Transcript TRAVAUX PRATIQUES DE MACHINES FRIGORIFIQUES

DÉPARTEMENT
GÉNIE THERMIQUE ET ÉNERGIE
TRAVAUX PRATIQUES
DE
MACHINES FRIGORIFIQUES
TRAITEMENT DE L’AIR
TP1
Semestre 3
2014/2015
1
2
3
4
5
6
PAC HILTON
BANC FRIGO
BANC YORK
PAC CIAT
CENTRALE DE CLIMATISATION
TOUR AEROREFRIGERANTE
N° de binôme
Tableau des permutations
N° de séance
1
2
3
4
5
6
1
2
3
4
5
6
1
2
3
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6
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1
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5
Machines frigorifiques
TP1
PAC HILTON
But : Etudier les performances d'une pompe à chaleur air-eau.
Ce document comprend deux parties :
- la première présente les fondements de la thermodynamique associés aux pompes à chaleur.
- la seconde partie présentera le travail à effectuer sur l'installation.
On trouve en annexes des exemples de tableaux de relevés de mesures et des diagrammes (LogP, h)
relatif au fluide frigorigène R134a.
Eléments de théorie appliquée aux machines thermodynamiques.
Le second principe de la thermodynamique implique : "qu'il est impossible de faire un transfert de
chaleur d'une source froide vers une source chaude, sans recours à un agent externe".
Les réfrigérateurs et pompes à chaleur sont des exemples de machines à transfert de chaleur d'une
zone à basse température vers une autre à haute température. L'agent externe peut être soit du travail
par l'intermédiaire d'un compresseur mécanique, soit de la chaleur de haute qualité (machine à
absorption).
Le premier principe de la thermodynamique établit que dans un cycle, le transfert de chaleur net est
égal et opposé au transfert de travail net. On a donc l'équation suivante :
+
Transfert de chaleur à basse température
Transfert de chaleur à haute température
= Transfert de travail
La convention de signe est toujours :
- positif lorsque le système reçoit du travail ou de la chaleur
- négatif lorsque le système fourni du travail ou de la chaleur
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Le principe de la pompe à chaleur est ancien (Thomson 1852), mais il a fallu attendre 1927 pour voir la
première pompe à chaleur fonctionner en Ecosse. Le début de la commercialisation aux Etats-Unis date
des années 1950. L’utilisation de la pompe à chaleur en France comme moyen de chauffage
domestique à démarré dans els années 1970 à la suite du premier choc pétrolier : le grand public
découvre une machine miraculeuse qui restitue plus d’énergie qu’elle n’en consomme……
La pompe à chaleur est un système thermodynamique comprenant deux sources de chaleur (chaude et
froide) entre lesquelles un fluide caloporteur, le R134a dans notre cas, subit un cycle de
transformations, provoquant un transfert de chaleur de la source froide vers la source chaude.
Diagramme enthalpique du cycle frigorifique : diagramme de Mollier
Sous la courbe « en cloche » se situe le mélange liquide-vapeur. A gauche de la cloche, le fluide est à
l’état liquide (il est sous-refroidi). A droite le fluide est à l’état vapeur (il est surchauffé).
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Fonctionnement de la machine frigorifique en régime permanent.
Le cycle de la machine frigorifique se stabilise en fonction du milieu qu’il faut refroidir ou échauffer. Ainsi
la température d’évaporation du fluide se stabilise quelques degrés en dessous te la température du
milieu à refroidir dans l’évaporateur. En fonction de sa puissance le compresseur devra aspirer un débit
plus ou moins grand de fluide frigorigène.
Le COP mesure le rendement de la pompe à chaleur dans les conditions expérimentales données.
Le coefficient de performance de la pompe à chaleur qui convertit en chaleur toute l’énergie apportée
par le compresseur, si l’échange thermique entre le fluide et le circuit d’eau est parfait est donné par :
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Manipulations.
Introduction.
La charge de l’évaporateur dépend du débit et de la température d’eau de la boucle de mélange On se
propose d'étudier les influences des paramètres accessibles (débit d'eau du condenseur), sur les
coefficients de performance de la machine en pompe à chaleur et en machine frigorifique.
