1 Auteurs : Me Batrice JOURDONProfesseur de Gnie Electrique M Abdoulaye NDIAYEProfesseur de Physique Applique au Lyce Paul LANGEVIN de MARTIGUES (Bouches du Rhne) 2 SOMMAIRE : 1THEORIE DE FONCTIONNEMENT ...................................................... 6 1.1Rappels de thermodynamique .......................................................... 6 1.1.1Notions fondamentales ................................................................................................................ 6 1.1.1.1Systme thermodynamique .................................................................................................... 6 1.1.1.2Variables et quations dtats .............................................................................................. 7 1.1.1.3Evolution dun systme ............................................................................................................ 8 1.1.1.4Gaz parfaits / Gaz rels ......................................................................................................... 8 1.1.2nergie, travail et chaleur .......................................................................................................... 9 1.1.2.1nergie ......................................................................................................................................... 9 1.1.2.2Travail .......................................................................................................................................... 9 1.1.2.3Chaleur ....................................................................................................................................... 10 1.1.3Le premier principe ..................................................................................................................... 10 1.1.4Lenthalpie....................................................................................................................................... 11 1.1.5Le second principe ........................................................................................................................ 11 1.1.6Thermodynamique des systmes ouverts ............................................................................ 13 1.1.6.1Premier et second principes pour un systme ouvert ................................................. 13 1.1.6.2Application la dtente de JOULE-KELVIN ................................................................. 14 1.1.6.3Application au compresseur piston ................................................................................ 15 1.1.7Quelques proprits des corps purs ..................................................................................... 16 1.1.7.1Les diffrents tats dun corps pur ................................................................................. 16 1.1.7.2Diagramme dquilibre dun corps pur ............................................................................... 17 1.1.7.3Chaleur latente ou enthalpie de transition de phase ................................................... 18 1.1.7.4Formule de Clapeyron ............................................................................................................ 19 1.1.7.5Application lquilibre liquide - gaz dun gaz rel ...................................................... 20 1.1.7.6Les diagrammes thermodynamiques ................................................................................. 22 1.1.7.6.1Gnralits ........................................................................................................................ 22 1.1.7.6.2Le diagramme entropique ............................................................................................. 22 1.1.7.6.3Le diagramme enthalpique ............................................................................................ 23 1.2Principe de fonctionnement de la Pompe Chaleur (PAC) .......................... 24 1.2.1Les machines thermiques ......................................................................................................... 24 1.2.1.1Gnralits et classification .............................................................................................. 24 1.2.1.2Les machines gnratrices dnergie thermique .......................................................... 24 1.2.1.2.1Gnralits ........................................................................................................................ 24 1.2.1.2.2Machine ditherme, tritherme ..................................................................................... 25 1.2.2Les Coefficients de Performance dune pompe chaleur .............................................. 25 1.2.2.1Dfinition ................................................................................................................................. 25 1.2.2.2COP dune PAC ditherme idale ......................................................................................... 25 1.2.2.3COP dune PAC tritherme idale ....................................................................................... 27 1.2.3Les Technologies des pompes chaleur .............................................................................. 29 1.2.3.1Les phnomnes de transfert thermique ....................................................................... 29 1.2.3.2Les diffrents types de PAC.............................................................................................. 30 1.2.4Cycles de fonctionnement dune PAC ..................................................................................... 31 3 1.2.4.1Gnralits ............................................................................................................................... 31 1.2.4.2Cycles compression mcanique de vapeur .................................................................... 31 1.2.4.2.1Le cycle idal ..................................................................................................................... 31 1.2.4.2.2Quelques grandeurs caractristiques du cycle idal ........................................... 33 1.2.4.2.2.1Bilan des changes de chaleur et de travail ................................................... 34 1.2.4.2.2.2Le Coefficient de performance thorique ...................................................... 34 1.2.4.2.2.3Bilan global ................................................................................................................ 34 1.2.4.2.3Cycle rel compression mcanique de vapeur liqufiable ................................ 34 1.2.4.2.3.1Ecarts par rapport au cycle thorique ............................................................. 