Usage du diagramme enthalpique
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Usage du diagramme enthalpique
Usage du diagramme enthalpique 1 Diagramme h,log pdu R134a 2 compression Condensat ion Dét ent e Evaporat ion Pression absolue 100,000 10,000 2 3 4 1,000 1 0,100 100 4 3 150 200 250 300 350 Enthalpie massique 400 450 500 550 Sommaire • • • • Rappel Cycle de base Présentation du diagramme enthalpique. Tracer un cycle d’une machine à compression de vapeur. • Calcul des puissances et du COP • Exercices et TP Rappel • Le circuit frigorifique est constitué de 5 éléments de base: Compresseur • Compresseur • Condenseur Évaporateur • Détendeur • Évaporateur Détendeur • Fluide frigorigène Condenseur Le fluide frigorigène Rappel Il y a deux niveaux de pressions dans le circuit frigorifique: BP HP • Haute Pression (HP) Compresseur • Basse Pression (BP) Évaporateur Détendeur Condenseur Le fluide frigorigène Rappel Le fluide frigorigène se retrouve sous trois états différents: • Vapeur Compresseur Vapeur Vapeur • Liquide Évaporateur • Mélange liquide-vapeur Liquide-Vapeur Détendeur Condenseur Liquide Le fluide frigorigène Rappel Les notions de chaleurs: • Chaleur sensible • Chaleur latente Rappel Application au circuit frigorifique Surchauffe: Variation de température Chaleur sensible Vapeur/ BP Vapeur/ HP Désurchauffe: Variation de température chaleur sensible Condensation: changement d’état Chaleur latente Évaporation: Changement d’état Chaleur latente Liquide-Vapeur /BP Liquide/ HP sous-refroidissement: Variation de température Chaleur sensible Cycle de base Le cycle frigorifique de base est repéré par 4 points. Par convention: • • • • 1=aspiration compresseur 2=refoulement compresseur Vapeur 3=entrée détendeur 4=entrée évaporateur BP HP Compresseur 1 2 Vapeur Évaporateur Liquide-Vapeur Détendeur 4 3 Condenseur Liquide Tableau récapitulatif BP Vapeur HP Compresseur 1 2 Vapeur Évaporateur Liquide-Vapeur Détendeur 4 3 Condenseur Liquide Tableau récapitulatif Points Pression Etat 1 BP vapeur 2 HP vapeur 3 HP liquide 4 BP liquide+vapeur Présentation du diagramme enthalpique Courbes de bulle Point critique Isentrope Liquide Pression absolue (bar) Sous-refroidi Isobare Isochore Mélange Liquide+vapeur Courbes de rosée Vapeur surchauffée Isotitre Isenthalpe Enthalpie-massique (kJkg) Isotherme Exemple de lecture Diagramme h,log P du R134a 100,0 0,04 m3 / kg 3 Mélange Mélange Liquide+vapeur Liquide+vapeur 3 3 0,2 m3 / kg 0,3 m3 / kg 0,4 m3 / kg 0,5 m3 / kg 0,6 m3 / kg 0,7 m3 / kg 0,8 m3 / kg V=1 m3 / kg -30 0,2 0,3 0,4 0,6 0,7 0,8 0,9 Xv=0,5 60 150 200 250 300 350 Enthalpie massique (kJ/kg) 400 450 100 -50 0,1 80 -40 0,1 100 0,06 m / kg Vapeur Vapeur 0,08 m / kg 0,1 m / kg surchauffée surchauffée 500 140 1,0 50 0,02 m3 / kg 120 t= -10 -20 10 20 30 40 70 0,01 m3 / kg 60 10,0 Liquide Liquide Sous-refroidi Sous-refroidi 60 10 80 90 -40 -20 0 °C 20 40 Pre ssion absolu e ThermoRic Auteur BYS 550 Tracer un cycle d’une machine à compression de vapeur. La Plaçons Plaçons le le point point 2se 3à au refoulement :à pression AL’évaporation Plaçons Chute lacondensation Représentons fin de leCompression pression l’évaporateur,les point se1 fait les àfait l’aspiration travers à deux pression le du du constante compresseur. .(on néglige les de charges). vapeurs compresseur. détendeur constante. niveaux se surchauffent. (on de néglige pression lespertes pertes HP de charges). et BP Liquide sous-refroidi à la HP Sous-refroidissement HP Pression absolue (bar) 1 2 Désurchauffe 3 2 Ev BP 4 1 Surchauffe Enthalpiemassique (kJkg) Cd 4 3 La Plaçons Plaçons le le point point 2se 3à au refoulement :à pression AL’évaporation Plaçons Chute lacondensation Représentons fin de leCompression pression l’évaporateur,les point se1 fait les àfait l’aspiration travers à deux pression le du du constante compresseur. .