Transcript ASSEMBLEE GENERALE ORDINAIRE

Chapitre PAC. Activités expérimentales
SPCL - systèmes et procédés
le
T STL
Pompe à chaleur (PAC).
1. Faire couler le robinet d'alimentation en eau dans le lavabo jusqu'à ce que sa température soit à peu près fixe.
Fixer le tuyau au robinet et, à l'entrée de la PAC, régler un débit volumique d'eau d'environ 0,8 L/min. Démarrer
la PAC (voir partie 4.3 de la notice technique).
2. Qu'est le R134a (ou HFC-134a ou 1,1,1,2,tétrafluoroéthane) ?
3. Attendre le régime stationnaire en visualisant la température T4 (ou au bout d'au moins 60 min) avant de faire
les mesures et calculs ci-dessous. L'ensemble des mesures réalisées devra s'enchaîner assez rapidement. En
attendant le régime stationnaire (pour pouvoir faire les mesures) traiter les autres questions.
Compléter les données, mesures et calculs suivants et les exprimer en unités du Système
International :
- capacité thermique massique de l'air cair = 1006 J.kg-1.K-1
- masse volumique de l'air ρair = 1,2 g/L
- débit volumique d'air (voir question 13) qV air = …
- débit massique d'air (voir question 14) qm air = …
- capacité thermique massique de l'eau ceau = 4180 J.kg-1.K-1
- masse volumique de l'eau ρeau = 1,000 kg/L
- débit volumique d'eau qV eau = …
- débit massique d'eau (voir question 14) qm eau = …
- masse volumique du R134a liquide (voir question 26) ρR134a = …
- débit volumique de R134a liquide qV R134a = …
- débit massique de R134a (voir question 27) qm R134a = …
- tension électrique aux bornes du compresseur U = …
- intensité du courant électrique traversant le compresseur I = …
- haute pression relative p4 rel = …
- haute pression absolue (à calculer) p4 abs = …
- basse pression relative p8 rel = …
- basse pression absolue (à calculer) p8 abs = …
- température eau entrée condenseur T0 = …
- température eau sortie condenseur T1 = …
- température air entrée évaporateur T2 = …
- température air sortie évaporateur T3 = …
- température R134a entrée condenseur T4 = …
- température R134a sortie condenseur T5 = …
- température R134a entrée détendeur T6 = …
- température R134a entrée évaporateur T7 = …
- température R134a sortie évaporateur T8 = …
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4. En s'aidant de la documentation, compléter le tableau suivant :
n° sur
photo
lettre sur
schéma
nom
Compresseur
Détendeur thermostatique à égalisation interne de pression
Condenseur à eau
Évaporateur à air
Réservoir de liquide
Filtre déshydrateur
Voyant liquide de présence d'humidité
Bouteille anti coup de liquide
Pressostat de sécurité (haute pression/basse pression)
Vanne de service
Soupape de sécurité haute pression
Tuyau d’entrée d’eau
Tuyau de sortie d’eau
Débitmètre à flotteur pour l'eau du condenseur
Vanne de réglage du débit d’eau
Voyant blanc présence tension
Sectionneur général électrique
Interrupteur de mise sous tension de l’instrumentation et du tube fluorescent
Interrupteur de mise sous tension du compresseur et du ventilateur de l'évaporateur
Tube fluorescent (éclairage)
Voltmètre et ampèremètre (mesure du courant et de la tension du compresseur)
Indicateur numérique de température
Douilles de raccordement pour la sélection de la température visualisée sur l’indicateur
Manomètre du fluide R134a (haute pression)
Manomètre du fluide R134a (basse pression)
Débitmètre de fluide frigorigène R134a
13
11
1
16
2
14
5
10
9
3
17
15
12
23
20
6
18
22
4
19
7
21
8
2
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C
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A
B
HP
BP
HBP
R
E
Q
D
F
P
BP
G
H
O
N
M
HP
J
I
K
L
5. Compléter le texte suivant avec le nom de différents éléments de la PAC :
- ……………………………….. aspire le volume de fluide frigorigène qui s'échappe de l'évaporateur
sous forme de vapeur. Il Assure la compression de ce fluide frigorigène depuis la basse
pression jusqu'à la haute pression et véhicule le fluide frigorigène vers le condenseur ;