Attention, il est recommandé de mettre la machine en route dès le début de la séance. En effet, le
temps de stabilisation du cycle est assez long (10mn)
Par soucis d'harmonisation des résultats on adoptera les notations suivantes en ce qui concerne les
différentes variables :
Indice ou nom
position ou variable
1
R134a à l'entrée du compresseur
2
R134a à la sortie du compresseur
3
R134a à la sortie du condenseur
4
R134a à la sortie du détendeur
5
Eau à l'entrée du condenseur
6
Eau à la sortie du condenseur
a
Air ambiant
w
Débit d'eau dans le condenseur
r
R134a
sat
Saturation
Un exemple de fiche de relevés est donné en Annexe-1, des exemplaires de cette fiche seront à votre
disposition en salle.
1 Mise en route de la machine
- Ouvrir le robinet d'eau à fond, règler le débit d'eau à 100%.
- Mettre le compresseur sous tension.
Afin de ne pas perdre de temps, ajuster les réglages permettant d'obtenir le premier point de mesure
demandé.
2 Données utiles
Le compteur de kilowatts.heures possède un disque qui tourne en fonction de l'énergie consommée ; le
nombre de tours accomplis pour une consommation d'énergie de 1kWh est indiqué sur la face avant du
compteur.
La cylindrée du compresseur est de 8,850 cm3. Pour une fréquence de 50Hz, la vitesse de rotation du
compresseur est de 2800 tr.mn-1.
3 Nomenclature du cycle
On rappelle que la nomenclature des différents points du cycle, figurants sur le diagramme (Figure 6),
vu au chapitre précédent, est :
- point 1 sortie évaporateur, entrée compresseur
- point 2 sortie compresseur, entrée condenseur
- point 3 sortie condenseur, entrée détendeur
- point 4 sortie détendeur, entrée évaporateur
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Travail préliminaire.
En fonction des enthalpies spécifiques des différents points du cycle et du débit de fluide frigorigène
qmo , exprimer : (on pourrait qualifier ces expressions de théoriques).
- la puissance fournie au fluide par le compresseur : W'comp
- la puissance cédée par le fluide au condenseur : Q'cond
- la puissance fournie au fluide à l'évaporateur : Q'evap
- le coefficient de performance pompe à chaleur (COPPAC théorique)
- le coefficient de performance frigo (COPfrigo théorique)
En fonction des différentes mesures, de débit, de température et de puissance électrique sur la
manipulation, exprimer : (on pourrait qualifier ces expressions de réelles).
- la puissance électrique (au compteur) consommée au compresseur : Wcomp
- la puissance gagnée par l'eau au condenseur : Qcond
- le coefficient de performance pompe à chaleur (COPPAC réel)
Manipulations.
1 Détermination de l'énergie absorbée, de la chaleur fournie et du coefficient de performance.
Régler le débit d'eau à travers le condenseur à 30% de la valeur maximale et laisser le système se
stabiliser.
On relèvera ensuite :
- la durée d'un tour de compteur électrique
- la température ambiante
- la température de l'eau à l'entrée du condenseur
- la température de l'eau à la sortie du condenseur
- le débit massique d'eau au condenseur
Calculer alors :
- la puissance absorbée au compresseur : Wcomp
- la puissance évacuée au condenseur : Qcond
- le coefficient de performance COPPAC
Conclure.
2 Comparaison du cycle réel et du cycle idéal
On règle le débit d'eau à 60% de la valeur nominale, le système étant stabilisé on effectue un relevé
complet de mesures.
a : Cycle thermodynamique.
- A partir des relevés expérimentaux, tracer le cycle sur le diagramme enthalpique du R134a. Il est à
noter que les mesures sont effectuées en pression relative alors que le diagramme est construit avec
des pressions absolues.
- Effectuer un bilan enthalpique au niveau : du compresseur, du condenseur, de l'évaporateur.
Rassembler les grandeurs dans un tableau.
- A partir du cycle expérimental, calculer les COPPAC et COPfrigo.
- Déterminer le rendement isentropique du compresseur.
NB : On admettra pour la suite que la perte de charge à travers le condenseur est insignifiante (faible
vitesse) et que la détente à travers la vanne de détente est sensiblement adiabatique.
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b : Comparaison cycle-mesures.