(on néglige les de charges). vapeurs compresseur. détendeur constante. niveaux se surchauffent. (on de néglige pression lespertes pertes HP de charges). et BP Liquide sous-refroidi à la HP Exemple: Diagramme h,log P du R134a 100,0 HP 3 20 150 0,02 m3 / kg 2 0,04 m3 / kg 0,06 m3 / kg 0,08 m3 / kg 0,2 m3 / kg 0,3 m3 / kg 1 Surchauffe 300 350 Enthalpie massique (kJ/kg) 400 450 500 140 250 0,7 0,8 0,9 120 200 0,6 0,4 m3 / kg 0,5 m3 / kg 0,6 m3 / kg 0,7 m3 / kg 0,8 m3 / kg V=1m3 / kg 100 0,2 0,3 0,4 Xv=0,5 60 0,1 100 0,01m3 / kg 0,1 m3 / kg 4 0,1 Désurchauffe 10 -30 -40 -50 10 80 BP 5 70 90 60 1,0 t= -10 -20 30 40 60 80 20 40 10,0 Sous-refroidissement -40 -20 0°C Pression absolue ThermoRic Auteur BYS 550 Calcul de puissance et de débit Puissance frigorifique: C’est la quantité de chaleur (en kJ) absorbée par unité de temps, par le fluide frigorigène au médium à refroidir. Elle s’exprime en kJ/s donc en kW. Φo=qm∗(h1−h4) Φo:Puissance frigorifique en kW qm:Débit masse de fluide frigorigène en kg/s h1:Enthalpie massique sortie évaporateur en kJ/kg h4:Enthalpie massique entrée évaporateur en kJ/kg Calcul de puissance et de débit Volume aspiré: C’est le débit de volume aspiré par le compresseur .C’est le volume occupé par les vapeurs de fluide frigorigène à l’aspiration du compresseur. qva=qm∗V' qva:Débit volume aspiré en m3/s qm:Débit masse de fluide frigorigène en kg/s V’aspiré:Volume massique à l’entrée du compresseur en m3/kg Calcul de puissance et de débit Taux de compression : C’est le rapport de pression de refoulement sur la pression d’aspiration exprimées en bars absolus. P2 Γ= P1 Γ:taux de compression P2: pression de refoulement en bars absolus P1: pression d’aspiration en bars absolus Calcul de puissance et de débit Rendement volumétrique : C’est le rapport entre le débit volume aspiré et le débit volume balayé du compresseur.Le rendement volumétrique est influencé par différents facteurs: qva ηv= qvb •Par la détente de l’espace mort (le type de fluide frigorigène) • L’étanchéité des clapets et des segments n’est pas parfaite • Les clapets présentent une certaine perte de charge • Les gaz d’aspiration se réchauffent au contact des clapets d’aspiration et de la paroi du cylindre .Par conséquent ,des vapeurs s’évaporent de l’huile. Calcul de puissance et de débit Rendement volumétrique : En utilisant une bonne approximation ,on obtient la formule suivante du rendement volumétrique: ηv=1−0,05∗Γ ηv:Rendement volumétrique Calcul de puissance et de débit Débit volume balayé : C’est le débit volume engendré par la cylindrée du compresseur: qva qvb= ηv ηv:Rendement volumétrique qvb:Débit volume balayé par le compresseur en m3/s qva:Débit volume aspiré par le compresseur en m3/s Calcul de puissance et de débit Puissance compresseur: Elle correspond à la puissance nécessaire au compresseur pour comprimer les vapeurs de fluide de la BP à la HP et elle doit vaincre les frottements mécaniques. Elle dépend surtout de la quantité de fluide à comprimer et du taux de compression. Calcul de puissance et de débit Puissance compresseur: La puissance mécanique du compresseur est égale à: qm∗(h2is −h1) Pcpméca = ηi∗ηm Pour simplifier nos calculs; on prendra ηi= ηv Pcpméca:Puissance mécanique compresseur en kW qm:Débit masse de fluide frigorigène en kg/s h2is:Enthalpie massique des vapeurs refoulés lors d’une compression isentropique en kJ/kg h1 :Enthalpie massique des vapeurs aspirés en kJ/kg ηi:Rendement indiqué ηm:Rendement