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[Departement_IRSTEA]EA [TR1_IRSTEA]TEPSA / ENERFRI; Small-channel heat exchangers are widely used for car air-conditioning. However information about their behaviour remains scarce. Thus an experimental device was built to characterize the distribution of a two-phase flow in a small-channel heat exchanger and to measure the singular and regular pressure losses. Both were studied with horizontal flow and vertical down-flow through the header. A transparent polycarbonate test section comprised a 16 mm diameter header connected to 8 multi-port flat tubes (Dh = 0.889 mm). The mass flux range was between 15 and 650 kg/(m².s) in the manifold and between 100 and 3 000 kg/(m².s) in the small channels. The range of vapour quality values at the test section inlet was between 0.1 and 0.9. The two-phase refrigerant was condensed at the outlet of each flat tube in order to measure each flow rate separately. The refrigerant distribution was studied in single and two-phase flows, the pressures losses were measured.

In refrigerating and air conditioning fields, the environmental performances of systems are frequently evaluated by using the TEWI indicator (Total Equivalent Warming Impact). Alone the greenhouse effect is taken into account from this widespread index which seems nevertheless to be inadequate for a global characterisation, including whole environmental impacts of a refrigerating machine during its life, i.e. from cradle to grave. In this article, we propose to apply the Life Cycle Analysis (LCA) approach to compare two refrigerating units, destined to an agro-food small application, having the same characteristics of refrigerating capacity and use the same refrigerant (R404A). After a detailed life cycle inventory of both systems, the analysis results show that the use of the micro-channel technology and compact heat exchangers in such sector is energetically and environmentally friendly. It provides an energy saving, a low refrigerant charge, a significant CO2 emissions reduction (division by 3), in addition of an important decrease of other environmental impacts in terms of human health (33%), ecosystem quality (24%) and resources depletion (25%).

A prototype refrigerating system was developed; it uses the small-channel technology for the condenser and a compact evaporator so that the refrigerant quantity was reduced drastically. The objective of this study was to demonstrate that it is possible to reduce until to 90% the refrigerant charge of low capacity refrigeration units (less than 15 kW refrigeration capacities) with HFC refrigerant, by using compact heat exchangers, low capacity liquid receivers and small diameter pipes. Experimental measurements were performed and compared to measurements on a same capacity refrigerating system using traditional diameters for the evaporator, condenser, pipes... The mass reduction is mainly due to a 90% reduction of internal volume between the two systems. The performance of both systems and their impact on the environment using the TEWI criteria were compared. The results tend to prove the potential of the application of the small-channel technology compared to the traditional technology: 10% COP enhancement due to the enhancement of the internal heat transfer coefficients, 66% TEWI reduction.

International audience

Un prototype de réfrigérateur avec PCM a été conçu et testé pour différentes charges thermiques. Les résultats obtenus avec PCM montrent clairement l'intérêt de l'intégration d'un tel élément dans un réfrigérateur domestique. L'autonomie du réfrigérateur peut atteindre plus de 8h avec une température ambiante de 20°C. Le coefficient de performance est en moyenne plus élevé de 20 à 25%, lorsque les conditions de fonctionnement sont telles que le matériau congèle puis fond intégralement.

National audience; This article presents a project carried out jointly by the Cemagref and the Laboratory FAST, with the financial support of the French Agency for the Environment and Energy Management (ADEME) and the French National Research Agency (ANR).The project aims to evaluate the energy impact due to the addition of a phase change material to the household refrigerator. The results show a significant reduction of the temperature fluctuations in the refrigerated cell and a positive impact on the performance of the system in terms of autonomy and energy efficiency.; Cet article présente un projet conduit conjointement par le Cemagref et le laboratoire FAST avec le soutien de l'ADEME et l'ANR. Le projet vise à évaluer l'effet de la mise en ½uvre d'un matériau à changement de phase (PCM) dans un réfrigérateur domestique. L'objectif est de quantifier l'impact de l'inertie thermique sur les performances du système frigorifique. Les résultats obtenus montrent une nette réduction des fluctuations de température dans l'enceinte réfrigérée et une amélioration du comportement du système en termes d'autonomie et d'efficacité énergétique.

[TR1_IRSTEA]TEPSA / ENERFRI; An experimental device was realized to characterize the distribution of a two-phase flow in a heat exchanger with small channels and to measure the singular and regular pressure losses. A transparent test section made of polycarbonate was built in which the fluid is distributed into 8 multi-port tubes. The instrumentation makes it possible to measure the pressure losses in different points of the input header and near the intrusion of the multi-port tubes in the header.. The used fluid was the refrigerant HFE-7100 in order to carry out experiments close to atmospheric pressure and ambient temperature. The range of the vapour quality at the test section inlet was between 0.1 to 0.9. The two-phase refrigerant was condensed at the outlet of each small channel tube in order to measure each flow rate separately. The mass flux range was between 15 to 650 kg/(m².s) in the manifold and between 100 to 3 000 kg/(m².s) in the small channels. Results were compared with a numerical simulation and with available correlations for single phase flows. Other results refer to two-phase flows: pressure losses along the small channels, as well as pressure drops in the manifold singularities. These pressure losses are closely related to the flow pattern and were compared with available models for traditional diameters.; Un dispositif avec une section d'essais en polycarbonate poli a été réalisé dans le but de caractériser expérimentalement la distribution d'un écoulement diphasique dans un échangeur à mini-canaux et d'y mesurer les pertes de pression singulières et régulières. L'instrumentation permet de mesurer les pertes de pression le long du distributeur ainsi qu'aux bornes des mini-canaux qu'il alimente. Ces pertes de pression sont étroitement liées au type d'écoulement et à la géométrie. Pour cette dernière, on a retenu une intrusion des barrettes contenant les mini-canaux dans le distributeur. Le fluide utilisé est le HFE-7100 qui permet de travailler au voisinage de la pression atmosphérique et de la température ambiante. La gamme de titre en vapeur en entrée de section d'essais varie entre 0,1 et 0,9. Le mélange diphasique est condensé séparément en sortie de chaque mini-canal afin d'y mesurer le débit. La gamme des densités de flux massique peut varier entre 15 et 650 kg/(m2.s) dans le distributeur et entre 100 et 3 000 kg/(m2.s) dans les mini-canaux. Une campagne d'essais a été réalisée et comparée à une simulation numérique et aux corrélations existantes pour des écoulements monophasiques. La seconde campagne d'essais concerne les écoulements diphasiques. Elle permet d'obtenir les pertes de pression diphasiques le long des mini-canaux ainsi que celles dues aux singularités dans le distributeur. Ces résultats sont comparés aux modèles disponibles pour les diamètres classiques.

