Introduction aux pompes à chaleur et aux systèmes de chauffage dits «thermodynamiques».

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1 Introduction aux pompes à chaleur et aux systèmes de chauffage dits «thermodynamiques». Chapitre d'équation 1 Section 1Introduction aux pompes à chaleur et aux systèmes de chauffage dits «thermodynamiques» Principe de fonctionnement des pompes à chaleur (PAC) Généralités... 1 Principe général des systèmes à compression à fluide condensable... 1 Mise en œuvre pratique dans le cas des pompes à chaleur à compression «eau-eau»... 3 Coefficient de performance... 5 Cas des réfrigérateurs... 5 Cas des pompes à chaleur... 6 COP des systèmes réels Notion de «pincement» Systèmes de chauffage thermodynamique Divers modes de captage et d émission de la «chaleur»... 8 Remarques sur la géothermie en général ANNEXES Equilibre liquide-vapeur : équation de Clausius-Clapeyron Détente isenthalpique Nomenclature et quelques informations complémentaires sur les fluides frigorigènes Hydrochlorofluorocarbures Autres frigorigènes Principe de fonctionnement des pompes à chaleur (PAC). Généralités La chaleur s écoule normalement du milieu le plus «chaud» vers le milieu le plus «froid» : on n a jamais observé l élévation spontanée de température d un milieu «chaud» non réactif lors de sa mise en contact thermique avec un milieu «froid». Au contraire on observe systématiquement en mettant deux corps en contact thermique la convergence des températures au cours du temps. C est l observation de cette asymétrie de l espace-temps qui a conduit à l expression du second principe de la thermodynamique dit principe de Carnot- Clausius. Pour inverser le sens de l écoulement spontané de température, il faut fournir de l énergie à un niveau exergétique élevé (de haute qualité) pour alimenter le processus. Cette énergie va être dégradée au cours du processus de transport d énergie induit, autrement dit on va consommer de l exergie. On peut fournir cette énergie sous forme de chaleur haute ou moyenne température (PAC à absorption ou à adsorption) ou sous forme d électricité ou d énergie mécanique (Cellules de Peltier, PAC à compression mécanique). Principe général des systèmes à compression à fluide condensable Les cycles à fluides condensables mettent à profit la propriété de ces derniers d absorber de la chaleur lors de leur vaporisation (enthalpie de vaporisation). La température à laquelle cette vaporisation à lieu est directement liée à la pression à laquelle elle se produit : en abaissant cette pression on peut provoquer la vaporisation à basse température. La pression et la température sont liées par la relation de Clapeyron (voir en annexe).

2 Le principe technique est d abaisser 1 la pression du fluide dans un échangeur appelé «évaporateur» qui puise de l énergie dans le milieu à basse température. Le fluide vaporisé est ensuite transféré à l état gazeux à l entrée d un compresseur. Ce dernier élève la pression et la température du gaz à un niveau suffisant pour qu il puisse en retournant à l état liquide céder sa «chaleur latente» (enthalpie de condensation) à un second échangeur appelé «condenseur» qui transfère cette énergie thermique au milieu à haute température. La compression doit être réalisée autant que possible de façon «isentropique» pour limiter l énergie mécanique nécessaire qui est l énergie «à payer» pour réaliser le cycle. Enfin un détendeur situé entre la sortie du condenseur et l entrée de l évaporateur permet d ajuster le débit de fluide tout en maintenant l écart de pression nécessaire entre condenseur et évaporateur. Ci-dessous se trouve un diagramme des frigoristes du fluide R22. 2 On l appelle parfois improprement diagramme de Mollier. La figure représente un cycle idéalisé de pompe à chaleur air-eau «domestique» en application «radiateurs basse-température». Figure 1 : Cycle de PAC avec fluide R22. En violet compression isentropique du gaz de 4,5 à 26 bars 3, l enthalpie massique du R22 passe de 406 à 450 kj/kg ; le compresseur doit fournir, par kg de fluide cyclé, 44 kj et les pertes par frottement et autres irréversibilités. La température s élève de 0 à 90 C environ. En rouge désurchauffe de 90 à 62 C puis condensation isobare et isotherme dans le condenseur qui cède au fluide caloporteur du chauffage central = 170 kj par kg de fluide cyclé (diminués éventuellement de déperditions très faibles vers l ambiance de la chaufferie). On note que dans ces conditions de température le COP maximum espéré avec ce fluide sera 170/44 = 3,86. Dans d autres conditions on pourrait envisager un sous-refroidissement jusqu à 40 C au contact du fluide de retour du circuit radiateurs : auquel cas on récupérerait 200 kj/kg et le COP max serait 4,55. 1 Par les actions conjuguées d un compresseur et d un détendeur. 2 On trouvera en annexe une explication de la nomenclature des fluides frigorigènes. 3 Les valeurs numériques pourraient être affinées par des mesures précises sur le diagramme et des interpolations. Je donne ici «à la louche» les valeurs lues.

