-
-1-
Filires
Sciences de la Matire Physique
Corrig Travaux Pratiques de Physique
S5
Module
Energies Renouvelables Echanges Thermiques
Parcours Energtique et Matriaux
Anne Universitaire 2013/2014.
Prs : M. Chafik
Universit Ibn Tofail Facult des Sciences Dpartement de Physique
Knitra
-
-2-
N. B. : Ce ci est un doccument pour aider les tudiants prparer
la colle de TP. Il ne peut en aucun cas tre considr comme le corrig
des travaux pratiques des nergies renouvelables. Les valeurs quil
contient sont proches des mesures relles pour mettre ltudiant dans
une situation relle mais ce ne sont pas des valeurs correctes.
PANNEAU PHOTOTHERMIQUE
I/ Introduction : Lobjectif de cette manipulation est la
dtermination du rendement dun panneau photothermique.
II/ Principe de la manipulation et description du dispositif :
1. Principe :
Un capteur solaire absorbe une nergie rayonnante et chauffe
ainsi leau qui y circule. Si le capteur est plus chaud que
lenvironnement, il transmet de lnergie cet environnement par
rayonnement, convection et conduction de chaleur. Son rendement
dpend beaucoup de la nature de labsorbeur et de son systme
disolation.
2. Schma du sens de circulation de leau :
Au cours des expriences, on dtermine la quantit dnergie cde par
unit de temps daprs llvation de temprature de leau qui circule puis
on estime lnergie rayonnante absorbe par unit de temps daprs la
puissance de la lampe et la distance qui la spare de labsorbeur. S
= 42 cm x 30,5 cm. a = 0,7 e = 0,35. On estime que la puissance
incidente Pi que reoive la surface slective S est de 40% de la
puissance de la lampe si la distance lampe panneau est de 50 cm.
=> La puissance reue est : Sa Xi = 40*1000/100 = 400 W En une
seconde, la surface reoit lnergie : Ei = 400 J
-
-3-
Bilan nergtique La puissance extraite par la surface slective
est : Pextraite = Sa a Xi - Sa e (Ta4 - T04) - Sa H (Ta - T0)
Manipulation
Exemple si vous avez mesur : T0 = 14,8 C = 287,8 K Aprs 15
minutes la temprature Ta de leau du rservoir est Ta = 24,05 C =
297,05 K
Rpondre aux questions :
1- La puissance reue par le panneau est Sa Xi = 400 W 2- Pertes
radiatives : Sa e (Ta4 - T04)=42*30,5*10-4*0,35*5,67. 10-8
((297,05)4 - (287,8)4) = 2,35 W 3- la puissance extraite par le
panneau et lnergie correspondante. La puissance absorbe est : Sa a
X = 0,7 400 = 280 W => Pextraite = Sa a Xi - Sa e (Ta4 - T04)=
280 - 2,35 = 277,65 W Lnergie est donc Eextraite = Pextraite
*15*60=277,65/900 = 249885 J 4- Le rendement du panneau = Eextraite
/Ei
Ei = Sa Xi *15*60=360000 J = 249885/360000= 0.694 => = 69.4 %
Conclusion Un tel rendement ne peut tre obtenu que si la surface
est slective, ce qui est le cas ici (a = 0,7 ; e = 0,35) ce qui
fait que les pertes radiatives ne sont que de 2,35 W. Nous avons
nglig les pertes par conduction et convection difficile estimer
pour notre installation, mais dans tous les cas le rendement ne
peut pas tre infrieur 50 %. Pour une surface non slective les
pertes par rayonnement seront du mme ordre de grandeur que la
puissance absorbe et le rendement sera trs faible.
-
-4-
tude dune cellule Photovoltaque I/ Introduction Lobjectif de ce
TP est dtudier une cellule solaire : Tracer ses caractristiques et
dterminer les coordonnes optimales de fonctionnement. III/
Manipulation On ralise le montage suivant :
Distance cellule - lampe = 8 cm Dimensions de la cellule :
Longueur 2a = 8.5 cm ; largeur 2b = 5 cm. 1- A vide (tension
lobscurit RC = ) la tension mesure est U0 = .. 2- Pour chaque
valeur de RC, relever la tension et le courant. 3- Tableau de
mesure : --------------------------- 4- I = f (U).
6- Puissance lectrique Pe que fournit la cellule. Tableau de
mesures : - -- - - - - - - - 7- Les variations de Pe = f(U).
