Réfrigérateur pompe à chaleur

TP - L3 Physique-chimie -Plate-forme TTE - C.E.S.I.R.E. - Université Joseph Fourier - Grenoble
ETUDE DU RÉFRIGÉRATEUR
POUR PROFITER AU MAXIMUM DES TP, IL FAUT ÊTRE BIEN PRÉPARÉ. LES
QUESTIONS DU Ÿ5.2 SONT ALORS À RÉDIGER AVANT DE VENIR EN TP. PAR
AILLEURS, L'ENSEIGNANT VÉRIFERA LA BONNE PRÉPARATION PAR
QUELQUES QUESTIONS EN DÉBUT DE TP. PENDANT LA SÉANCE, LES
MESURES ET LEUR ANALYSE SONT À NOTER DE FAÇON DÉTAILLÉE DANS UN
CAHIER COMMUN À TOUS LES TP. EN REVANCHE, LE COMPTE-RENDU DOIT
ÊTRE CONCIS (UNE FEUILLE DOUBLE, I.E. 4 PAGES) PRÉSENTANT LES
PRINCIPAUX RÉSULTATS AVEC LEURS INCERTITUDES ET UNE CONCLUSION.
A RENDRE SOUS 10 JOURS.
But du T.P.
L'objet de ce TP est de :
- comprendre le principe de fonctionnement d'un réfrigérateur domestique, les idées de
base concernant sa construction, son mode de fonctionnement et l'origine des recommandations faites aux particuliers pour allonger sa durée de vie.
- mettre en évidence les analogies et les diérences avec une pompe à chaleur.
La machine utilisée dans cette expérience simule le compartiment d'un réfrigérateur domestique pouvant contenir des boissons, des légumes,... maintenus vers 3 à 4 °C. Les
réglages et contrôles en cours de manipulation devront veiller à éviter des températures
négatives dans la partie de l'appareil représentant la charge utile à refroidir. Dans ces
conditions, dans le cas d'un réfrigérateur domestique les bouteilles pourraient exploser.
Sur la machine utilisée en TP, il se formerait de la glace dans l'échangeur et la manipulation devrait être interrompue pour remettre en état les circuits ce qui peut prendre
de 30 minutes à plusieurs jours suivant les dégâts occasionnés (sans parler du coût de la
réparation !).
La notation (⇒
doc)
signie Allez consultez le document annexe, classeur rouge à
côté de chaque expériences .
1. Système fermé, Système en écoulement
On peut distinguer 2 types de système thermodynamique :
- les systèmes fermés : ces systèmes peuvent échanger de l'énergie (sous forme de chaleur
ou de travail) avec l'extérieur mais n'échangent pas de matière.
- les systèmes ouverts : ces systèmes peuvent échanger de l'énergie (sous forme de
chaleur ou de travail) avec l'extérieur mais également de la matière. Parmi les systèmes
ouverts, les systèmes en écoulement permanent sont particulièrement utilisés dans nombre
de moteurs et machines thermiques.
Les énoncés des deux premiers principes appliqués à ces deux types de système sont
résumés dans le tableau suivant. Pour les démonstrations correspondantes .⇒
Système fermé
Masse
m
doc.
Système en écoulement permanent
constante
Débit massique
Premier principe
1
ṁ
constant
4U = W + Q
U , W et Q
ṁ∆Htot = Ẇ + Q̇
Ẇ et Q̇ sont des puissances (unité W)
Htot est une énergie massique (unité J/kg)
sont des énergies (unité J)
Deuxième principe
∆S
=
Sech + Sirr
ṁ∆S
=
Ṡech + Ṡirr
Exemple de machines
Moteur à explosion à allumage commandé
Turbopropulseur, turboréacteur (cycle de Joule)
(moteur à essence-cycle de Beau de
Centrale thermique
Rochas ou Otto)
(cycle de Rankine ou de Hirn)
Moteur à explosion à allumage par compression
Réfrigérateur, pompe à chaleur
(Moteur Diesel-cycle de Diesel)
(cycle de Hirn inversé)
2. Rappel sur les machines thermiques
2.1.
