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TP N°3: LA POMPE A CHALEUR Compte-rendu 2015-2016 JEBALI HATEM –HAMDI HATEM-NAFTI HOUCINE-OUNISI BORHEN Iset Rades
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Compte rendu n°3(pompe a chaleur)

Apr 12, 2017

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Hatem Jebali
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Page 1: Compte rendu n°3(pompe a chaleur)

TP N°3: LA POMPE A CHALEUR Compte-rendu

2015-2016 JEBALI HATEM –HAMDI HATEM-NAFTI HOUCINE-OUNISI BORHEN

Iset Rades

Page 2: Compte rendu n°3(pompe a chaleur)

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Table des Matiéres Introduction : ........................................................................................................................................... 2

DESCRIPTION DU DISPOSITIF EXPÉRIMENTAL : ....................................................................................... 2

Légende : ................................................................................................................................................. 2

Exemple réel : .......................................................................................................................................... 3

ÉTUDE D'UNE POMPE A CHALEUR : ........................................................................................................ 3

1. FONCTIONNEMENT THÉORIQUE ..................................................................................................... 3

1.1. Schéma de principe ...................................................................................................................... 4

1.2. Description du cycle ..................................................................................................................... 4

Manipulation ........................................................................................................................................... 4

.tableau des deux températures et les deux pressions mesurées : ................................................ 4

Courbe ................................................................................................................................................. 5

Calcule de ɛ ...................................................................................................................................... 5

RECHERCHE ............................................................................................................................................. 6

-qu’est-ce-que une Pompe à Chaleur ? .............................................................................................. 6

-« Le BOOM commercial » : ................................................................................................................ 6

Types de pompes à chaleur : .............................................................................................................. 7

Les principaux types de PAC ............................................................................................................... 8

Principe de fonctionnement d'une pompe à chaleur ........................................................................ 9

Quelques références et caractéristiques des pompes à chaleurs ..................................................... 9

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Introduction : Une pompe à chaleur est une machine thermique à deux sources fonctionnant en cycle

inverse. Etant donné une source chaude à la température T1 et une source froide à la

températureT2 (T2 < T1), on fait décrire à un fluide frigorigène (fréon R-134a) un cycle

fermé au cours duquel il soutire à la source froide une quantité de chaleur Q2 puis cède

à la source chaude une quantité de chaleur Q1. Le but de ce TP est d’étudier les

performances d’une pompe à chaleur, de déterminer les quantités de chaleur et de froid

produites et de déduire le rendement thermodynamique de ce système.

DESCRIPTION DU DISPOSITIF EXPÉRIMENTAL :

Légende : 1. Compresseur.

2. Support pivotant du réservoir rouge d'eau de la source chaude.

3. Condenseur.

4. Épurateur : Filtre le fréon liquide des bulles de gaz qu'il contient.

5. Détendeur.

6. Capteur de température du détendeur avec isolation thermique.

7. Évaporateur.

8. Support pivotant du réservoir bleu d'eau de la source froide.

9. Serpentin qui empêche la transmission des vibrations du compresseur à l'ensemble du montage.

10. Pressostat : Arrête le compresseur quand la pression côté condenseur dépasse 16 bars.

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11. Capteurs de température au niveau des tuyaux en cuivre du circuit.

12. Manomètre côté basse pression. Graduation intérieure pour la mesure des pressions (relatives)

de - 1 à +10 bars. Graduation extérieure de -60 à +45°C avec température du point de rosée du fréon

R12 (les deux graduations centrales sont des échelles prévues pour d'autres fluides).

13. Manomètre côté haute pression. Graduation intérieure pour la mesure des pressions (relatives)

de - 1 à +30 bars. Graduation extérieure de -70 à +95°C avec température du point de rosée du fréon

R12 (les deux graduations centrales sont des échelles prévues pour d'autres fluides).

Exemple réel :

ÉTUDE D'UNE POMPE A CHALEUR :

1. FONCTIONNEMENT THÉORIQUE Une pompe à chaleur est une machine thermique dans laquelle le fluide qui subit une transformation

cyclique est du fréon R12 (CF2Cl2).

Page 5: Compte rendu n°3(pompe a chaleur)

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1.1. Schéma de principe

1.2. Description du cycle

Le fluide caloporteur sort à l'état gazeux du serpentin de l'évaporateur E (pression Pd et

température Tf de la source froide) (6).

Il passe alors dans le compresseur (1) qui le comprime à la pression pc. Cette compression

rapide est isentropique (adiabatique) : le fréon gazeux s’échauffe (2).

Quand le fréon gazeux arrive dans le serpentin du condenseur C, il se refroidit jusqu'à la

température TC de la source chaude et se liquéfie sous la pression Pc(3).

Il passe alors dans une vanne de détente (capillaire) (4) qui le ramène à la pression Pd (5). La

détente est isenthalpique.

A l'arrivée dans le serpentin de l'évaporateur E, le fluide se vaporise sous la pression Pd et à

la température TF de la source froide (6).

