Transcript TD_12 - Un cours de physique en spéciale PC | Alain ROBICHON

MACHINE FRIGORIFIQUE.
ÉTUDE D’UNE MACHINE DITHERME À COMPRESSEUR (TYPE POMPE À
CHALEUR OU RÉFRIGÉRATEUR).
I. Le cycle de réfrigération par compression de vapeur.
1°) Description.
La plupart des réfrigérateurs et des systèmes de conditionnement d’air fonctionnent suivant
un cycle biphasé à compression de vapeur dont le schéma général avec sens de circulation du
fluide frigorigène est défini ci-dessous :
Échangeur T3
condenseur
PC
T4
DmC
B
C
T8 CD
Vanne de
détente
T6
T7
VD
CP
EV
D
Échangeur
évaporateur
DmE
Compresseur
à moteur
électrique
T5
A
T1
PE
T2
Symboles :
PE
PC
DmE
DmC
T1
T2
Pression du réfrigérant dans
l’évaporateur.
Pression du réfrigérant dans le
condenseur.
Débit masse de l’eau circulant dans
l’évaporateur.
Débit masse de l’eau circulant dans
le condenseur.
Température d’admission de l’eau
dans l’évaporateur.
Température de sortie de l’eau de
l’évaporateur.
T4
Température de sortie de l’eau du
condenseur.
Température d’admission de l’eau
dans le condenseur.
T5
Température dans l’évaporateur.
T6
Température dans le condenseur.
T7
Température en sortie du compresseur.
T8
Température du liquide condensé.
T3
Le cycle théorique du fluide :
-
-
totalement vaporisé à la sortie de l’évaporateur EV (A), à la température T5 et à la pression
PE (pression de l’équilibre liquide – vapeur du fluide à T5), le fluide pénètre dans le compresseur CP d’où il sort, à l’état de vapeur sèche, à la pression PC et la température T7 (B).
Dans le condenseur CD, il subit un refroidissement isobare jusqu’à T6, température de
l’équilibre liquide – vapeur à la pression PC, puis un liquéfaction totale (C).
Dans le détendeur (VD), il est détendu et partiellement vaporisé pour pénétrer enfin dans
l’évaporateur, à la pression PE et à la température T5 (D).
Le fluide frigorigène utilisé est le forane 141b (1,1 Dichloro – 1 - Fluoroéthane) pour lequel
on donne le diagramme pression – enthalpie (ou log(P) – h), ainsi que le diagramme entropique
T(s).
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MACHINE FRIGORIFIQUE.
Les hypothèses :
- Compte tenu du faible débit du fluide frigorigène, les variations d’énergie cinétique seront
négligées. On négligera de même les variations d’énergie potentielle de pesanteur.
- L’évolution dans le compresseur est supposée adiabatique et réversible.
- La vanne de détente est considérée comme un tuyau indéformable et ne permettant pas
les échanges de chaleur.
- Le passage dans les deux échangeurs est isobare.
- Les deux échangeurs sont supposés parfaitement calorifugés.
2°) Caractéristiques du cycle.
a) Montrer que l’évolution dans la vanne de détente est isenthalpique.
b) Sur le diagramme pression – enthalpie :
- Identifier le domaine du liquide seul, de la vapeur seule et le domaine diphasé liquide – vapeur.
- Identifier le réseau des isothermes.
- Identifier le réseau des isentropiques.
c) Représenter le cycle théorique décrit par une masse unité de forane 141b en précisant la
position des points A, B, C et D. (Commencer par situer le point A à la sortie de l’évaporateur).
d) Définir l’efficacité de la machine frigorifique, encore appelée coefficient de performance
(COP).
II. Étude expérimentale.
1°) Description de la machine.
Le moteur électrique qui alimente la compresseur a une puissance Pel = 810 W et le rendement du compresseur par rapport à l’isentropique est C  0,80.
On considérera que le rendement mécanique du compresseur est égal à 1.
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2°) Résultats :
On a réalisé une expérience au cours de laquelle on a relevé les valeurs suivantes :
Pression atmosphérique locale : P0 = 970 mbar.
Débits d’eau dans le condenseur et dans l’évaporateur : DmE = DmC = 2,5 g/s.
PE – P0
PC - P0
t1
t2
t3
t4
t5
t6
t7
t8
mbar
mbar
°C
°C
°C
°C
°C
°C
°C
°C
-800
250
15,2
3,4
34,8
16,1
- 4,2
34,6
65
30,5
a) Tracer le cycle réel sur le diagramme enthalpique fourni du forane 141 b.
L’évolution AB peut –elle être considérée comme isentropique ?
b) Faire pour chaque élément de la machine thermique un bilan enthalpique, en tenant compte
des hypothèses de départ.
c) La valeur donnée pour le rendement par rapport à l’isentropique du compresseur permetelle de justifier les valeurs numériques relevées ?
d) Calculer les puissances thermiques échangées entre le fluide frigorigène et l’eau dans le
condenseur et l’évaporateur.
L’hypothèse d’adiabaticité de ces échangeurs est-elle justifiée ?
On rappelle que pour l’eau : cp = 4180 J.kg-1.K-1.
e) Calculer l’efficacité de la machine.
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