Source froide, source chaude.
Dans les ouvrages de thermodynamique, il existe
2 dénitions équivalentes
1) La source chaude est la source qui cède de la chaleur, la source froide celle qui reçoit
de la chaleur, au cours d'un cycle.
2) La source chaude est la source qui se réchaue (qui reçoit de la chaleur), la source
froide est la source qui se refroidit (qui cède de la chaleur), au cours d'un cycle.
Dans l'exemple du réfrigérateur, si l'on utilise la dénition 1, la source froide est la
cuisine où se trouve le réfrigérateur, alors que l'utilisation de la dénition 2 implique que
la source froide est l'intérieur du réfrigérateur.
Dans la suite du TP nous utiliserons la dénition 2, plus proche du sens commun mais
qui peut entrainer une confusion entre la notion de chaleur et celle de température.
Figure 1 : Schema de fonctionnement d'un moteur thermique et d'un réfrigérateur
2.2.
Moteur thermique.
Q1
W est négatif.
Q2 à la source chaude et restitue une quantité de chaleur
Un moteur fournit du travail à l'extérieur donc
Il prélève une quantité de chaleur
à la source froide. Dans un diagramme de Clapeyron, le cycle est décrit dans le sens
horaire.
2.3.
Machine thermique (réfrigérateur ou pompe à chaleur).
consomme un travail mécanique
W,
prélève une quantité de chaleur
et en restitue une quantité de chaleur
Q2
Une telle machine
Q1
à la source froide
à la source chaude. Dans un diagramme de
Clapeyron, le cycle est décrit dans le sens trigonométrique (ou anti-horaire).
2.4.
Rendement.
En pratique l'une des sources est un "réservoir thermique" de grande
inertie ; sa température d'équilibre n'est pas sensiblement modiée par la quantité d'énergie qu'on lui cède ou qu'on lui prélève. L'autre source est une enceinte isolée de volume ni
qui atteint une température d'équilibre quand l'énergie prélevée ou cédée par la machine
est compensée par les pertes dues à l'imperfection de l'isolation.
2
Dans une machine frigorique, la source chaude est le réservoir thermique supposé inni
(air de la pièce pour un réfrigérateur, circulation d'eau d'un climatiseur) et la source froide,
le volume ni à refroidir (intérieur de l'armoire et son contenu pour un réfrigérateur, pièce
pour un climatiseur). Dans une pompe à chaleur, la source froide est le réservoir thermique
supposé inni (rivière ou atmosphère) qui représente une source d'énergie gratuite (pour
le compte en banque !) et la source chaude le volume ni à réchauer (habitation, piscine).
Pour les moteurs, on peut dénir le rendement comme le rapport de l'énergie intéressante (travail
W)
à l'énergie qu'il a fallu payer (chaleur prise à la source chaude
1 − T1 /T2
Ce rendement est toujours inférieur à 1 et vaut
Q2 ).
dans le cas idéal d'un cycle
de Carnot réversible. Pour les machines thermiques, on préfère dénir un COecient de
Performance (COP) ou ecacité, comme le rapport de l'énergie intéressante (chaleur prélevée à l'évaporateur en machine frigorique :
pompe à chaleur :
Q2 )
Q1 ;
ou chaleur cédée au condenseur en
à l'énergie qu'il a fallu payer (travail
W ).
Ce COP est la plupart
du temps supérieur à 1, dans le cas des machines thermiques, et vaut
T1 /(T2 − T1 )
pour
un réfrigérateur dans le cas idéal d'un cycle de Carnot réversible.
En préparant ce TP, vous rééchirez à la diérence entre le coecient de performance et
le rendement thermodynamique (toujours inférieur à 1) habituellement présenté en cours.
2.5.
Enthalpie.
