Qu'est-ce qu'une chambre froide ?
Les chambres froides servent à ralentir la détérioration des produits périssables comme les fruits, les légumes et la viande, et à les conserver frais le plus longtemps possible. La chaleur accélère le vieillissement. C'est pourquoi les chambres froides évacuent la chaleur ambiante, permettant ainsi aux produits de refroidir.
Pour éliminer la chaleur ambiante et garantir la conservation des produits stockés le plus longtemps possible, des systèmes de refroidissement permettant un contrôle précis et automatique de la température sont nécessaires.
Pour évacuer la chaleur ambiante et obtenir un refroidissement adéquat, il est nécessaire de calculer la charge frigorifique. Celle-ci varie tout au long de la journée en fonction des produits stockés, de l'emplacement de l'entrepôt et de son utilisation. C'est pourquoi, dans la plupart des cas, on calcule la charge frigorifique moyenne et la puissance frigorifique du système à installer est déterminée en conséquence.
Sources de chaleur pour chambres froides
Dans les chambres froides, les gains de chaleur proviennent généralement de la conduction et représentent 5 à 15 % des pertes thermiques. Cela signifie que l'énergie thermique pénètre dans la chambre froide par le toit, les murs et le sol de l'entrepôt.
La chaleur se propage toujours du chaud vers le froid. L'intérieur d'une pièce froide étant beaucoup plus froid que l'environnement extérieur, la chaleur cherche constamment à y pénétrer en raison de cette différence de température. Si la pièce froide est exposée à la lumière directe du soleil, le transfert de chaleur sera encore plus important.
Un autre facteur influant sur la charge de refroidissement est la charge thermique des produits stockés en entrepôt. Cette charge représente 55 à 75 % du gain thermique total. De plus, si le produit est soumis à une seconde congélation, à une congélation supplémentaire ou à un processus de post-refroidissement après refroidissement, cela engendrera également une charge de refroidissement supplémentaire.
Lors du calcul du gain de chaleur, il faut également tenir compte de l'emballage, car celui-ci sera lui aussi soumis à un refroidissement dans l'entrepôt.
De plus, si l'on souhaite refroidir des fruits et légumes, il faut tenir compte de l'apport de chaleur de ces produits, car ce sont des êtres vivants qui produisent de la chaleur dans l'environnement par respiration.
Il convient ensuite de prendre en compte la charge thermique interne, qui représente environ 10 à 20 %. Celle-ci inclut la chaleur dégagée par le personnel travaillant dans la chambre froide, ainsi que la chaleur provenant des équipements tels que les chariots élévateurs et l'éclairage. Par conséquent, des facteurs comme le type d'équipement utilisé pour le chargement et le déchargement des produits, le nombre d'employés de l'entrepôt et le temps consacré à ces opérations doivent être intégrés au calcul de l'apport thermique.
De plus, il faut tenir compte du système de refroidissement de la pièce, qui représente environ 1 à 10 % de la charge de refroidissement totale. Cela implique de connaître la température du moteur du ventilateur et sa durée de fonctionnement quotidienne approximative, ainsi que de prendre en compte la chaleur dégagée par l'évaporateur lors du dégivrage.
Le dernier facteur à prendre en compte est l'infiltration d'air dans la chambre froide, qui représente entre 1 et 10 % des besoins en refroidissement. Ce phénomène se produit à l'ouverture de la porte. La ventilation est également un élément important. Les fruits et légumes dégageant du dioxyde de carbone, certains entrepôts nécessitent l'utilisation de ventilateurs. Cet air devant lui aussi être refroidi, il doit être intégré au calcul des apports thermiques.
Exemple de calcul de la charge de refroidissement
Prenons un exemple simplifié de calcul de la charge de refroidissement pour une chambre froide :
calcul de la charge de transmission
Les dimensions de notre chambre froide sont de 6 m de long, 5 m de large et 4 m de haut.
Air ambiant (lieu où se trouve l'entrepôt) 30°C avec 50% d'humidité relative, Air intérieur (conditions d'air souhaitées à l'intérieur de l'entrepôt) 1°C avec 95% d'humidité relative.
Les murs, le toit et les sols sont isolés avec 80 mm de polyuréthane avec une valeur U de 0,28 W/m2.K.
La température du sol est de 10°C.
Pour calculer la charge de transmission, nous utiliserons la formule suivante :
Q = U x A x (Température extérieure – Température intérieure) x 24 ÷ 1000
Q = kWh / g de charge thermique
U = valeur d'isolation U (nous connaissons déjà cette valeur) (W / m2.K)
A = Surface des murs, du toit et du sol (nous allons la calculer) (m2)
Température intérieure = Température de l'air à l'intérieur de la pièce (°C)
Température extérieure = Température ambiante extérieure (°C)
24 = Nombre d'heures dans une journée
1000 = Conversion de watts en kW.
Calculer « A » est assez facile :
Mur = 6 m x 4 m = 24 m²
Mur = 6 m x 4 m = 24 m²
Mur = 5 m x 4 m = 20 m²
Mur = 5 m x 4 m = 20 m²
Toiture = 5 m x 6 m = 30 m²
Surface au sol = 5 m x 6 m = 30 m²
Il faut calculer le sol séparément des murs et du plafond, car la différence de température est différente sous le sol, donc le transfert de chaleur sera également différent.
