Pompe À Chaleur [PDF]

Zitiervorschau

TP no 5 : Pompe à chaleur Sommaire

1 Pages

Introduction

02

I – Le but de l’expérience

02

II – La partie théorique

02

1 – Théorie

02

2 – Principes et définitions

03

Réfrigérateur

03

Coefficient de performance d’un réfrigérateur

03

Pompe à chaleur

03

Pompe à chaleur géothermique

04

Fonctionnement d’une pompe à chaleur et réfrigérateur

04

Coefficient de performance d’une PAC

04

Fluide frigorifique (réfrigérant)

04

III – Manipulation 1 – Matériel et substance utilisés

05 05

Compresseur

05

Evaporateur

05

Condenseur

05

Voyant liquide

05

Appareil de mesure pour travail + puissance

06

Détendeur

06

Fréon

06

2 – Installation de l’équipement

07

3 – Prise des mesures

09

IV – Les applications Analyses V – La conclusion Bibliographie

09 10 11 11

TP no 5 : Pompe à chaleur

2

Pompe à chaleur Introduction Chaque jour, notre planète reçoit une grande quantité d’énergie en provenance du soleil de la pluie du vent… Celle-ci est absorbée et stockée par l’atmosphère, les océans et le sol. Grâce à un dispositif thermodynamique il est possible de récupérer cette énergie gratuite et renouvelable et s’en servir pour le chauffage de nos locaux : c’est la « pompe à chaleur » (PAC). Accessible partout cette technologie alternative de chauffage est en forte croissance. Différents appareils utilisent le principe de pompe à chaleur pour leur fonctionnement : le réfrigérateur ou le climatiseur par exemple sont des pompes à chaleur. La pompe à chaleur est aussi utilisée dans le cadre de la thermique du bâtiment pour le chauffage de ceux-ci.

I – Le but de l’expérience Cette séance de travaux pratiques est pour but de : 1- Mesurer les pressions et les températures dans le circuit du fréon et dans récipients de l’eau ou le condenseur et de l’évaporateur. 2- Mesurer du travail idéal absorbé par la pompe à chaleur.

II – La partie théorique 1 – Théorie Le réfrigérateur fonctionne entre des températures TF et TH qui ne restent pas constantes, le régime n’est pas totalement établi dans la machine. Le système ne décrit pas rigoureusement un cycle thermodynamique on fera néanmoins cette approximation pour la machine idéale (réversible) avec l’approximation du régime permanent on peut écrire : 1er principe : 𝛥(𝑀𝑆 ) = 𝑄𝐻 + 𝑄𝐹 +𝑊𝑖𝑑 ≃ 0 2éme principe : 𝛥(𝑀𝑆 ) =∫

𝛿𝑄𝐻 𝑇𝐻

+∫

𝛿𝑄𝐹 𝑇𝐹

≃0

• La chaleur QH rejetée dans un milieu de masse MH et de capacité calorifique CpH • La chaleur QH est extraite d’un milieu de masse MF et de capacité calorifique CPf. on a donc :

𝛿QH=-(MCP)H dTH

𝛿QF=-(MCP)F dtF

TP no 5 : Pompe à chaleur

3

Par conséquent : 𝑇𝐻 𝛿𝑄𝐻

∫𝑇

0

𝑇𝐻

= −(𝑀𝑐𝑝 )𝐻 ln

𝑇𝐻

Et

𝑇0

𝑇𝐹 𝛿𝑄𝐹

∫𝑇

0

= −(𝑀𝑐𝑝 )𝐹 𝑙𝑛

𝑇𝐹

𝑇𝐹 𝑇0

On a la même quantité d’eau dans les deux récipients :

(MCP)F =(MCP)H=MCP

Les bilans deviennent :

𝑀𝑐𝑝 (𝑇0 -𝑇𝐻 ) + 𝑀𝑐𝑝 (𝑇0 -𝑇𝐹 ) + 𝑊𝑖𝑑 = 0 Et

𝑙𝑛

𝑇0 𝑇𝐹

+𝑙𝑛

𝑇0 𝑇𝐻

=0

De ces deux équations on a abouti à :

𝑇𝐻 =

1 𝑇𝐹

𝑇0 2

𝑇0 2

𝑊𝑖𝑑 = 𝑀𝑐𝑝 (

𝑇𝐹

+ 𝑇𝐹 -2𝑇0 )

2 – Principes et définitions Réfrigérateur Transmettre de la chaleur d’un milieu à basse température vers un milieu à haute température ne peut se faire qu’au moyen d’une machine appelée « réfrigérateur » qui est un dispositif cyclique qui fonctionne avec un fluide appelé « réfrigérant ». Il est conçu pour extraire une quantité de chaleur Q du milieu à refroidir.

