Usage du diagramme enthalpique

Usage du diagramme enthalpique 1 2 Diagramme h,log pdu R134a compression Condensat ion Détent e Evaporation 100,000 Pression absolue 10,000 1,000 3 4 1 2 4 3 0,100 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 Enthalpie massique

Sommaire Rappel Cycle de base Présentation du diagramme enthalpique. Tracer un cycle d une machine à compression de vapeur. Calcul des puissances et du COP Exercices et TP

Rappel Le circuit frigorifique est constitué de 5 éléments de base: Compresseur Compresseur Condenseur Évaporateur Détendeur Évaporateur Fluide frigorigène Détendeur Condenseur Le fluide frigorigène

Rappel Il y a deux niveaux de pressions dans le circuit frigorifique: BP HP Haute Pression (HP) Compresseur Basse Pression (BP) Évaporateur Détendeur Condenseur Le fluide frigorigène

Rappel Le fluide frigorigène se retrouve sous trois états différents: Vapeur Liquide Mélange liquide-vapeur Évaporateur Vapeur Compresseur Vapeur Liquide-Vapeur Détendeur Condenseur Liquide Le fluide frigorigène

Rappel Les notions de chaleurs: Chaleur sensible Chaleur latente

Rappel Application au circuit frigorifique Surchauffe: Variation de température Chaleur sensible Vapeur/ BP Vapeur/ HP Désurchauffe: Variation de température chaleur sensible Évaporation: Changement d état Chaleur latente Condensation: changement d état Chaleur latente Liquide-Vapeur /BP Liquide/ HP sous-refroidissement: Variation de température Chaleur sensible

Cycle de base Le cycle frigorifique de base est repéré par 4 points. Par convention: 1=aspiration compresseur 2=refoulement compresseur 3=entrée détendeur 4=entrée évaporateur Vapeur BP HP Compresseur 1 2 Vapeur Évaporateur Liquide-Vapeur Détendeur 4 3 Condenseur Liquide

Tableau récapitulatif Vapeur Évaporateur BP HP Compresseur 1 2 Vapeur Liquide-Vapeur Détendeur 4 3 Tableau récapitulatif Points 1 2 3 4 Pression BP HP HP BP Etat vapeur vapeur liquide liquide+vapeur Condenseur Liquide

Présentation du diagramme enthalpique Pression absolue (bar) Isobare Liquide Sous-refroidi Courbes de bulle Mélange Liquide+vapeur Point critique Isentrope Isochore Courbes de rosée Vapeur surchauffée Isotitre Isotherme Isenthalpe Enthalpie-massique (kjkg)

Exemple de lecture Diagramme h,log P du R134a 100,0 Pression absolue 10,0 1,0-50 Th e rm ori c Auteur BYS Liquide Liquide Sous-refroidi Sous-refroidi -40-30 t = -10-20 0,1 10 80 90 70 60 50 40 30 20 10 Mélange Mélange Liquide+vapeur Liquide+vapeur 0,2 0,3 0,4 0,6 0,7 0,8 0,9 Xv=0,5 0,1 m 3 /kg 0,01 m 3 /kg 0,02 m 3 /kg 0,04 m 3 /kg Vapeur Vapeur surchauffée surchauffée 0,06 m 3 /kg 0,08 m 3 /kg 0,2 m 3 /kg 0,3 m 3 /kg 0,4 m 3 /kg 0,5 m 3 /kg 0,6 m 3 /kg 0,7 m 3 /kg 0,8 m 3 /kg V=1 m 3 /kg 60-40 -20 0,1 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 Enthalpie massique (kj/kg) 0 C 20 40 60 80 100 120 140

Tracer un cycle d une machine à compression de vapeur. A Plaçons La Chute L évaporation condensation Représentons fin le Compression le l évaporateur,les point 12 se fait 3 à au les à fait l aspiration travers à refoulement deux pression : à pression du vapeurs compresseur. du détendeur constante. compresseur. Liquide niveaux se.(on sous-refroidi surchauffent. (on de néglige néglige pression les les pertes pertes à la HP de de charges). HP charges). et BP 1 2 Sous-refroidissement Désurchauffe Pression absolue (bar) HP BP 3 2 4 1 Ev 4 3 Cd Surchauffe Enthalpiemassique (kjkg)

