REFRIGERATEUR, CLIMATISEUR ET POMPE A CHALEUR.

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1 Systèmes et procédés REFRIGERATEUR, CLIMATISEUR ET POMPE A CHALEUR. Capacités exigibles : Pour une pompe à chaleur, un climatiseur ou un réfrigérateur : décrire le principe de fonctionnement ; identifier les transferts d'énergie mis en jeu et réaliser le bilan énergétique. Citer l'influence de la différence de température des deux sources sur le coefficient de performance d'une pompe à chaleur ou d'un climatiseur. Distinguer un échange d'énergie par travail et par transfert thermique. Expliquer comment une compression ou une détente augmente ou abaisse la température d'un gaz. Appliquer le principe de conservation de l'énergie à une machine ditherme. Énoncer le second principe de la thermodynamique comme l'impossibilité d'un transfert thermique spontané d'une source froide vers une source chaude. Énoncer et exploiter, dans le cadre du second principe, la relation entre les énergies échangées par transferts thermiques et les températures des sources pour une machine ditherme. Définir, exprimer et calculer le rendement ou l'efficacité d'une machine thermique. Distinguer le coefficient de performance d'une machine thermique de son efficacité thermodynamique. -Déterminer expérimentalement le flux thermique échangé par les fluides dans un échangeur liquideliquide. Évaluer à partir de données expérimentales le coefficient global d'échange. I. Présentation d'un climatiseur d'avion. Observations expérimentales : Lorsqu'un gaz est comprimé (sans transfert thermique d'énergie) sa température.. Et lorsqu'il subit une détente (sans transfert thermique d'énergie) sa température.. Fonctionnement d'un climatiseur d'avion : : le compresseur comprime le fluide caloporteur (ici de l'air) dont la température..fortement ; : ce fluide.. "un peu" en passant dans un échangeur thermique en contact avec l'extérieur chaud (mais moins que le fluide) ; : la turbine détend ce fluide dont la température. ; : ce fluide refroidit "un peu" l'avion (et se réchauffe) en passant dans un échangeur thermique en contact avec l'air froid (mais moins que le fluide) de l'avion. L'avion et l'extérieur sont assez grands par rapport au climatiseur pour être appelés "sources de température". L'avion est la.. et sa température est notée T f. L'extérieur est la..et sa température est notée T c.

2 Rappel : La température est une mesure de l agitation interne des constituants microscopiques de la matière (molécules, ions, atomes ) : une température plus élevée veut dire que l'agitation microscopique est plus importante et donc que l'énergie interne thermique est plus grande. II. Aspect énergétique. Lorsque le système reçoit (gagne) de l'énergie, par convention, le transfert d'énergie est. Réciproquement, lorsque le système cède (fournit, perd) de l'énergie, le transfert d'énergie est. Les échanges d'énergie peuvent se faire sous forme de transfert thermique Q (aussi appelé chaleur) ou de travail W que ce soit un travail mécanique ou électrique (aussi appelé énergie électrique) : Le transfert thermique Q peut être de la conduction (transfert d'énergie de proche en proche) et/ou de la convection (transfert d'énergie par déplacement global de matière) et/ou du rayonnement (transfert d'énergie par onde électromagnétique, telle que les infrarouges). Un système reçoit un travail mécanique (W >0) lorsqu'une force s'exerce sur le système et qu'elle va dans le sens du déplacement (par exemple lorsque le volume diminue). Réciproquement, un système fournit un travail mécanique (W <0) lorsqu'une force s'exerce sur le système mais qu'elle va à l'encontre du déplacement. Cas d'un climatiseur d'avion : - étape 1-2 : le fluide reçoit un travail mécanique W 1-2 (W 1-2 >0) ; - étape 2-3: le fluide cède un transfert thermique Q c (Q c <0) ; - étape 3-4 : le fluide cède un travail mécanique W 3-4 (W 3-4 <0) ; - étape 4-1 : le fluide reçoit un transfert thermique Q f (Q f >0). Le climatiseur va donc absorber l'énergie thermique de l'avion pour la rejeter dehors (grâce à l'énergie fournie par le compresseur). Explication du phénomène observé : Lorsqu'un gaz est comprimé sans transfert thermique, sa température augmente car son énergie interne thermique augmente car il reçoit de l'énergie (sous forme de travail mécanique). Réciproquement, lorsqu'un gaz subit une détente sans transfert thermique, sa température diminue car son énergie interne thermique diminue car il perd de l'énergie (sous forme de travail mécanique). III. Cas d'un réfrigérateur domestique. 1. Fonctionnement d'un réfrigérateur domestique : : Le... le fluide caloporteur (qui est à l'état gazeux) dont la température.. fortement ; le fluide le travail mécanique W (W..0) ; : Ce fluide se refroidit "un peu" (et passe à l'état liquide) en passant dans un échangeur thermique (appelé.) en contact avec la cuisine chaude (mais moins que le fluide) ; le fluide. le transfert thermique Q c (Q c 0) ; : Le. ce fluide dont la température.. fortement ; ni Q ni W ; : Ce fluide "un peu" l'intérieur du réfrigérateur (et se réchauffe) (et passe à l'état gazeux) en passant dans un échangeur thermique (appelé.) en contact avec l'air froid (mais moins que le fluide) du réfrigérateur ; le fluide. le transfert thermique Q f (Q 0).

