P.A.C. : Application Aérothermie. Caractéristiques techniques du cycle de la PAC

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1 Caractéristiques techniques du cycle de la PAC 1

2 EchelleKelvin T 0 K zéroabsolu P.A.C. : Application Aérothermie Principes physiques : la température EchelleCelsius t ou θ t = T -273,15 K t=0 C : point de congélation de l'eau t=100 C : point d'ébullition de l'eau A la pression atmosphérique normale 2

3 p = F A Principes physiques : la pression 1 bar = Pa = 100 kpa =1 000 mbar La pression atmosphérique est d'environ 1 bar Pression absolue = pression relative (ex. : telle que mesurée sur un manomètre) + pression atmosphérique (généralement 1 bar) 3

4 Principes physiques : le travail Travail (W) = Force (F) x Longueur (L) [J=Nm] 1 joule est réaliséquand : 1 Newton L = 1m 1 Newton 4

5 L'énergie (E) correspond au potentiel de travail énergie mécanique énergie électrique énergie thermique Principes physiques : énergie - chaleur L'unitéde l'énergie est le joule [J] ou le kilojoule[kj] L'énergie thermique et électrique sont importantes pour les cycles de pompe àchaleur 5

6 Principes physiques : la capacité thermique Capacitéthermique spécifique (Cp) = énergie thermique requise pour augmenter la température de 1 kg de la substance par 1 K (sans changement d'état) La capacité thermique spécifique (Cp) dépend de la substance du niveau de température La capacitéthermique spécifique moyenne de l'eau entre 0 et 100 C est de 4,187 kj/kg K 6

7 Q = m x Cp x (T2 T1) Principes physiques : la chaleur Exemple: 12 litres d'eau t1=10 C t2=45 C La masse de 1 litre d'eau est de 1 kilogramme CpEau= 4,187 kj/kg K Calculez la chaleur requise 12 kg kj kg K Q = m c m ( t 2 t1 ) = 12 kg 4,187 ( 45 10) K = 1758,5 kj 7

8 Principes physiques : la puissance Puissance = Travail = Chaleur = Temps Temps Energie Temps [1 W = 1 J s = 1 N m ] s Exemple: CpEau= 4,187 kj/kg K Calculez la puissance requise 12 litres/minute 0,2 litre/seconde 0,2 kg/s t 1 =10 C t 2 =45 C Débit d'eau de 12 l/minute P m c 2 1 = kg s kj kg K ( t t ) = 0, ( 45 10) K = 29,3 29,3 kw m = kj s 8

9 Principes physiques : l enthalpie Quantitéd'énergie d'une substance en tenant compte de sa température, de sa pression et de son état (solide, liquide, gazeux ou mélange de phases) L'unitéde l'enthalpie H est le Joule [J] ou le kilojoule [kj] L'enthalpie spécifique h est l'enthalpie divisée par la masse : h=h/m [J/kg] 9

10 Principes physiques : l enthalpie Un changement d'enthalpie est causépar l'entrée ou la sortie de chaleur et/ou d'énergie Les différences d'enthalpie déterminent la vitesse de transfert de chaleur/d'énergie du cycle de la PAC p Q = m h = kg J kg = J p 1 2 P = m h h 1 h 2 h 10

11 Principes physiques : l enthalpie Les changements d'entropie spécifique pendant un processus permettent de mesurer l'irréversibilitéde ce processus et la dégradation de l'énergie Comme l'enthalpie, l'entropie est importante pour la compréhension des cycles de réfrigération. Les différences d'entropie déterminent le rendement du cycle de la pompe àchaleur (les pertes augmentent proportionnellement aux différences d'entropie) 11

12 Principes physiques : les changements d état a) b) c) d) e) 12

13 Principes physiques : les changements d état Température [ C] a) b) c) d) e) Enthalpie spécifique [kj/kg] Chauffage d un liquide Evaporation Surchauffe d un gaz 13

14 Principes physiques : les changements d état Point critique Liquide courbede liquide saturant courbe de vapeur saturante Vapeur surchauffée a) b) c) d) e) Liquide + vapeur 14

