III PRODUCTION DE FROID, POMPE A CHALEUR. Machine à gaz permanent (sans changement de phase) Fonctionne suivant un cycle de Joule inverse

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1 III PRODUCION DE FROID, POMPE A CHALEUR Un cycle frigorifique est un système thermodynamique qui permet de transférer de la chaleur d un milieu vers un autre à température plus élevée. D après le second principe de la thermodynamique, il faut nécessairement fournir de l énergie à un tel système qui effectue un transfert contre nature. L énergie peut être fournie sous forme mécanique (machine à compression avec ou sans changement de phase) ou sous forme thermique (machine à absorption). Ces différents systèmes seront étudiés en insistant particulièrement sur les machines à compression avec changements de phase (qui sont les plus utilisés). Machine à gaz permanent (sans changement de phase) Fonctionne suivant un cycle de Joule inverse P C B B détente adiabatique réversible compression adiabatique réversible C C P Q C D A F P A D Q F Froid provient de la détente du gaz avec récupération du travail de détente (difficultés technologiques) Quelques valeurs numériques : V - sous des conditions d ambiance (Pa atm, a0 C) - avec un compresseur de taux de compression 6, B 7 C - en refroidissant le gaz de manière isobare jusqu à 30 C, après la détente isentropique, il vient D -6 C - Mais pour de l air (gaz le plus souvent utilisé), C p 0.7 kcal/kg.k, donc Q F C p ( D - A )3 kcal/kg d air, valeur qui reste faible. Ces machines présentent un intérêt pour quelques applications particulières, elles sont surtout utilisées en Amérique du Nord. S

2 Machine à compression de vapeur (avec changement de phase) Principe de fonctionnement

3 Efficacité (cycle théorique cycle de Carnot) c C B f D A S Réfrigérateur Pompe à Chaleur ε th Q W f COP th f Qc W c f c c f f ε ηc COP ηc c f c c f Où η c est le rendement du cycle thermodynamique (de l ordre de 0.5) Fluide frigorigène En général, l ammoniac et les fréons sont utilisés, mais certaines machines peuvent fonctionner avec de l anhydre carbonique (CO ), du chlorure de méthyle voire de l eau glycolée. Le choix se fait en général en fonction des critères suivants: - faible taux de compression (puissance à fournir au compresseur) - capacité thermique volumique (proportionnelle à l énergie apportée ou enlevée pour m 3 de gaz aspiré) - bon comportement vis à vis des métaux, lubrifiants et matériels metalliques - sécurité (toxicité, inflammabilité, explosion, recherche de fuites) - coût le plus faible

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5 En réalité, le cycle de Carnot ne peut être mis en oeuvre pour les raisons suivantes: Irréversibilités des différentes transformations ravail de détente isentropique récupérable est petit comparé par rapport à celui de compression, la détente isentrope est donc remplacée par détente isenthalpe (orifice calibrée de section réglable). Compression mal contrôlée car elle s effectue sur un mélange non homogène de vapeur Risque de ne pas finir la compression en vapeur séche condensation dans le cylindre du compresseur fuite de froid givrage à l extérieur Risque du coup du liquide: si le volume du liquide condensé en fin de compression est supérieur au volume de l espace mort du compresseur à piston, des surpressions inadmissibles s exerceront sur la culasse et les organes moteurs. Cycle réversible réel: En plus des quatres élements principaux (compresseur, condenseur, détendeur, évaporateur), les éléments suivants sont généralement utilisés: Un sous-refroidisseur, échangeur placé à la sortie du condenseur, et qui cède de la chaleur sensible à une source de valeur intermédiaire entre celle de la source chaude et de la source froide. Cet élément permet d augmenter l énergie calorifique récupérée, sans affecter le travail de compression. Un surchauffeur, échangeur placé à la sortie de l évaporateur, et qui accroît la surchauffe du gaz avant aspiration par le compresseur (sécurité du compresseur). La surchauffe peut être assurée par le sous-refroidissement du liquide après condensation, par le milieu froid, ou par une source intermédiaire. Une bouteille réservoir de frigorigène, qui sert de réserve de fluide et assure la séparation entre phase gazeuse et phase liquide.