Ce projet s'intéresse à l'optimisation énergétique d'un nouveau type de système frigorifique équipé d'échangeurs à mini-canaux et à charge réduite en frigorigène. Le secteur d'application visé est celui du « petit agro-alimentaire » mettant en oeuvre des installations frigorifiques de 1 à 15 kW froid et d'architecture simple. La technologie d'échangeurs compacts à mini-canaux correspond à des diamètres hydrauliques compris entre 0,5 et 3 mm, alors que la technologie classique utilisée dans ce secteur d'application correspond à des diamètres de 10 à 14 mm. Le projet s'est caractérisé · Au plan expérimental : * travaux sur échangeurs : caractérisation de deux échangeurs à mini-canaux, conception et réalisation d'un prototype d'évaporateur à charge réduite. * travaux sur installations complètes : caractérisation d'une installation frigorifique classique de référence, développement et caractérisation d'un prototype à charge réduite. · Au plan théorique, modélisation de deux échangeurs à mini-canaux, modélisation et conception d'un évaporateur prototype, modélisation et conception d'un système complet à charge réduite. Les principaux résultats ont été : · Tester des géométries d'échangeur innovantes pour le domaine d'application visé. · Montrer qu'il est possible, grâce à ces nouvelles géométries, de réduire de manière significative le volume interne des échangeurs et par conséquent la masse de frigorigène. · Les échangeurs préconisés ne représentent pas un surcoût conséquent. * Les technologies employées sont issues du marché automobile pour le condenseur. * L'évaporateur repose sur une technique de fabrication simple (brasage cuivre-cuivre) et a par conséquent un coût matière raisonnable. · Développer et valider des modèles numériques d'évaporateur et de condenseur. * Ils permettent de prédire de façon satisfaisante les puissances thermiques échangées. * Les pertes de pression restent par contre sous-estimées par les modèles. L'explication la plus probable de ces écarts significatifs semble être la part importante des pertes de charge singulières, non prises en compte par les modèles, pour ce type de géométrie. * Néanmoins ces modèles sont des éléments-clés pour le dimensionnement et l'optimisation du prototype développé. · La conception du système complet à mini-canaux a été réalisée sur la base du critère « TEWI » permettant une évaluation globale de l'impact d'un système de réfrigération sur l'environnement. · Afin de quantifier le gain lié à cette nouvelle technologie à mini-canaux, les performances de l'installation classique de référence ont été caractérisées au Cemagref. · Un prototype d'évaporateur à charge réduite a été conçu par le GREThE. Il permet d'atteindre des volumes internes divisés par 10 à performances identiques aux échangeurs usuels, et cela en conditions de givrage. · Le Cemagref a procédé à un réexamen complet des règles de conception classiquement utilisées pour les installations et propose de nouvelles bases de conception prenant en compte l'impact sur l'environnement · Sur ces bases, une installation pilote a été développée montrant la faisabilité du concept d'installation à charge réduite et à impact environnemental minimal. Les technologies d'échangeurs compacts et les nouvelles règles de conception mises en oeuvre ont permis de réduire d'un facteur 10 la charge en frigorigène de l'installation et le TEWI de plus de 60%. Cette installation pilote démontre qu'il est possible, pour une même puissance frigorifique (4 kW à -20°C) et les mêmes conditions de fonctionnement, de réaliser une installation ne relâchant lors de sa durée de vie que 50 tonnes de CO2, à comparer aux 160 tonnes de CO2 pour une conception classique.

The majority of European refrigerators are static and show important temperature fluctuations of the refrigerated cell due to low thermal inertia. Adding a slab of phase change material to an existing evaporator allows to improve the global efficiency of the refrigerator, with a significant increase of the thermal inertia of the system. In this paper, a dynamic model of a household refrigerator including a phase change material is presented. The numerical results show that the addition of the phase change material results in an enhanced heat transfer from the evaporator by conduction to the PCM and a higher evaporating temperature which increases the energy efficiency of the system. The stored energy is delivered to the refrigerator cell during the off cycle and permits several hours of continuous operation without electrical supply.; La majorité des réfrigérateurs européens présentent des fluctuations importantes de la température intérieure due à une faible inertie thermique. En ajoutant un matériau à changement de phase appliqué sur l'évaporateur, il est possible d'améliorer l'efficacité globale du réfrigérateur, avec une augmentation significative de l'inertie thermique du système. Dans cet article, un modèle dynamique d'un réfrigérateur de ménage comprenant un matériau à changement de phase est présenté. Les résultats numériques montrent que l'ajout du matériau améliorent les transferts thermiques avec l'évaporateur par conduction avec le PCM et provoque une remontée de la température d'évaporation , a méliorant l'efficacité énergétique du système. L'énergie stockée est restituée pendant l'arrêt et permet un fonctionnement de plusieurs heures sans alimentation électrique.

[Departement_IRSTEA]EA [TR1_IRSTEA]TEPSA / ENERFRI; An experimental device was realized to characterize the distribution of a two-phase flow in a heat exchanger with minichannels and to measure the singular and regular pressure losses. A transparent test section made of polycarbonate was built in which the fluid is distributed into 8 multi-port tubes. The instrumentation makes it possible to measure the pressure losses in different points of the input header and near the intrusion of the multi-port tubes in the header.. The used fluid was the refrigerant HFE-7100 in order to carry out experiments close to atmospheric pressure and ambient temperature. The range of the vapour quality at the test section inlet was between 0.1 to 0.9. The two-phase refrigerant was condensed at the outlet of each small channel tube in order to measure each flow rate separately. The mass flux range was between 15 to 650 kg/(m².s) in the manifold and between 100 to 3 000 kg/(m².s) in the small channels. Results were compared with a numerical simulation and with available correlations for single phase flows. Other results refer to two-phase flows: pressure losses along the small channels, as well as pressure drops in the manifold singularities. These pressure losses are closely related to the flow pattern and were compared with available models for traditional diameters.; Un dispositif avec une section d'essais en polycarbonate poli a été réalisé dans le but de caractériser expérimentalement la distribution d'un écoulement diphasique dans un échangeur à mini-canaux et d'y mesurer les pertes de pression singulières et régulières. L'instrumentation permet de mesurer les pertes de pression le long du distributeur ainsi qu'aux bornes des mini-canaux qu'il alimente. Ces pertes de pression sont étroitement liées au type d'écoulement et à la géométrie. Pour cette dernière, on a retenu une intrusion des barrettes contenant les mini-canaux dans le distributeur. Le fluide utilisé est le HFE-7100 qui permet de travailler au voisinage de la pression atmosphérique et de la température ambiante. La gamme de titre en vapeur en entrée de section d'essais varie entre 0,1 et 0,9. Le mélange diphasique est condensé séparément en sortie de chaque mini-canal afin d'y mesurer le débit. La gamme des densités de flux massique peut varier entre 15 et 650 kg/(m2.s) dans le istributeur et entre 100 et 3 000 kg/(m2.s) dans les mini-canaux. Une campagne d'essais a été réalisée et comparée à une simulation numérique et aux corrélations existantes pour des écoulements monophasiques. La seconde campagne d'essais concerne les écoulements diphasiques. Elle permet d'obtenir les pertes de pression diphasiques le long des mini-canaux ainsi que celles dues aux singularités dans le distributeur. Ces résultats sont comparés aux modèles disponibles pour les diamètres classiques.

National audience; This article presents a project carried out jointly by the Cemagref and the CEA GREThe about the design of refrigerated systems of reduced refrigerant load for small plants of the food cold chain. We intend to implement the compact heat exchangers small channel technology. The refrigerant load reduction that it allows will be associated with a good energy efficiency of the whole system, in order to minimise the total environmental impact in term of TEWI.; Cet article présente les résultats d'un projet conduit conjointement par le Cemagref et le CEA-GREThE sur la conception d'installations frigorifigues à charge réduite pour le secteur du « petit » agroalimentaire. L'objectif est d'associer une réduction importante de la charge en frigorigène de ces installations à une bonne efficacité énergétique, notamment par la mise en oeuvre de la technologie des échangeurs compacts à canaux de faible dimension. Cette approche permet de minimiser l'impact environnemental global de ces installations, impact qui peut être caractérisé notamment par le critère du TEWI.

A mathematical model is developed to simulate the impact of a phase change material on the behavior of a roll bond evaporator. The phase change is described by a model of pure conduction with a technique of immobilization of the interface. The model of the evaporator is based on a local description of the state of the refrigerant. The result of the coupling of the two dynamic models is presented.; Un modèle mathématique a été développé pour simuler l'impact d'un matériau à changement de phase sur le comportement dynamique d'un évaporateur de type roll bond fonctionnant en tout ou rien. Le changement de phase dans le matériau est décrit par un modèle de conduction pure avec une technique d'immobilisation de l'interface. Le modèle de l'évaporateur est basé sur une description locale de l'état du frigorigène. Le résultat du couplage des deux modèles dynamiques est présenté.

