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o DEPARTEMENT D’ENERGIE RENOUVELABLE Responsable : REPUBLIC OF CAMEROON Peace -

o DEPARTEMENT D’ENERGIE RENOUVELABLE Responsable : REPUBLIC OF CAMEROON Peace - Work - Fatherland MINISTRY OF HIGHER EDUCATION THE UNIVERSITY OF MAROUA REPUBLIQUE DU CAMEROUN Paix -Travail - Patrie MINISTERE DE L’ENSEIGNEMENT SUPERIEUR UNIVERSITE DE MAROUA INSTITUT SUPERIEUR DU SAHEL THE HIGHEER INSTITUTE OF THE SAHEL B.P./P.O. Box : 46 Maroua Tel : 22 62 03 76 / 22 62 08 90 E mail: institutsupsahel.uma@gmail.com Site: http //www.uni-maroua.citi.cm Dr NSOUANDELE/M. KOUENI TOKO 2 PLAN DU COURS Introduction Chapitre 1 : Rappels I- Notion de physique II- Propriétés générales des gaz III- Caractéristiques de l’air humide Chapitre 2 : Fluides frigorigènes I- Les réfrigérants II- Les émissions de fluides frigorigènes III- Substitution des réfrigérants Chapitre 3 : Production de froid et de chaleur I- Moyens de production de froid et de chaleur basse température II- Les techniques disponibles III- Le système à compression IV- Optimisation énergétique des systèmes frigorifiques Chapitre 4 : Diagrammes thermodynamiques et applications du froid et de la chaleur I- Diagramme thermodynamique II- Cycles frigorifiques III- Applications du froid et de la chaleur Conclusion 3 Introduction Fournir du froid (ou de la chaleur) { un corps, { un milieu, c’est lui extraire de la chaleur (ou du froid) ce qui se traduit par un abaissement (ou une élévation) de sa température et aussi, bien souvent, par des changements d’états : condensation, vaporisation, solidification, fusion, etc. Ce sont ces effets du froid (ou de chaleur) qui sont, dans leur grande diversité, au service de l’homme moderne. Les machines frigorifiques permettent, moyennant un apport énergétique, d’extraire de la chaleur aux milieux { refroidir. Elles rejettent cette chaleur, accompagnée de l’équivalent thermique de l’énergie reçue, à température plus élevée, dans le milieu ambiant. Ces machines peuvent aussi être utilisées comme systèmes de chauffage. Si le froid qu’elles produisent est généralement sans utilité (on se contente de prélever de la chaleur dans un milieu où celle-ci est gratuite, air, eau ou processus industriel) c’est la chaleur rejetée à température plus élevée qui est utilisée. On a alors affaire { ce que l’on appelle généralement une pompe { chaleur dont les principes de fonctionnement, et souvent la technologie, sont semblables à ceux des machines frigorifiques. Le but de ce cours est de vous donner les principes de bases et les techniques de production de la chaleur et du froid à basse température ainsi que les applications domestiques, commerciales et industrielles des procédés de production de la chaleur et du froid. Dans le premier chapitre de se cours nous rappellerons les notions de la physique, les propriétés générales des gaz et les caractéristiques de l’air humide. Les fluides frigorigènes seront étudiés au chapitre 2. Au chapitre 3 nous développerons les moyens et les techniques de production de froid et de la chaleur. Les diagrammes thermodynamiques, les cycles frigorifiques seront présentés au chapitre 4 et enfin nous conclurons. 4 Chapitre 1 : Rappels I- Notion de la physique I-1. La chaleur La chaleur est caractérisée par l’élévation, l’augmentation de la température d’un corps ou de milieu. C’est la sensation perçue par nos organes de sens lorsque nous sommes placés devant un foyer en activité ou un corps incandescent par exemple. La chaleur se manifeste également lors du passage d’un courant électrique dans une résistance, lors de la compression d’un gaz, lors de certaines réactions chimiques, etc. I-2. Le froid Indique l’absence, la perte ou la diminution de la chaleur. I-3. La température C’est le « niveau » auquel la chaleur (énergie calorifique) se trouve dans un corps. Elle nous permet de dire qu’un corps est plus ou moins chaud qu’un autre. I-4. Echangeur de chaleur Lorsque deux corps sont en présence, la chaleur va toujours du corps le plus au corps plus froid, l’échange de chaleur ne cessant que lorsque les deux corps sont { la même température. I-5. Transmission de la chaleur La chaleur peut se transmettre d’un corps { un autre par trois modes de transmission différents : - Par conduction. La conduction thermique est la propagation de la chaleur, de molécule à molécule, dans un corps ou dans plusieurs corps contigus et non réfléchissants, sans qu’il y ait mouvement du milieu ou que ce mouvement intervienne dans la transmission. Ce mode de transmission caractérise essentiellement les transferts de chaleur dans les solides ou entre corps solides contigus. La conduction intervient également dans les liquides et les gaz mais, sauf dans le cas des liquides très visqueux ou des gaz emprisonnés dans des matériaux poreux, son effet est marginal par rapport à celui de la convection. - Par convection. La convection caractérise la propagation de la chaleur dans un fluide, gaz ou liquide, dont les molécules sont en mouvement. 