Exemple: 100,0 Diagramme h,log P du R134a A Plaçons La Chute L évaporation condensation Représentons fin le Compression le l évaporateur,les point 12 se fait 3 à au les à fait l aspiration travers à refoulement deux pression : à pression du vapeurs compresseur. du détendeur constante. compresseur. Liquide niveaux se.(on sous-refroidi surchauffent. (on de néglige néglige pression les les pertes pertes à la HP de de charges). HP charges). et BP Pression absolue 10,0 1,0 HP BP -50 Th e rm ori c Auteur BYS -40-30 t = -10-20 0,1 Sous-refroidissement 10 90 Désurchauffe 80 70 3 60 5 2 40 30 20 10 0,2 4 0,3 0,4 Xv=0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 Surchauffe 1 0,1 m 3 /kg 0,01m 3 /kg 0,02 m 3 /kg 0,04 m 3 /kg 0,06 m 3 /kg 0,08 m 3 /kg 0,2 m 3 /kg 0,3 m 3 /kg 0,4 m 3 /kg 0,5 m 3 /kg 0,6 m 3 /kg 0,7 m 3 /kg 0,8 m 3 /kg V=1m 3 /kg 60 0,1 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550-40 Enthalpie massique (kj/kg) -20 0 C 20 40 60 80 100 120 140

Calcul de puissance et de débit Puissance frigorifique: C est la quantité de chaleur (en kj) absorbée par unité de temps, par le fluide frigorigène au médium à refroidir. Elle s exprime en kj/s donc en kw. Φo= qm (h1 h 4) Φo:Puissance frigorifique en kw qm:débit masse de fluide frigorigène en kg/s h 1 :Enthalpie massique sortie évaporateur en kj/kg h 4 :Enthalpie massique entrée évaporateur en kj/kg

Calcul de puissance et de débit Volume aspiré: C est le débit de volume aspiré par le compresseur.c est le volume occupé par les vapeurs de fluide frigorigène à l aspiration du compresseur. qva= qm V' qva:débit volume aspiré en m 3 /s qm:débit masse de fluide frigorigène en kg/s V aspiré:volume massique à l entrée du compresseur en m 3 /kg

Calcul de puissance et de débit Taux de compression : C est le rapport de pression de refoulement sur la pression d aspiration exprimées en bars absolus. P Γ= P Γ:taux de compression P 2 : pression de refoulement en bars absolus P 1 : pression d aspiration en bars absolus 2 1

Calcul de puissance et de débit Rendement volumétrique : C est le rapport entre le débit volume aspiré et le débit volume balayé du compresseur.le rendement volumétrique est influencé par différents facteurs: ηv = qva qvb Par la détente de l espace mort (le type de fluide frigorigène) L étanchéité des clapets et des segments n est pas parfaite Les clapets présentent une certaine perte de charge Les gaz d aspiration se réchauffent au contact des clapets d aspiration et de la paroi du cylindre.par conséquent,des vapeurs s évaporent de l huile.

Calcul de puissance et de débit Rendement volumétrique : En utilisant une bonne approximation,on obtient la formule suivante du rendement volumétrique: ηv = 1 0,05 Γ ηv:rendement volumétrique

Calcul de puissance et de débit Débit volume balayé : C est le débit volume engendré par la cylindrée du compresseur: qva qvb= ηv ηv:rendement volumétrique qvb:débit volume balayé par le compresseur en m 3 /s qva:débit volume aspiré par le compresseur en m 3 /s

Calcul de puissance et de débit Puissance compresseur: Elle correspond à la puissance nécessaire au compresseur pour comprimer les vapeurs de fluide de la BP à la HP et elle doit vaincre les frottements mécaniques. Elle dépend surtout de la quantité de fluide à comprimer et du taux de compression.

