[PDF] CONNAISSANCES DE BASE THERMODYNAMIQUE DU CYCLE FRIGORIFIQUE

Thermodynamique - Claude Bernard University Lyon 1

Thermodynamique Cours 9 VI Machines thermiques Définitions Moteurs cycliques Ennoncés historiques du 2ème principe Le cycle de Carnot Rendement d'un moteur

BENZERDJEB ABDELOUAHAB 2017 - USTO-MB

I – 4 Rendement thermodynamique d’un cycle ‘η th’ 10 I – 5 Le Cycle de Carnot 11 I-5-1 Description du cycle de Carnot 11 I-5-2 Rendement du cycle de Carnot 11 I – 6 Types de machines thermiques 12

CONNAISSANCES DE BASE THERMODYNAMIQUE DU CYCLE FRIGORIFIQUE

du cycle ans le iagramme T,s Ici la température T du fluide de travail est porté au-dessus de l’entropie s La surface entourée par les changements d’état du fluide de travail correspond au travail déployé dans le cycle Le cycle doté du plus haut rendement possible, c’est cycle de Carnot; ici la surface entourée forme un rectangle

1 Thermodynamique des machines cycliques dithermes

Thermodynamique 05 Machinesthermiques Le rendement réel d’une pompe à chaleur est nettement inférieur à la valeur Ce cycle se caractérise par une aire

MEC1210 THERMODYNAMIQUE

Déterminez le rendement du cycle Martin Gariépy MEC1210 Thermodynamique p 7 Le cycle Rankine actuel (non idéal) Chapitre 10 3 Martin Gariépy MEC1210

BTS Agroéquipement 2004 - ac-nancy-metzfr

4 2 Représenter le cycle dans le diagramme entropique en prenant S = 0 pour l'état l Que représente l'aire du cycle ? Le justifier 5 Exprimer le rendement thermodynamique du cycle en fonction de T 1 , T 2 , T 3 , T 4 et γ Faire l'application numérique B Dans un moteur Diesel «rapide» le cycle décrit par l'air est modifié

cours n° 7 : Les machines thermiques dithermes

1er cycle universitaire BTS C Haouy, professeur de Physique Appliquée Cours de Thermodynamique n° 7 : Les machines thermiques dithermes Mise à jour du 28/01/08 page 1/18 Colonne de gauche = discours fait aux élèves, pas forcément écrit au tableau

32 ANALYSE DES CYCLES THÉORIQUES DES MOTEURS ALTERNATIFS

rendement La raison est que le cycle de Beau de Rochas a le même rendement qu'un cycle de Carnot qui fonctionnerait entre les deux températures T4 et T1 En fait, tout se passe comme si la surpression et l'élévation de température consécutives à la combustion à volume constant n'avaient aucune influence sur le rendement global

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GENIE FRIGORIFIQUE THERMODYNAMIQUE DU CYCLE FRIGORIFIQUETHERMODYNAMIQUE DU CYCLE FRIGORIFIQUEcompression isothermiquepq

Le cycle idéal

Le cycle frigorifique dans le diagramme T,s

vapeur humide température d'ébullition surchauffé sous forme de vapeur Le diagramme log p,h pour agents réfrigérants teneur en v ition surchauffé sous forme de vapeur

Diagramme log p,h pour agents

réfrigérants

émission de chaleur

lors de la condensation absorption de chaleur lors de l'évaporation ession élevéepre puissance motrice d'un compres- seur sous f orme de ga z l iqui depression faiblep

CONNAISSANCES DE BASE

Le cycle d'une installation

frigorifique à compression simpleAssemblage et fonctionnement d'une installation frigorifique Dans le cas d'une installation frigorifique à compres- sion, l'agent réfrigérant traverse un cycle fermé et prévoit les quatre étapes suivantes:

évaporation A

compression B condensation C détente D La production du froid a lieu dans l'évaporateur (A). L'évaporation a lieu à des pressions et à des tempé- ratures faibles. Ici l'agent réfrigérant absorbe de la chaleur de l'environnement et le refroidit de cette manière. La vapeur de l'agent réfrigérant qui est encore froide est aspirée par un compresseur (B) et en déployant de l'énergie mécanique, elle est portée à une pression supérieure. Par la compression, la vapeur de l'agent réfrigérant se réchauffe. La vapeur chaude de l'agent réfrigérant est refroidie dans un condenseur (C) et est condensée en émettant de la chaleur dans l'environnement. L'agent réfrigérant liquide, qui se trouve sous pression est ensuite de nouveau détendu dans un élément d'ex- pansion (D) à la pression d'évaporation plus faible et est acheminé vers l'évaporateur. L'agent réfrigérant s'évapore de nouveau et ainsi le circuit est bouclé.

