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PAGE 1 SUR 159 – EXTRAIT SYLLABUS « RAPPELS TECHNIQUE » – CLIMATISATION PEB Version septembre 2013 Plus d’infos : www.bruxellesenvironnement.be  Professionnels  Performance Energétique des Bâtiments  Installations techniques Bruxelles Environnement-IBGE Département chauffage et climatisation PEB Email : climPEB@environnement.irisnet.be Climatisation PEB  Contenu technique à l’attention des organismes de formation Extrait du syllabus « rappels techniques » CHAPITRE 2 LE CIRCUIT FRIGORIFIQUE Pour professionnels de la climatisation : contrôleurs, technicien climatisation PEB PAGE 2 SUR 159 – EXTRAIT SYLLABUS « RAPPELS TECHNIQUE » – CLIMATISATION PEB TABLE DES MATIERES Chapitre 2 Le circuit frigorifique......................................................................................................... 3 2.1 La chaleur, énergie, travail ..................................................................................................... 3 2.2 Transmission de la chaleur .................................................................................................... 5 2.3 Etats de la matière ................................................................................................................. 7 2.4 Principe de la machine frigorifique à compression ................................................................ 9 2.5 Régime de fonctionnement .................................................................................................. 10 2.6 Les différents composants dans un cycle frigorifique .......................................................... 15 2.7 Le cycle frigorifique théorique du point de vue de l’énergie ................................................. 86 2.8 Cycle frigorifique réel ........................................................................................................... 96 2.9 Les fluides frigorigènes ...................................................................................................... 105 2.10 Les huiles pour systèmes frigorifiques. .............................................................................. 120 2.11 Composants annexes des circuits frigorifiques .................................................................. 126 PAGE 3 SUR 159 – EXTRAIT SYLLABUS « RAPPELS TECHNIQUE » – CLIMATISATION PEB CHAPITRE 2 LE CIRCUIT FRIGORIFIQUE 2.1 LA CHALEUR, ÉNERGIE, TRAVAIL La chaleur est une manifestation de l’énergie. Elle peut s’emmagasiner, et transiter sous l’effet d’une différence de température. Nous la percevons à l’aide de nos sens, lorsque nous sommes, par exemple, placés devant un corps incandescent. Le froid, est la sensation que nous éprouvons en cas d’absence, de diminution ou de perte de chaleur. Par comparaison, le froid est à la chaleur ce que l’obscurité est à la lumière. Refroidir un corps, un milieu, un fluide, consiste donc à en extraire de la chaleur. Figure 2.1 Un corps (ou une substance) peut recevoir ou fournir de la chaleur sous deux formes différentes : 1. Sous forme sensible : L’absorption (ou fourniture) de chaleur sous cette forme se manifeste par une élévation (baisse) de température du corps récepteur. L’absorption ou fourniture de chaleur ne provoque pas de modification d’état physique du corps. 2. Sous forme latente : l’absorption ou fourniture de chaleur par un corps sous cette forme se caractérise par une constance de la température du corps et par son changement d’état physique. PAGE 4 SUR 159 – EXTRAIT SYLLABUS « RAPPELS TECHNIQUE » – CLIMATISATION PEB Si une substance absorbe de la chaleur, il se produit un changement de température en son sein. La relation entre chaleur absorbée et la variation de température se dénomme la chaleur massique. C’est la quantité de chaleur nécessaire pour élever de 1°C ou 1 K la température de la substance. Exemple : Eau : c = 4180 J/kg K Fer : c = 0,47 kJ/kg K Cuivre : c = 0,39 kJ/kg K Huile à 50°C : c = 2,01 kJ/kg K (compresseur) Equation de transfert de chaleur : Où Q = chaleur échangée en joules m = masse exprimée en kg T = différence de température en K C = chaleur latente en kJ/kg.K ⁄ La chaleur latente de solidification est la quantité de chaleur qu’il faut enlever à 1kg d’un corps pour le faire passer de l’état liquide à l’état solide sans abaisser sa température. La chaleur latente de fusion : est la quantité de chaleur qu’il faut fournir à 1kg d’un corps pour le faire passer de l’état solide à l’état liquide, sans élever sa température. La chaleur latente de vaporisation. est la quantité de chaleur qu’il faut fournir à 1kg d’un corps pour le faire passer de l’état liquide à l’état gazeux sans élever sa température. La chaleur latente de liquéfaction : est la quantité de chaleur qu’il faut enlever à 1kg d’un corps pour le faire passer de l’état gazeux à l’état liquide, sans