Calcul de puissance et de débit Puissance compresseur: La puissance mécanique du compresseur est égale à: qm (h h ) 2is 1 Pour simplifier Pcpméca= ηi η nos calculs; m on prendra ηi= ηv Pcp méca :Puissance mécanique compresseur en kw qm:débit masse de fluide frigorigène en kg/s h 2is :Enthalpie massique des vapeurs refoulés lors d une compression isentropique en kj/kg h 1 :Enthalpie massique des vapeurs aspirés en kj/kg ηi:rendement indiqué ηm:rendement mécanique

Calcul de puissance et de débit Puissance rejetée au condenseur: C est la quantité de chaleur à évacuer pour permettre au fluide de se condenser par unité de temps.elle correspond à la chaleur absorbée par le fluide dans l évaporateur ainsi que la chaleur due au travail de compression par unité de temps. Φ k =Φ 0+ Pcp méca +q Φk:Puissance rejetée au condenseur en kw q:quantité de chaleur captée par le fluide dans la ligne d aspiration,chaleur dissipée par effet joule dans les semi-hermétiques et hermétiques par unité de temps.

Définition: Enthalpie: L enthalpie représente l énergie totale contenue dans un fluide.elle est constitué de l énergie interne et du travail extérieur qu il a fallu lui fournir pour atteindre l état considéré.

Définition: Pression absolue: La pression absolue est égale à la pression relative (pression mano) + 1 bar. Pabs = Prelative + 1

Définition: Volume massique: C est le volume occupé par une masse de 1 kg de fluide Unité : m 3 /kg Remarque: le volume massique est d autant plus important que la pression qui règne sur le fluide est faible.

Définition: Titre en vapeur: C est le pourcentage de vapeur contenu dans un mélange liquide-vapeur.il est utilisé pour mesurer la quantité de vapeur lors de l évaporation ou de la condensation.

Définition: Point critique: C est le point de rencontre entre la courbe de rosée et la courbe de bulle. Il représente la température au-delà de laquelle aucune pression,si élevée soit-elle, ne provoque la condensation

Définition: entropie:

Définition: Détente: La chute de pression due au détendeur est isenthalpique.on constate qu en cours de détente,une partie du fluide s est vaporisée afin de refroidir de Tk à To le liquide restant.

Définition: Évaporation: L évaporation se fait à pression constante.l enthalpie du fluide augmente au fur et à mesure de son avance dans l évaporateur.a la fin de l évaporateur,les vapeurs se surchauffent.

Définition: Compression: La compression est isentropique (ou adiabatique).pendant la compression, le fluide absorbe une quantité de chaleur qui correspond au travail fourni par le compresseur.le travail augmente avec la pression et la température.

Définition: Condensation: La condensation se fait à pression constante. Il y a 3 étapes dans le condenseur: Désurchauffer les vapeurs refoulées Condenser le fluide Sous-refroidir le liquide avant la détente.

Définition: entropie:

Définition: Débit masse: C est la quantité de fluide frigorigène à évaporer et à faire circuler pour obtenir la puissance frigorifique. Le débit masse s exprime en kg de fluide par unité de temps (kg/s)

Définition: Rendement mécanique: C est une caractéristique propre à chaque compresseur.il est donné par le constructeur.

Définition: Chaleur sensible: C est la quantité de chaleur en joules qui provoque la variation de température d un corps sans modifier son état physique.

Définition: Chaleur latente: C est la quantité de chaleur en joules qui provoque le changement d état d un corps à température et pression constante dans le cas d un fluide pur. Voir les exemples.

Exemples: Exemple 1: T, C 15 C on veut refroidir 1 kg d eau de 15 C à 18 C. 0 C 0 C -18 C Chaleur sensible avant congélation Chaleur latente de solidification Chaleur sensible après congélation 62,70 335 37,62 Q,kJ

Exemples: Exemple 2: on veut refroidir 1 kg de vapeur R134a de 54 C à 35 C sous une pression de 10,16 bar. T, C 54 C Retour sur notion de chaleur 40 C 35 C Chaleur sensible avant condensation 40 C Chaleur latente de condensation Chaleur sensible après condensation 15.5 161 8,5 Q,kJ