- ……………………………….. transfère de la chaleur du fluide frigorigène au médium de
refroidissement (air ou eau) ;
- ……………………………….. permet de faire passer le fluide d'une haute pression à une basse
pression par une détente laminaire, et de réguler le débit de fluide frigorigène dans
l'évaporateur ;
- ……………………………….. transfère la chaleur de médium à refroidir au fluide frigorigène ;
- ……………………………………………………… a pour rôle de faire face aux fluctuations normales de
débit masse de liquide provoqué par les réactions du détendeur thermostatique aux
variations de charges thermiques ;
- ………………………………………………………………… protège les systèmes de réfrigération contre
l’humidité, les acides et les particules solides. Il permet donc de réduire les risques
d’apparitions chimiques nocives ou de particules abrasives ;
- ……………………………………………………… permet le contrôle immédiat et direct de la circulation
du fluide, de l’état et de la teneur en humidité du fluide frigorigène en phase liquide ou
diphasique ;
- ……………………………….. permet de visualiser la pression du fluide ;
- ………………………………………………………………………………… permet d’éliminer les risques liés au
retour de liquide frigorigène en phase liquide et à l’arrivée massive d’huile à l’aspiration du
compresseur.
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6. Observer ce qui se passe au niveau du condenseur.
7. Sur le schéma précédent, indiquer par des flèches rouges le sens de circulation du fluide R134a dans le circuit
haute pression. Indiquer par des flèches bleues le sens de circulation du fluide R134a dans le circuit basse
pression.
8. Sur le schéma précédent, dans les 9 carrés vides, compléter la légende avec les symboles des températures (T0
à T8).
9. Décrire les différents transferts d'énergie mis en jeu au niveau de compresseur, du détendeur, du condenseur
et de l'évaporateur.
10. Rédiger quelques lignes pour décrire le principe de fonctionnement de la PAC puis APPELER LE PROFESSEUR
pour vérifications (mais il est possible de continuer en attendant sa venue).
11. Vérifier, en utilisant avec précaution le sens du toucher, comment évolue la température du fluide suite au
passage dans le compresseur, dans le condenseur, dans le détendeur et (plus délicat) dans l'évaporateur. Faire de
même pour l'eau suite au passage dans le condenseur et (plus délicat) pour l'air suite au passage dans
l'évaporateur.
12. Quel matériau a permis de fabriquer le serpentin du condenseur ? Pourquoi ce matériau ?
13. Déterminer le débit d'air dans l'évaporateur en utilisant la documentation.
ATTENTION : La suite ne peut être traitée qu'une fois les mesures effectuées (question 3).
14. Calculer les débits massiques d'eau et d'air à partir de leurs débits volumiques.
Rappels :
- qV V / Δt et qm
m / Δt
- la masse volumique est ρ
avec V le volume et m la masse qui s'écoulent pendant la durée Δt ;
m /V .
15. En utilisant autant que possible les notations de la question 3, donner l'expression du transfert thermique
ayant lieu pour l'eau dans le condenseur pendant Δt , puis l'expression du flux thermique (ou puissance du
transfert thermique) ayant lieu pour l'eau dans le condenseur.
En déduire la valeur du flux thermique (ou puissance du transfert thermique) ayant lieu pour le fluide
frigorigène dans le condenseur.
Rappels :
- le transfert thermique reçu par un corps (hors changement d'état physique) est Q
m c ΔT
avec m sa masse, c sa capacité thermique massique et ΔT la variation de sa température ;
- le flux thermique est Φ Q / Δt
avec Δt la durée ;
- le débit massique est qm
m / Δt
avec m la masse qui s'écoule pendant la durée Δt.
16. En utilisant autant que possible les notations de la question 3, donner l'expression du transfert thermique
ayant lieu pour l'air dans l'évaporateur pendant Δt , puis l'expression du flux thermique (ou puissance du
transfert thermique) ayant lieu pour l'air dans l'évaporateur.
En déduire la valeur du flux thermique (ou puissance du transfert thermique) ayant lieu pour le fluide
frigorigène dans l'évaporateur.