3 En jaune détente isenthalpique (voir annexe) avec vaporisation partielle : en fin de détente le fluide est un mélange de richesse 0,4 (40% en masse de vapeur) à 4,5 bars et 0 C. En bleu vaporisation isobare avec récupération de = 126 kj/kg pris au milieu extérieur (ici l air) en contact avec l évaporateur. Les cycles réels sont sensiblement différents : la compression n est pas isentropique (en réalité l entropie du fluide augmente légèrement), la condensation et l évaporation ne sont pas isobares en raison des pertes de charge et la détente n est pas parfaitement isenthalpique l isolation du détendeur n étant pas parfaite. Sur le diagramme des frigoristes on trouve tous les paramètres importants du fluide : pression, température, enthalpie, entropie, volume massique, richesse. Le diagramme est complété par des tables précises de ces différents paramètres aussi bien pour le liquide que pour la vapeur. Mise en œuvre pratique dans le cas des pompes à chaleur à compression «eau-eau» Figure 2 : Schéma de principe (extrait de Les différentes phases du fluide frigorifique dans la pompe à chaleur : 1 le fluide comprimé en phase gazeuse à température et pression élevée, passe à l état liquide dans le condenseur (B) en cédant sa chaleur latente au circuit de chauffage. 2 Le fluide devenu liquide, toujours à haute pression, traverse le détendeur (C). 3 Toujours en phase liquide ou en mélange liquide vapeur, à basse pression le fluide se

4 vaporise dans l évaporateur (D) qui puise l énergie nécessaire avec le capteur extérieur. 4 En phase gazeuse, basse pression il est aspiré par le compresseur (A) pour recommencer un nouveau cycle. La récupération de l'énergie ambiante dans le sol (système «géosolaire») ou dans l air (système aérothermique voir plus loin) s'effectue en trois phases : 1 ère phase : Captage de l'énergie Trois techniques sont possibles pour capter l'énergie dans le sol : Un capteur horizontal constitué de plusieurs boucles enterrées à environ 0,60 à 1 mètre de profondeur (selon le climat, la nature du sol et l exposition) dans lequel circule le fluide caloporteur. La surface nécessaire, compte tenu des normes actuelles d'isolation et selon le lieu, vaut environ à 1,4 à 2 fois la surface à chauffer. Etant donnée la faible profondeur de l'enfouissement, et la surface de captage limitée, l'énergie géothermique proprement dite ne revêt qu'un rôle secondaire. On parle alors d'énergie géosolaire. En effet, le système récupère dans le sol l'énergie calorifique apportée par le soleil, la pluie par l'infiltration et le vent. La surface dédiée au capteur doit être autant que possible ensoleillée elle ne doit pas être arborée pour éviter d une part la dégradation du capteur par les racines et d autre part sa perte d efficacité par manque d apports solaires. La récupération d'énergie géothermique peut également se faire sur sondes thermiques verticales. La sonde est enterrée verticalement jusqu'à une profondeur variant de 50 à 100 mètres, ce qui permet de se libérer des variations de la température externe. Cette solution utilise une très faible surface au sol et est idéale en terrain rocheux. Les besoins thermiques peuvent demander la mise en place de plusieurs sondes suffisamment éloignées et raccordées en parallèle. Enfin, l'eau des nappes phréatiques est une excellente source d'énergie géothermique. L'installation de pompage nécessaire au fonctionnement du groupe géothermique permet dans certains cas d'utiliser l'eau du forage à des fins domestiques. 2 ème phase : Elévation du niveau de température Une pompe à chaleur, aujourd hui appelé générateur thermodynamique pour des raisons commerciales 4 est nécessaire pour remonter le niveau de température du fluide sortant du capteur extérieur et l'adapter à une température permettant de chauffer l'habitation. 3 ème phase : Restitution de l'énergie au bâtiment Après avoir récupéré l'énergie à basse température, avoir relevé son niveau de température par la PAC, il faut l utiliser pour alimenter en eau chaude des émetteurs de chaleur... Différents types d émetteurs de chaleur utilisés : plancher à eau basse température (la solution la plus efficace puisqu elle ne nécessite que de l eau tiède et permet donc des COP supérieurs à 4) radiateur à eau chaude à condition qu'ils soient à basse température (en effet, il est difficile et surtout peu efficace de chauffer l eau avec une PAC au-dessus de 70 C, on 4 En France à la suite de nombreuses malfaçons dans les années 70 par des installateurs mal formés les «pompes à chaleur» avaient acquis une très mauvaise réputation dans l opinion publique.