Le cycle idéal (cycle de Carnot) d'un fluide

de forme gazeuse dans le diagramme T,s Il est possible de faire une représentation particulièrement claire du cycle dans le diagramme T,s. Ici la températureT du fluide de T travail est porté au-dessus de l'entropie s. La surface entourée par les changements d'état du fluide de travail correspond au travail déployé dans le cycle. Le cycle doté du plus haut rendement possible, c'est cycle de Carnot; ici la surface entourée forme un rectangle. Ce processus est volontiers pris comme processus de comparaison afin de décrire la qualité d'un cycle. Le sens de circulation du cycle dans le diagrammeT,s décide s'il s'agit un processus de pompe à chaleur (cycle frigorifique) ou d'un processus de machine motrice (processus de la force motrice de la vapeur). Les cycles frigorifiques se déroulent dans le sens contraire des aiguilles d'une montre et le travail repré- senté par la surface verte est acheminé vers le processus.

évaporation

en état de surrefroidisse- ment sous forme liquide compression expansion condensation en état de surrefroidis- sement sous forme liquide

Le cycle frigorifique

Dans le cas de fluides de travail qui comme l'eau ou des agents réfrigérants peuvent survenir dans des phases différentes, le diagrammeT,s se présente différemment. Sur la gauche, il est doté d'une zone(gris) dans laquelle le fluide de travail est dans un état liquide et dans un état de surrefroidissemant. Au centre(bleu) se trouve un mélange composé de vapeur et de liquide, la vapeur humide. A droite(orange) le fluide de travail est purement à l'état de vapeur et est surchauffé.

Ce diagramme T,s permet également de faire une

représentation du cycle frigorifique réel et de ses passages de phases typiques. Le processus ressemble fortement au processus de force motrice de la vapeur connu. La plus grande différence consiste en ce que le processus se déroule dans le sens contraire des aiguilles d'une montre. Ainsi les opérations d'éva- poration et de condensation ainsi que d'expansion (détente) et de compression (pompes) permutent leurs positions. La surface enfermée (verte) correspond au travail du compresseur, celui-ci étant acheminé au processus. Dans le diagramme log p,h, la pressionp est portéep au-dessus de l'enthalpie h. Dans la partie centrale (bleu)se trouve la zone de vapeur humide. Ici la température correspond à la température d'ébullition correspondanté à la pression. La zone de vapeur humide est entourée de courbes limites, assorties d'une teneur en vapeur de x=0,0 et de x=1,0. A gauche (gris), l'agent réfrigérant est liquide. La tempé- rature se situe en-dessous de la température d'ébullition correspondanté à la pression, l'agent réfrigérant étant en

état de surrefroidissemant.

A droite(orange(()e, l'agent réfrigérant est dans un état gazeux et la température est supérieure à la température d'ébullition. L'agent réfrigérant est surchauffé. Chaque agent réfrigérant a son propre diagramme log p,h. Le diagramme log p,h se prête mieux à la représenta- tion du cycle frigorifique que le diagramme T,s et c'est la raison pour laquelle il est plus fréquemment utilisé. Comme les énergies échangées avec l'agent réfrigérant modifient l'enthalpie h de l'agent réfrigérant, les flux d'énergie peuvent être immédiatement interprétés dans le diagramme comme des trajets horizontaux. 29
GENIE FRIGORIFIQUE THERMODYNAMIQUE DU CYCLE FRIGORIFIQUE

THERMODYNAMIQUE DU CYCLE FRIGORIFIQUEh

1 -h 4 COP = h 2 - h

1Le cycle frigorifique dans le diagramme log p,h

Le cycle frigorifique réel se compose des changements d'état suivants:

Dans le cadre du cycle frigorifique réel surviennent en outre également des pertes de pression, de telle sorte que

l'évaporation et la condensation ne se déroulent pas d'une manière exactement horizontale (manière isobarique).