abaisser sa température. Energie interne et enthalpie : L’énergie interne U est l’énergie que possède une substance grâce à son activité moléculaire. L’énergie s’emmagasine sous forme d’énergie cinétique et potentielle des molécules. L’enthalpie H est la somme de l’énergie interne U et de l’équivalent thermique du travail nécessaire pour occuper le volume V à la pression constante P. On le dénomme dès lors le travail de déplacement PV et l’on a : H = U + PV Entropie : Dans les compresseurs, le travail de compression dépend de quatre variables essentielles : la pression, le volume, la température et l’entropie. Une transformation adiabatique (sans transfert de chaleur) et réversible est isentropique et est utilisée comme référence pour l’étude des compresseurs. Une compression ou expansion isentropique sert de modèle de perfection puisque lors de celle – ci, on suppose que toutes les pertes par transferts de chaleur et dues à d’autres effets sont nulles. Equation de l’énergie : Conformément au premier principe de la thermodynamique, la chaleur absorbée par un système est égale à l’augmentation de son énergie interne, plus le travail effectué par le système. PAGE 5 SUR 159 – EXTRAIT SYLLABUS « RAPPELS TECHNIQUE » – CLIMATISATION PEB F = m.a 2.2 TRANSMISSION DE LA CHALEUR Lorsque deux corps sont en présence, le transfert de chaleur va toujours du corps chaud vers le corps froid. L’échange de la chaleur ne cessera que lorsque les deux corps seront à même température. A l’inverse, la chaleur ne peut pas passer spontanément d’un corps froid vers un corps chaud (Clausius). Les mécanismes de transfert de la chaleur sont :  La conduction : par contact direct entre deux corps Ex : barre de fer placée dans une flamme.  La convection : par mouvement de masses de fluide Ex : chauffage par convecteur  Le rayonnement ou radiation Ex : rayonnement solaire ou effet d’une certaine longueur d’onde électromagnétique (infra– rouge) Unités de mesure :  Unité de température : Le Kelvin (K)  Masse : Quantité de matière contenue dans un corps. La masse est invariable Unité : Le kilogramme (kg)  Force : Cause capable de déformer l’état d’un corps ou de mettre en mouvement ce corps Unité : Le Newton (N) Equation générale de la dynamique : Où : F = force m = masse du corps a = accélération unités : 1 Newton (N) = 1 kg x 1 m/(1 s)²  Energie mécanique ou travail d’une force. Toute force de 1 N qui déplace son point d’application de 1 m développe un travail ou énergie de 1 Joule (1 J) Unité : 1 Joule (J) = 1 Newton (N) x 1 mètre (m)  Equivalent calorifique 1 cal = 4,1865 joules 1 Kcal = 4186 joules  Pression 1 bar = 10³ Pa = 100.000 Pa 1 atmosphère = 1 atm = 101.325 Pa = 760 mm Hg = 10,33 m de colonne d’eau En météorologie : 1 bar = 100.000 Pa = 1000 mbar donc 100 Pa = 1 mbar 1 hPa = 1 mbar PAGE 6 SUR 159 – EXTRAIT SYLLABUS « RAPPELS TECHNIQUE » – CLIMATISATION PEB On distingue plusieurs pressions :  La pression absolue : cette pression se réfère au zéro absolu (vide). La pression atmosphérique est un exemple de pression absolue, elle indique le poids de l’air au dessus de la surface de la terre. Au niveau de la mer, elle est de 76 cm de mercure ou 10,33 m d’eau ou 101325 Pa. Cette pression diminue avec l’altitude.  La pression relative (manométrique ou effective) est la pression qui règne dans une conduite ou un réservoir moins la pression atmosphérique. Pression relative (manométrique) = Pression absolue – Pression atmosphérique Pression absolue = Pression relative (manométrique) + Pression atmosphérique  La pression différentielle est la différence de pression (relative ou absolue) entre deux points de mesure. Autres grandeurs physiques :  La densité ou masse volumique : ρ (rô) La densité correspond à la relation entre la masse et le volume d’un corps. Ex : Pour l’eau ρ = 1000 kg/m³ ou 1 kg/l Pour le mercure ρ = 13,6 kg/l  Le débit volumique: Le débit volumique correspond au volume de fluide circulant par unité de temps. Il s’exprime en m³/s, l/s ou m³/h.  Le débit massique : Le débit massique correspond à la masse de fluide et donc à la quantité de matière circulant par unité de temps. Il s’exprime en kg/s ou kg/h. On peut aussi exprimer que : En dehors des unités usuelles du système S.I. (système international), on peut rencontrer, en climatisation, des unités particulières dont certaines sont d’origine anglo-saxonnes. Exemple : 1 fg/h (frigorie par heure) équivaut à un kcal négative 1 (US) Ton = 3.517 watts 1 BTU (British Thermal Unit) équivaut à 1.056 joules 1 CFM (Cubic Feet per Minute) équivaut à 1,7 m³/h 1 GPM (Gallon per Minute) équivaut à 0,227 m³/h 1 psi (pound square inch) équivaut à 0,069 bar 1 pouce de colonne d’eau = 25,4 mm H20 = 249 Pa 1 kW s (Kilowatt seconde) = 1 kJ 1 kWh = 3.600 kJ = 860 Kcal PAGE 7 SUR 159 – EXTRAIT SYLLABUS uploads/Geographie/ le-circuit-frigorifique.pdf