Comparer les puissances obtenues à partir du cycle tracer plus haut à celles obtenues par
l'instrumentation, au niveau :
- du compresseur (énergie au compteur)
- du condenseur (bilan sur l'eau du condenseur)
Conclusion.
3 Détermination des courbes de performance pour une série de température condenseur.
On règle le débit d'eau à sa valeur maximale. En maintenant constante la température d’évaporation,
réduire le débit d'eau de manière à ce que t6 (température de l'eau en sortie du compresseur)
augmente d'environ 5°C. On laisse alors le système se stabiliser et on effectue un relevé complet de
mesures. Répéter l'opération en incrémentant t6 de la même manière jusqu'à ce qu'elle atteigne 50°C.
a : Utilisation des relevés expérimentaux.
A l'aide des relevés expérimentaux on tracera :
- la puissance condenseur
- la puissance compresseur
- le COPPAC (Coefficient de Performance Pompe à Chaleur)
en fonction de la température moyenne entrée-sortie de l'eau au condenseur.
NB : On utilisera un diagramme à 2 axes des ordonnées de manière à obtenir les trois courbes sur le
même graphique. Etant donné le nombre limité de points on n'a pas intérêt à dilater de manière
exagérée les échelles.
b : Utilisation du cycle thermodynamique
En utilisant les résultats trouvés plus haut, tracer les différents cycles. A l'aide des coordonnées de ces
cycles on tracera :
- la puissance condenseur
- la puissance évaporateur
- la puissance compresseur
- le COPPAC et le COPfrigo
en fonction de la température au condenseur.
NB : Cette température sera lue au manomètre haute pression !!!
Qu'elle est l'évolution du cycle lorsque cette température augmente.
Conclusion.
4 Détermination du rendement volumétrique du compresseur
Régler le débit d'eau à travers le condenseur à la valeur maximale puis réduire le débit d'air à travers
l'évaporateur jusqu'à ce que la température d'évaporation (t4) tende vers 0°C. Après stabilisation,
effectuer le relever suivant :
- Débit massique de R134A
- Pression d'entrée compresseur (pression absolue)
- Température d'entrée compresseur
- Pression de sortie compresseur (pression absolue)
On rappelle que l'expression du rendement volumétrique V du compresseur est :
V =
Débit volumétrique de vapeur
Débit volume balayé par le piston
A partir du diagramme enthalpique déterminer le débit volumique à l'entrée du compresseur.
Connaissant la cylindrée du compresseur et sa vitesse de rotation en déduire V.
Conclusion.
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TABLEAUX DE RELEVÉS
T.P. POMPE A CHALEUR
FICHE DE RELEVES D'UN CYCLE
Electricité
R134a
Eau du
condenseur
Grandeur lue sur le cycle
ou mesurée
Durée de 1 tour de
compteur
Débit massique
Notation
Unité
x
s
mr
g.s-1
Enthalpie spécifique en
entrée compresseur
Enthalpie spécifique en
sortie compresseur
Enthalpie spécifique en
sortie condenseur
Enthalpie spécifique en
entrée évaporateur
Température
d'évaporation
Température de
condensation
Puissance au
condenseur
Puissance à
l'évaporateur
Puissance électrique
h1
kJ.kg-1
h2
kJ.kg-1
h3
kJ.kg-1
h4
kJ.kg-1
tevap
°C
tcond
°C
Qcond
W
Qevap
W
P
W
1
2
N° de l'essai
3
4
5
6
COP Pompe à chaleur
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T.P. POMPE A CHALEUR
FICHE DE RELEVES EXPERIMENTAUX
Température de l'air ambiant (°C) :
Notation
x
Unité
s
R134a
Grandeur expérimentale
Durée de 1 tour de
compteur
Débit massique
mr
g.s-1
P1
kN.m-2
P2
kN.m-2
t1
°C
t2
°C
t3
°C
t4
°C
Eau du
Pression à l'entrée
compresseur (évapo)
Pression à la sortie du
compresseur (cond)
Température à l'entrée
compresseur
Température à la sortie
du compresseur
Température à la sortie
du condenseur
Température à l'entrée
de l'évaporateur
Débit massique
mw
g.s-1
t5
°C
t6
°C
Electricité
condenseur
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Température à l'entrée
du condenseur
Température à la sortie
du condenseur
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N° de l'essai
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5
6
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