Coefficient de performance d’un réfrigérateur Le rendement d’un réfrigérateur est décrit à l’aide d’un coefficient de performance COPR alors :

𝐶𝑂𝑃 =

𝐶ℎ𝑎𝑙𝑒𝑢𝑟 𝑒𝑥𝑡𝑟𝑎𝑖𝑡𝑒 𝑄𝐿 = 𝑇𝑟𝑎𝑣𝑎𝑖𝑙 𝑟𝑒𝑞𝑢𝑖𝑠 𝑊𝑛𝑒𝑡

Pompe à chaleur Une pompe à chaleur (PAC) est un dispositif thermodynamique permettant de transférer la chaleur du milieu le plus froid (et donc le refroidir encore) vers le milieu le plus chaud (et donc de le chauffer), alors que, naturellement, la chaleur se diffuse du plus chaud vers le plus froid jusqu'à l'égalité des températures. On parle de cycle frigorifique pour désigner ce cycle thermodynamique.

TP no 5 : Pompe à chaleur

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Pompe à chaleur géothermique Les PAC utilisant la chaleur du sol sont appelées pompe à chaleur géothermique. Cette appellation peut prêter à confusion avec le chauffage urbain géothermique qui utilise la chaleur à haute température du sous-sol profond, mais c'est un système très différent. Le capteur de sol est constitué d'un circuit dans lequel circule du fluide frigorigène ou de l'eau glycol enterré en moyenne à soixante-dix centimètres de profondeur, en général sous un jardin. Ces systèmes sont utilisés pour transférer de l'énergie du sol vers une habitation, pour les besoins en chauffage l'hiver

Fonctionnement d’une pompe à chaleur et réfrigérateur La pompe à chaleur (PAC) est un équipement de chauffage qui transfère la chaleur d’un milieu froid (source de calories) à un endroit chaud (pièce à chauffer). Plus exactement comme suit : • La chaleur prélevée dans le milieu naturel est captée par le fluide caloporteur au niveau de l’évaporateur. • Le fluide change d’état et se transforme en vapeur. • Le compresseur comprime cette vapeur, augmentant ainsi sa température. • Au niveau du condenseur, la vapeur, en se condensant, transmet sa chaleur au milieu à chauffer. La température du fluide s’abaisse alors dans le détendeur, le rendant prêt pour un nouveau cycle. Le principe est similaire à celui du réfrigérateur: la chaleur est extraite du compartiment interne du réfrigérateur, d’où l’apparition de froid. La chaleur produite est évacuée par la grille derrière l’appareil « l’évaporateur »

Coefficient de performance d’une PAC La performance d’une pompe à chaleur s’exprime par le coefficient de performance (COP). Le COP est le rapport entre la quantité d’énergie restituée par la pompe à chaleur et l’énergie consommée pour la faire fonctionner. C’est l’équivalent d’un rendement appliqué à une pompe à chaleur. Plus il est élevé, plus le système est performant.

Fluide frigorifique (réfrigérant) Un réfrigérant est un fluide utilisé dans au sein d’un circuit frigorifique pour climatisation, congélateur, réfrigérateur, etc. qui peut absorber de la

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chaleur lorsqu’il passe de la phase liquide à la phase gazeuse il a comme propriétés essentielles : • Une température critique élevée et un point de congélation bas. • Une grande chaleur latente d’évaporation. • Une pression de vapeur supérieure à la pression atmosphérique sans toutefois être élevée. • Une conductivité thermique élevée.

Figure1 : Schéma fonctionnel d’une pompe à chaleur

III – Manipulation 1 – Matériel et substance utilisés Afin de réaliser cette expérience, et au plus du thermocouple et des manomètres, on utilise les dispositifs suivants :

Compresseur Le compresseur est un dispositif utilisé dans un système frigorifique pour augmenter la pression du réfrigérant ce qui implique l’augmentation sa température.

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6

Evaporateur Dans toute machine frigorifique, l’évaporateur est l’appareil qui sert à prélever la chaleur à un fluide à refroidir.

Condenseur Dans toute machine frigorifique, le condenseur est l’appareil qui sert à évacuer la chaleur de désurchauffe, de condensation et de sousrefroidissement, dont on rappelle qu’elle est constituée par la somme de la chaleur extraite à l’évaporateur et du travail de compression.