[Departement_IRSTEA]EA [TR1_IRSTEA]TEPSA / ENERFRI; This article presents a project carried out jointly by the Cemagref and the CEA-GREThE about the design of refrigerating systems at reduced refrigerant load for small plants of the food cold chain. We intend to implement the compact heat exchangers small channel technology. The refrigerant load reduction that it allows will be associated with a good energy efficiency of the whole system, in order to minimise the total environmental impact in term of TEWI.; Cet article présente les résultats d'un projet conduit conjointement par le Cemagref et par le CEA/GREThE sur la conception d'installations frigorifiques à charge réduite pour le secteur du « petit » agroalimentaire. L'objectif est d'associer une réduction importante de la charge en frigorigène de ces installations à une bonne efficacité énergétique, notamment par la mise en oeuvre de la technologie des échangeurs compacts à canaux de faible dimension. Cette approche permet de minimiser l'impact environnemental global de ces installations, impact qui peut être caractérisé notamment par le critère du TEWI.

[Departement_IRSTEA]EA [TR1_IRSTEA]TEPSA / ENERFRI; Dans une perspective de développement durable, un prototype de machine frigorifique minimisant les impacts environnementaux a été mis au point par le CEMAGREF en collaboration avec le CEA-GREThE dans le cadre d'un projet financé par l'ADEME. Ce prototype a permis la réduction d'un facteur 10 de la quantité de frigorigène pour une efficacité énergétique accrue de 15%, soit un impact sur l'effet de serre global (TEWI) réduit deplus de 60% par rapport à un système classique. Ces nouvelles installations utilisent des échangeurs de chaleur à faible volume interne (mini-canaux) ainsi qu'une conduite de liquide modifiée.

A potential energy saving can be obtained by a global optimal setting of each actuator in a vapour compression cycle. This paper describes optimal control applying this strategy. Trials have been performed on scales ranging from laboratory-scale plant up to a multi-unit industrial-scale system. Energy benefits were significant. Integrated in a supervision-control package, this solution is particularly effective for large, multi-units plants.; Une économie d'énergie potentielle peut être obtenue par une combinaison optimale des différents actionneurs d'un cycle à compression de vapeur. Cet article décrit la commande optimale appliquant cette stratégie. Des essais ont été effectués de l'échelle du pilote de laboratoire jusqu'à un système à échelle industrielle composé de plusieurs unités. Les gains d'énergie obtenus étaient significatifs. Intégré dans un ensemble de commande et supervision, cette solution est particulièrement efficace pour les systèmes industriels composés de plusieurs unités.

[Departement_IRSTEA]EA [TR1_IRSTEA]TEPSA / ENERFRI; Description of the experimental device (refrigerating system + test section + visualisation tools) carried out in order to study the distribution of a two-phase flow in a small channel heat condenser. Study of regular and singular pressure drops.; Description d'un dispositif expérimental (boucle frigorifique + section d'essais + outils de visualisation) mis au point pour l'étude de la distribution d'un écoulement diphasique dans un condenseur à mini canaux pour l'étude des pertes de pression régulières et singulières.

[Notes_IRSTEA]Projet. Convention ADEME/Cemagref n°01 74 085 [Departement_IRSTEA]EA [TR1_IRSTEA]TEPSA / ENERFRI; Ce projet s`intéresse à l`optimisation énergétique d`un nouveau type de système frigorifique équipé d`échangeurs à mini-canaux et à charge réduite en frigorigène. Le secteur d`application visé est celui du « petit agro-alimentaire » mettant en oeuvre des installations frigorifiques de 1 à 15 kW froid et d`architecture simple (évaporateur - compresseur - condenseur - détendeur). La technologie d`échangeurs compacts à mini-canaux correspond à des diamètres hydrauliques compris entre 0,5 et 3 mm, alors que la technologie classique utilisée dans ce secteur d`application correspond à des diamètres de 10 à 14 mm. Le projet a débuté en décembre 2001 et a fait l`objet d`un contrat d`une durée de 42 mois entre l`ADEME et le Cemagref, Unité de Recherche en Génie des Procédés. Le travail a été conduit en partenariat avec le CEA-GREThE de Grenoble. Le problème est abordé sous plusieurs angles, faisant l`objet des phases I à VI suivantes. - I : Etude bibliographique et veille technologique sur le sujet. - II : Identification du comportement des échangeurs à mini-canaux grâce à des travaux sur maquettes. - III : Conception d'un prototype à minimum de charge. - IV : Caractérisation d`un système frigorifique classique dans le but de pouvoir comparer les performances du nouveau système à celle du système frigorifique usuel. - V : Conception et réalisation d'un prototype d'évaporateur à charge réduite. - VI : Réalisation et caractérisation du prototype complet d`installation à charge réduite. Le projet s'est caractérisé par de gros développements d'abord expérimentaux mais également d'outils de modélisation. · Au plan expérimental : * travaux sur échangeurs : caractérisation de deux échangeurs à mini-canaux, conception et réalisation d'un prototype d'évaporateur à charge réduite. * travaux sur installations complètes : caractérisation d'une installation frigorifique classique de référence, développement et caractérisation d`un prototype à charge réduite. · Au plan théorique, modélisation de deux échangeurs à mini-canaux, modélisation et conception d'un évaporateur prototype, modélisation et conception d'un système complet à charge réduite. Les principaux résultats ont été · Tester des géométries d`échangeur innovantes pour le domaine d`application visé (condenseur ou évaporateur). · Montrer qu`il est possible, grâce à ces nouvelles géométries, de réduire de manière significative le volume interne des échangeurs et par conséquent la masse de frigorigène. · Les échangeurs préconisés ne représentent pas un surcoût conséquent. * Les technologies employées sont issues du marché automobile pour le condenseur. * L`évaporateur repose sur une technique de fabrication simple (brasage cuivre-cuivre) et a par conséquent un coût matière raisonnable. · Développer et valider des modèles numériques d`évaporateur et de condenseur. * Ils permettent de prédire de façon satisfaisante les puissances thermiques échangées. * Les pertes de pression restent par contre sous-estimées par les modèles. L`explication la plus probable de ces écarts significatifs semble être la part importante des pertes de charge singulières, non prises en compte par les modèles, pour ce type de géométrie. La thèse de F. Poggi menée conjointement dans les laboratoires des deux partenaires porte sur ce sujet. * Néanmoins ces modèles sont des éléments-clés pour le dimensionnement et l`optimisation du prototype développé. · La conception du système complet à mini-canaux a été réalisée sur la base du critère « TEWI » permettant une évaluation globale de l`impact d`un système de réfrigération sur l`environnement. · Afin de quantifier le gain lié à cette nouvelle technologie à mini-canaux, les performances de l`installation classique de référence ont été caractérisées au Cemagref. · Un prototype d`évaporateur à charge réduite a été conçu par le GREThE. Il permet d'atteindre des volumes internes divisés par 10 à performances identiques aux échangeurs usuels, et cela en conditions de givrage. · Le Cemagref a procédé à un réexamen complet des règles de conception classiquement utilisées pour les installations (diamètres de conduite, pertes de charge admissibles, volume des bouteilles, etc~) et propose de nouvelles bases de conception prenant en compte l`impact sur l`environnement · Sur ces bases, une installation pilote a été développée montrant la faisabilité du concept d'installation à charge réduite et à impact environnemental minimal. Les technologies d`échangeurs compacts et les nouvelles règles de conception mises en oeuvre ont permis de réduire d`un facteur 10 la charge en frigorigène de l`installation et le TEWI de plus de 60%. Cette installation pilote démontre qu`il est possible, pour une même puissance frigorifique (4 kW à -20°C) et les mêmes conditions de fonctionnement, de réaliser une installation ne relâchant lors de sa durée de vie que 50 tonnes de CO2, à comparer aux 160 tonnes de CO2 pour une conception classique.

