGELATION Parois

Dimensions extérieures

Aire de la paroi (m²)

Δθ

°K K W/m².K

Apport journalier

KJ H

(m) l (m)

L (m)

Cloison E 3,58 6,26 22,41 0 0 0

N 3,58 3,25 11,63 0 0 0

Murs O 3,58 6,26 22,41 50,5 0,119 11636,15

S 3,58 3,25 11,63 50,5 0,119 6041,134

Plafond 3,25 6,26 20,34 50,5 0,118 10474,78

Plancher 3,25 6,26 20,34 50,5 0,119 10563,55

TOTAL 38715,61