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I.
TP N°2 : Thermodynamique
But du TP : comprendre le principe de fonctionnement d'une pompe à chaleur, les idées de base concernant sa structure et son mode de fonctionnement. étudier les performances d'une pompe à chaleur en effectuant les différents bilans énergétiques et en utilisant les caractéristiques du fluide réfrigérant.
II.
Généralités sur la pompe à chaleur :
1-L’installation & ses composants :
2-But d’installation : La pompe à chaleur est un appareil thermodynamique constitué d’un circuit fermé étanche dans lequel circule un fluide frigorigène qui change d’état (liquide ou gazeux) en fonction des quatre organes qu’il traverse : l’évaporateur, le compresseur, le condenseur et le détendeur. dans l’évaporateur, la chaleur prélevée dans le sol par les capteurs est transférée au fluide frigorigène qui se vaporise et donc passe de l’état liquide à l’état gazeux.
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le compresseur électrique comprime le fluide et en élève la température. le condenseur permet alors au fluide frigorigène de céder sa chaleur au fluide du circuit de chauffage. Le fluide frigorigène revient à l’état liquide. le détendeur abaisse ensuite la pression du liquide frigorigène, ce qui amorce sa vaporisation pour un nouveau cycle.
2-Principe de fonctionnement : -La pompe à chaleur fonctionne comme un réfrigérateur, les principes et techniques en sont les mêmes. La technique consiste à "pomper" les calories présentes dans l'eau ou l'air afin de les restituer sous forme de chaleur dans votre logement, par l'intermédiaire de radiateurs ou d'un sol basse température.
-Dans un premier temps la pompe à chaleur capte la chaleur du sol, qui est à température constante (10-12 °C) : dans l'évaporateur, s'opère un échange entre la chaleur captée dans le sol et celle du fluide circulant dans la pompe à chaleur. Ce fluide passe dans le compresseur de la pompe à
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chaleur, qui en élève la température, de 10-12°C à 50°C environ. Cette chaleur, plus élevée, est transmise au milieu à réchauffer (exemple plancher chauffant), quand le fluide de la pompe à chaleur passe dans le condenseur : la chaleur de ce fluide s'échange avec celui du plancher. Dans le condenseur, le fluide de la pompe à chaleur se refroidit alors et se liquéfie, puis il passe dans un détendeur qui en abaisse la pression. Le cycle peut alors reprendre avec les échanges de chaleur et la compression du fluide -On défini l'efficacité d'une pompe à chaleur par le rapport de ce qui est « utile », la chaleur reçue, sur ce qui est coûteux, le travail fourni à la pompe à chaleur. Par exemple, pour 4 KW de chauffage dans votre maison, vous prélèverez 3 KW gratuits dans l'air et vous ne consommerez qu'1 KW d'électricité, énergie nécessaire pour capter les calories et les transférer dans votre maison. Le COPS ou coefficient de performance est ainsi de 4. -L'efficacité d'une pompe à chaleur décroît avec l'écart de température. Plus spécifiquement, les vendeurs de pompes affichent en général le rapport de puissance thermique entre leur machine avec la consommation électrique. On lui donne par convention le nom de coefficient de performance ou COPS. En outre, des contraintes techniques limitent la température la plus basse et la différence de température.
III.
