République Algérienne Démocratique et Populaire Ministère de l’Enseignement Sup
République Algérienne Démocratique et Populaire Ministère de l’Enseignement Supérieur et de la Recherche Scientifique Université Abderrahmane Mira-Bejaia Faculté de Technologie Département de Génie Mécanique Polycopié de cours Machines Frigorifiques et Pompes à Chaleur Pour les étudiants : Licence Génie Mécanique Option : Energétique Par M. MENDIL Fatsah Docteur en Génie Mécanique Laboratoire Mécanique, Matériaux et Energétique Département de Génie Mécanique- Faculté de Technologie Université A. MIRA de Bejaia fatsah.mendil@univ-bejaia.dz Machines frigorifiques et pompes à chaleur 1. Principe d’une machine frigorifique et d’une pompe à chaleur Une machine frigorifique (ou une pompe à chaleur) est un système thermodynamique susceptible de transférer de la chaleur d’un milieu à température inférieure où la chaleur est prélevée (source froide) vers un milieu à température supérieure où la chaleur est rejetée (source chaude). Principe d’une machine frigorifique et d’une pompe à chaleur 1.2 Coefficient de performance Pour caractériser l’efficacité d’une machine frigorifique ou d’une pompe à chaleur, on considère, respectivement : — le coefficient de performance frigorifique : COP = froid produit à la source froide énergie apportée au système — le coefficient de performance calorifique : COP ୡ= chaleur évacuée à la source chaud énergie apportée au système Energie Energie Machine frigorifique Pompe à chaleur Source chaude (Tc) Source froide (Tf) Source chaude (Tc) Source froide (Tf) Effet utile (Qf) Effet utile (Qc) 1.3 Machine consommant de l’énergie mécanique L’objectif d’un réfrigérateur est d’évacuer à une température froide Tf une quantité de chaleur Qf. Cette opération nécessite la fourniture d’un travail W à un fluide évoluant suivant un cycle ditherme au cours duquel la charge thermique Qf est évacuée à Tfet une quantité de chaleur : Qc est rejetée à une source chaude (Tc>Tf). Le coefficient de performance frigorifique COPF : COP = Q Wୡ୷ୡ୪ୣ = −1 (QୡQ ⁄ ) + 1 Le coefficient de performance calorifique COPC: COP େ= −Qୡ Wୡ୷ୡ୪ୣ = 1 1 + (QQୡ ⁄ ) On vérifie aisément que : COPC = COPF+ 1. Le coefficient de performance calorifique d’une pompe à chaleur est toujours supérieur à 1. Une machine frigorifique (ou une pompe à chaleur) ditherme réversible, donc thermodynamiquement idéale, doit satisfaire à la relation de Clausius : ∆S = Q T + Qୡ Tୡ = 0 ⇒Qୡ Q = −Tୡ T Dans ce cas, les coefficients de performance frigorifique et calorifique de ces systèmes idéaux deviennent : COP = 1 TୡT ⁄ −1 = T Tୡ−T COP େ= 1 1 −(TTୡ ⁄ ) = Tୡ Tୡ−T On remarque que les coefficients de performance des systèmes idéaux croissent très vite lorsque la température de la source froide et celle de la source chaude se rapprochent l’une de l’autre. 1.4 Machine consommant de l’énergie thermique (Systèmes au moins tri-thermes) D’après le premier principe de la thermodynamique, on a : Wୡ୷ୡ୪ୣ+ Qୡ୷ୡ୪ୣ= 0 ⇒Qୡ+ Q+ Q= 0 ∆S = Qୡ Tୡ + Q T + Q T = 0 ⇒Qୡ Tୡ + Q T −Qୡ T −Q T = 0 ⇒Qୡ Q = TୡT−TେT୫ TT−TୡT Le coefficient de performance frigorifique COPF de ce système est : COP = Q Q = −Q Qୡ+ Q = −1 (QୡQ ⁄ ) + 1 = T Tୡ−T T−Tୡ T Le coefficient de performance calorifique COPC COP େ= −Qୡ Q = Qୡ Qୡ+ Q = 1 1 + (QQୡ ⁄ ) = Tୡ Tୡ−T T−T T Machine Frigorifique Ou Pompe à chaleur Qc (Tc) Qf (Tf) QM(TM) 2. Machine frigorifique à compression mécanique de vapeur 2.1 Machine frigorifique mono-étagée 2.1.1 Constitution d’une telle machine Elle comporte : 1. Un évaporateur, dans lequel le fluide frigorigène se vaporise grâce à la chaleur qu’il prélève à la source froide. La vaporisation peut être totale (vapeurs saturées) ou partielle : on trouve alors un mélange liquide/vapeur en sortie d’évaporateur. 2. Une canalisation d’aspiration permettant le transfert des vapeurs formées dans l’évaporateur vers l’aspiration du compresseur. 3. Un compresseur qui aspire les vapeurs générées dans l’évaporateur sous la pression d’évaporation P0, et les comprime jusqu’à la haute pression du circuit frigorifique (pression de condensation Pk) 4. Une canalisation de refoulement qui achemine les vapeurs comprimées vers le condenseur. 5. Un condenseur dans lequel le frigorigène rejette de la chaleur vers le milieu environnant en se condensant. 6. Une canalisation de liquide (4-5) permettant d’amener le liquide du condenseur vers le détendeur. Détendeur Compresseur Condenseur Évaporateur 7. Un détendeur permettant de ramener le fluide frigorigène à la température T0. Le frigorigène y subit la détente de Pk à P0. 