Les machines thermiques les plus simples, utilisent un uide caloporteur
en circuit fermé qui subit une succession de transformations ou cycle. Ce cycle permet
de faire fonctionner la machine en continu. Ce type de machine s'appelle machine à
écoulement permanent et constitue un système ouvert.
Pour les décrire correctement, considérons une petite partie du uide caloporteur constituant un système fermé, condition nécessaire pour pouvoir appliquer le premier principe
de la thermodynamique. Supposons que ce uide passe d'un état caratérisé par le volume
V1
et la pression
P1
à l'état caratérisé par le volume
V2
et la pression
P2 .
U2 −U1
Q échangés pendant la transformation.
par l'extérieur Wext (par exemple, par le
Dans un système fermé, la variation de l'énergie interne de cette partie du uide
est égale à la somme du travail
Attention :
W
W
et de la chaleur
est la somme du travail fourni
compresseur) et du travail des forces de pression exercées sur le système considéré par le
Wreste .
Wreste . est
reste du uide
Ce travail
égal à
P1 V1 − P2 V2
(c'est-à-dire à la diérence entre le travail
qui doit être eectué pour faire sortir le uide de volume
qu'il faut eectuer pour occuper le volume
avons :U2
− U1 = Q + Wext + P1 V1 − P2 V2 .
H2 − H1 = Q + Wext .
V2
V1 à
P1 et le travail
P2 (⇒ doc). Ainsi nous
l'enthalpie H = U + P V , on
la pression
à la pression
En introduisant
obtient nalement :
C'est pourquoi pour la description de ces machines (système ouvert), l'enthalpie (et
non l'énergie interne) est la grandeur caractéristique du cycle ; on représente en pratique
ce cycle sur le diagramme P-V ou T-S. Le choix de la pression comme deuxième variable
est justiée par le fait que l'échange de chaleur avec les sources chaude et froide a lieu à
pression constante.
3. Cycle et diagramme de Mollier
3.1.
Diagramme de Mollier.
la pression
P
et l'enthalpie
Le diagramme de Mollier du uide considéré a pour axes
H (par unité de masse). Sur ce diagramme, des séries de courbes
sont déjà tracées : isothermes, isentropiques, isochores ainsi que la courbe de saturation
limitant le domaine de coexistence de deux phases (liquide et gaz). En assimilant le cycle
à une succession de transformation quasi-statiques, le diagramme de Mollier permet de
schématiser ce cycle en fonction des paramètres mesurés et d'en déduire les autres variables
d'état en tout point du cycle.
3
Figure 2 : diagramme de Mollier du uide R134a
3.2.
Cycle.
Le cycle théorique de base pour toutes les machines est le cycle de Carnot.
Ce cycle comprend 2 transformations isothermes et 2 transformations adiabatiques ou
isentropiques. Il s'agit d'un cycle à rendement maximum. Les cycles utilisés en pratique
s'écartent sensiblement, pour des raisons techniques, du cycle de Carnot. Les réfrigérateurs
( et pompe à chaleur) à compression utilisent le cycle de Hirn qui comprend 2 transformations isobares, une transformation adiabatique et une transformation isenthalpique. Un
tel cycle est représenté de façon très simple dans un diagramme de Mollier.
Figure 3 : Cycle frigorique théorique
Le uide gazeux (point A) est comprimé de façon adiabatique jusqu'au point B. La
vapeur, qui s'est échauée lors de la compression, cède de la chaleur à la source chaude
en se refroidissant à pression constante puis en se liquéant (à pression et température
constantes) dans le condenseur (trajet BC). En sortie du condenseur (point C), le uide
complètement liquide est détendu par une détente de Joule-Thomson (trajet CD). Le
liquide se refroidit et se vaporise en partie. Il traverse ensuite l'évaporateur où il se vaporise
complètement (à pression et température constantes) en prélevant de la chaleur à la source
froide (trajet DA).