3 Ici, lors des transferts thermiques, le fluide ne fait pas que changer de température mais change aussi.. Beaucoup plus d'énergie thermique est échangée que si le fluide ne faisait que changer de température. Ainsi le refroidissement et/ou le réchauffement dû à la machine est plus important que si le fluide reste toujours à l'état gazeux. 2. Un climatiseur domestique fonctionne exactement sur le même principe :

4 IV. Application du premier principe de la thermodynamique. 1. Premier principe de la thermodynamique (principe de conservation de l'énergie) : L'énergie d'un système fermé et isolé est constante : elle ne varie pas (mais il peut y avoir passage d'une forme d'énergie à une autre). Si l'énergie d'un système varie, c'est qu'elle a été reçue de son extérieur ou cédée à son extérieur : l'énergie d'un système ne peut être ni créée ni détruite mais elle peut être échangée avec son extérieur (on parle de transfert d'énergie) et il peut y avoir conversion d'une forme d'énergie à une autre. À chaque cycle, la machine thermodynamique revient dans le même état (lorsque le régime stationnaire est atteint). Son énergie est donc la même qu'au début du cycle (la machine n'accumule pas d'énergie). Donc, la somme des énergies échangées s'annule : à chaque cycle, en régime stationnaire :.. Dans le cas des machines thermiques étudiées ici,. (rappel : les énergie reçues sont positives et celles cédées sont négatives). Exercice 1 : Un réfrigérateur a consommé 465 kj d'énergie électrique en 15 min. Pendant cette durée il a refroidi de l'eau en y retirant 1232 kj d'énergie thermique. Sachant que le rendement du compresseur électrique est de 85%, déterminer l'énergie thermique reçue par la cuisine par le biais du fluide. V. Application du second principe de la thermodynamique. Second principe de la thermodynamique (principe du sens d'évolution d'un système) : Les transferts thermiques se font spontanément de la source chaude vers la source froide (la source chaude se refroidit alors que la source froide se réchauffe). Il ne peut pas y avoir de transfert thermique spontané de la source froide vers la source chaude (la source froide ne se refroidit pas spontanément et la source chaude ne se réchauffe pas spontanément). Dans les machines thermiques étudiées ici, on remarque que, au final, la source froide se refroidit et la source chaude se réchauffe mais pas spontanément : une machine est nécessaire pour effectuer ce transfert d'énergie. Le détail des différents échanges thermiques dans les machines étudiées vérifient bien évidemment le second principe. VI. Au niveau de l'échangeur thermique. L'échangeur thermique doit présenter une grande surface d'échange réalisée à l'aide d'un matériau bon conducteur thermique (dont la résistance thermique est faible), généralement un métal tel que le cuivre ou l'aluminium (moins cher et plus léger mais moins performant thermiquement). Le flux thermique (ou puissance thermique) Φ quantifie la rapidité avec laquelle le transfert thermique se fait : Φ = Q / Δt en W ou J.s -1 avec Q le transfert thermique (en J) ayant lieu pendant la durée Δt (en s).