National audience; In France, 37 million household refrigerators stop and start several times a day. They use the greatest amount of energy at startup, so real electric power savings can be expected by increasing the thermal inertia of the appliances. Antony-based CEMAGREF specialists in refrigerating processes are studying the design of a refrigerator-freezer combination with high thermal inertia. They opted for phase changing materials (PCMs) that can go from solid state to liquid state by storing cold in a reversible way. So, a combined refrigerator-freezer with walls incorporating 10 liters of the material could store enough energy to keep products at a steady temperature for more than 14 hours without restarting refrigerator engine. Another advantage of the process is the possibility of selecting certain operating times so as to take advantage of lower electricity rates and a self-power capability of several hours in case of power failure. From the health point of view, high thermal inertia improves the steadiness of food preservation temperatures, thus lowering the risk of bacterial development. Finally, implementing this material requires very few changes in standard appliances. At the Pollutec 2005 show last December, the CEMAGREF Engineering of Refrigerating Processes Unit whose scientists are tackling high thermal inertia of refrigerating systems received a prize for its work in 'Innovative Technologies for the Environment'.; La France compte 37 millions de réfrigérateurs domestiques qui s'arrêtent et redémarrent plusieurs fois dans la journée. Sachant que c'est au démarrage que ces appareils consomment le plus d'énergie, il est permis d'espérer de véritables économies d'énergie électrique en augmentant leur inertie thermique. Aussi des spécialistes des procédés frigorifiques du Cemagref, à Antony, près de Paris, étudient-ils la conception d'un réfrigérateur-congélateur à haute inertie thermique. Ils ont opté pour des matériaux à changement de phase (PCM) capables de passer de l'état solide à l'état liquide en accumulant de façon réversible du froid. Ainsi, un appareil de ce type dont les parois incorporeraient dix litres de ce type de matériau pourrait accumuler suffisamment d'énergie pour maintenir une température stable des produits pendant plus de quatorze heures, sans redémarrage du groupe froid. L'un des avantages de ce procédé est qu'il offre la possibilité de privilégier certaines heures de fonctionnement afin de bénéficier de tarifs plus avantageux ainsi qu'une autonomie de plusieurs heures de fonctionnement en cas d'interruption du courant électrique. D'un point de vue purement sanitaire, le choix de la haute inertie thermique améliore la stabilité de la température de conservation des aliments, d'où une diminution du risque de développement bactérien. Précisons enfin que la mise en place de ce matériau nécessite très peu de modifications des appareils classiques. Lors de la dernière édition du Salon Pollutec en décembre dernier, l'unité de recherche "Génie des procédés frigorifiques" du Cemagref dont les chercheurs travaillent en particulier sur la haute inertie thermique des systèmes frigorifiques a reçu un prix "Techniques innovantes pour l'environnement".

When heat transfer between an evaporator and the refrigerated area is unusually low (a typical example is by natural convection) and the vapor compression system is on/off regulated, adding a planar PCM to an existing evaporator allows to improve the global efficiency. In this paper, the case of a household refrigerator is simulated as an example. Compared to the classical vapor compression system, the new design shows a significant increase of the coefficient of performance, but also a limitation of the maximum refrigerating capacity transmitted to the refrigerated area. Other benefits and limits of this technology are discussed.

[Departement_IRSTEA]EA [TR1_IRSTEA]TEPSA / ENERFRI; International audience; This article presents a project carried out jointly by the Cemagref and the CEA-GRETh about the design of refrigerating systems at reduced refrigerant load for small plants of the food cold chain. We intend to implement the compact heat exchangers small channel technology. The refrigerant load reduction that it allows will be associated with a good energy efficiency of the whole system, in order to minimise the total environmental impact in term of TEWI.; Cet article présente un projet conduit conjointement par le Cemagref et par le CEA-GRETh sur la conception d`installations frigorifiques à charge réduite pour le secteur du « petit » agroalimentaire. L`objectif est de mettre en oeuvre la technologie des échangeurs compacts à canaux de faible dimension. Il s`agit ainsi d`associer la réduction de la charge en réfrigérant à une bonne efficacité énergétique de l`ensemble de l`installation. Cette approche permet de minimiser l`impact environnemental global en terme de TEWI.

International audience; A potential energy saving can be obtained by a global optimal setting of each actuator in a vapour compression cycle. This paper describes optimal control applying this strategy. Trials have been performed on scales ranging from laboratory-scale plant up to a multi-unit industrial-scale system. Energy benefits were significant. Integrated in a supervision-control package, this solution is particularly effective for large, multi-units plants; Une réduction de la consommation d'énergie d'un cycle à compression de vapeur peut être obtenue par un réglage optimal de chaque actionneur. Ce papier décrit la mise en oeuvre d'un contrôle optimal appliquant cette stratégie. Des essais ont été effectués à différentes échelles, allant de l'installation de laboratoire jusqu'à l'installation industrielle composée de plusieurs unités. Une réduction significative de la consommation d'énergie a pu être constatée. Intégré dans un système global de supervision, cette solution est particulièrement adaptée et efficace sur des installations de puissance élevée et mettant en oeuvre plusieurs unités.

Les échangeurs compacts, et parmi eux les échangeurs à mini-canaux, permettent de réduire sensiblement la charge en frigorigène dans les installations frigorifiques. Dans cette étude, un condenseur à mini-canaux en aluminium a été caractérisé expérimentalement. Un outil de simulation complet a été développé, prenant en compte les aspects thermiques, pertes de charge et masse de frigorigène. Les comparaisons entre mesures et prédictions numériques sont satisfaisantes. La corrélation de taux de vide de Hughmark, qui prédit les valeurs de masse les plus élevées, semble le mieux approcher les résultats expérimentaux (écart inférieur à 15 %).

[Notes_IRSTEA]Convention ADEME-Cemagref n°01 74 085 [Departement_IRSTEA]GEAPA [TR1_IRSTEA]42 - ALITECH / ENERFRI; Ce projet s'intéresse à l'optimisation énergétique d'un nouveau type de système frigorifique équipé d'échangeurs à mini-canaux et à charge réduite en frigorigène. Le secteur d'application visé est celui du " petit agro-alimentaire " mettant en oeuvre des installations frigorifiques de 1 à 15 kW froid et d'architecture simple (évaporateur, compresseur, condenseur, détendeur). La technologie d'échangeurs compacts à mini-canaux correspond à des diamètres hydrauliques compris entre 0,5 et 3 mm, alors que la technologie classique utilisée dans ce secteur d'application correspond à des diamètres de 10 à 14 mm. Le projet a débuté en décembre 2001 et fait l'objet d'un contrat d'une durée de 30 mois entre l'ADEME et le Cemagref. Le travail est conduit en partenariat avec le CEA-GRETh de Grenoble. Le problème est abordé sous plusieurs angles, faisant l'objet des phases I à VII suivantes : I.Etude bibliographique et veille technologique sur le sujet; II.Identification du comportement des échangeurs à mini-canaux grâce à des travaux sur maquettes; III.Réflexion sur l'intégration des échangeurs à mini-canaux au système frigorifique complet; IV.Caractérisation d'un système frigorifique classique dans le but de pouvoir comparer les performances du nouveau système à celle du système frigorifique usuel; V.Réalisation de prototypes d'échangeurs à mini-canaux adaptés à l'application visée. VI.Caractérisation d'un prototype complet d'installation optimisée à mini-canaux; VII.Synthèse des résultats. Ce projet est conduit dans les délais impartis : les phases I, II et IV sont terminées, les phases III et V largement avancées, et les phases VI et VII restent à réaliser. Les principaux résultats ont été : Tester des géométries d'échangeur innovantes pour le domaine d'application visé (condenseur ou évaporateur). Montrer qu'il est possible, grâce à ces nouvelles géométries, de réduire de manière significative le volume interne des échangeurs et par conséquent la masse de frigorigène. Les échangeurs préconisés ne représentent pas un surcoût conséquent. Développer et valider des modèles numériques d'évaporateur et de condenseur. La conception du système complet à mini-canaux a été entreprise sur la base du critère " TEWI " permettant une évaluation globale de l'impact d'un système de réfrigération sur l'environnement. Afin de quantifier le gain lié à cette nouvelle technologie à mini-canaux, les performances de l'installation classique de référence ont été caractérisées au Cemagref. Restent à réaliser d'ici juin 2004 : Compléter la réflexion sur l'optimisation du système frigorifique complet (en cours au Cemagref). Finaliser la réalisation du prototype d'évaporateur à mini-canaux (en cours au GRETh). Développer une installation pilote montrant la faisabilité de ce concept et permettant d'en évaluer les performances par rapport aux installations frigorifiques agro-alimentaires classiques (au Cemagref).