5 peut le faire en utilisant des machines à deux étages de compression utilisant deux fluides frigorigènes différents : c est coûteux, complexe, et cela multiplie les risques de pannes). On peut parfois associer plancher chauffant et radiateurs. Le plus souvent on utilise encore des radiateurs d appoint électriques pour les périodes les plus froides ou pour les locaux thermiquement défavorisés. On peut aussi adjoindre au système des résistances chauffantes installées directement dans la PAC pour surchauffer l eau en période de pointe de froid. Il n est pas recommandé de procéder ainsi puisqu il s agit en fait de dégrader de l exergie pure (l électricité) en chaleur. Une alternative est d utiliser la PAC «en relève» d une chaudière à combustion (bois, gaz, fuel, charbon). En région tempérée la PAC fournit couramment plus de 80% des besoins de chauffage. Le bon choix devrait résulter d une analyse énergétique ou mieux exergétique complète prenant en compte le climat local, la source de production électrique, les périodes de fonctionnement, le COP instantané de la PAC La préparation d'eau chaude sanitaire réalisée par une PAC haute-température est possible, mais il est souvent préférable de se contenter du préchauffage de l eau suivi d un complément électrique ou par combustible. Le chauffage de l eau de piscine se fait en été de la même manière que le plancher chauffant en hiver, à moindre coût par l'intermédiaire d'un échangeur titane ou mieux en incorporant à la construction un plancher chauffant au fond de la piscine. A proscrire pour un développement soutenable! En revanche une piscine peut constituer un excellent capteur pour fournir une partie de l énergie thermique basse température à la PAC (attention au dimensionnement, prévoir un capteur auxiliaire selon la région). Eventuellement les rejets thermiques de climatisation peuvent être recyclés dans une piscine. climatisation Pour des zones géographiques à fortes chaleurs estivales, ou à fort potentiel d'apport interne, là où le rafraîchissement ne suffira pas, l'adjonction de ventilo-convecteurs permet de réaliser une véritable climatisation. A proscrire pour un développement soutenable! Une bonne conception du bâti devrait suffire dans nos régions. Coefficient de performance Le premier et le second principe nous permettent de calculer le coefficient de performance (COP max ) maximum des procédés. Il s agit d une limite ultime jamais atteinte dans les systèmes réels. Cas des réfrigérateurs : EER 5 W RET T h RET T f Q h Q f On cherche à soutirer de la chaleur Q f à un milieu froid pour abaisser sa température à un niveau constant. Ce niveau est maintenu par un système de régulation appelé communément «thermostat». Sur les réfrigérateurs ménagers, la régulation procède en «tout ou rien» : le compresseur du cycle s enclenche automatiquement dès que la température du milieu froid s élève d un écart minime (de 5 Efficacité énergétique de réfrigération ou COP f