A
V R
I Lampe lumineuse
P = 40 W
Cellule
-
-5-
8- Daprs la courbe Pf = . mW = .. 10-3 W => If = .. mA et Vf
= .. V Sur la courbe de la caractristique ce point correspond peu
prs au milieu du coude. 9- Calcul de la puissance incidente Il
suffit deffectuer la rgle de trois : A 4 Srd correspond une
puissance de 40 W A 0,1 Srd correspond : 40*0,1 /4 = 1 W => Pi =
1 W
10- Le rendement de la cellule tant = Pe/Pi = . %
= 0.1 Srd
Ampoule 40 W
Cellule
-
-6-
ETUDE DE LA POMPE A CHALEUR
I/ Introduction : Dans ce TP, nous nous proposons dtudier le
fonctionnement dune machine thermique
en dterminant son efficacit dans le cas o elle fonctionne comme
pompe chaleur ou dans le cas o elle fonctionne comme machine
frigorifique.
II/ Principe de la manipulation et description du dispositif :
3. Schma du sens de circulation du fluide frigorigne :
4. Description du cycle
Le fluide caloporteur sort l'tat gazeux du serpentin de
l'vaporateur E (pression PE et temprature TF de la source froide).
Il passe alors dans le compresseur qui le comprime la pression PC.
Cette compression est isentropique (adiabatique) : le gaz schauffe.
Quand le gaz arrive dans le serpentin du condenseur, il se
refroidit jusqu' la temprature TC de la source chaude et se liqufie
sous la pression PC. Il passe alors dans une vanne de dtente qui le
ramne la pression PE. La dtente est isenthalpique.
-
-7-
A l'arrive dans le serpentin de l'vaporateur E, le fluide se
vaporise sous la pression PE et la temprature TF de la source
froide. Bilan nergtique Le fluide : reoit le travail W du
compresseur ; cde la source chaude la chaleur QC dans le condenseur
o il se liqufie (QC < 0); reoit de la source froide la chaleur
QF dans l'vaporateur pour se vaporiser (QF > 0). 4-1. Pompe
chaleur
FC
C
FC
CCc QQ
QQQ
QWQ
e +===
En fonction des tempratures des sources, FC
Cc TT
Te =
4-2. Machine frigorifique
FC
F
FC
FFf QQ
QQQ
QWQe +
==+=
En fonction des tempratures des sources, FC
Ff TT
Te =
N.B. : lcart de temprature (TC TF) est un paramtre trs important
pour ltude de lefficacit.
Machine frigorifique
Source chaude
Source froide QC < 0 QF > 0
W > 0
Schma dune pompe chaleur Pompe chaleur
Pompe chaleur
Source chaude
Source froide QC < 0 QF > 0
W > 0
Schma dune pompe chaleur Pompe chaleur
-
-8-
III/ Manipulation 1. Mode opratoire :
- Avant la mise en marche de la machine, relever les tempratures
des deux rservoirs : elles doivent tre sensiblement gales. - Mettre
en marche la pompe chaleur et dclencher le chronomtre. Le
compresseur commence fonctionner. Durant la manipulation des
agitateurs permettent de bien agiter leau dans les deux rservoirs
sans perturber les mesures de tempratures. - Pendant la mise en
fonctionnement nous relevons toutes les 2 minutes : La temprature
TF de l'eau de la source froide o se trouve le serpentin
"vaporateur" ; La pression PF du tube froid o se trouve le
serpentin "vaporateur" ; La temprature TC de l'eau de la source
chaude o se trouve le serpentin "condenseur" ; La pression PC du
tube chaud o se trouve le serpentin " condenseur " ; L'nergie
lectrique Ee et la puissance Pe consommes par le compresseur. - Au
bout de 16 min, on arrte le fonctionnement de la pompe chaleur. -
On obtient Tableau de mesures : - - - - - - - - - - - - - TF = f(t)
et TC = f(t).
- Que constate : Nous pouvons remarquer une dissymtrie entre les
2 courbes de temprature. La source froide refroidissant moins que
la source chaude ne chauffe. Il y a donc un apport de chaleur au
niveau de la source chaude ne provenant pas de la source froide.
Lapport de chaleur se fait travers le compresseur.
2. tude de lefficacit eC de la pompe chaleur
A- Pompe chaleur a- Calcul de l'efficacit relle ec
t
TPCm
)t(e Ce
eaueauc
= b- Calcul pratique
-
-9-
- On dterminer chaque instant (toutes les 2 minutes) le rapport
t
Tc
qui est la pente de la
tangente la courbe Tc(t) en diffrentes valeurs de t. On rsume
les rsultats dans le tableau : - - - - - - - - - - - - - - -
t (s) Tc-Tf (K) Pe (Watt) Pentec ec . . .
meau = 2 kg (chaque source contient 2 litres deau). Ceau = 4180
J.kg-1K-1 - Courbe ec = f (TC - TF).