National audience; Global efficiency of a refrigerating plant can be increased by reducing electric consumption with the same cooling capacity. This can be done by choosing optimal setting values for every actuator. A new approach, based on this principle and first evaluated in laboratory, has been tested on an industrial plant.; L'efficacité globale d'une installation peut être améliorée en diminuant sa consommation énergétique, tout en maintenant une puissance frigorifique constante. Ceci peut être réalisé en choisissant à tout instant la meilleure combinaison de réglage des différents actionneurs. Une nouvelle approche, basée sur ce principe d'abord développée en laboratoire, vient d'être testée sur site, dans une usine agro-alimentaire.

Today, many dynamic models of compression cycles are available in the literature. The most valuable and accurate of them are based on the local description of the physical phenomena in heat exchangers coupled with the modelling of the other components as compressor or expansion valves. The use of this type of model to control refrigerating plants should consistently improve their performances in terms of both refrigerating capacity and energy consumption. Unfortunately, these complex models are not used for real time control of systems because they require large computation duration. This paper presents a way to face this limitation. A global distributed parameter model of a water/water refrigerating unit is described. A reduced model is proposed and consists in a reduced number of ordinary differential equations directly usable for the simulation of the system. In particular the explicit form of the equations shows that the main dynamic characteristic of the two-phase region in the evaporator should be described with a mass balance, which is fundamental for the control of the superheat and, consequently, for the control of the whole system. The reduction procedure is presented as well as the way to apply it for the control of the loop. The complete and the reduced models are compared to experimental values and the improvement of this control algorithm on the energy performances of the installation is discussed.; Bien que l'on dispose de nombreuses connaissances sur la physique des phénomènes intervenant dans le cycle à compression de vapeur, une intégration efficace de ces connaissances dans la démarche de synthèse de contrôleur reste difficile. La description locale des phénomènes physiques mène en effet à des modèles à paramètres distribués des échangeurs, couplés entre eux par les modèles des autres composants de l'installation. Nous proposons dans ce travail une solution possible à cette problématique passant par une approche "réduction de modèle" en choisissant à priori une approche physique plus adaptée au génie des procédés. Le modèle réduit ainsi obtenu est composé d'un nombre réduit d'équations différentielles ordinaires permettant l'utilisation directe en synthèse de contrôleurs, une simulation rapide et une interprétation facilitée des phénomènes physiques. Ce modèle a permis d'obtenir les informations essentielles sur le comportement dynamique et statique du cycle à compression de vapeur. La simplification de la structure du modèle et la formulation explicite des équations a notamment permis une interprétation des sources de non-linéarité du comportement. Une structure de commande basée sur un algorithme de commande prédictive non linéaire est également proposée.

Extensive use of refrigerants is known as a polluting factor for environment because of its impact on the ozone layer and of its greenhouse effect. So nowadays, many researches are led in order to reduce the refrigerant charge in refrigerating systems. One of those research ways is the use of small channel heat exchangers that contain less refrigerant than usual ones. Therefore, a test facility was designed and achieved. It integrates an air conditioning small channel condenser (1,34 mm hydraulic diameter) with cross-flow technology. The measurement device allows to establish accurate power balances and to visualize thermal condensation profiles thanks to an infra-red camera and a thermocouple net disposed on the condenser fins. A great heterogeneity was noticed in the refrigerant flow distribution through the small channels. Based on a rapid bibliographical work of some of the most important recent studies, a numerical model was performed to simulate the small channel condenser performances, using various correlations developed for traditional large tubes as well as specific correlations for small channel tubes. The numerical results are compared with experimental data obtained for several flow regimes. The results show that the thermal performances can be simulated in a very satisfactory way using the available correlations, although none of them was initially obtained for R404A condensation in small channels.; L'ample utilisation des fluides frigorigènes est reconnue comme l'un des facteurs polluants pour l'environnement en raison de son impact sur la couche d'ozone et de son effet de serre. Ainsi, beaucoup d'études sont conduites dans le but de réduire la masse de frigorigène dans les systèmes frigorifiques. L'un de ces axes de recherche est l'utilisation d'échangeurs à mini-canaux qui contiennent beaucoup moins de frigorigène que les échangeurs usuels. Un dispositif expérimental a été conçu et réalisé dans ce but. Il comprend un condenseur de climatisation automobile ; il s'agit d'un échangeur à mini-canaux (diamètre hydraulique 1,34mm) à courants croisés de frigorigène R404A et d'air. Le système de mesure permet d'établir des bilans énergétiques précis et permet également de visualiser des profils thermiques de condensation grâce à une caméra infra-rouge et à un réseau de thermocouples disposés entre les ailettes du condenseur (en contact avec les mini-canaux). Une importante hétérogénéité a été observée dans la distribution entre les différentes réglettes de mini-canaux en parallèle au sein d'une même passe. Basé sur une rapide revue bibliographique de quelques travaux récents les plus marquants, un modèle numérique a été développé pour simuler les performances thermiques d'un condenseur à mini-canaux, en utilisant différentes corrélations soit développées pour les tubes larges, soit développées spécifiquement pour les mini-canaux. Les résultats numériques sont comparés avec les données expérimentales obtenues pour plusieurs régimes de fonctionnement. Les résultats montrent que les performances thermiques peuvent être simulées de manière très satisfaisante en s'appuyant sur les corrélations disponibles dans la littérature, bien qu'aucune n'ait encore été obtenue pour la condensation du R404A dans des mini-canaux.

[Departement_IRSTEA]GEAPA [TR1_IRSTEA]42 - ALITECH / ENERFRI; National audience; This article presents a project carried out jointly by the Cemagref and the CEA-GRETh about the design of refrigerating systems at reduced refrigerant load for small plants of the food cold chain. We intend to implement the compact heat exchangers small channel technology. The refrigerant load reduction that it allows will be associated with a good energy efficiency of the whole system, in order to minimise the total environmental impact in Tewi terms.; Cet article présente un projet conduit conjointement par le Cemagref et par le CEA-GRETh sur la conception d'installations frigorifiques à charge réduite pour le secteur du "petit" agroalimentaire. L'objectif est de mettre en oeuvre la technologie des échangeurs compacts à canaux de faible dimension. Il s'agit ainsi d'associer la réduction de la charge en frigorigène à une bonne efficacité énergétique de l'ensemble de l'installation. Cette approche permet de minimiser l'impact environnemental global en termes de Tewi.

International audience; Control of food processes inving vapour compression cycles as actuators is often a difficult task : indeed this particular device is itself a complex process including coupled unit operations as evaporation, compression, condensation and expansion. Nevertheless, an accurate control of heat transfer rate is often essential for global quality of product and stability of flow in exchangers. Moreover a number of vapour compression systems are already equipped with variable speed-compressors and fans. However, due to lack of knowledge about the dynamic behaviour of these systems, the industry has not taken full advantage of these variable devices to get substantial control performance improvement. This paper presents a lumped-parameter model for describing the dynamics of vapour compression cycles. Based on moving-boundary approach for the description of two-phase/single phase interface inside the heat exchangers, this low-order model composed of only ordinary differential equations can be highly used for design of control strategies. This model has been validated on an experimental device and a good agreement between measurements and computed data has been found. Use of this model in food process control design is discussed.; Le contrôle d'un procédé alimentaire mettant en oeuvre un cycle à compression de vapeur en tant qu'actionneur est souvent une tâche difficile : en effet ce système est lui-même un procédé complexe incluant des opérations unitaires telles que l'évaporation, la compression, la condensation et la détente. Pourtant, un contrôle précis du transfert de chaleur est souvent essentiel pour la qualité globale du produit et la stabilité de l'écoulement dans les échangeurs. De plus, de nombreux systèmes à compression de vapeur sont d'ores et déjà équipés de compresseurs et ventilateurs à vitesse variable. Cependant, probablement du fait du manque de connaissance sur le comportement dynamique de ces systèmes, l'industrie exploite peu le potentiel de ces appareils à vitesse variable pour améliorer de manière significative les performances par le contrôle commande. Ce papier présente un modèle décrivant le comportement dynamique des cycles à compression de vapeur. Basé sur une approche à frontière mobile pour la description de l'interface diphasique-monophasique à l'intérieur des échangeurs, ce modèle d'ordre réduit composé uniquement d'équations différentielles ordinaires peut être d'une grande utilité pour la conception de stratégies de contrôle. Ce modèle a été validé sur un dispositif expérimental et un bon accord entre les mesures et les données calculées a été constaté. L'usage de ce modèle dans la conception de contrôleurs en agroalimentaire est également discuté.