Généralités sur le réfrigérateur :
1-L’installation & ses composants :
Thermodynamique des réfrigérateurs : Les réfrigérateurs sont des pompes à chaleur dont la plupart (comme ceux qui équipent maisons et voitures) utilisent un cycle de changement de phase. Ce procédé fait tourner un cycle de Carnot pour transférer de la chaleur de la partie froide vers la partie chaude, en 4 temps : 1. évaporation : le fluide réfrigérant circule dans un échangeur de chaleur (évaporateur) qui se trouve dans l'ambiance à refroidir. Il absorbe de la chaleur au médium (air) pour refroidir celui-ci. En absorbant de la chaleur, le réfrigérant s'évapore (passage de l'état liquide à l'état gazeux) ;
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2. compression : le compresseur est la pompe du circuit, qui permet de faire circuler le fluide réfrigérant. Le compresseur aspire le réfrigérant à l'état vapeur pour le faire circuler vers le condenseur, en augmentant la pression et la température ; 3. condensation : le fluide réfrigérant passe dans un échangeur de chaleur où il va céder de la chaleur à de l'air, ce qui va lui permettre de se condenser (passage de l'état vapeur à l'état liquide) pour être réutilisé au niveau de l'évaporateur ; 4. détente : en passant dans le compresseur, le fluide réfrigérant voit sa pression augmenter. Il convient donc de rabaisser celle-ci, en le faisant circuler au travers d'un orifice très petit, le détendeur, afin de le réutiliser dans l'évaporateur. Il existe aussi un procédé plus complexe, à deux fluides, ne requérant pas de compresseur, il est remplacé par une source de chaleur : le réfrigérateur à absorption de gaz. Ce procédé est exploité lorsque l’électricité ou la force mécanique manque, alors qu’une source de chaleur est disponible (caravanes, frigo solaires...). Le réfrigérateur d’Einstein est un type unique de réfrigérateur co-inventé en 1926 par Albert Einstein et un ancien étudiant Leó Szilárd. Il ne fut jamais commercialisé, sa trop grande différence conceptuelle avec les réfrigérateurs existants exigeant des investissements très lourds, et ses performances compensaient mal l'inconvénient de son bruit.
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IV.
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Manipulation : -Tableau des mesures pour la pompe à chaleur : Temps (min)
Réservoir Bleu (°C)
Réservoir Rouge (°C)
1
24.7°
26.5°
2
23.4°
31°
3
22°
33.3°
4
19.5°
35°
5
18.3°
36.8°
6
17°
39°
7
15.5°
41.3°
8
14.6°
43°
9
13.8°
45.2°
10
12.8°
47°
11
11.5°
48.5°
12
10.3°
50°
13
9.5°
51.7°
14
8.5°
53°
15
8.1°
54°
16
7.3°
54.8°
17
7.2°
55.8°
18
6.5°
57°
19
6.3°
58°
20
6°
59.1°
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La courbe de variation de la température : 70 60 50 40
Bleu (°C) Rouge…
30 20 10 0 1
2
3
4
5
6
7
8
9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
-Tableau des mesures pour le réfrigérateur :
Détermination de l’indice de performance : -Ce COP s'écrit εc et on l'appelle "indice de performance". C'est le rapport de la puissance thermique utile délivrée au condenseur à la puissance électrique absorbée par le compresseur uniquement. Cet indice est variable en fonction des températures des sources chaude et froide. Quand on précise une valeur de εc , on doit donc indiquer les bases de température et spécifier s'il s'agit de sources extérieures ou intérieures.
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𝜺 = chaleur au condenseur/travail du compresseur = ∆𝑸/𝑷∆𝒕 Détermination de l’expression de l’indice de performance £=f(T1,T2) : Supposons que le fonctionnement est réversible. Au court d’un cycle : Q1/W1 + Q2/T2 = 0 W + Q1 +Q2 = 0 Donc : W1 = -Q1 – Q2 = -Q1 – Q1 *(T1/T2) = -Q1 (1-(T1/T2)) Donc :
£=T1 / (T1+T2)
Etude du fluide réfrigérant utilisé dans la pompe à chaleur : Maintenant on a laissé la pompe à chaleur en marche et après 30 min on a mesuré les températures T1 et T2 et les pressions P1 et P2.
Les valeurs trouvées sont les suivantes :
V.
Tf= 2°C
Tc= 53.5°C
Pf = 1.58*105Pa
Pc = 22.2*105Pa
Conclusion :
Le rôle d’une pompe à chaleur (ou le réfrigérateur) est exceptionnel puisqu’elle permet le passage de la chaleur d’un milieu froid vers un milieu chaud et qui nécessite l’existence de deux sources. L’efficacité d’une pompe à chaleur (ou le réfrigérateur) sera d’autant plus grande qu’elle rendra à la source chaude une quantité de chaleur plus grande pour une énergie donnée. La relation £=T1/ (T1+T2) montre que l’efficacité est d’autant plus grande que les températures des deux sources sont plus proche.
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