On montre facilement qu'un uide liquéable augmente l'ecacité du cycle : au cours
de la liquéfaction et de la vaporisation (isothermes), on tire prot de la chaleur latente
4
de changement d'état et l'ecacité est d'autant plus grande que le cycle se rapproche
d'un cycle de Carnot. Au voisinage de la température ambiante, les caractéristiques des
fréons R12 (CCl2 F2 ) ou R22 (CHClF2 ) (la protection de l'environnement prévoit désormais l'obligation d'utiliser d'autres uides comme le R134a (F3 CCH2 F )), du chlorure de
méthyle (CH3 Cl ) ou de l'ammoniac (N H3 ) répondent au souci industriel d'ecacité.
Le cycle réel décrit par le uide dans la machine s'écarte un peu, pour des raisons
pratiques, du cycle de Hirn. Il a l'allure représentée sur la gure suivante :
Figure 4 : Cycle frigorique pratique
La température du uide en sortie de l'évaporateur est généralement diérente de celle
de l'évaporateur
Tvap
et le point représentatif n'est pas situé sur la courbe de satura-
tion mais dans la zone vapeur du diagramme. Il y a surchaue du gaz à la sortie de
l'évaporateur. Suivant le nombre de thermomètres utilisés, on peut obtenir deux points
représentatifs A' en sortie de l'évaporateur et A en entrée du compresseur. Cette surchaue permet d'être certain que le uide sera bien entièrement à l'état de vapeur dans le
compresseur (qui ne peut pas comprimer un mélange liquide-vapeur sous peine de casse !).
En sortie du compresseur, on mesure une température correspondant au point B (remarquer qu'il y a augmentation de l'entropie au cours de la compression) diérente de celle du
point B' correspondant à l'entrée du condenseur. Si l'on mesure la température en sortie
du condenseur, on trouve un point C situé dans la région "liquide" : on a sous-refoidi
le liquide. Ce sous-refroidissement permet d'être certain que le uide sera bien à l'état
liquide à l'entrée de la vanne de détente. Enn, la mesure de la température après la
vanne de détente donne en général un point D', également situé sur l'isenthalpique, mais
diérent de D.
4. Réalisation pratique
Dans ce T.P., la chaleur
Q1 (simulant la charge thermique à retirer des aliments d'un ré-
frigérateur) est prélevée à un circuit d'eau (évaporateur). Le travail est fourni au uide par
un compresseur hermétique (moteur et compresseur dans la même enceinte). Un deuxième
échangeur transfère la chaleur
Q2
à la source chaude (second échangeur à eau simulant
l'air atmosphérique entourant un réfrigérateur). Le uide caloporteur termine son cycle
en revenant à la source froide après passage par un détendeur pressostatique.
Plusieurs thermomètres permettent de mesurer les températures du fréon en diérents
points du cycle : aux entrées et sorties de l'évaporateur, du compresseur et du condenseur, et en cours de détente. Des manomètres, reliés à des prises de pression à l'entrée et
5
à la sortie du compresseur, mesurent les pressions dans l'évaporateur et le condenseur.
Dans chaque échangeur, le débit d'eau est réglable à l'aide d'une vanne : il sera mesuré à
l'aide d'un compteur et d'un chronomètre. On mesurera également les températures d'eau
à l'entrée et à la sortie des échangeurs "chaud" et "froid".
Attention il existe 2 machines thermiques : Machine A et Machine B légèrement diérentes
Machine A
La machine A, plus recente que la machine B, contient le Fréon R134a. Il est moins nocif
pour la couche d'ozone en cas de fuite que les composés uorocarbonés utilisés autrefois.
Réglage du débit : Nous n'avons pas accès au débit de fréon. Le débit de fréon est contrôlé
par la vanne d'expansion thermostatic (4), elle même régulée par la sonde de température
6. La diérence de température entre les tubes d'entrée et de sortie du vaporisateur sert
de variable de contrôle. Si cette valeur tombe en dessous d'une valeur consigne au niveau
de la vanne d'expansion- parce que l'apport de chaleur au vaporisateur est trop bas - le
débit de fréon est diminué.
L'énergie électrique consommée est mesurée par un joulemètre.