Cet article présente l'étude expérimentale d'un condenseur à mini-canaux (Dh=1,35mm) au R404A ainsi que la modélisation thermique et hydraulique de cet échangeur. Les résultats montrent que les performances thermiques peuvent être simulées de manière satisfaisante en s'appuyant sur les corrélations disponibles dans la littérature. Les pertes de charges entrée-sortie échangeur mesurées ont été comparées aux calculs. Une bonne adéquation a également été constatée.

Although the knowledge of the governing physical phenomena could be used for an efficient design of controllers, this remains difficult. Indeed, local description of the physical phenomena leads to distributed parameters models of the exchangers coupled with other components of the refrigerating machine. We propose in this work a possible answer to this problem with a "model reduction" approach based on a physical analysis, more adapted to processes engineering. Final reduced model is composed of limited number of ordinary differential equations allowing to be used directly in controllers design. Such a reduced model allows a fast simulation and a facilitated understanding of physical phenomena. The explicit form of the equation shows that the main dynamic phenomenon characterizing variations in the two phase length of the evaporator can be described mainly by the mass balance. A behavior with non-minimum of phase of evaporator superheat was also highlighted and constitutes an essential information for the synthesis of regulators. An application to control shows t he ability of this kind of model to deliver essential information on the dynamic and static behavior of the vapor compression cycle. The simpler structure of the model and the explicit formulation of the equations allow an interpretation of the sources of non-linearity of the behavior and instability observed of evaporator superheat under certain conditions. Recommendations are thus made for the synthesis of controllers. A hierarchical structure of controllers, based on a principle of predictive nonlinear control coupling energy optimization of the system and regulation of the fast dynamics is also proposed. This allows an optimal determination of the trajectories of the process with a criterion combining control of the refrigerating power and minimization of electric consumption.; Bien que l'on dispose de nombreuses connaissances sur la physique des phénomènes intervenant dans le cycle à compression de vapeur, une intégration efficace de ces connaissances dans la démarche de synthèse de contrôleur reste difficile. La description locale des phénomènes physiques mène en effet à des modèles à paramètres distribués des échangeurs, couplés entre eux par les modèles des autres composants de l'installation. Nous proposons dans ce travail une solution possible à cette problématique passant par une approche "réduction de modèle" en choisissant à priori une approche physique plus adaptée au génie des procédés. Le modèle réduit ainsi obtenu est composé d'un nombre réduit d'équations différentielles ordinaires permettant l'utilisation directe en synthèse de contrôleurs, une simulation rapide et une interprétation facilitée des phénomènes physiques. La forme explicite des équations permet notament de montrer que le phénomène dynamique principal caractérisant la variation de la longueur diphasique de l'évaporateur peut être décrit en grande partie par le bilan de masse. Une application au contrôle-commande permet de montrer l'aptitude de ce type de modèle à fournir les informations essentielles sur le comportement dynamique et statique du cycle à compression de vapeur. La simplification de la structure du modèle et la formulation explicite des équations permettent une interprétation des sources de non-linéarité du comportement et de l'instabilité observée de la surchauffe dans certaines conditions. Des recommandations sont ainsi formulées pour la synthèse de contrôleurs. Une structure de commande hiérarchisée, basée sur un algorithme de commande prédictive non linéaire couplant optimisation énergétique du système et régulation des dynamiques rapides est également proposée.

It consists in characterising in an experimental way the rheologic evolution of starch suspensions during gelatinisation in conditions that are closed of a sterilization type process.; Il s'agit d'effectuer une caractérisation expérimentale du comportement rhéologique évolutif de suspensions d'amidon au cours de la gélatinisation dans des conditions proches d'un procédé de type stérilisation (température élevée, cinétique de température rapide, cisaillement élevé).

In the future, refrigeration and air-conditioning professionals will face the following challenges : adapting replacement refrigerants, improving containment, reducing refrigerant fluid charge, achieving better energy efficiency, increasing reliability and reducing costs. So more compact and lighter heat exchangers have been developed and have led to real gains in terms of cost, efficiency and charge. Among compact heat exchangers, we focus in this paper on the minichannel technology (hydraulic diameter < 3mm) that seems able to reduce the total system charge about 30% to 60% compared to conventional exchangers. This paper presents simulation results of refrigerant fluid charge and pressure drop within minichannels evaporators for both refrigerants R134a and CO². Different minichannel evaporators are studied with three usual inner-diameter 0.8, 1.7 and 2.7 mm. The importance of selecting appropriate void fraction and pressure drop correlations is discussed. This study is carried out on an evaporator of typical air conditioning car system with 5 kW refrigerating power at a 5°C saturation temperature.

In order to build a controller for fast and highly coupled refrigeration processes, a vapour compression cycle model has been developed and validated by experiments on a laboratory plant. Based on mass and energy conservation equations and integrated by finite volume, this model showed a good agreement between measured and simulated data. A model reduction approach to obtain a non-linear differential equation model has been performed. This approach, compared with a linearized model reduction allowed a better understanding of physical phenomena, an identification of non linearity source, and an interpretation of a non-minimum phase behaviour.; Afin de développer un contrôleur pour des procédés rapides et fortement couplés à la dynamique d'une installation frigorifique, un modèle dynamique de cycle à compression de vapeur à paramètres distribués a été développé et validé expérimentalement. Basé sur les équations locales de bilans de masse et d'énergie intégrées par la méthode des volumes finis, ce modèle a été validé expérimentalement sur une installation pilote et a montré une bonne adéquation entre les résultats expérimentaux et la simulation. Une démarche de réduction de modèle visant à l'obtention d'un système non-linéaire d'équations différentielles a alors été effectuée. Cette approche, comparée à une approche par réduction du modèle linéarisé a permis une meilleure compréhension des mécanismes physiques, une localisation de la source des non-linéarités du comportement et une interprétation du comportement à non-minimum de phase du système dans certaines conditions.

National audience; This study, developed into two parts, proposes simple tools in order to estimate refrigerant load inside low pressure refrigerating loops (low pressure pipes, evaporators, receivers). In this first part, the insufficiency of homogeneous flow models to estimate load is underlined. Then, the case of low pressure pipes is discussed: load estimation is made through a judicious choice of the void fraction correlation.; Cette étude, en deux parties, se propose de donner des outils simples pour estimer la masse de frigorigène présente dans les boucles frigorifiques basse pression (conduites basses pression, évaporateurs, bouteilles séparatrices). Dans cette première partie, on met en évidence l'insuffisance des modèles d'écoulement homogène pour l'estimation de la charge. On y traite ensuite le cas des conduites basse pression : l'estimation de la charge passe par un choix judicieux des corrélations permettant de déterminer le taux de vide.