5 Imaginons un solide baignant dans un fluide en mouvement. Si le solide et le fluide ne sont pas à la même température, de la chaleur est échangée entre le solide et les particules fluides qui sont à son contact. Cet échange se fait par conduction. Mais la particule de fluide, dès qu’elle a échangé de la chaleur, se déplace et est remplacée, au contact du solide, par une autre particule. Par ailleurs, la particule fluide initiale rencontre, au cours de son déplacement, d’autres particules fluides avec lesquelles elle échange de la chaleur par conduction. Le mécanisme élémentaire de transfert de chaleur est la conduction thermique mais le phénomène global, qui est la convection thermique, résulte de la combinaison de cette conduction avec les mouvements du fluide qui obéissent à des lois spécifiques. Deux types de convection sont généralement distingués :  la convection naturelle dans laquelle le mouvement résulte de la variation de la masse volumique du fluide avec la température ; cette variation crée un champ de forces gravitationnelles qui conditionne les déplacements des particules du fluide ;  la convection forcée dans laquelle le mouvement est provoqué par un procédé mécanique indépendant des phénomènes thermiques ; c’est donc un gradient de pression extérieur qui provoque les déplacements des particules du fluide. L’étude de la transmission de chaleur par convection est donc étroitement liée { celle de l’écoulement des fluides. - Par rayonnement. Dans la transmission de chaleur par rayonnement, le transfert thermique s’effectue par des vibrations électromagnétiques qui se propagent en ligne droite sans aucun support de matière. Le rayonnement thermique concerne les ondes électromagnétiques dont la longueur d’onde couvre le spectre ultraviolet et le spectre infrarouge (de 0,01 { 100 μm) en passant par le spectre visible (0,38 { 0,76 μm). Le rayonnement peut être décomposé en radiations monochromatiques qui concernent une longueur d’onde déterminée. Aux températures des applications industrielles, le rayonnement est surtout constitué par de l’infrarouge. Lorsqu’un flux d’énergie rayonnée rencontre un corps, une partie de l’énergie est absorbée, une partie est réfléchie, une partie continue son trajet après avoir traversé le corps. Si toute l’énergie incidente est absorbée, le corps est appelé corps noir ou radiateur intégral (NF X 02-206). 6 Si une partie de l’énergie est absorbée, mais que cette partie est constante quelle que soit la longueur d’onde de l’énergie incidente, on dit que l’on a affaire { un corps gris (dans le cas contraire, à un corps coloré). Si la proportion d’énergie absorbée est indépendante de l’angle d’incidence du rayonnement reçu, on dit que le corps est mat (dans le cas contraire, on dit qu’il est poli). Si aucune énergie ne traverse le corps, on dit que ce dernier est opaque (le contraire de transparent). I-6. Chaleur sensible et chaleur latente Un corps (ou une substance) peut recevoir ou fournir de la chaleur sous deux formes différentes :  Sous forme sensible : l’absorption de la chaleur sous cette forme se manifeste par une élévation de la température du corps récepteur ; si ce corps, au contraire fourni de la chaleur sa température s’abaisse. Absorption ou fourniture de chaleur ne provoquent pas de modification d’état physique du corps, et la variation de la température est fonction de la quantité de chaleur échangée et d’une caractéristique physique propre à chaque corps : sa chaleur massique.  Sous forme latente : l’absorption de la chaleur par un corps sous cette forme ou la fourniture de la chaleur par ce corps se caractérise par une constance de la température du corps et par son changement d’état physique. I-7. Chaleur massique d’un corps C’est la chaleur qu’il faut fournir { 1 kilogramme de ce corps pour élever sa température de 1°C, sans modifier son état physique. Par définition, la chaleur massique de l’eau est, { pression normale (1013 mbar), de 4185 joules par kilogramme et par degré Celsius à 15°C (4,185 kJ/ (kg.K)). I-8. Chaleur latente de solidification C’est la quantité de chaleur qu’il faut enlever de 1 kilogramme d’un corps pour le faire passer de l’état liquide { l’état solide sans abaisser sa température. I-9. Chaleur latente de vaporisation 7 C’est la quantité de chaleur qu’il faut fournir { 1 kilogramme d’un corps pour le faire passer de l’état liquide { l’état gazeux, sans élever sa température. Elle varie suivant la nature et la température du liquide. uploads/Industriel/ cours-de-production-de-froid-toko.pdf