6 l ordre du degré Celsius) au-dessus de la consigne réglée. La puissance du compresseur est coupée dès que la température descend en dessous de la consigne d un écart négatif du même ordre. L écart entre les deux températures extrêmes est appelé hystérésis. Cet écart est indispensable pour éviter des enclenchements incessants du compresseur. Les puissances sont adaptées au volume de denrées à refroidir de façon à éviter les «cycles courts» 6 préjudiciables au rendement et à la durée de vie du compresseur. Eventuellement l ouverture du détendeur est commandée mécaniquement par dilatation d un fluide au contact avec le milieu froid. Le cycle frigorifique permet en fin de compte de compenser les apports thermiques au milieu «froid» appelé armoire frigorifique. Sur les systèmes industriels de puissance frigorifique plus élevée (jusqu à plusieurs centaines de «kilowatts de froid») les modes de régulation sont plus évolués (PID, régulation auto adaptative ) et font souvent appel à la commande simultanée du régime de rotation du compresseur et de l ouverture du détendeur «électronique». Pour calculer le rendement de Carnot du système, c'est-à-dire le rendement ultime d un réfrigérateur parfait, il faut évaluer le rendement d une machine fonctionnant de façon réversible. L inégalité de Clausius nous dit en effet que le travail à fournir sera minimum pour une transformation réversible. On assimile à cette fin les milieux haute et basse températures à deux réservoirs d énergie thermique 7 (RET). On raisonne sur un nombre entier de cycles de la machine de Carnot pour que l état de cette machine soit identique pour les deux bornes de la période pendant laquelle on calcule les échanges. La condition de réversibilité s écrit : Qh Qf Su 0 (1.1) T T h Et le premier principe de la thermodynamique (conservation de l énergie) nous dit que : Qh Qf W (1.2) On en déduit facilement le COP maximum : COP C, f Qf Tf W T T A titre d exemple un réfrigérateur fonctionnant avec une consigne de 2 C dans une pièce à 19 C ne peut pas atteindre, et encore moins dépasser un COP égal à 16,2. Dans la pratique le COP réel est de l ordre de 15 à 40% du COP maximum ou «de Carnot». f h f (1.3) Cas des pompes à chaleur Un raisonnement identique conduit au COP de Carnot d une PAC. Dans ce cas c est la chaleur émise dans le milieu à haute température Q h qui est intéressante. Qh T COP h C, PAC W Th Tf (1.4) Le lecteur pourra vérifier par des manipulations algébriques à partir des équations 1.4 et 1.5 que : COP COP (1.5) C, PAC C, f 1 On peut arriver à la même conclusion à partir de l équation 1.2 en remarquant que : 6 Périodes de fonctionnement inférieures à une minute. 7 On rappelle qu un RET est milieu en équilibre interne (sans gradient) suffisamment grand pour qu on puisse lui transférer de l énergie thermique en quantité finie sans modifier son état.

7 W Qf Qf 1 W W (1.6) COP des systèmes réels Notion de «pincement». Prenons l exemple d une PAC : dans la pratique, on ne peut réchauffer, en un temps fini, le fluide dans l évaporateur au même niveau que la température du milieu où on puise l énergie thermique. De même il faut le réchauffer plus haut que la température du milieu que l on veut échauffer. On dit dans le jargon des frigoristes qu il y a un pincement des températures : l écart des températures du fluide est plus élevé que l écart des températures des milieux source et puits de chaleur. Ce pincement est d autant moins élevé que les échangeurs sont performants. Pour une machine donnée, le pincement augmente quand la puissance et donc le débit de fluide frigorigène augmente. La performance d un système est donc le fruit de la performance de tous ses organes : compresseur, condenseur, détendeur et évaporateur. A titre d exemple les figures ci-dessous présentent les évolutions de l EER globale d un système réel de réfrigération pour des salles informatiques : Figure 3 : Evolution en fonction de la température extérieure de l efficacité énergétique globale d un système air-air de 28 kw froid à détente directe

8 Figure 4 : Evolution en fonction de la puissance frigorifique de l efficacité énergétique globale d un système air-air à détente directe de puissance nominale 28 kw froid. Systèmes de chauffage thermodynamique. Divers modes de captage et d émission de la «chaleur» Aérothermie La chaleur est puisée dans l air par un échangeur à ailettes et faisceau de tubes. Système air-air L évaporateur (échangeur de type tubes et ailettes comme les radiateurs de voiture) puise l énergie dans l air extérieur, une série (un ou parfois deux par pièce principale) de condenseurs appelés «cassettes» la restitue à l air ambiant. Il faut noter que bien souvent les rôles des unités intérieures et extérieures peuvent être inversés pour faire de la climatisation : évaporateur à l intérieur et condenseur à l extérieur. On parle alors abusivement de climatisation «réversible». Il existe aussi des installations ou chaque unité intérieure peu jouer les deux rôles suivant la période de l année et l heure de la journée. On peut ainsi par exemple rafraichir en fin de journée des pièces orientées à l ouest avec une forte charge thermique interne pour réchauffer celles située à l est en dépensant très peu d énergie électrique, ou rafraichir des cuisines pour chauffer une piscine, etc. Air-eau L évaporateur (ou les évaporateurs pour les installations de plus d une centaine de kw) puise l énergie dans l air extérieur, un condenseur situé dans chaque unité intérieure la restitue à l eau du chauffage central. Cette eau circule soit dans des radiateurs basse température (50/40 C) soit dans des planchers (voir plafonds) basse température (25/18 C). Il va de soit que ce