Manipulation .tableau des deux températures et les deux pressions mesurées :

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

𝑃1(bar) 1.4 1.2 1.4 1.6 1.8 1.9 2 2.1 2.2 2.3 2.38

𝑇1(°c) 16.4 16.5 16.5 16.5 16.6 16.5 16.5 16.5 16.5 16.5 16.5

𝑃2(bar) 1 3.2 3.29 4.3 4.4 4.8 4.9 5 5 5.01 5.02

𝑇2(°c) 17.7 17.8 17.9 18.2 18.8 19.8 20.4 21.1 22 22.3 23.8

Page 6: Compte rendu n°3(pompe a chaleur)

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Courbe

Calcule de ɛ

On a ɛ=𝑚∗𝑐∗𝛥𝑇2

𝑃∗𝛥𝑇

AN : ɛ=4∗4,185∗(25−17,7)

(98,27−99,17)∗3600= 0.34<1, avec ɛ sans unité.

0

5

10

15

20

25

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60

tem

pér

atu

r/p

ress

ion

Temps en mn

Evolution de T /P

P1 T1 P2 T2

Page 7: Compte rendu n°3(pompe a chaleur)

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RECHERCHE -qu’est-ce-que une Pompe à Chaleur ?

Une pompe à chaleur (PAC) est une machine dont le but est de valoriser la chaleur gratuite

présente dans l’environnement : celle présente dans l’air extérieur, les rivières, le sol. En effet,

tout corps, même "froid" contient une quantité importante d’énergie qui peut être récupérée.

Pratiquement, grâce à un fluide décrivant un cycle thermodynamique, la pompe à chaleur retire

de la chaleur à une source dite "froide" et la rejette dans une source dite "chaude". Ce transfert

fait appel à un processus forcé, puisque chacun sait que la chaleur se déplace de façon naturelle

d'une zone chaude vers une zone froide. C'est pourquoi, la PAC doit être entraînée par un

compresseur qui lui amènera l'énergie nécessaire à son fonctionnement.

Il est important de préciser que l'on parle ici d'appareils réalisant un transfert, et non une création

de chaleur. L'objectif visé- le coefficient de performance - se situe autour de 3 unités de chaleur

fournies à la source chaude par unité injectée au compresseur. Cela signifie que pour un kWh

consommé et payé, on en reçoit 3 gratuitement

Mais la PAC est un producteur de chaleur "dynamique" : contrairement à une chaudière, une

PAC voit ses performances varier selon les conditions d'utilisation. Elle aura ainsi de très bonnes

performances de chauffage ... en été alors que ce n'est pas en cette période que le besoin de

chauffage est présent ! La tâche la plus difficile pour le projeteur, consiste à prendre en

considération ce comportement dynamique et à équiper l'installation de telle manière que les

conditions limites de fonctionnement ne soient pas dépassées.

-« Le BOOM commercial » :

Il s'agit d'une technologie qui bénéficie d'un fort regain d'intérêt ces dernières années après un

premier boom (et une déception...) lors de la crise pétrolière des années 70. Le marché est en

pleine expansion :

Page 8: Compte rendu n°3(pompe a chaleur)

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Types de pompes à chaleur :

Les pompes à chaleur sont désignées en fonction des fluides caloporteurs dans

lesquels baignent les échangeurs de chaleur de l'évaporateur et du condenseur. Attention, il

s'agit bien du fluide caloporteur au niveau de l'évaporateur et du condenseur et qui n'est pas

toujours équivalent au type de source chaude ou froide (l'air, l'eau ou le sol). En effet, on peut

trouver intercalé, entre le condenseur et la source chaude, ou entre l'évaporateur et la source

froide, un circuit intermédiaire. Prenons à titre d'exemple, les PAC Saumure/eau. On trouve du

côté évaporateur de l'eau glycolée, eau glycolée dans un circuit qui parcourt ensuite le sol afin

d'en extraire la chaleur. Du coté condenseur, on trouve un circuit d'eau qui, par exemple,

alimente un circuit de chauffage par le sol pour se décharger de son énergie.

Page 9: Compte rendu n°3(pompe a chaleur)

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Les principaux types de PAC

Désignation Évaporateur Condenseur

Boucle

intermédiaire :

source

froide/évaporateur

Boucle

intermédiaire :

condenseur/source

chaude

PAC Eau/

Eau Eau Eau Non Oui

PAC Air/

Eau Air Eau Non Oui

PAC

Saumure/

Eau

Saumure Eau Oui Oui

PAC Air/ Air Air Air Non Non

PAC

Sol/Sol Sol Sol Non Non

Exemple de désignation abrégée :

Type : Eau/ Eau

Température entrée évaporateur : 10 °C

Température sortie condenseur : 45 °C

Désignation abrégée : W10/W45

L'expression W10/W45 signifie que la source froide est une eau à 10 °C et

la source chaude une eau à 45 °C. C'est sous cette forme que les

fournisseurs désignent leurs produits. Une source de chaleur telle une

nappe phréatique ou une eau de surface sera désignée par "eau", l'air

atmosphérique ou des rejets gazeux par "air", un mélange eau-glycol qui

circule dans le circuit fermé entre une source de chaleur et l'évaporateur

par "saumure". De ce fait, les pompes à chaleur puisant l'énergie du sol

seront parfois désignées sous le terme de "saumure".