Machine B
Le uide caloporteur est un composé uorocarboné qui était couramment utilisé dans
l'industrie frigorique, le R12. Ce uide n'est plus autorisé pour les nouvelles machines.
Réglage du débit : Un détendeur pressostatique à réglage manuel (détente de JouleThomson) permet de faire varier la basse pression donc le débit de fréon. Un débitmètre,
6
placé juste avant la vanne du détendeur donc en phase liquide, permet de mesurer ce
débit.
L'énergie électrique consommée est mesurée par un compteur électrique.
5. Manipulations et étude en réfrigérateur
ATTENTION : Après identication de tous les composants de la machine, ouvrir la
circulation d'eau dans les échangeurs et régler les débits aux valeurs désirées (⇒
doc).
Mettre alors le compresseur en marche et, pour la machine B, xer le débit de fréon à
la première valeur (⇒
doc).
Le temps de mise en équilibre est typiquement de 30 à 45
minutes à la mise en route et de 15 à 20 minutes après modication d'un paramètre de
fonctionnement.
5.1.
Analogies.
Où se situent, sur la machine de TP, les points A, A', B, B', C et D
du cycle ? Pourquoi a-t-on placé plus de quatre thermomètres sur le circuit de fréon ?
Comparer la machine de TP et la tripe de réfrigérateur domestique. Dans ce réfrigérateur domestique, en quoi consistent les échangeurs, vanne de détente et compresseur ?
Où sont-ils placés ?
5.2.
-
Partie "théorique".
pratique : la machine
On peut dénir les COP suivants :
est considérée comme une boite noire qui consomme de
l'énergie électrique et prélève de la chaleur dans une enceinte. La valeur du COP est
obtenue à partir des mesures des puissances récupérée ou cédée dans les échangeurs à eau,
et de la puissance électrique consommée.
Soit
Pedf
la puissance consommée par la machine, soient
de
le débit en
`/h
variation de température, de l'eau au niveau de l'évaporateur. De même soient
4Te la
dc et 4Tc
et
au niveau du condensateur. Exprimez, en fonction notamment (mais pas seulement) de
ces variables le COP pratique d'une machine frigorique et celui d'une pompe à chaleur.
-
de Mollier
: il faut tracer le cycle décrit par le uide sur un diagramme de Mollier
puis évaluer le travail
W
et les quantités de chaleur
Q1
et
Q2
à partir des variations
d'enthalpie du fréon mesurées sur le cycle au cours des diverses transformations.
En prenant les notations de la gure 4, soient
HA , HB , HC
et
HD les enthalpie massiques
aux points A, B, C et D respectivement, exprimez le COP de Mollier en fonction de ces
données aussi bien pour une machine frigorique que pour une pompe à chaleur.
-
de Carnot : on peut trouver 2 transformations isothermes dans le cycle décrit par la
machine et comparer ce COP au COP de Mollier. Ne pas oublier que le COP d'un cycle
de Carnot est le COP maximum maximorum.
5.3.
Mesures au premier débit de fréon.
Après mise en équilibre, eectuer toutes
les mesures nécessaires : pression, températures, débit d'eau, débit de fréon, puissance
consommée (il y a en particulier 10 thermomètres et un compteur d'énergie électrique
consommée).
1. Tracer sur un diagramme de Mollier le cycle correspondant à vos mesures (attention
à la lecture des manomètres).
2. Déterminer les COP de Mollier et pratique (attention à la position des thermomètres
et à leur correspondance sur le cycle). Précisions.
3. Pour la machine B uniquement : Si on suppose que toute l'énergie électrique sert
à comprimer le freon, calculez l'enthalpie
HB 00
du fréon (attention c'est le débit mas-
sique de freon qui nous intéresse). Que pouvez vous conclure sur le rendement du groupe
compresseur.