Voyant liquide Des voyants avec vitre sont placés en amont du détendeur et sur les circuits de retours d’huile. Ils permettent de vérifier l’état du fluide qui circule. Avec les HFC, ils sont munis d’une pastille de produit actif qui change de couleur dès que le frigorigène renferme de l’humidité ou des traces d’acide et signale que le déshydrateur est saturé. Les voyants sont utilisés pour l'indication de : • La situation du réfrigérant dans la conduite de liquide d'une installation. • La teneur en humidité du réfrigérant. Formation de bulles dans le voyant liquide dues à l’absence de fluide frigorigène.

Appareil de mesure pour travail + puissance Il mesure la puissance et le travail consommé par la pompe à chaleur

Détendeur Dans le cycle frigorifique, le détendeur alimente en frigorigène l’évaporateur sans excès ni défaut. Le frigorigène y subit donc à la sortie de ce dernier une détente. Comme substance, on a utilisé le :

Fréon C’est le fluide frigorigène le plus utilisé. Il est le tétrafluoroéthane connu sous le nom de réfrigérant R134a (CH2FCF3), il ne contient pas de chlore.

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Fiqure2 : dispositif de la pompe à chaleur et Appareil de mesure pour travail + puissance (à gauche)

2 – Installation de l’équipement La pompe à chaleur est donc avec ses composants de basse cités audessus, le condenseur et l’évaporateur chacun est sous forme de serpentin en cuivre (malgré que l’évaporateur est plus grand), ils sont plongés dans deux récipients différents contenant de l’eau, ou les températures sont uniformisées à l’aide d’agitateurs. Les prises de mesures sont expliquées après.

3 – Prise des mesures Afin de réaliser cette expérience on va suivre les étapes suivantes : 1- Préparation : remplir les récipients de 4l d’eau, et mettre en marche le wattmètre. 2- Noter la température initiale T0 . 3- Mettre en marche le compresseur et il faut agiter régulièrement. 4- Relever les températures, les pressions, et le travail absorbé toutes les minutes jusqu’à la 25éme minute. Les résultats sont illustrés sur dans le tableau 1. Les grandeurs pouvant être lues sur l’installation sont : • La pression relative de condensation du fréon Pcf sur le manomètre lié au condenseur. • La pression relative d’évaporation du fréon Pef sur le manomètre lié à l’évaporateur.

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• La température de l’eau du condenseur Tce du thermocouple. • La température de l’eau de l’évaporateur Tee du thermocouple. • Le travail consommé par le compresseur en kWh.

Note: les températures Tcf et Tef sont à prendre des tables du fréon R134a

IV – Les applications Les différents résultats obtenus sont au tableau suivant : t (min)

00

01

02

03

04

05

06

07

Pcf (bar)

5.313

8.413

8.513

9.113

9.613

9.613

10.313

10.413

Pef (bar)

5.513

4.413

4.413

4.413

4.413

4.213

4.013

3.914

Tce (K)

295.95

297.25

299.64

300.65

302.35

304.75

306.05

307.35

Tee (K)

295.65

294.45

292.45

291.85

290.35

289.05

287.75

286.75

W(kwh)

0

2.2829

4.557

6.576

8.929

11.49

13.85

16.06

P(w)

0

143.7

148.9

148.7

153.6

149.6

124.1

122.3

08

09

10

11

12

13

14

15

16

10.713

11.213

11.513

11.913

13.213

12.413

12.613

12.913

13.413

3.713

3.613

3.513

3.413

3.363

3.263

3.213

3.063

2.965

308.95

309.85

310.9

311.95

313.15

314.45

315.15

316.15

317.65

285.75

284.65

283.45

282.75

281.45

281.05

279.95

279.45

278.65

18.23

20.44

22.61

24.76

26.93

29.08

31.22

33.32

35.46

134.8

134.4

127.0

129.6

123.4

129.4

133.6

126.5

133.3

17

18

19

20

21

22

23

24

25

13.713

13.913

14.213

14.713

15.413

16.513

/

/

/

2.913

2.813

2.713

2.613

2.613

2.613

/

/

/

317.65

318.65

319.25

319.95

320.25

321.25

321.75

/

/

277.95

277.05

276.95

275.75

275.55

275.25

274.75

/

/

37.61

39.74

41.84

43.90

45.98

48.07

50.19

/

/

126.3

131.0

130.0

127.4

125.0

132.1

133.0

/

/

Tableau1 : Résultats obtenus des mesures pour la pompe à chaleur

TP no 5 : Pompe à chaleur

9

Afin de représenter les graphes de la partie A, et au plus aux résultats précédents on a effectué les calculs qui sont illustrées dans le tableau 2 : t (min)