9 dernier système est beaucoup plus performant. Les planchers peuvent être aussi utilisés en rafraichissement d été. Remarque : quel que soit le système, il n est pas souhaitable de climatiser. Sous nos latitudes une bonne construction permet d assurer le confort d été sans climatisation. Géosolaire On parle souvent de géothermie quand les pompes à chaleur puisent l énergie dans le sol, il est préférable de parler d énergie «géosolaire» car en pratique le sol superficiel ne sert que de médium pour stocker et transférer au capteur de sol l énergie venant principalement du rayonnement solaire. On utilise d ailleurs parfois des capteurs plans comme source d énergie thermique pour le cycle de pompe à chaleur. (cf. Remarques sur la géothermie en général ciaprès) Eau-eau. L évaporateur puise l énergie dans l eau : soit de l eau qui a circulée dans un capteur horizontal ou dans des sondes verticales, soit dans un capteur solaire, soit même dans certains lieux favorables de l eau d une nappe ou d un cours d eau aérien ou souterrain. Un condenseur situé dans l unité intérieure la restitue à l eau du chauffage central. Sol-sol (détente directe) Ce système est plus rare. L évaporateur et directement implanté dans le sol extérieur, le condenseur dans les planchers intérieurs. Très performant en théorie, puisqu il évite deux échangeurs, ce système est peu mis en pratique car il pose de gros problèmes en cas de fuite et nécessite un volume important de fluide frigorigène (coûteux et source d augmentation de l effet de serre). Les fluides frigorigènes suivis de près en raison des accords internationaux sur l environnement sont soumis à une déclaration officielle. Figure 5 : système à capteur horizontal (eau-eau ou sol-sol) (extrait de Un capteur horizontal est constitué de plusieurs boucles enterrées à faible profondeur (<2 m) dans lesquelles circule le fluide caloporteur. La surface nécessaire, compte tenu des normes actuelles d'isolation et du lieu, correspond environ à 1,4 à 2 fois la surface à chauffer.

10 Figure 6: Système à sonde verticale (extrait de Une ou plusieurs sondes sont enterrées verticalement jusqu'à une profondeur variant de 50 à 100 mètres (en France on évite d atteindre 200m pour ne pas avoir à faire de déclaration préalable au BRGM 8 ). Dans chaque sonde une ou deux épingles sont noyées dans un coulis et permettent de véhiculer le fluide caloporteur. L apport de chaleur se produit radialement (le gradient est sensiblement dans un plan horizontal. Cette disposition permet de gagner de la surface de terrain, mais le coût du forage est important. Remarques sur la géothermie en général Le principe de la géothermie consiste à récupérer l'énergie contenue dans le sol pour l'utiliser sous forme de chauffage. En effet, les entrailles de notre planète regorgent d'énergie puisqu à 2000 mètres de profondeur, la température peut atteindre 70 C ce qui correspond à un gradient vertical de 35 mk/m. Le gradient géothermique moyen vers la surface de la croute terrestre vaut environ 0,03 C/m, mais localement il peut atteindre 2 à 3 C/m (par exemple à Wairaki en Nouvelle Zélande la température est égale à 220 C à 100m de profondeur). Selon les connaissances actuelles, la température du noyau culminerait à 6000 C pour atteindre encore 1300 C dans le manteau. Le flux géothermique qui parvient à la surface dépasse 30 milliards de Kilowatts soit en moyenne 60 kw/km² ou 60 mw/m². Ce flux est 5000 fois plus faible que le flux solaire moyen. Il s'agit dans ce cas de la géothermie profonde. Pour pouvoir exploiter la géothermie, il faut une source de chaleur (remontée magmatique à proximité de la surface), une roche magasin poreuse et/ou fracturée, un fluide caloporteur (eau ou vapeur) qui permet de véhiculer la chaleur jusqu à la surface. On exploite la géothermie à différents niveau de température : La géothermie haute température permet de produire directement de la vapeur à moyenne température (400 à 500 C) capable de fournir un travail pour la production d électricité. On l exploite surtout dans les zones volcaniques où le gradient géothermique et exceptionnellement élevé (>10 K/100m). Citons la centrale électrique de «Bouillante» en Guadeloupe. 8 Bureau de Recherche Géologique et Minière