17. Comparer cette valeur à celle donnée dans la documentation.
18. Comment peut-on expliquer que le fluide frigorigène cède plus d'énergie dans le condenseur qu'il n'en
gagne dans l'évaporateur ?
Rappel du premier principe de la thermodynamique (principe de conservation de l'énergie) : Si l'énergie d'un
système varie, c'est qu'elle a été reçue de son extérieur ou cédée à son extérieur ; l'énergie d'un système ne peut
être ni créée ni détruite mais elle peut être échangée avec son extérieur (on parle de transfert d'énergie). Donc,
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comme au cours d'un cycle de la machine thermodynamique (lorsque le régime stationnaire est atteint), le
fluide revient dans le même état, somme des énergies reçues + somme des énergies cédées = 0.
19. Calculer la puissance électrique Pélec reçue par le compresseur.
Puis, sachant que le rendement du compresseur est de 85 %, calculer la puissance Pméca du travail mécanique
reçue par le fluide frigorigène.
Rappel : la puissance électrique est P élec
U I
avec U la tension électrique et I l'intensité du courant
électrique.
20. Montrer que le premier principe de la thermodynamique semble ne pas être vérifié puis (entre autres en
comparant T5 et T6 ) expliquer pourquoi.
21. Déterminer le coefficient de performance de cette PAC.
Rappel : l'efficacité thermodynamique est η
transfert d'énergie utile
transfert d'énergie dépensé
Q ou Wutile
Putile
et donc
Q ou Wdépensé
P dépensée
22. En s'aidant des questions précédentes, expliquer comment le COP de cette PAC peut être (un peu) amélioré
assez facilement.
23. Montrer que le second principe de la thermodynamique est vérifié au niveau du condenseur (on pourrait
faire de même au niveau de l'évaporateur).
24. Sur un diagramme pression-température du fluide R134a, placer le point 4 (correspondant à l'entrée du
condenseur), le point 5 (correspondant à la sortie du condenseur), le point 6 (correspondant à l'entrée du
détendeur), le point 8 (correspondant à la sortie de l'évaporateur) puis le point 7 (à la même pression que le
point 8 mais sur la courbe d'équilibre liquide-vapeur). Puis représenter le cycle du fluide frigorigène en reliant
les points 4, 5, 6, 7, 8 et 4 par des segments de droite.
Rappel : mis à part au niveau du compresseur et du détendeur, l'ensemble des transformations dans une
machine frigorifique se fait à pression constante.
25. Grace au diagramme précédent, vérifier qu'aux points 4 et 8 tout le fluide frigorigène est gazeux et qu'au
point 6 tout le fluide frigorigène est liquide.
26. Grace à ce même diagramme, déterminer la masse volumique du R134a lorsqu'il est liquide.
27. Calculer le débit massique de R134a à partir de son débit volumique.
28. Sur un diagramme enthalpie-pression du fluide R134a (l'enthalpie étant associée à l'énergie), placer le point
4 (correspondant à l'entrée du condenseur), le point 5 (correspondant à la sortie du condenseur), le point 6
(correspondant à l'entrée du détendeur), le point 8 (correspondant à la sortie de l'évaporateur) puis le point 7 (à
la même pression que le point 8 mais à la verticale du point 6). Puis représenter le cycle du fluide frigorigène en
reliant les points 4, 5, 6, 7, 8 et 4 par des segments de droite.
29. Grace à ce nouveau diagramme, vérifier à nouveau qu'aux points 4 et 8 tout le fluide frigorigène est gazeux
et qu'au point 6 tout le fluide frigorigène est liquide.
30. Grace à ce même diagramme, vérifier la valeur de la masse volumique du R134a lorsqu'il est liquide.
31. Puis, en s'aidant de ce diagramme, déterminer les flux thermiques lors de la condensation à pression
constante (point 4 au point 5) puis lors de l'évaporation à pression constante (point 7 au point 8).
Puis comparer aux résultats précédents.
Donnée : à pression constante, le flux thermique reçu par le fluide est Φ
qm ΔH
avec qm le débit massique
du fluide et ΔH la variation d'enthalpie du fluide.
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