4. Comparer les quantités de chaleur prises et cédées aux deux sources déduites d'une
part du diagramme tracé, d'autre part des variations de température de l'eau dans
7
le condenseur et l'évaporateur. Conclusion. Attention : le débitmètre de fréon est en
litre/heure et mesure le débit en phase liquide ; les graduations portées sur la partie
gauche de la courbe d'équilibre liquide-vapeur donnent le volume massique du fréon.
5. A partir du diagramme de Mollier, tracer le cycle décrit par le fréon dans un diagramme T-S (T en ordonnée). On fera attention aux diverses transformations subies par
le uide (veiller à bien placer tous les points caractéristiques du cycle !).
6. Sur ce diagramme, placer le cycle de Carnot ctif correspondant.
7. Comparer les COP à celui de ce cycle de Carnot ctif. Conclusions.
8. Comparer la valeur mesurée de W sur le diagramme de Mollier à la valeur que l'on
peut déduire du cycle en diagramme T-S (attention aux unités !).
9. Quelle est l'origine de la diérence à votre avis ?
5.4.
Machine B : Mesures à un autre débit de fréon.
Régler la vanne de détente
pour avoir une autre pression au condenseur et eectuer à nouveau les mesures lorsque
la machine est à l'équilibre. Tracer le deuxième cycle sur le diagramme précédent pour
pouvoir eectuer des comparaisons. Eectuer les mêmes calculs de COP que ci-dessus à
partir de ce deuxième cycle. Conclusions.
5.5.
Machine A : Mesure à un autre débit d'eau.
Faites varier le débit d'eau d'un
facteur 2 au niveau de l'évaporateur. Les questions sont les mêmes qu'au paragraphe 5.4
6. Etude en Pompe à Chaleur
Le principe de la pompe à chaleur (PAC) est ancien (Thomson 1852) mais il a fallu
attendre 1927 pour voir la première PAC fonctionner en Ecosse. Le début de commercialisation (principalement aux Etats-Unis) date des années 50. L'utilisation de la PAC
comme moyen de chauage domestique en France a démarré dans les années 70 à la
suite du premier choc pétrolier. Dans un but d'économies d'énergie et pour écouler son
trop-plein de production, E.d.F. lança une campagne de promotion du système PERCHE
(Pompe En Relève de CHaudière Existante) couplant une PAC et une chaudière à mazout
traditionnelle. Le grand public découvrait alors une machine miraculeuse qui restituait
dans les radiateurs plus d'énergie qu'elle n'en consommait. L'intérêt pour de tels systèmes
a diminué depuis cette date, en partie à cause d'un manque de abilité des premiers matériels proposés et d'un manque de formation des installateurs ; le coût des PAC limite
également leur développement.
Pour le physicien, la PAC n'a rien d'une machine miraculeuse. En eet, dans le cas
d'une pompe à chaleur, la source froide est le réservoir thermique supposé inni (rivière,
atmosphère,...) ; c'est une source d'énergie gratuite (pour le compte en banque !). La source
chaude est le volume à réchauer (habitation, piscine,...) qui doit être ni. Dans son
principe, c'est donc la même machine qu'un réfrigérateur : seules les "dimensions" des
deux sources, chaude et froide, ont été échangées.
1. A l'aide des mesures eectuées lors de la première manipulation en machine frigorique, calculez le COP de Mollier et le COP pratique en pompe à chaleur.
2. Comparez ces valeurs de COP à celles obtenues en machine frigorique.
3. Quelles raisons physiques simples pouvez-vous proposer pour expliquer les diérences
constatées ?
7. Considérations pratiques sur votre propre réfrigérateur
Ces questions sont uniquement posées pour vous faire rééchir. Dans votre réfrigérateur, à quelles températures se trouve le uide caloporteur à la source froide et à la source
chaude ? Pourquoi ? Pourquoi est-il recommandé de dégivrer régulièrement un réfrigérateur ? Pourquoi faut-il régulièrement enlever la poussière s'accumulant sur le radiateur
8
externe d'un réfrigérateur ? Pourquoi faut-il éviter de le placer contre un mur sans aération ?
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