11 La géothermie basse température (ou «basse enthalpie») permet de produire directement de l eau chaude ou surchauffée (50 à 110 C) capable de fournir l énergie pour le chauffage de locaux, d installations industrielles, de procédés. On l exploite surtout dans des zones où des nappes aquifères chaudes affleurent, il faut tout de même forer profondément généralement à plus de 1000 m. On trouve pour la région parisienne ce type de sources géothermiques à L Haye les Roses, à Melun pour alimenter au moins en partie les réseaux de chauffage urbain. A l Haye les Roses le puits géothermique est constitué de deux forages divergents qui descendent à 3000 m pour puiser et réinjecter dans une nappe aquifère saumâtre en deux points distants de plus d un km. La durée de vie de ce type de puits est calculée pour une trentaine d années durée au dela de laquelle l eau refroidie réinjectée devrait impacter significativement à la baisse la température de captage. Des captages géothermiques existent dans d autres zones favorables en France notamment en Alsace et dans les Pyrénées. Enfin la géothermie très basse température ou géothermie très basse énergie concerne l exploitation de nappes peu profondes à température modérée (10 à 30 C) ou même le puisage en surface du terrain à l aide de pompes à chaleur PAC. Dans ce dernier cas il convient plutôt de parler d énergie géosolaire car 90% de l énergie provient du flux solaire.

12 ANNEXES Equilibre liquide-vapeur : équation de Clausius-Clapeyron Pour que plusieurs phases soient en équilibre, il faut que le potentiel chimique, µ, soit uniforme et égal dans toutes ces phases. Or le potentiel chimique est par définition l enthalpie libre molaire partielle du corps considéré : i G ni T, p, xi (1.7) C'est-à-dire la variation d enthalpie libre due à l ajout d une mole du corps i dans un système de masse infinie 9 et de composition identique à celle du système considéré. L enthalpie libre peut s écrire G = H TS si bien que : dg du Vdp pdv TdS SdT (1.8) Or la variation de U peut être donnée pour un système qui n échange du travail que par les forces de pression extérieures par : du q w TdS pdv (1.9) Si bien que finalement on peut écrire : rév rév dg Vdp SdT (1.10) Pour 2 phases du même corps, il n y a pas de variation d énergie liée au mélange, l enthalpie libre molaire partielle est donc simplement égale à l enthalpie libre molaire G m, si bien que l équilibre entre deux phases du même corps est réalisé simplement quand l enthalpie libre molaire des deux phases est égale et uniforme. Lorsque l on fait varier la température et la pression il faut et il suffit donc, pour que l équilibre se maintienne, que la variation d enthalpie libre molaire soit la même dans les deux phases. Par exemple pour l équilibre liquide - vapeur : dgm, l Vm, l dp Sm, l dt dgm, g Vm, g dp Sm, g dt (1.11) Si bien que : m, g m, l m, g m, l S S dt V V dp (1.12) On en déduit une relation importante entre les variations de température et de pression : dp dt S vap m (1.13) vap vapvm En tenant compte de la relation entre enthalpie et entropie de vaporisation, en négligeant le volume de la phase condensée (généralement au moins 1000 fois plus petit) devant celui de la 9 Il faut une masse infinie pour que la composition ne change pas lors de l ajout d une mole du corps i.