15 Principes physiques : le cycle thermodynamique Processus au cours duquel un fluide de travail subit une série de changements d'état avant de retourner finalement à son état initial p Etat 1 1 er changement d'état 2 ème changement d'état Etat 2 h 15

16 Principes physiques : le diagramme enthalpique Point critique Zone de liquide pur Zone de vapeur humide Zone de vapeur surchauffée 16

17 Réfrigérateur P.A.C. : Application Aérothermie Principe de fonctionnement du cycle d une PAC 17

18 Principe de fonctionnement du cycle d une PAC 1. EVAPORATION 2. COMPRESSION 3. CONDENSATION 4. EXPANSION 18

19 Principe de fonctionnement du cycle d une PAC Compresseur Condenseur Détendeur Evaporateur Fluide frigorigène Autres dispositifs Fluide frigorigène 19

20 Principe de fonctionnement du cycle d une PAC application application source / sink source / sink Application de chauffage Application de refroidissement 20

21 Organes du circuit de la PAC : le compresseur Le compresseur fonctionne comme une pompe à gaz Il maintient la pression souhaitée (et aussi la température correcte -la température d'évaporation) Le gaz quitte le compresseur àhaute pression et haute température 21

22 Organes du circuit de la PAC : le compresseur Compresseur à piston rotatif Compresseurs à piston Compresseursàspirale Généralement hermétique : le moteur électrique et le compresseur sont montés ensemble dans le même boîtier 22

23 Organes du circuit de la PAC : le compresseur Le compresseur à piston rotatif Evacuation Arbre de rotation Aube Aspiration 23

24 Organes du circuit de la PAC : le compresseur Le compresseur à piston Aspiration Clapet d'aspiration Clapet de refoulement Refoulement Piston Carter de moteur 24

25 Organes du circuit de la PAC : le compresseur Le compresseur àspirales -scroll Volumede compression Aspiration Spirale mobile Spirale fixe Refoulement 25

26 Organes du circuit de la PAC : le compresseur Rendement Spirale Piston Tauxde compression = p àla sortie du compresseur / p àla conduite d'aspiration 26

27 Organes du circuit de la PAC : le détendeur Le détendeur fonctionne comme un robinet àdébit variable Maintient la différence de pression entre les côtés haute et basse pression Régule le débit de fluide frigorigène du condenseur à l'évaporateur en maintenant la surchauffe constante Le détendeur est prédéfini sur environ 4-8 K de surchauffe pendant la production 27

28 Organes du circuit de la PAC : le détendeur Sortie vers l'évaporateur Vapeur humide, basse pression, basse température Capteur avec charge liquide Haute pression, chaud, liquide Haute pression, chaud, liquide Vis de réglage pour réguler la surchauffe Mise àniveau de la pression externe àpartirdu condenseur 28

29 Organes du circuit de la PAC : le détendeur Pression du capteur Pression d'évaporation Pression définie par la vis de réglage 29

30 Organes du circuit de la PAC : l évaporateur Permet d extraire la chaleur de la source de chaleur (air, eau glycolée, ) puis la transfère vers le fluide frigorigène afin qu il s'évapore La température d'évaporation doit toujours être inférieure àla température de la source de chaleur Elle est atteinte par le biais de l'action d'aspiration constante du compresseur Evaporateur des PAC air-air et air-eau Une batterie de tubes en cuivre avec ailettes serties en aluminium, un ventilateur pour transporter l'air sur les ailettes en aluminium Evaporateur des PAC eau-eau et eau glycolée-eau: échangeurs thermiques à plaques planes échangeurs double tubes échangeursmultitubulaires 30

31 Organes du circuit de la PAC : l évaporateur 31

32 Organes du circuit de la PAC : le condenseur Transporte la chaleur du fluide frigorigène vers le fluide caloporteur (eau ou air) Condensation du fluide frigorigène Types d échangeurs : échangeurs thermiques à plaques planes brasées ou soudées échangeurs double tubes échangeurs multitubulaires Échangeur avec tubes en cuivre et ailettes serties en aluminium (pour échangeur sur air) 32