Vapour compression cycles have been widely used for refrigeration and freezing processes in food engineering. Biological contamination, texture and visual aspect of the products depend on an efficient control of these processes. Moreover, a number of vapor compression systems are already equipped with variable-speed compressors and fans. However, to date, the industry has not taken full advantage of these variable devices to get substantial control performance improvement. For this reason, a good understanding of the dynamic behavior of a vapor compression cycle is indispensable. This paper deals with the development and validation of a dynamic model of vapour compression cycle for the purpose of designing advanced control strategy for food industrial systems. Simulation results and experimantal data are compared for transient conditions for a test refrigeration device. This model could be reduced to be used to control food chilling or freezing process.; Les cycles à compression de vapeur sont utilisés depuis de nombreuses années pour les procédés de réfrigération et de congélation. La contamination biologique, la texture et l'aspect visuel des produits dépendent d'un contrôle efficace de ces procédés. Or, de plus en plus d'installations sont équipées de compresseurs et de ventilateurs à variation de vitesse. Pourtant il semble que l'industrie n'exploite pas ou peu pour l'instant le potentiel d'amélioration général des performances de ces dispositifs. Pour cela, une bonne compréhension du comportement dynamique des installations est indispensable. Ce papier présente un modèle dynamique d'un cycle à compression de vapeur développé afin de simuler et de définir la mise en oeuvre d'algorithmes de commande avancés. Une validation du modèle est également présentée. Des résultats de simulation en régime transitoire sont présentés et sont comparés aux résultats de mesure. Ce modèle doit être réduit afin de le rendre utilisable directement dans un algorithme de contrôle commande.

National audience; This study, developed into two parts, proposes simple tools in order to estimate the refrigerant load inside low pressure refrigerating loops (low pressure pipes, evaporators, receivers). In this second part, one discusses successively the evaluation of the refrigerant load in the evaporator, and then in low pressure vessels.; Cette étude, en deux parties, se propose de donner des outils simples pour estimer la masse de frigorigène présente dans les boucles frigorifiques basse pression (conduites basse pression, évaporateurs, bouteilles séparatrices). Dans cette seconde partie, on discute successivement l'évaluation de la charge en fluide de l'évaporateur puis des bouteilles séparatrices basse pression. Pour l'évaporateur, trois méthodes sont proposées, allant du plus simple au plus compliqué, mais également du plus précis au plus juste : la première est une méthode très simple prenant en compte une valeur moyenne du rapport des vitesses liquide/vapeur, la seconde méthode est basée sur une intégration numérique le long de l'évaporateur de la corrélation de taux vide de Chisholm. Enfin, la meilleure approche reste celle basée sur l'intégration numérique de la corrélation d'Hughmark.

Vapour compression cycles have been widely used for refrigeration and freezing processes in food engineering. Biological contamination, texture and visual aspect of the products depend on an efficient control of these processes. Moreover, a number of vapour compression systems are already equipped with variable-speed compressors and fans. However, to date, industry has not taken full advantage of these variable devices to get substantial control performance improvement. For this reason, a good understanding of the dynamic behaviour of a vapour compression is indispensable. This paper deals with the development and validation of a dynamic model of vapour compression cycle for the purpose of designing advanced control strategy for food industrial systems. Mass, momentum and energy balances equation are integrated using finite volume implicit formulation. Final equations system is highly non linear and needs adequate numerical methods to be solved. This model has been validated on an experimental device and a good agreement between measurements and computed data has been found. Use of such a model for control designing is discussed.; Les cycles à compression de vapeur sont utilisés depuis de nombreuses années pour les procédés de réfrigération et de congélation. La contamination biologique, la texture et l'aspect visuel des produits dépendent d'un contrôle efficace de ces procédés. Or, de plus en plus d'installations sont équipées de compresseurs et de ventilateurs à variation de vitesse. Pourtant il semble que l'industrie n'exploite pas ou peu pour l'instant le potentiel d'amélioration général des performances de ces dispositifs. Pour celà, une bonne compréhension du comportement dynamique des installations est indispensable. Ce papier présente un modèle dynamique d'un cycle à compression de vapeur développé afin de simuler et de définir la mise en oeuvre d'algorithmes de commande avancés. Les équations de bilan de masse et d'énergie sont intégrées en utilisant la méthode des volumes finis et un schéma implicite. Le système d'équation final est un système d'équations algébriques non linéaires et est résolu par des méthodes numériques appropriées. Des résultats de simulation en régime transitoire sont présentés et sont comparés aux résultats de mesure. Ce modèle doit être réduit afin de le rendre utilisable directement dans un algorithme de contrôle commande. Ce modèle a été validé sur une installation frigorifique de laboratoire et un bon accord entre données calculées et données mesurées a pu être constaté. L'usage d'un tel modèle en contrôle commande est discuté.

National audience; By a permanent adjustment of operating conditions related to internal and external perturbations, control devices have a significant impact on energy consumptions of refrigerating systems. Cemagref and Ademe evaluate advanced control strategies as multivariable and predictive control.; Les systèmes de contrôle-commande, parce qu'ils adaptent en permanence le fonctionnement d'une installation aux contraintes internes et externes, contribuent à réduire les consommations d'électricité. Le Cemagref et l'Ademe étudient de nouveaux concepts de contrôle-commande introduisant, par exemple, la simulation du comportement à venir de l'installation et la commande de systèmes avec un temps de retard.

In many food processes, an efficient control of the refrigerating system is necessary. Indeed, financial impact of a possible deficiency of this control is quite important. Variable speed drive for pumps, compressors and fans in refrigerating systems allow nowadays implementation of modern control strategies. This paper presents a review of usual control strategies, in particular in conjunction with use of variable speed drives. It also presents actual research projects in this field and in particular first results of a Cemagref project which evaluates multivariable approach in refrigerating systems control.; Dans de nombreuses applications de l'utilisation du froid en agro-alimentaire, une régulation rapide et efficace de la production du froid est nécessaire. En effet, l'enjeu économique lié au contrôle de la qualité et de l'homogénéité du produit en sortie de procédé utilisant la réfrigération est élevé. L'introduction des variateurs de fréquence sur les pompes, ventilateurs et compresseurs des installations permet avantageusement de disposer de telles caractéristiques, sous réserve de la mise en oeuvre de techniques de régulation performantes. L'impact énergétique de ces évolutions est aussi un enjeu important : les puissances concernées de plusieurs centaines de kilowatts justifient en effet la mise en oeuvre de techniques de réduction, même sophistiquées, de la consommation électrique. Or le problème de la réduction de la consommation ne doit pas se limiter à la simple mise en oeuvre matérielle des variateurs de fréquence, mais doit également provoquer la remise en question de la stratégie globale de pilotage de l'installation. Ce papier propose de faire le point sur les techniques actuelles de pilotage utilisées jusqu'ici et en particulier sur les techniques de régulation utilisées avec les variateurs de fréquence. Il présente également différentes techniques utilisables, même si certaines sont encore au stade expérimental, telles que la commande multivariable. On présente ensuite l'état d'avancement et les premiers résultats de l'étude menée au Cemagref sur ce sujet grâce au soutien de l'ADEME et en collaboration avec la société Matal. Cette étude est divisée en deux approches distinctes : une approche en laboratoire, par l'intermédiaire d'une installation pilote permettant l'évaluation de différentes stratégies de pilotage, et une approche "sur le terrain" sur une installation industrielle déjà en service.

Until the end of 1990s, the technology of refrigeration was based on the use of halogenous hydrocarbons fluids containing chlorine. The developed installations allowed the satisfaction of users particularly in terms of reliability. Impact of these fluids on the layer of ozone however led to the use of a new kind of refrigerants whose energetic performances are generally considered to be lower. However, strict application of some rules and abandonment of "practices" can decrease the energy invoice from 10 to 20% with these same fluids. This study proposes to review the principal factors being able to lead to an energy overconsumption : difference of temperature between external fluid and refrigerating fluid ; dimensioning of the installation ; regulation parameters (superheating, subcooling, air flow rate...) ; environment in which is used the installation (temperature, moisture, frost...). An exergetic approach is used to in order to highlight the relative importance of the various factors presented above. The representation of exergetic losses on the T-s diagram is submitted too.; Jusqu'à la fin des années 1990, la technologie de production du froid s'est appuyée sur l'utilisation de fluides hydrocarbures halogénés à base de chlore. Les installations développées ont permis la satisfaction des usagers particulièrement en termes de fiabilité des installations, parfois au détriment des consommations énergétiques des installations. L'impact de ces fluides sur la couche d'ozone a cependant mené à l'utilisation d'une nouvelle famille de frigorigènes dont les performances énergétiques sont jugées le plus souvent inférieures. Pourtant l'application stricte des règles de l'art et l'abandon de "certaines habitudes" peuvent diminuer la facture énergétique de 10 à 20% avec ces mêmes fluides. Cette étude passe en revue les principaux facteurs pouvant mener à une surconsommation énergétique : les écarts de température entre fluide externe et frigorigène ; le dimensionnement de l'installation ; les paramètres de conduite (surchauffe, sous-refroidissement, débit d'air...) ; l'ambiance dans laquelle fonctionne l'installation (température, humidité, givrage...). Une approche exergétique est utilisée afin de mettre en évidence l'importance relative des différents facteurs présentés ci-dessus. La représentation des pertes exergétiques sur le diagramme T-s est également abordée.