13 phase gazeuse, en considérant cette dernière comme un gaz parfait on trouve finalement la relation approchée de Clausius-Clapeyron : p vaphm dln p vaphm (1.14) dp dt vap RT 2 dt 2 RT vap Pour un intervalle de variation de température suffisamment réduit pour qu on puisse considérer l enthalpie de vaporisation comme constante 10 on peut intégrer simplement l équation précédente, ce qui donne : vaphm 1 1 p p exp R T T (1.15) Exemple : que vaut la pression de vapeur saturante de l eau pure à 145 C? p* = Pa à T* = 373,15 K vap H m = J/mol R = 8,314 J.mol -1.K -1 On en déduit facilement p = 4,15 bar environ. Détente isenthalpique. Pourquoi la détente dans un organe déprimogène est elle isenthalpique? Un détendeur est constitué d un petit orifice (diaphragme, vanne à pointeau, milieu poreux) donnant une perte de charge, le plus souvent réglable. Le détendeur est un système ouvert avec une entrée et une sortie. On peut écrire le premier principe : s (1.16) m h h Q W Le détendeur ne reçoit aucun travail, si de plus il est bien isolé, la détente y est quasi adiabatique. On en déduit l égalité des enthalpies d entrée et de sortie. e Nomenclature et quelques informations complémentaires sur les fluides frigorigènes. Hydrochlorofluorocarbures Encore appelés hydrochlorofluorocarbones HCFC, ou hydrofluorocarbones HFC ils sont constitués de carbone, chlore, fluor et hydrogène. Remarque : Les chlorofluorocarbones appelés fréons sont maintenant quasiment interdits de production en vertu du protocole de Montréal 16 septembre 1987 signé entre 24 pays et la communauté économique européenne. En 2009, 196 pays c'est-à-dire la quasi-totalité des nations du Monde l avaient ratifié. Ils sont maintenant proscrits, car leurs molécules trop stables n étaient pas détruites dans la troposphère, si bien qu ils s élevaient en une dizaine d années jusque dans la stratosphère où ils étaient finalement photolysés par le rayonnement UV à haute énergie. Les atomes de chlores stratosphériques participent alors à un cycle catalytique de destruction de l ozone que l on peut schématiser par : 10 Attention ce n est pas le cas pour toutes les variations subies par un fluide frigorigène lors d un cycle.

14 Et dont le bilan est : O 3 + Cl O 2 + ClO O 3 + ClO 2 O 2 + Cl 2 O 3 3 O 2 L atome de chlore étant régénéré, il peut en théorie participer à une infinité de cycle. En réalité il peut finir par être éliminé de la stratosphère à la suite d une combinaison avec un aérosol, mais sa durée de demi-vie dans la stratosphère est très longue. Nomenclature des HFC et HCFC : Elle est constituée d un préfixe souvent «R» comme réfrigérant, parfois d un nom de marque «Forane» suivi d un groupe de 2 ou 3 chiffres et parfois d une lettre : Le dernier donne le nombre d atomes de fluor En enlevant une unité à l avant-dernier on trouve le nombre d atomes d hydrogène En ajoutant une unité au premier on trouve le nombre d atomes de carbone (quand il y a un seul atome de carbone ce premier chiffre est omis (exemple R 12, R22) Les valences non complétées par les éléments précédents le sont par du chlore Exemples : R12 : F 2, H 0, C 1 CF 2 Cl 2 dichlorodifluorocarbone c est un fréon maintenant interdit à la production. L absence de liaison C-H le rend extrêmement stable dans le milieu atmosphérique, c est pourquoi il a été interdit par le protocole de Montréal. R 134a : F 4, H 2, C 2 CH 2 F-CF 3 1,1,1,2-tétrafluoroéthane c est un HFC autorisé à titre transitoire, le «a» indique l isomère R 22 : F 2, H 1, C 1, Cl 1 CHF 2 Cl monochlorodifluorométhane c est un HCFC autorisé à titre transitoire, en raison de la présence de chlore. Nomenclature des mélanges et autres corps : Attention les mélanges de deux ou trois corps ont aussi une nomenclature en R : exemple mélanges zéotropes R 408A (appelé aussi FX10), R 404A (appelé aussi FX70), R 410A. Il faut pour connaître leurs propriétés et compositions voir les spécifications des fabricants. Les mélanges zéotropes sont complexes d emploi en raison de la composition différente des phases liquide et gazeuse. Notamment en cas de fuite le fluide restant dans le groupe n a plus la composition d origine. Le R 410 A est quasi azéotrope et ne pose donc pas de problème particulier (si ce n est sa pression d usage nettement plus élevée que celle du R22 auquel il se substitue). Les mélanges azéotropes ont une composition de vapeur identique à celle du liquide qu elle surmonte. Ceci peut être dû à des associations intermoléculaires à faible énergie subsistant en phase vapeur qui favorisent une stœchiométrie précise correspondant à la composition. L'azéotrope est dit positif si sa température d'ébullition est inférieure à celles des constituants purs, négatif dans le cas contraire (attention certains auteurs prennent une convention opposée). Autres frigorigènes Par exemple le réfrigérant R 717 est simplement de l ammoniac de pureté supérieure à 99,9%.