5 Ce flux thermique est proportionnel à la différence de température entre les deux systèmes (plus les différences de températures sont importantes et plus l'échange thermique sera..) et à la surface de l'échangeur : Φ = U.S.(T 1 - T 2 ) avec U la constante de proportionnalité (appelée coefficient global de transfert thermique), S la surface d'échange thermique, T 1 la température du corps le plus chaud et T 2 celle du corps le plus froid. Considérons une masse m fluide de fluide dont la capacité thermique massique est c fluide et dont la température passe de T i à T f (la variation de température est ΔT = T f - T i ), l'énergie interne thermique qu'il a gagnée est : E thgagnée = m fluide. c fluide. ΔT Exercice 2 : Considérons un climatiseur dont le fluide caloporteur est un gaz (restant à l'état gazeux) dont la capacité thermique massique vaut c fluide = 211 J.K -1.kg -1. En régime permanent, lors de la compression, 200 g de ce fluide passent de 11 C et 1 bar à 79 C et 2 bar. Puis, dans un 1er échangeur thermique, pendant 2 min, au contact de l'extérieur du bâtiment à 35 C, ce fluide atteint 39 C et 2 bar. Puis, lors de la détente, ce fluide atteint -20 C et 1 bar. Puis ce fluide passe dans un 2ème échangeur thermique, au contact de l'intérieur du bâtiment, pendant 1 min. Déterminer le flux thermique ayant été reçu par ces 200 g de fluide dans le 2ème échangeur thermique. VII. Performance d'une machine thermique et irréversibilité. L'efficacité thermodynamique (ou rendement dans le cas d'un moteur) d'une machine thermique est η = transfert d'énergie utile /transfert d'énergie dépensé donc, pour une machine frigorifique et pour une pompe à chaleur η frigo = Qf/W et pour une pompe à chaleur η PAC = Qc/W L'efficacité s'exprime sans unité mais les transferts d'énergies doivent être exprimés avec la même unité (généralement en joule J). On peut démontrer que le maximum théorique est η frigo max = T f / (T c T f ) > 1 et η PAC max = T c / (T c T f ) > 1 rappel : T (en K) = θ (en C) et θ (en C) = T (en K) Dans le cas des pompes à chaleur, l'efficacité est généralement appelée coefficient de performance COP. Pour un climatiseur ou une pompe à chaleur, plus la différence de température entre la source chaude et la source froide est importante, et plus le coefficient de performance est faible. Par exemple, s'il fait très froid, les pompes à chaleur deviennent très peu efficaces et un chauffage d'appoint est nécessaire. Exercice 1 suite : Un réfrigérateur a consommé 465 kj d'énergie électrique en 15 min. Pendant cette durée il a refroidit de l'eau en y retirant 1232 kj d'énergie thermique. Le rendement du compresseur électrique est de 85%. Déterminer l'efficacité thermodynamique au niveau du fluide (à partir de la compression) puis l'efficacité du réfrigérateur complet. La cuisine est à la température de 20 C et le réfrigérateur à la température de -18 C. Déterminer la valeur de l'efficacité maximale théorique et la comparer à l'efficacité thermodynamique réelle au niveau du fluide.

6 Donnée : l'efficacité maximale théorique est L'efficacité d'une machine réelle est inférieure à l'efficacité maximale car, pour des raisons technologiques, le cycle du fluide n'est pas identique au cycle idéal et car il y a des causes d'irréversibilité. On dit d'une transformation qu'elle est une transformation réversible s'il s'agit d'une succession d'états d'équilibres thermodynamiques. Il s'agit donc d'une évolution lente par rapport au temps nécessaire pour qu'il y ait équilibre (temps d'égalisation et d'uniformisation des températures, temps d'amortissement d'une onde de surpression ). Quelques causes d'irréversibilité dans le cas des machines thermiques étudiées ici : - dans les échangeurs thermiques, la température du fluide est trop différente de celle de la source ; - la compression et surtout la détente sont trop rapides par rapport au temps d'uniformisation de la pression ; - la compression ne se fait pas tout à fait sans échange thermique. VIII. Présentation d'une pompe à chaleur (PAC). Voir TP