33 Organes du circuit de la PAC : le condenseur 33

34 Organes du circuit de la PAC : les composants secondaires Voyant : Indique si des bulles de gaz sont présentes dans le fluide frigorigène Indique si de l'humiditéest présente dans le fluide frigorigène 34

35 Organes du circuit de la PAC : les composants secondaires Filtre déshydrateur Comprend Une crépine qui collecte les particules dans le circuit de réfrigération Un gel absorbant l'humidité Le filtre est placéentre le condenseur et le détendeur 35

36 Organes du circuit de la PAC : les composants secondaires Réservoir de liquide Ou bouteille accumulatrice de liquide ou «receiver» Stocke le fluide frigorigène qui n'est pas temporairement utilisé dans le processus Selon les conditions de fonctionnement, différentes quantités de fluide frigorigène sont nécessaires pour maintenir le processus de réfrigération 36

37 Organes du circuit de la PAC : les composants secondaires PressostatsHP et BP Dispositifs de sécurité qui arrêtent la pompe à chaleur si la pression avant le compresseur devient trop faible si la pression après le compresseur devient trop élevée Le pressostat haute pression doit être réarmémanuellement Les arrêts de pressostat sont généralement dus àun débit perturbéque ce soit du côtéfroid ou du côtéchaud 37

38 Organes du circuit de la PAC : l huile de lubrification Fonctions de l huile : Permet de maintenir le fluide frigorigène àl'intérieur des compresseurs de type ouvert (non hermétiques) Améliore légèrement l'échange thermique dans les échangeurs et donc le coefficient de performance Permet de détecter plus facilement les fuites 38

39 Organes du circuit de la PAC : le fluide frigorigène Le fluide frigorigène absorbe l'énergie dans l'évaporateur à basse température Dégage de l'énergie dans le condenseur àhaute température Transformation du liquide en gaz dans l'évaporateur Transformation du gaz en liquide dans le condenseur 39

40 Organes du circuit de la PAC : le fluide frigorigène Propriétés requises des fluides frigorigènes respectueux de l'environnement «éco-énergétiques», c'est-à-dire capables de transporter de grandes quantités de chaleur par kg de masse de préférence non-inflammables de préférence non toxiques simples à manipuler compatibles avec les huiles et les élastomères (joints et joints toriques) chimiquement stables avoir une grande plage de températures et de pressions donner lieu àdes températures de gaz chaud faibles après le compresseur 40

41 Organes du circuit de la PAC : le fluide frigorigène Remplacement du fluide frigorigène : Avant de remplacer le fluide frigorigène : vérifier si cela peut altérer le matériau et les composants vérifier si l'huile dans le système doit être changée déterminer l'état de l'unitéet sa durée de vie restante Ancien fluide frigorigène R12 R502 Fluide frigorigène de remplacement en neuf R134A R404A Fluide frigorigène de remplacement en substitution R22 R407C R417A 41

42 Organes du circuit de la PAC : le fluide frigorigène Fluides frigorigènes avec glissement Mélanges d'au moins deux réfrigérants HFC différents Réfrigérants azéotropiques : les mélanges semblent agir comme un seul fluide frigorigène homogène s'évaporent àune certaine température et pression, auxquelles ils font références Réfrigérants zéotropiques: différents composants s'évaporent progressivement (ou se condensent) plage de température à une certaine pression glissement de température les isothermes ne coïncident pas dans la «zone àdeux phases» 42

43 Organes du circuit de la PAC : le fluide frigorigène Sécurité Accidents liés aux fluides frigorigènes Asphyxie Explosion Brûlures par le froid Pièces sous haute pression Grande majoritédes accidents blessures du dos glissement dans un escalier chute de la pompe àchaleur sur les pieds blessures dues à l'utilisation négligente des outils à main blessures dues àla non-isolationdes blocs d'alimentation avant le début des travaux d'entretien choc électrique lors des opérations sur des systèmes sous tension 43

44 Caractéristiques d un cycle de PAC : le coefficient de performance COP = puissance calorifique puissance électrique = P c P 44