00

01

02

03

04

05

06

07

Wid

5.313

0.082

0.585

0.827

91.324

1.617

2.519

3.626

𝜂

/

0.0357

0.128

0.126

0.148

0.141

0.182

0.226

08

09

10

11

12

13

14

15

16

4.618

5.735

7.107

8.779

9.840

11.979

12.681

14.702

15.702

0.253

0.281

30.314

0.354

0.365

0.412

0.406

0.445

0.443

17

18

19

20

21

22

23

24

25

17.34

20.878

21.111

24.011

24.515

25.279

26.582

/

/

0.461

0.525

0.504

0.546

0.533

0.525

0.529

/

/

Tableau2 : Résultats supplémentaires pour représentation de graphes

Afin de représenter les graphes de la partie B, et au plus aux résultats précédents on a effectué les calculs qui sont illustrées dans le tableau 3 : t (min)

00

01

02

03

04

05

06

07

Tcf (K)

299.81

306.81

306.81

306.81

306.81

307.68

308.55

310.3

Tef (K)

290.95

284.71

284.71

284.71

284.71

284.1

282.89

281.38

Wid

0.0004

0.144

0.888

1.390

2.482

4.543

5.909

7.447

𝜂

/

0.063

0.1949

0.211

0.278

0.395

0.427

0.464

08

09

10

11

12

13

14

15

16

312.05

312.92

313.8

314.67

314.67

316.62

316.42

319.04

319.04

279.51

279.02

278.27

277.76

277.02

275.77

275.65

273.76

273.74

9.573

10.880

12.587

14.240

16.351

18.793

20.17

22.225

24.369

0.525

0.532

0.557

0.575

0.607

0.666

0.647

0.667

0.687

TP no 5 : Pompe à chaleur

10

17

18

19

20

21

22

23

24

25

319.04

320.79

322.54

323.41

323.41

323.41

/

/

/

273.73

271.9

270.86

269.8

269.8

269.8

/

/

/

25.475

27.757

29.169

30.857

32.840

34.109

35.4

/

/

0.677

0.698

0.697

0.703

0.714

0.709

0.706

/

/

Tableau3 : Résultats supplémentaires pour représentation de graphes

Analyses Après la mise en marche de la pompe à chaleur, on a constaté que la température de l’eau au récipient (1) où se trouve l’évaporateur a diminué ce qui explique la diminution de la pression (l’agitation thermique des molécules décroit), par contre on a remarqué que la température l’eau contenue au récipient (2) où se trouve le condenseur a augmenté ce qui explique la croissance de la pression. Alors on déduit que la pompe à chaleur absorbe une quantité de chaleur d’un milieu (à refroidir) où se trouve l’évaporateur [à ce niveau le réfrigérant s’évapore en absorbant de la chaleur de ce milieu] vers le milieu (à échauffer) où se trouve le condenseur[le réfrigérant se condense toute en rejetant de la chaleur]. La pompe à chaleur comme toutes machines thermiques, afin de fonctionner au plus du travail consommé, il faut y avoir une différence entre TH et TF d’ailleurs plus que cette différence est grande plus que le rendement augmente. On faisant alors nos calculs en prenant TH et TF de l’eau au premier puis du fréon au second, sachant que différence entre TH et TF au cas du fréon est plus grande, elle nous a permis donc d’avoir un rendement plus grand (𝜂max≃0.706) face au (𝜂max≃0.529) pour l’eau, et un travail idéal Wid plus considérable ; pour une même valeur de travail absorbé.

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V – La conclusion Dans cette expérience nous avons étudié la machine frigorifique qui est la pompe à chaleur fonctionnant avec le fréon, elle transfère la chaleur du milieu à refroidir (l’eau ou se trouve l’évaporateur) au milieu à échauffé (l’eau ou se trouve le condenseur). On a déduit que plus que la différence de température aux milieux du fonctionnement augmente plus que cette machine est plus performante pour un même travail absorbé. En pratique la pompe à chaleur sert donc à échauffer en absorbant de la chaleur des sols, des fluides (l’eau ou réfrigérants) ou l’air pour la redistribuer dans l’habitation, la redistribution de la chaleur sera soit par un chauffage par le sol et les murs ou soit par un chauffage par air pulsé.

Bibliographie Thermodynamique appliquée (Van Wylen , Sontag , Desrochers ) Thermodynamique une approche pragmatique (Yunnus A. Cengel , Micheal A. Boles , Marcel Lacroix ) Technique de l’ingénieur.