8. Une tuyauterie reliant le détendeur et l’évaporateur : dans la pratique, cette tuyauterie est la plus courte possible, et elle est donc négligée. 2.1.2. Machine à compression de vapeur mono-étagée idéale Le cycle de référence obéit aux hypothèses suivantes: Cycle ditherme: le fluide n’échange de la chaleur qu’avec les sources froide et chaude, respectivement aux températures Tf et Tc; Absence de phénomènes dissipatifs durant l’écoulement du fluide frigorigène (pas de pertes de charges). Le compresseur de référence est à la fois : o réversible : pas de production interne d’entropie, donc pas de dégradation d’énergie mécanique en chaleur ; o adiabatique : pas d’échange de chaleur, ni avec l’ambiance, ni avec le fluide frigorigène. 2.2. Machine réelle à compression de vapeur Dans la réalité, une machine à compression mécanique de vapeurs n’obéit pas aux hypothèses du cycle de référence : Détendeur Compresseur Condenseur 6 2 3 5 1 4 Évaporateur Au cours du cycle le frigorigène subit les transformations suivantes : -Entre les points 1 et 2, la vapeur de frigorigène est comprimée de P0 à Pk. Dans un compresseur réel, on atteint un point final2r, généralement situé à droite du point 2s. L’entropie est plus grande, l’enthalpie plus importante et la température plus élevée. -Entre les points 2 et 3, la vapeur de frigorigène est désurchauffée de T2 à TK, puis condensée à la température constante TK , enfin le liquide formé est sous-refroidi de Tk à T3. - Entre les points 3 et 4, le liquide frigorigène se déplace dans la conduite de liquide ; sa température continue, généralement, à s’abaisser, de T3 à T4 ; son sous-refroidissement augmente. - Entre les points 4 et 5, le liquide frigorigène se détend dans le régleur de Pk à P0. L’enthalpie du frigorigène reste constante, la détente est isenthalpique. Le liquide devant nécessairement se refroidir de T4 à T0, une partie de sa masse se vaporise. Après la détente, le titre en vapeur du mélange liquide-vapeur est x5. -Entre les points 5 et 6, le frigorigène se vaporise, sous la pression P0, à la température T0, en produisant le froid utile dans l’évaporateur. La vapeur se surchauffe ensuite légèrement de T0 à T6, toujours sous la pression constante P0. - Entre les points 6 et 1, le frigorigène se réchauffe, dans la conduite d’aspiration, de T6 à T1, toujours sous la pression P0. 2.2.1. Détermination des caractéristiques principales d’une machine frigorifique 1- Production frigorifique à l’évaporateur Q= h−hହ 2- Débit masse de fluide que doit déplacer la machine pour fournir la puissance frigorifique Q ̇ m ̇ = Q ̇ Q = Q ̇ h−hହ 3- Débit volume que doit déplacer réellement le compresseur pour fournir la puissance frigorifique Q ̇ v̇ଵ= m ̇ vଵ= Q ̇ h−hହ vଵ Ou v1 est le volume massique du fluide à l’entrée du compresseur η୴= v̇ 1 v̇ th ⇒v̇ 1 = η୴v̇ th 4- Energie mécanique absorbée par le compresseur réel Wୡ= hଶ୰−hଵ= hଶୱ−hଵ ηୱ 5- La puissance mécanique absorbée par le compresseur de la machine frigorifique pour produire la puissance frigorifique Q ̇ W ̇ ୡ= m ̇ h2s −h1 ηs = Q ̇ h−hହ h2s −h1 ηs 6- Le coefficient de performance de la machine COP = Q ̇ W ̇ ୡ = hଵ−hସ hଶ−hଵ 3. Installation frigorifique à plusieurs postes de froid Lorsque l’installation frigorifique délivre du froid à plusieurs niveaux de température, il est intéressant de centraliser le groupe de condensation pour améliorer le coefficient de performance global. Dans ces installations, la température la plus basse est obtenue à partir de la basse pression et les postes à température plus élevée sont équipés d’un régulateur de pression d’évaporation. 3.1. installation frigorifique à deux évaporateurs avec détendeur individuel La figure ci-dessous présente un cycle frigorifique à compression de vapeur utilisant deux évaporateurs à deux niveaux de températures et un seul compresseur. Ce système utilise également deux détendeurs et un régulateur de pression. Ce dernier permet de ramener la pression d’évaporateur 2 à la pression d'aspiration de compresseur et de maintenir également la pression exigée dans le l’évaporateur 2. Machine frigorifique à deux évaporateurs avec détendeur individuel Le coefficient de performance frigorifique de la machine COP = Q ̇ ଵ+ Q ̇ ଶ W ̇ ୡ = m ̇ ଵ(h−hହ) + m ̇ ଶ(h−hସ) (m ̇ ଵ+ m ̇ ଶ)(hଶ−hଵ) Où ݉1 et ݉2 désignent les débits massiques traversant l’évaporateur 1 et 2 D1 Compresseur Condenseur 6 2 3 7 1 4 Évaporateur 2 Évaporateur 1 5 D2 D3 uploads/Industriel/ cours-mfpc.pdf
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- Publié le Nov 25, 2021
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