Murs et toit
Q = U x A x (Température extérieure – Température intérieure) x 24 ÷ 1000
Q = 0,28 W / m2.K x 148 m2 x (30 °C – 1 °C) x 24 ÷ 1000
Q = 28,8 kWh/jour
[148m2 = 24m2 + 24m2 + 20m2 + 20m2 + 30m2 + 30m2]
Sol
Q = U x A x (Température extérieure – Température intérieure) x 24 ÷ 1000
Q = 0,28 W / m2.K x 30 m2 x (10 °C – 1 °C) x 24 ÷ 1000
Q = 1,8 kWh/jour
Gain de chaleur total quotidien pour la transmission = 28,8 kWh/jour + 1,8 kWh/jour = 30,6 kWh/jour
Chargement du produit – Calcul de la charge de refroidissement à partir du changement de produit
Dans l'étape suivante, nous calculerons la charge de refroidissement en fonction de la chaleur dégagée par le changement de produit arrivant dans la chambre froide.
Dans cet exemple, nous allons stocker des pommes. Si vous prévoyez de réfrigérer, congeler ou de refroidir ultérieurement les produits, vous devrez calculer séparément leur gain de chaleur. Ici, nous procédons uniquement à une réfrigération.
Chaque jour, 4 000 kg de pommes neuves arrivent à l'entrepôt à une température de 5 °C et une capacité thermique de 3,65 kJ/kg.
Pour ce calcul, nous pouvons utiliser la formule suivante :
Q = mx Cp x (Température d'entrée du produit – Température à l'intérieur de l'entrepôt) / 3600
Q = kWh / jour
CP = Capacité thermique massique du produit (kJ/kg.°C)
m = Masse des produits nouvellement ajoutés (kg)
Température d'entrée du produit = Température d'entrée du produit (°C)
Température à l'intérieur de l'entrepôt = Température à l'intérieur de l'entrepôt (°C)
3600 = conversion de kJ en kWh
Calcul
Q = mx Cp x (Température d'entrée du produit – Température à l'intérieur de l'entrepôt) / 3600
Q = 4 000 kg x 3,65 kJ / kg°C x (5°C – 1°C) / 3600
Q = 16 kWh/jour
Calcul de la charge de refroidissement à partir de la respiration du produit
L'étape suivante consiste à calculer la charge de refroidissement due à la respiration du produit. Dans cet exemple, nous utiliserons une chaleur moyenne de respiration du produit de 1,9 kJ/kg par jour, sachant que ce taux varie en fonction du temps et de la température. Cette charge de refroidissement n'étant pas considérée comme critique dans cet exemple, nous utiliserons une valeur unique afin de simplifier le calcul. Nous stockons ici 20 000 kg de pommes.
Pour calculer cela, nous utiliserons la formule suivante :
Q = mx resp / 3600
Q = kWh / jour
m = Quantité de produit en stock (kg)
resp = chaleur de respiration du produit (1,9 kJ / kg)
3600 = convertit les kJ en kWh.
Q = mx resp / 3600
Q = 20 000 kg x 1,9 kJ/kg / 3 600
Q = 10,5 kWh/jour
Ainsi, lorsque nous calculons la charge de refroidissement due au nouveau produit entrant dans l'entrepôt et la charge de refroidissement due à la respiration du produit, nous obtenons une charge de refroidissement totale de 26,5 kWh/jour.
Calcul des charges thermiques internes et des besoins en refroidissement en fonction des personnes
Dans l'étape suivante, nous calculerons la charge thermique générée par les personnes travaillant dans l'entrepôt. En supposant que deux personnes travaillent quatre heures par jour dans la chambre froide, nous pouvons estimer qu'elles produisent 270 watts de chaleur par heure.
Nous utiliserons la formule suivante :
Q = nombre de travailleurs x temps x chaleur / 1000
Q = kWh / jour
Nombre d'employés = Nombre de personnes travaillant dans l'entrepôt
Temps = Durée de présence dans l'entrepôt par personne (heures)
Chaleur = Perte de chaleur par personne et par heure (Watt)
1000 = Convertit simplement les watts en kW
Calcul:
Q = nombre de travailleurs x temps x chaleur / 1000
Q = 2 x 4 heures x 270 watts / 1000
Q = 2,16 kWh/jour
Charge thermique interne – Calcul de la charge de refroidissement à partir de l'éclairage
L'étape suivante consiste à calculer la chaleur dégagée par l'éclairage. C'est assez simple et nous pouvons utiliser la formule ci-dessous.
Q = lampe x temps x watts / 1000
Q = kWh / jour,
Lampes = nombre de lampes dans la chambre froide
Heures = heures d'utilisation par jour
Watt = puissance nominale des lampes
1000 = Convertit les watts en kW.
