7. Pompe à chaleur (RI)

B.T.S. T.P.I.L. \ Mécanique et Thermodynamique \ Pompe à chaleur
T.P. N°7 DE THERMO-MECA
POMPE À CHALEUR
Le but du T.P. est d’étudier une pompe à chaleur.
Matériel
•
•
•
•
I.
1 pompe à chaleur Hilton
des diagrammes pression-enthalpie du tétrafluoroéthane
des tables de données thermodynamiques sur le tétrafluoroéthane
1 chronomètre
Description de la pompe à chaleur Hilton
1. Fonction et constitution
Les machines frigorifiques : pompe à chaleur, réfrigérateur, congélateur, climatiseur, etc. sont
des machines thermiques dont la fonction est d’inverser le sens naturel des échanges
thermiques. Elles prennent de la chaleur à une source froide et elles en cèdent à une source
chaude. Pour cela, il faut leur fournir de l’énergie sous forme de travail.
Dans notre cas la source froide est l’air ambiant et la source chaude l’eau du robinet. Le but
de cette pompe à chaleur est de chauffer l’eau du robinet en prenant de la chaleur à l’air.
Une machine frigorifique classique est constituée d’un fluide frigorifique (dans notre cas il
s’agit du tétrafluoroéthane CH3FCF3 (R134a)) et d’organes permettant les échanges
énergétiques entre le fluide et le milieu extérieur (échangeurs de chaleur (condenseur et
évaporateur) et échangeur de travail (compresseur)).
2. Principe
ɺ eau
m
5
6
Source chaude : eau
ɺ
Q
C
2
3
P2
condenseur
ɺ
W
détendeur
compresseur
évaporateur
1
4
ɺ
Q
F
ɺR
m
Source froide : air
1
P1
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Les échanges énergétiques naturels se font du fluide chaud vers le fluide froid. Ils sont d’autant
plus importants que l’écart de température entre les deux fluides est grand.
Si on désire que le tetrafluoroéthane donne de la chaleur à l’eau à travers le condensateur, il faut
que la température du tetrafluoroéthane soit supérieure à celle de l’eau. Ceci est réalisé grâce au
compresseur qui comme son nom l’indique fait augmenter la pression du tetrafluoroéthane mais
en même temps fait augmenter sa température.
Si on désire que le tetrafluoroéthane prenne de la chaleur à l’air à travers l’évaporateur, il faut
que la température du tetrafluoroéthane soit inférieure à celle de l’air. Ceci est réalisé grâce au
détendeur qui comme son nom l’indique fait diminuer la pression du tetrafluoroéthane mais en
même temps fait diminuer sa température.
Ainsi en jouant sur la pression du tetrafluoroéthane, on modifie sa température afin d’obtenir les
échanges thermiques voulus.
Le tetrafluoroéthane a été choisi pour ses propriétés physiques car il change d’état (liquidevapeur) lors des échanges thermiques. De la sorte les quantités de chaleur échangées sont
beaucoup plus importantes.
3. Instruments de mesure
Afin d’étudier le fonctionnement de la pompe à chaleur on dispose de :
6 thermocouples pour mesurer les températures du tétrafluoroéthane (θ1, θ2, θ3 et θ4) et de
l’eau (θ5 et θ6).
On affiche la température désirée en tournant le bouton de sélection.
2 manomètres pour mesurer respectivement les pressions effectives du tétrafluoroéthane à
l’évaporateur P1 et au condenseur P2.
ɺ R et
2 débitmètres : un rotamètre pour mesurer le débit massique du tétrafluoroéthane m
ɺ eau .
un capteur de débit à affichage numérique pour celui de l’eau m
1 compteur pour calculer la puissance P absorbée par la pompe à chaleur pour
essentiellement faire fonctionner le compresseur.
On calcule cette puissance à partir de la mesure du temps x mis par le disque pour faire
E
un tour,
P=
x
avec
E = 15 kJ l’énergie consommée lorsque le disque effectue un tour.
•
En suivant le parcours du tétrafluoroéthane, repérer les différents organes de la pompe à
chaleur (compresseur, condenseur, détendeur et évaporateur) et les différents instruments de
mesures (thermocouples, manomètres, débitmètres et compteur).
Remarque : Au dessus du détendeur, se trouve un serpentin creux qui relie le point 1 à la
vanne de détente. Son rôle est d’imposer une pression à la sortie du détendeur égale à celle à
l’entrée du compresseur. Ceci permet de stabiliser le cycle du tétrafluoroéthane.
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II. Étude du fonctionnement
1. Mesures
•
•
•
•
Ouvrir le robinet de l’alimentation en eau situé sous l’évier et vérifier que l’eau circule.
Mettre en marche la pompe à chaleur en appuyant sur l’interrupteur général.
Attendre un peu, puis fixer le débit d’eau aux environs de 15 g.s-1.
Pour cela, jouer sur la vanne située sur le coté droit de la pompe à chaleur.
Au bout d’un quart d’heure, lorsque les températures et les pressions sont stabilisées, le
régime permanent est atteint. Vous pouvez alors relever les six températures, les deux
pressions, les deux débits et le temps mis par le disque pour faire un tour.