After a short recall of the state of art about control of refrigerating systems, the article presents the principle of predictive control and benefits of this control algorithm. The interest of multivariable approach is also discussed. Impact on energy consumption by these techniques is presented with two examples. The first one shows that an optimal repartition of energy consumption between the different elements of the system (compressors, ventilators, pumps) allows a significant reduction of energy consumption. The second example insists on multivariable control and shows efficiency of this technique to control parameters like evaporator overheat.; Après un bref rappel de l'état de l'art en contrôle-commande des installations frigorifiques, l'article présente le principe du contrôle-commande prédictif et les avantages de cet algorithme de contrôle. L'intérêt d'une approche multivariable est également discuté. L'impact sur la consommation énergétique d'une mise en oeuvre de ces techniques est présentée par deux exemples. Le premier montre en particulier qu'une répartition optimale de la consommation énergétique entre les différents postes de l'installation (compresseurs, ventilateurs, pompes) peut permettre une réduction de la consommation énergétique allant jusqu'à 10%. Le second exemple insiste sur l'aspect commande multivariable et l'efficacité de cette technique pour le contrôle de paramètres tels que la surchauffe.

The present work deals with the study of the behaviour of non-azeotropic mixtures in a "flooded evaporator" cycle. Calculation of thermodynamic properties of a 3 components mixture is based on Peng Robinson EOS. This calculation method is coupled with a mathematical model designed to simulate a real industrial refrigerating plant. Refrigerant distillation is studied when using a non- azeotropic mixture in such an installation. Theoretical results obtained with a near azeotropic mixture (R404a) are compared to experimental real scale results.; Dans cet article, on présente une étude théorique du comportement des mélanges non-azéotropiques dans un cycle à recirculation. On présente un modèle mathématique simulant en régime stable une installation industrielle à recirculation utilisant le R404a comme fluide actif. Les résultats de ce modèle sont comparés à des mesures expérimentales. Les propriétés thermodynamiques du mélange sont calculées à partir de l'équation d'état de Peng-Robinson.

Modelling of complex refrigerating installations needs computer routines for calculation of thermodynamic properties of refrigerants. These routines may be based on the resolution of fundamental equations of state, but the memory size and computation time required for these routines need important computer performances. An original approach of this problem is offered by curve-fitted equations with faster execution speed. The form of fitted equations is very important and must be wide enough to enclose many types of refrigerants.This paper proposes a method based on Cleland's equations in which adjustment coefficients for main natural refrigerants are given. The method is also extended to entropy calculation, enabling modelling of complex refrigerating installations with an accuracy adequate for many practical situations.; La modélisation du fonctionnement d'installations frigorifiques complexes requiert l'utilisation de routines de calcul des propriétés thermodynamiques des frigorigènes. Ces routines peuvent s'appuyer sur la résolution des équations d'état fondamentales, mais la taille et les temps de calculs conséquents nécessitent d'importantes puissances de calcul. Une approche originale de ce problème est apportée par l'ajustement d'équations d'exécution plus rapide. La forme des équations retenues est importante, dans la mesure où elles doivent être applicables à de nombreux fluides. Cet article propose une méthode basée sur les équations de Cleland, pour lesquelles les coefficients d'ajustements des principaux fluides naturels sont établis. Cette méthode est également étendue au calcul de l'entropie, permettant la modélisation d'installations frigorifiques complexes avec une précision compatible avec de nombreux cas pratiques.

Regulations about ozone depletion compel to substitute other refrigerants for HCFC22 before 2014. The majority of available fluids are non azeotropic blends. This characteristic is not totally controlled by constructors and users. This paper deals with the modelling of the behaviour of a non azeotropic blend in a refrigerating plant using bottles and flooded systems. Distillation of blend between high pressure and low pressure circuits is evaluated, as well as the impact of this distillation on the performances of the installation. Calculation methods are validated with an in situ experimentation on an industrial installation with flooded evaporator working with R404A. For poor glides (about 1K, as for R404A), components distillation calculation is possible, but its influence on performances calculation is not significant (less than 1% on refrigerating capacity). For significant glides (around 3K in this study), components separation may lead to design errors. Generalization of effect of blend distillation is still difficult and has to be studied in every new situation.; En raison de son action sur la couche d'ozone, le HCFC 22 doit être remplacé par d'autres fluides frigorigènes d'ici 2014. Les fluides proposés pour ce remplacement sont dans la quasi-totalité des cas des mélanges de fluides purs dont le caractère zéotropique inquiète les professionnels du froid. Cet article traite de la modélisation du comportement d'un fluide zéotrope dans une application de froid basée sur une architecture à bouteille. La distillation du fluide entre les circuits haute pression et basses pression est évaluée, ainsi que son incidence sur les performances de l'installation. Une campagne expérimentale réalisée sur une installation industrielle à recirculation utilisant du R404A a permis de valider les modèles proposés.Cette étude indique que, pour des fluides de faible zéotropie, la prise en compte de la distillation est possible mais que son influence sur les performances et/ou le dimensionnement de l'installation est négligeable (inférieure à 1%). Par contre, pour des écarts de distillation plus importants (à partir de 3K dans cette étude), l'effet de la séparation des constituants peut amener des erreurs de dimensionnement notoires. La généralisation de l'effet de la distillation du fluide reste cependant difficile et reste à étudier au cas par cas.

National audience; Regulations about ozone depletion compel to substitute other refrigerants for HCFC22 before 2014. The majority of available fluids are non azeotropic blends. This characteristic is not totally controlled by constructors and users. This paper deals with the modelling of the behaviour of a non azeotropic blend in a refrigerating plant using bottles and flooded systems. Distillation of blend between high pressure and low pressure circuits is evaluated, as well as the impact of this distillation on the performances of the installation. Calculation methods are validated with an in situ experimentation on an industrial installation with flooded evaporator working with R404A. For poor glides (about 1K, as for R404A), components distillation calculation is possible, but its influence on performances calculation is not significant (less than 1% on refrigerating capacity). For significant glides (around 3K in this study), components separation may lead to design errors. Generalization of effect of blend distillation is still difficult and has to be studied in every new situation.; En raison de son action sur la couche d'ozone, le HCFC 22 doit être remplacé par d'autres fluides frigorigènes d'ici 2014. Les fluides proposés pour ce remplacement sont dans la quasi-totalité des cas des mélanges de fluides purs dont le caractère zéotropique inquiète les professionnels du froid. Cet article traite de la modélisation du comportement d'un fluide zéotrope dans une application de froid basée sur une architecture à bouteille. La distillation du fluide entre les circuits haute pression et basses pression est évaluée, ainsi que son incidence sur les performances de l'installation. Une campagne expérimentale réalisée sur une installation industrielle à recirculation utilisant du R404A a permis de valider les modèles proposés.Cette étude indique que, pour des fluides de faible zéotropie, la prise en compte de la distillation est possible mais que son influence sur les performances et/ou le dimensionnement de l'installation est négligeable (inférieure à 1%). Par contre, pour des écarts de distillation plus importants (à partir de 3K dans cette étude), l'effet de la séparation des constituants peut amener des erreurs de dimensionnement notoires. La généralisation de l'effet de la distillation du fluide reste cependant difficile et reste à étudier au cas par cas.