- Conclusion Une pompe chaleur apporte plus dnergie quelle
consomme ; son efficacit doit tre suprieure 1. Or dans le tableau,
ec est plus grande que 1 jusqu t = ---- mn. Aprs, les tempratures
tendent vers une stabilisation (restent constantes) et lefficacit
chute. La pompe consomme au lieu de produire. c- Comparaison de
l'efficacit relle ec avec l'efficacit idale ec
FC
Ccrev TT
Te =
Tf (K) Tc ( K ) Tc-Tf (K) ecrev . . . .
- ecrev = f(TC - TF)
-
-10-
- Conclure. Ainsi lcart entre lefficacit dune pompe chaleur
rversible et lefficacit exprimentale est trs grand. Donc la pompe
ne fonctionne pas rversiblement B- Machine frigorifique a- Calcul
de l'efficacit relle ef
t
TPCm)t(e fe
eaueauf
= b- Calcul pratique - On regroupe les rsultats dans le tableau
:
t (s) Tf (K) Tc ( K ) Tc-Tf (K) Pe (Watt) Pentef | ef | . .
.
- Courbe ef = f (TC - TF).
-
-11-
- Conclure. En machine frigorifique lefficacit est plus grande
que 1 sauf aprs un temps suffisant o lon tend vers un quilibre
thermique. Tf varie peut. La pompe produit lnergie pour refroidir
la source froide avec une bonne efficacit. Remarque : on peut
calculer lefficacit rversible et la tracer. On vrifiera alors le
fait que la machine frigorifique fonctionne de faon irrversible.
Conclusion Gnrale 1- Lefficacit est un rendement sauf quelle est
suprieure 1, pourquoi ? En pourcentage sa valeur serait suprieure
100 %. Ce ci veut dire quavec une machine frigorifique qui a une
efficacit de 200%, nous allons produire une chaleur suprieure
lnergie consomme. La machine serait 200 fois plus efficace pour
chauffer ou refroidir un lieu que de le faire directement en
fournissant lnergie lectrique. - Trac dans le diagramme de
Clapeyron :
t (s) Tf (K) Tc ( K ) Pf (bar) Pc (bar) Pe (Watt) . . .
N. B. : 1 bar = 105 Pa = 1atm Le tableau montre que la pression
(Pc) avant le dtendeur est bien suprieure la pression (Pf) aprs
celui-ci. Donc le fluide subit une dtente => son volume
augmente. Schma explicatif :
T, Pf
Tf, Pf
Isobare, Pf
T, Pf Tc > T
Adiabatique Tc, Pc
T < Tc, Pc
Isobare, Pc
Adiabatique
T, Pc
Tf, Pf
Compresseur
Dtendeur
Source froide
Source chaude
-
-12-
T et T sont respectivement les tempratures des tubes entre la
source froide et le compresseur et entre la source chaude et le
dtendeur. Le cycle contient deux isobares (transformations au
niveau des sources) et deux adiabatiques (transformations au niveau
du compresseur et du dtendeur). Dans le diagramme de Clapeyron le
cycle sera donc :
La transformation 1 : Au niveau de la source chaude (Pc, Vc1,
Tc) ------> (Pc, Vc2, T) La transformation 2 : Au niveau du
dtendeur (Pc, Vc2, T) ------> (Pf, Vf1, Tf) La transformation 3
: Au niveau de la source froide (Pf, Vf1, Tf) ------> (Pf, Vf2,
T) La transformation 4 : Au niveau du compresseur (Pf, Vf2, T)
------> (Pc, Vc1, Tc) Remarques importantes : 1- Si la
temprature baisse au niveau de la source chaude cest que le volume
a diminu puisque la pression reste constante. Cest une compression
isobare. Le fluide entre ltat gazeux et sort ltat liquide. 2- Dans
le dtendeur le volume passe de Vc2 Vf1 > Vc2. Cest une dtente
adiabatique. Le fluide devient est toujours liquide la sortie du
dtendeur. 3- Si le volume augmente au niveau de la source froide
cest que la temprature a augment puisque la pression reste
constante. => T > TF. Cest aussi une compression isobare. Le
fluide entre ltat liquide et sort ltat gazeux. 4- Dans le
compresseur le gaz est comprim. Cest une compression adiabatique.
el sort toujours gazeux pour entre la source chaude et faire
nouveau un autre tour. => Pendant un tour le fluide, est un gaz
entre la sortie de la source froide et lentre de la source chaude
et un liquide ailleurs.