6 -: Compression (supposée isentropique) -3: Désurchauffe (supposée isobare) réalisée dans le condenseur 3-4: Condensation (isotherme) 4-5: Sous-refroidissement (isobare) 5-6: Détente isentropique 6-7: Evaporation (isotherme) 7-: Surchauffe

7 Cycle irréversible réel Diagramme de Mollier

8 Etude des irréversibilités Les irréversibilités apparaissant lors du cycle frigorifique sont principalement les suivantes: dégradation de chaleur au niveau du compresseur, pertes par effet Joule dans le moteur entraînant le compresseur, pertes de charges dans l ensemble du circuit, absence de récupération de l énergie de détente du fluide, pertes thermiques, pincement des échangeurs, consommation des auxiliaires (pompes, ventilateurs, ). outes tendent à abaisser l efficacité des machines - cond > c et evap < f pincements aux échangeurs et 6-7 obliques pertes de charges - surchauffe 7- inférieure à l isobare passant par 7 à cause des pertes de charges - - (compression isentropique) demande un travail plus important (frottements dégradation en chaleur)

9 Composants d une pompe à chaleur Compresseurs Volumétriques (réduction du volume) urbo-compresseurs (transformation énergie cinétiquepression) Performances des compresseurs volumétriques pour l industrie frigorifique Compresseu r Débit (m 3 /h) aux de compressio n optimal Rendement isentropiqu e Vitesse de rotation (tr/min) Lubrificatio n A pistons sans - huile Double vis huile - liquide monovis huile - liquide A palettes huile Performances des turbo-compresseurs compresseurs Débit (m 3 /h) aux de compression Rendement isentropique Vitesse de rotation (tr/min) Centrifuge Axial Condenseurs (à eau ou à air) transfert à la source chaude l énergie de la vapeur issue du compresseur

10 Evaporateur (à eau ou à air) sert à puiser la chaleur à la source froide par évaporation complète du frigorigène et éventuellement, surchauffe la vapeur sèche. Les différents types d évaporateurs sont : - les évaporateurs à double faisceau (peu répandus) - les évaporateurs à immersion (tubes enroulés en spirale) - les évaporateurs multitubulaires (fréquemment utilisés, exemples donnés ci-dessous) Quelques exemples d évaporateurs multitubulaires

11 Détendeurs C est un organe de laminage placé entre les parties haute et basse pressions, il reçoit du frigorigène condensé et la détente se fait sans récupération de travail. Les différents types de détendeurs sont : - les tubes capillaires (installations de faible puissance) - les détendeurs pressostatiques à pression constante fixée par la poussée d un ressort de réglage (exemple donné cidessous) - les détendeurs thermostatiques (permettent de rendre solidaires le débit du frigorigène et la surchauffe de la vapeur afin d optimiser le fonctionnement de l évaporateur)

12 Calcul d une PAC Calcul des températures d évaporation et de condensation évap fluide refroidi sortie évap. - δ évap cond fluide chauffé sortie cond. - δ cond (δ évap et δ cond sont les pincements des deux échangeurs 5 pour de l eau, supérieur pour un frigorigène) Choix du frigorigène On choisit le fluide qui, dans les limites des pressions imposées, fournit la production calorifique volumique la plus importante. Cycle de frigorigène sur le diagramme de Mollier Après avoir tracé ce cycle, le bilan calorifique à la source chaude permet de déterminer le débit massique de frigorigène (q fluide ) : Q cond q fluide (H -H 4 ) Calcul de la compression On trace tout d abord la courbe de compression isentropique - jusqu à P cond + P, puis la courbe de compression réelle - ( P est la perte de charge entre la sortie du compresseur et le condenseur). H H H est donnée par : (η is est le rendement isentropique du compresseur, 0.7) L entraînement du compresseur fait parfois intervenir le rendement mécanique η m d un multiplicateur de vitesse ou d une transmission poulie/courroie et le rendement η el du moteur (entre 0.9 et 0.96), la puissance consommée est alors donnée par : P el Puissance des différents échangeurs - Condenseur Q cond q fluide (H -H 4 ) - Sous-refroidisseur Q SR q fluide (H 4 -H 5 ) - Surchauffeur-sousrefroidisseur Q surchauf q fluide (H -H 7 ) - Evaporateur Q evap q fluide (H 7 -H 6 ) (Procédure menée de manière itérative) H q η is ' fluide H η is ( H H ) η ' m η el

13 Machine à absorption Utilisation d une troisième source de chaleur à la température 3 > > Q Q W Machine à compression Machine à absorption Q 3 3 Q Q Premier principe : Q +Q +Q 3 0 Second principe : Q / +Q / +Q 3 / 3 0 Coefficient d effet frigorifique : ε th absorption Q Q 3 3 ( 3 ) ( ) 3 < ε th compression Coefficient de performance : Q COP th absorption < Q 3 3 COP th compression