45 Caractéristiques d un cycle de PAC : rendement de carnot 25 COP h c = 1 h c = 0,7 5 h c = 0, condensation temperature[ C] 45

46 Caractéristiques d un cycle de PAC : le coefficient de performance saisonnier SPF = Somme de la chaleur délivrée Somme de la consommation électrique = Q C W 46

47 Caractéristiques d un cycle de PAC : le coefficient de performance saisonnier Il est influencépar : le climat -la demande de chauffage et de refroidissement annuelle et les charges de pointe maximales les températures de la source de chaleur et du système de distribution de chaleur la consommation d'énergie auxiliaire (pompes, ventilateurs, commande, etc.) la qualitéde la conception et de la fabrication de la pompe à chaleur les dimensions de la pompe àchaleur par rapport àla demande de chauffage et les caractéristiques de fonctionnement de la pompe à chaleur les systèmes de commande de pompe àchaleur et de bâtiment 47

48 Caractéristiques d un cycle de PAC : caractéristiques de fonctionnement Pression d'évaporation Pression de condensation Surchauffe à l'entrée du compresseur Température de gaz chaud au refoulement du compresseur Sous-refroidissement à la sortie du condenseur Températures du liquide de refroidissement àl'entrée et àla sortie du condenseur Températures d'eau glycolée(ou d'air) à l'entrée et à la sortie de l évaporateur 48

49 Caractéristiques d un cycle de PAC : caractéristiques de fonctionnement La surchauffe Différence entre la température de la vapeur dans la conduite d'aspiration et la température d'évaporation Les valeurs normales sont situées entre 4 et 8 K Une surchauffe excessive entraîne un évaporateur défectueux un coefficient de performance plus faible Une surchauffe insuffisante entraîne la pénétration du liquide dans le compresseur des dommages du compresseur 49

50 Caractéristiques d un cycle de PAC : caractéristiques de fonctionnement Le sous refroidissement Indique dans quelle mesure le fluide frigorigène liquide condenséa étérefroidi au-dessous de la température de condensation Les valeurs normales sont situées entre 3 et 8 K Un sous-refroidissementinsuffisant peut indiquer un manque de fluide frigorigène Un sous-refroidissement excessif indique que la pompe à chaleur est surchargée coefficient de performance plus faible la surface du condenseur ne peut pas être utilisée dans sa pleine mesure risque de rupture du pressostat HP ou de décharge HP 50

51 Caractéristiques d un cycle de PAC : caractéristiques de fonctionnement Température de refoulement Température de surface de la conduite de gaz chaud Elle doit être inférieure à120ºc empêcher la décomposition de l'huile dans le fluide frigorigène Des températures de refoulement trop élevées proviennent de : températures d'évaporation trop faibles un manque de fluide frigorigène une usure du compresseur 51

52 Caractéristiques d un cycle de PAC : caractéristiques de fonctionnement 52

53 Caractéristiques d un cycle de PAC : caractéristiques de fonctionnement 53

54 Caractéristiques d un cycle de PAC : exemple Sur une installation R 134a, les mesures suivantes ont été effectuées : Pression du fluide frigorigène à l'entrée du compresseur p1 = 1,4 bar Pression du fluide frigorigène àla sortie du compresseur p2 = 9,2 bar Température du fluide frigorigène à la sortie de l'évaporateur t1 = 3,0 C Température du fluide frigorigène à l'entrée du compresseur t1=10,0 C Température de refoulement du compresseur t2 = 70,0 C Température du fluide frigorigène à l'entrée du détendeur t3 = 35,0 C Pression atmosphérique patm = 1,0 bar 54

55 Caractéristiques d un cycle de PAC : exemple Les valeurs suivantes sont demandées : le cycle illustrédans le diagramme ph la chaleur extraite par 1 kg de fluide frigorigène dans l'évaporateur? la température du gaz surchauffédans le compresseur (en supposant une compression isentropique)? la teneur en vapeur du fluide frigorigène àl'entrée de l'évaporateur? le sous-refroidissement? le coefficient de performance àce point du processus? la chaleur transférée au système de chauffage? 55