2. Détermination des enthalpies massiques
•
En vous aidant de la description du cycle donnée en dessous, tracer le cycle décrit par le
tétrafluoroéthane sur son diagramme pression-enthalpie format A3.
1→2
2→3
3→4
4→1
compression du fluide à l’état vapeur (P2 > P1) grâce à un apport de travail W de
l’extérieur.
condensation à pression constante (P3 = P2) de la vapeur qui cède de la chaleur
QC à la source chaude l’eau.
détente isenthalpique du fluide à l’état liquide (P4 < P2).
évaporation à pression constante (P4 = P1) du liquide qui prend de la chaleur QF
à la source froide l’air.
D’après le cycle tracé dans le diagramme pression-enthalpie, la compression subie par le
fluide est-elle isentropique ?
Faire apparaître sur le diagramme le point 2S correspondant à l’état du fluide après une
compression isentropique.
Relever sur le diagramme pression-enthalpie les enthalpies des points 1, 2, 2S, 3 et 4.
Utiliser les tables de données thermodynamiques pour déterminer les enthalpies
massiques pour les points 1, 2 et 2S.
L’enthalpie massique du point 2S sera déterminée en cherchant l’enthalpie du point ayant
la pression P2 et l’entropie massique du point 1.
Quel est l’état du fluide en 4 ?
On définit la fraction massique de vapeur du fluide comme le pourcentage de la masse de
m
vapeur par rapport à la masse du mélange liquide-vapeur, x = v .
m
Les diagrammes pression-enthalpie comportent des isotitres qui permettent de lire
directement la fraction massique de vapeur d’un fluide.
Déterminer la fraction massique de vapeur x du fluide en 4.
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Il existe une relation entre les enthalpies massiques et la fraction massique de vapeur du
h −hL
fluide : x =
avec hV et hL les enthalpies à saturation respectivement
hV −hL
des phases vapeur et liquide.
En déduire les enthalpies des points 3 et 4.
Comparer les enthalpies déterminées graphiquement et celles obtenues à l’aide des tables
de données. Lesquelles vous paraient-elles plus précises ?
Les températures des sources chaude et froide sont définies comme les températures
prises par le fluide du système au contact respectivement des sources chaude et froide.
Préciser sur le cycle en le justifiant les températures de la source chaude et de la source
froide.
3. Bilans énergétiques
Lorsqu’on effectue un bilan énergétique, on applique le premier principe de la
thermodynamique. Cependant il existe plusieurs expressions de ce principe selon sur quoi on
l’applique.
Si on l’applique à un système, son expression est la suivante, ∆U = W + Q (J).
On peut prendre comme exemple de système, le tétrafluoroéthane de la pompe à chaleur.
Bilan énergétique (sur un cycle)
:
∆U = W + QC + QF = 0.
Sur un cycle l’énergie du tétrafluoroéthane ne varie pas.
Si on l’applique à un volume de contrôle, son expression est la suivante,
∆h = hS – hE = w + q (J.kg-1).
On peut prendre comme exemple de volume de contrôle, l’évaporateur de la pompe à
chaleur. Bilan énergétique
:
∆h = h1 – h4 = qF > 0
En traversant l’évaporateur, le tétrafluoroéthane prend de la chaleur à l’air.
On voit ici l’intérêt de la fonction enthalpie et le fait d’avoir tracé le cycle du fluide dans
un diagramme pression-enthalpie.
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a. Bilan sur le tétrafluoroéthane
α. Évaporateur
En utilisant les enthalpies massiques, calculer la chaleur massique qF reçue par le
tétrafluoroéthane à travers l’évaporateur.
ɺ (W) à une chaleur
Quelle est la relation qui lie une puissance thermique Q
F
-1
massique qF (J.kg ) ?
ɺ reçue par le tétrafluoroéthane.
En déduire la puissance thermique Q
F
β. Condenseur
En utilisant les enthalpies massiques, calculer la chaleur massique qC perdue par
le tétrafluoroéthane à travers le condenseur.
ɺ perdue par le tétrafluoroéthane.
En déduire la puissance thermique Q
C
γ. Compresseur
La compression idéale est la compression isentropique. Celle-ci apporte uniquement
ɺ .
la puissance mécanique nécessaire et suffisante pour comprimer le fluide W
S
ɺ
Pour une compression non isentropique de puissance W , on définit le rendement de
ɺ
W
la compression, rC = S .
ɺ
W
En utilisant les enthalpies massiques, calculer l’énergie massique w reçue par le
tétrafluoroéthane à travers le compresseur.
ɺ reçue par le tétrafluoroéthane.
En déduire la puissance W
ɺ nécessaire et suffisante pour
A partir de h2S, calculer la puissance W
S
comprimer le fluide.
ɺ ?
ɺ et W
A quoi sert la différence de puissance entre W
S
En déduire le rendement rC de la compression.
δ. Bilan
Compléter le schéma suivant en faisant apparaître les valeurs numériques des
ɺ .et Q
ɺ .