Les systèmes les plus répandus sont les systèmes Air/Eau puis Saumure/Eau dont la source de

chaleur est souterraine. Les pompes à chaleur Eau/Eau sont souvent soumises à autorisation et

sont donc moins courantes en Belgique.

Page 10: Compte rendu n°3(pompe a chaleur)

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Principe de fonctionnement d'une pompe à chaleur

Le principe de fonctionnement est le même que celui de la machine frigorifique mais l'application

travaille en sens inverse.

Cette fois, l'objectif consiste à extraire la chaleur gratuite d'un milieu extérieur : l'eau d'une rivière,

l'air extérieur, l'eau d'une nappe souterraine, ... (On parle de "source froide"). Physiquement, l'air

extérieur à 0 °C contient beaucoup d'énergie puisque sur l'échelle des températures absolues,

l'air se situe en réalité à 273 K !

Schéma du principe de fonctionnement d'une pompe à chaleur.

L'évaporateur est à l'extérieur et la température du fluide frigorigène sera environ 5 à 8 °C

inférieure à la température de la source froide. L'énergie thermique captée sera "remontée" à un

niveau de température utilisable (pour le chauffage d'une maison, par exemple) via le

compresseur : le condenseur est donc à l'intérieur.

Bien sûr, on choisira un émetteur de chaleur à une température la plus basse possible (par

exemple, chauffage à air chaud, chauffage à eau chaude par serpentin dans le sol, ...). L'écart de

température entre l'entrée et la sortie du compresseur doit être en effet le plus faible possible

pour limiter le travail du compresseur.

Exemple.

Refroidir l'eau d'une rivière initialement à 10 °C pour assurer le chauffage

d'une habitation par de l'air à 35 °C. Le fluide frigorigène passera à 6 °C

dans la rivière et à 40 °C dans l'échangeur de chauffage de l'air du

bâtiment.

Quelques références et caractéristiques des pompes à chaleurs

Page 11: Compte rendu n°3(pompe a chaleur)

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Contenu didactique / Essais - bases d'un circuit frigorifique à compression - composants

principaux d'une installation frigorifique * compresseur, évaporateur, condenseur, élément

d'expansion - rapport entre pression et point d'ébullition d'un liquide - fonction d'une

installation frigorifique/pompe à chaleur - développer une compréhension de base du cycle

thermodynamique - bilan énergétique simple Les grandes lignes * Introduction au génie

frigorifique1 * Modèle d'une installation frigorifique à compression/pompe à chaleur1 *

Refroidissement et réchauffement des échangeurs thermiques directement tangible.

Caractéristiques techniques Compresseur - puissance absorbée: 104W à 5/40°C - puissance

frigorifique: 278W à 5/40°C - cylindrée: 2,72cm³ Manomètre avec échelle de température

pour R134a - côté aspiration (basse pression) pression: -1...12,5bar température: -50...40°C -

côté pression (haute pression) pression: -1...25bar température: -40...80°C Thermomètre: 2x

-10...50°C Réservoir: 4x 1700mL

Dimensions et poids Lxlxh: 750x360x690mm Poids: env. 30kg

Nécessaire au fonctionnement 230V, 50/60Hz, 1 phase ou 120V, 60Hz/CSA, 1 phase

Page 12: Compte rendu n°3(pompe a chaleur)

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Contenu didactique / Essais - structure et fonction d'une pompe à chaleur air-eau -

représentation du cycle thermodynamique sur le diagramme log p,h - bilans énergétiques -

détermination des grandeurs caractéristiques importantes * rapport de pression du

compresseur * coefficient de performance idéal * coefficient de performance réel -

dépendance du coefficient de performance réel de la différence de température (air-eau) -

comportement en service sous charge Les grandes lignes * Utilisation de la chaleur ambiante

pour un réchauffement d'eau1 * Affichage de toutes les valeurs pertinentes sur le lieu de la

mesure

Caractéristiques techniques Compresseur - puissance: 372W à 7,2/32°C Echangeur de

chaleur à serpentin (condenseur) - contenu agent réfrigérant: 0,55L - contenu eau: 0,3L

Evaporateur à tubes à ailettes - surface de transfert: env. 0,175m² Pompe - débit de

refoulement max.: 1,9m³/h - hauteur de refoulement max.: 1,4m Volume du réservoir d'eau

chaude: env. 4,5L Plages de mesure - pression: 2x -1...15bar - température: 4x 0...100°C, 2x -

100...100°C - puissance: 1x 0...6000W - débit (eau): 1x 0...108L/h - débit (eau de

refroidissement): 1x 10...160L/h

Dimensions et poids Lxlxh: 1620x790x1910mm Poids: env. 192kg

Nécessaire au fonctionnement 230V, 50/60Hz, 1 phase ou 120V, 60Hz, 1 phase Raccord

d'eau, drain

(Les exemples sont prisent de http://www.systemes-didactiques.fr)