Si l'on dispose de 3 lampes de 100 W chacune, fonctionnant 4 heures par jour, le calcul serait le suivant :
Q = lampe x temps x watts / 1000
Q = 3 x 4 heures x 100 W / 1000
Q = 1,2 kWh/jour
Charge interne totale : Charge thermique due aux personnes (2,16 kWh/jour) et charge thermique due à l'éclairage (1,2 kWh/jour), nous obtenons une valeur totale de 3,36 kWh/jour.
Charge des équipements – Calcul de la charge de refroidissement des moteurs de ventilateurs
Calculons maintenant le gain de chaleur provenant des moteurs des ventilateurs de l'évaporateur.
Q = nombre de ventilateurs x temps x watts / 1000
Q = kWh/jour
Fans = Nombre de fans
Durée = Durée de fonctionnement quotidienne du ventilateur (heures)
Watt = Puissance nominale des moteurs de ventilateur (Watt)
1000 = Convertir de Watt en kW.
Cet évaporateur pour chambre froide utilise 3 ventilateurs, chacun d'une puissance de 200 W, et nous supposons qu'ils fonctionneront 14 heures par jour.
Calcul:
Q = nombre de ventilateurs x temps x watts / 1000
Q = 3 x 14 heures x 200 W / 1000
Q = 8,4 kWh/jour
Charge des équipements – Calcul de la charge de refroidissement due au dégivrage du moteur du ventilateur
Nous allons maintenant calculer la charge thermique due au dégivrage de l'évaporateur. Pour ce faire, nous utilisons la formule suivante :
Q = puissance x temps x cycle de dégivrage x rendement
Q = kWh / jour,
Puissance = Puissance nominale de l'élément chauffant (kW)
Temps = Durée de fonctionnement du dégivrage (heures)
Cycle de dégivrage = Nombre de fois par jour où le cycle de dégivrage se produit
Efficacité = Pourcentage de chaleur transférée à l'environnement
Dans cet exemple, notre chambre froide utilise un élément chauffant électrique de 1,2 kW. Il fonctionne pendant 30 minutes, trois fois par jour, et 30 % de l'énergie qu'il consomme est transférée à la chambre froide.
Q = 1,2 kW x 0,5 h x 3 x 0,3
Q = 0,54 kWh/jour
La charge thermique totale de l'équipement est la charge thermique du ventilateur (8,4 kWh/jour) plus la charge thermique du dégivrage (0,54 kWh/jour), soit 8,94 kWh/jour.
Calcul de la charge de refroidissement à partir de l'infiltration
Il nous faut maintenant calculer la charge thermique due à l'infiltration d'air. À l'aide d'une formule simplifiée :
Q = volume x énergie x variation x (Température extérieure – Température intérieure) / 3600
Q = kWh / j
Variation = Nombre de variations de volume au cours de la journée
Volume = Volume de stockage frigorifique
Énergie = énergie par mètre cube de degrés Celsius
Température extérieure = Température de l'air extérieur
Température interne = Température de la chambre froide
3600 = convertit simplement de kJ en kWh.
Si l'on suppose que la porte générera 5 volumes d'échange d'air par jour en raison de l'entrée et de la sortie des produits dans l'entrepôt, le volume est calculé à 120 m3, chaque mètre cube d'air neuf représente 2 kJ/°C, l'air extérieur est à 30 °C et l'air à l'intérieur de l'entrepôt est à 1 °C.
Q = variation x volume x énergie x (Température extérieure – Température intérieure) / 3600
Q = 5 x 120 m3 x 2 kJ /°C x (30 °C – 1 °C) / 3600
Q = 9,67 kWh/jour
Charge de refroidissement totale
Pour calculer la charge de refroidissement totale, il suffit d'additionner toutes les valeurs calculées.
Charge de transmission : 28,8 kWh/jour
Chargement du produit : 26,5 kWh/jour
Consommation interne : 3,36 kWh/jour
Consommation des équipements : 8,94 kWh/jour
Consommation d'énergie résiduelle : 9,67 kWh/jour
Total = 77,27 kWh/jour
Facteur de sécurité
Pour tenir compte des erreurs et variations de conception, il convient d'appliquer un coefficient de sécurité au calcul. Une marge de 10 % à 30 % peut être ajoutée à cet effet.
Prenons un coefficient de sécurité de 20 % dans cet exemple. Par conséquent, en multipliant la charge de refroidissement par un coefficient de sécurité de 1,2, on obtient une charge de refroidissement totale de 92,7 kWh/jour.
Calcul de la capacité de refroidissement
La dernière étape consiste à calculer la puissance frigorifique nécessaire pour évacuer cet apport de chaleur de l'environnement. Pour ce faire, divisez la charge frigorifique totale calculée par 14, en supposant que l'appareil fonctionne 14 heures par jour. La puissance requise pour notre unité de refroidissement est donc de 92,7/14 = 6,6 kW.
K : Stockage et préparation des produits horticoles pour le marché « Somtad Publications Textbook No:1 » préparé par Prof. Dr. Rahmi TURK, Prof. Dr. Nurdan TUNA GUNES, Prof. Dr. Mustafa ERKAN, Prof. Dr. Mehmet Ali KOYUNCU / 2017