ɺ ,Q
différentes puissances échangées : W
F
C
ɺ =
W
ɺ =
Q
C
R134a
ɺ =
Q
F
Vérifier que le bilan n’est pas faux (tout ce qui entre = tout ce qui sort).
ɺ
Q
On définit l’efficacité du cycle de la pompe à chaleur, eC = ɺC . Calculer
W
l’efficacité eC du cycle étudié.
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b. Bilan sur la pompe à chaleur
α. Évaporateur
Au niveau de l’évaporateur, on considère que toute la puissance reçue par le
ɺ =Q
ɺ (réel) .
tétrafluoroéthane correspond à la puissance cédée par l’air : Q
F
F
β. Condenseur
En effectuant un bilan enthalpique sur l’eau, calculer la puissance thermique
ɺ (réel) . On donne ceau = 4,185 J.g-1.K-1.
reçue par l’eau Q
C
ɺ (réel) .
ɺ et Q
ɺ entre Q
Calculer la différence de puissance thermique Q
C
C
P1
A quoi correspond cette puissance thermique perdue par la pompe à chaleur ? Un
indice : toucher l’organe qui se trouve entre le condenseur et le point 3. Cet
organe permet de s’assurer que le tetrafluoroethane est liquide au point 3. Pour
cela il achève la condensation du tetrafluoroethane en cédant de la chaleur à
ɺ .
l’air : Q
P1
γ. Compresseur
ɺ (réel) reçue par la pompe à chaleur.
Calculer la puissance électrique W
A part faire fonctionner le compresseur, à quoi sert cette puissance ?
Sachant que la puissance absorbée par le ventilateur est de P = 40 W et en
négligeant la puissance absorbée par les différents capteurs, déterminer la
ɺ cédée par le carter du compresseur à l’air.
puissance thermique Q
P2
En déduire le rendement du compresseur R.
δ. Bilan
Compléter le schéma suivant en faisant apparaître les valeurs numériques des
ɺ (réel) et
ɺ (réel) , Q
ɺ (réel) , Q
différentes puissances échangées : W
C
F
ɺ =Q
ɺ +Q
ɺ + P.
Q
P
P1
P2
ɺ (réel) =
Q
C
ɺ (réel) =
W
Pompe à
chaleur
ɺ (réel) =
Q
F
ɺ =
Q
P
Vérifier que le bilan n’est pas faux (tout ce qui entre = tout ce qui sort).
On définit le coefficient de performance de la pompe à chaleur, CoP =
ɺ (réel)
Q
C
.
ɺ (réel)
W
Calculer le coefficient de la pompe à chaleur étudiée.
Comment explique-t-on que le coefficient de performance de la pompe à
chaleur soit supérieur à 1 ?
Pourquoi est-ce intéressant ?
Comparer une pompe à chaleur avec une résistance électrique.
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III. Courbe de performance
On désire étudier les variations du coefficient de performance CoP en fonction de la température
de la source chaude θ6 (courbe de performance).
Pour faire varier cette température, on joue sur le débit d’eau.
Pour faire varier le débit d’eau, jouer sur la vanne située sur le coté droit de la pompe à chaleur.
1. Mesures
•
•
•
ɺ eau = 30 g.s-1. Attendre le régime permanent.
Fixer le débit d’eau à environ, m
Lorsque θ6 est stable, relever sous Excel la température de l’eau à la sortie de la pompe à
ɺ R et le temps x (la température l’eau entrante θ5 a été
chaleur θ6, le débit d’eau m
mesurée précédemment et est considérée constante).
ɺ eau = 7,5 g.s-1.
Répéter cette opération avec un débit d’eau d’environ, m
2. Tracé des courbes de performance
•
Calculer en fonction des valeurs relevées :
ɺ (réel) ,
la puissance électrique fournie à la pompe à chaleur W
ɺ (réel) ,
la puissance calorifique cédée à l’eau Q
C
•
le coefficient de performance CoP.
Tracer le coefficient de performance en fonction de la température de la source chaude,
CoP = f (θ6). Il est inutile de chercher à la modéliser.
3. Interprétation
Commenter l’allure de la courbe obtenue.
Donner les limites du coefficient de performance lorsque θ6 → ∞ et lorsque θ6 → θ1 = θF.
Pour quelles conditions sur les températures des sources chaude et froide, la pompe à
chaleur n’est-elle plus intéressante ?
4. Extrapolation
On désire chauffer une maison individuelle par un chauffage central avec comme source de
chaleur une pompe à chaleur.
Quel système de chauffage : radiateur classique ou plancher chauffant, préconiseriezvous ?
On précise que la température de l’eau circulant dans les radiateurs est d’environ 60 °C
alors que celle circulant dans un plancher chauffant est d’environ de 30 °C.
Comment doit être la température de l’air pour avoir un CoP important ?
Pour ce T.P. on a étudié une pompe à chaleur air-eau. Or il existe des pompes à chaleur
eau-eau., où la source froide est de l’eau qui circule dans un tuyau enterré sous environ
1 m de terre. La terre joue le rôle d’un thermostat.
Quel est l’avantage d’un système eau-eau sur un système air-eau ?
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