mécanique Calcul de puissance et de débit Puissance rejetée au condenseur: C’est la quantité de chaleur à évacuer pour permettre au fluide de se condenser par unité de temps .Elle correspond à la chaleur absorbée par le fluide dans l’évaporateur ainsi que la chaleur due au travail de compression par unité de temps. Φk =Φ0+Pcpméca +q Φk:Puissance rejetée au condenseur en kW q:Quantité de chaleur captée par le fluide dans la ligne d’aspiration ,chaleur dissipée par effet joule dans les semi-hermétiques et hermétiques par unité de temps. Définition: • Enthalpie: • L’enthalpie représente l’énergie totale contenue dans un fluide .Elle est constitué de l’énergie interne et du travail extérieur qu’il a fallu lui fournir pour atteindre l’état considéré. Définition: • Pression absolue: – La pression absolue est égale à la pression relative (pression mano) + 1 bar. Pabs = Prelative + 1 Définition: • Volume massique: – C’est le volume occupé par une masse de 1 kg de fluide Unité : m3/kg Remarque: le volume massique est d’autant plus important que la pression qui règne sur le fluide est faible. Définition: • Titre en vapeur: – C’est le pourcentage de vapeur contenu dans un mélange liquide-vapeur .Il est utilisé pour mesurer la quantité de vapeur lors de l’évaporation ou de la condensation. Définition: • Point critique: – C’est le point de rencontre entre la courbe de rosée et la courbe de bulle . – Il représente la température au-delà de laquelle aucune pression ,si élevée soit-elle , ne provoque la condensation Définition: • entropie: Définition: • Détente: La chute de pression due au détendeur est isenthalpique .On constate qu’en cours de détente ,une partie du fluide s’est vaporisée afin de refroidir de Tk à To le liquide restant. Définition: • Évaporation: – L’évaporation se fait à pression constante .L’enthalpie du fluide augmente au fur et à mesure de son avance dans l’évaporateur.A la fin de l’évaporateur,les vapeurs se surchauffent. Définition: • Compression: • La compression est isentropique (ou adiabatique) .Pendant la compression, le fluide absorbe une quantité de chaleur qui correspond au travail fourni par le compresseur .Le travail augmente avec la pression et la température. Définition: • Condensation: La condensation se fait à pression constante. Il y a 3 étapes dans le condenseur: • Désurchauffer les vapeurs refoulées • Condenser le fluide • Sous-refroidir le liquide avant la détente. Définition: • entropie: Définition: • Débit masse: C’est la quantité de fluide frigorigène à évaporer et à faire circuler pour obtenir la puissance frigorifique . Le débit masse s’exprime en kg de fluide par unité de temps (kg/s) Définition: • Rendement mécanique: C’est une caractéristique propre à chaque compresseur.Il est donné par le constructeur. Définition: • Chaleur sensible: C’est la quantité de chaleur en joules qui provoque la variation de température d’un corps sans modifier son état physique. Définition: • Chaleur latente: C’est la quantité de chaleur en joules qui provoque le changement d’état d’un corps à température et pression constante dans le cas d’un fluide pur . • Voir les exemples. Exemples: • Exemple 1: on veut refroidir 1 kg d’eau de 15°C à –18°C . T,°C 15°C 0°C 0°C -18°C Chaleur sensible avant congélation 62,70 Chaleur latente de solidification 335 Chaleur sensible après congélation 37,62 Q,kJ Exemples: Retour sur notion de chaleur • Exemple 2: on veut refroidir 1 kg de vapeur R134a de 54 °C à 35 °C sous une pression de 10,16 bar. T,°C 54°C 40°C 40°C 35°C Chaleur sensible avant condensation 15.5 Chaleur latente de condensation 161 Chaleur sensible après condensation 8,5 Q,kJ