1 - 2 compression polytropique sur la pres-

sion de condensation (pour comparai- son 1 - 2' compression isentropique)

2 - 2'' refroidissement isobarique, le refroi-

dissement de la vapeur surchauffée

1' - 1 réchauffement isobarique, surchauffe

de la vapeur

4 - 1' évaporation isobarique

2'' - 3' condensation isobarique

Le cycle frigorifique dans le diagramme log p,hAppellation

HF R134a

HF R404a

HF R407a

NH 3 R717

Isobutane R600a

CO 2

R744Température

d'ébullition

Ts = -26°C

Ts = -47ʝ

Ts = -39...-45°C

Ts = -33°C

Ts = -12ʝ

Ts = -78°C

Substance extra pure

Mélange

Mélange

Substance extra pure

Substance extra pure

Substance extra pure

L'évolution de la pression de la vapeur du fluide de travail est la condition pour un bon fonctionnement. Dans le cas de pressions faibles et de températures de refroidissement souhaitées, elle doit prendre une forme gazeuse et dans le cas de pressions et de températures élevées, elle doit prendre une forme liquide. Les pressions doivent par ailleurs être techni- quement maîtrisables. Le diagramme montre la courbe de la pression de la vapeur de l'HF R134a, celui-ci se prêtant bien à ce type d'opération. Il est possible d'obtenir des tempé- ratures de refroidissement courantes de -26°C dans l'évaporateur avec des pressions se situant autour de

1 bar alors que la condensation n'exige qu'une pres-

sion de 17 bars à 60°C.

Alors que dans le cas de substances extra pures

comme le NH 3 , le propane et le CO 2 , la courbe de la pression de la vapeur est figée, celle-ci peut être adaptée dans de grandes proportions aux besoins dans le cas des hydrocarbures fluorés en mélangeant différentes variétés de base.

Pression en bars a

Température en °

C

Courbe de la pression de la vapeur

d'HF R134a

CONNAISSANCES DE BASE

Considérations énergétiques dans le diagramme log p,h Les écarts horizontaux des principaux points du processus dans le diagramme log p,h correspondent aux différences d'en- thalpie. Dans le cas d'un cycle frigorifique simple sans jonc- tions des débits massiques, ceux-ci donnent multipliés par le débit massique de l'agent réfrigérant les flux d'énergie ou les puissances du système idéal. Les écarts dans le diagramme log p,h représentent donc une mesure directe pour les flux d'éner- gie échangés. Le trajet 4 - 1 correspond à la puissance frigorifique et constitue la puissance utile de l'installation frigorifique. Le trajet 1 - 2 est la puissance motrice exercée par le compresseur. Le trajet 2 - 3 correspond à la puissance thermique émise par le condenseur. C'est la chaleur perdue de l'installation frigorifique. A partir du rapport de la puissance utile et de la puissance motrice, il est possible de déterminer le coefficient de performance COP (Coefficient of Performance). Le coefficient de performance est comparable au rendement d'une machine motrice.

3' - 3 refroidissement isobarique,

surrefroidissement du liquide

3 - 4 expansion isenthalpique sur la

pression de l'évaporation

Les flux d'énergie dans le cycle frigorifique

puissance frigorifique absorbée puissance motrice du compresseur puissance thermique émise

L'agent réfrigérant

Chaque cycle requiert un fluide de travail; dans le cas du cycle frigorifique, celui-ci consiste dans l'agent réfrigérant. Dans le cadre du cycle frigorifique, le rôle de l'agent réfri- gérant consiste à transporter la chaleur. Ici on profite de la forte absorption d'énergie lors de l'évaporation respec- tivement de l'émission d'énergie lors de la condensation d'un liquide. Pour pouvoir réaliser ces opérations avec les températures habituelles régnant dans une installation frigorifique, les pressions étant maîtrisables, on utilise comme fluides de travail des liquides à ébullition légère, comme différents hydrocarbures fluorés (HF), de l'am- moniaque (NH 3 ), du dioxyde de carbone (CO 2 ) ou des hydrocarbures, comme le butane ou le propane. Les différents agents réfrigérants sont marqués avec un R et un chiffre qui le suit. L'eau qui est souvent utilisée dans le cadre de cycles techniques ne se prête pas bien à des cycles frigorifiques. Pour les températures basses qui sont habituelles dans une installation frigorifique, la pression d'évaporation est très faible, et il existe le risque que l'eau gèle.

L'utilisation de CO

2 représente un défi technique. Ici on obtient en raison de sa température d'ébullition basse une pression très élevée. Cela a pour conséquence que les composants courants provenant du génie frigorifique, comme les soupapes, les compresseurs ou les échan- geurs de chaleur ne peuvent pas être utilisés.

Egalement pour NH

3 il existe des composants spéciaux, puisque des matériaux contenant du cuivre ne résistent pas à l'ammoniaque.quotesdbs_dbs5.pdfusesText_10