34 1.2.4.2.3.2Le cycle rel ............................................................................................................. 36 1.2.4.3Cycle compression thermique de vapeur ..................................................................... 37 1.2.4.3.1Introduction ..................................................................................................................... 37 1.2.4.3.2Le cycle absorption ..................................................................................................... 38 1.2.4.4Cycle thermodynamique air ............................................................................................. 38 1.2.5Caractristiques relles de la PAC compression mcanique ...................................... 40 1.2.5.1Chaleur et puissance calorifiques produites au condenseur ..................................... 40 1.2.5.2Chaleur et puissance calorifiques extraites lvaporateur .................................... 40 1.2.5.3Travail et puissance absorbes par le compresseur .................................................... 41 1.2.6COP dune PAC relle compression mcanique de vapeur ............................................. 41 1.2.6.1Le coefficient de performance rel ................................................................................. 41 1.2.6.2Les facteurs influents du COP............................................................................................ 41 1.2.6.3Le COP global .......................................................................................................................... 42 1.2.6.4Le coefficient dexploitation .............................................................................................. 42 1.2.6.5Le rendement de cycle ......................................................................................................... 42 1.3Les fluides frigorignes ............................................................... 43 1.3.1Terminologie et nomenclature ................................................................................................ 43 1.3.1.1Les composs inorganiques ................................................................................................. 43 1.3.1.2Les composs organiques ..................................................................................................... 43 1.3.1.2.1Les corps purs .................................................................................................................. 43 1.3.1.2.2Les mlanges ..................................................................................................................... 44 1.3.1.2.3Protection de lenvironnement .................................................................................... 44 1.3.2Critres de choix........................................................................................................................ 45 1.3.3Les fluides thermodynamiques utiliss dans les cycles de PAC ................................... 46 2TECHNOLOGIE ET CLASSIFICATION DES PAC ..................................... 48 2.1Technologie des PAC .................................................................. 48 2.1.1Le systme compression ....................................................................................................... 48 2.1.1.1L vaporateur et le condenseur : lchangeur de chaleur ......................................... 49 2.1.1.2Le compresseur ...................................................................................................................... 50 2.1.1.3Le dtendeur ............................................................................................................................ 51 2.1.2Le systme absorption .......................................................................................................... 53 2.1.3Critres de choix. ...................................................................................................................... 54 2.2Classification des PAC ................................................................. 55 2.2.1Les PAC air / air ......................................................................................................................... 57 2.2.1.1Procd air extrait / air : ................................................................................................... 57 4 2.2.1.2Procd air extrieur / air : .............................................................................................. 57 2.2.2Les PAC air / eau ........................................................................................................................ 57 2.2.2.1Procd air extrait / eau & plancher (hiver / t) : ................................................... 57 2.2.2.2Procd air extrieur / eau & ventilo-convecteurs .................................................... 57 2.2.2.3Procd air extrieur / eau & plancher (hiver / t) : .............................................. 58 2.2.3Les PAC eau / eau ....................................................................................................................... 58 2.2.3.1Procd eau / eau & plancher (hiver / t) : ................................................................. 58 2.2.3.2Procd eau / eau & ventilo-convecteurs (hiver / t) : ........................................... 58 2.2.4Les PAC eau /air ......................................................................................................................... 59 2.2.5Les PAC gothermiques ............................................................................................................ 59 2.2.5.1Procd dtente directe ou sol-sol ....................................................................... 59 2.2.5.2Procd avec fluide intermdiaire ou eau glycole-eau ..................................... 60 2.2.5.3Procd mixte ou sol-eau ............................................................................................. 60 2.2.5.4Procd sur capteurs enterrs & plancher (hiver / t) ........................................... 61 2.2.5.5Procd sur capteurs enterrs & ventilo-convecteurs (hiver / t) ...................... 61 2.2.5.6Procd sol / air ...................................................................................................................... 61 2.3Critres Economiques .................................................................. 62 2.3.1Les primes et la subvention de l'ANAH .............................................................................. 62 2.3.2Des aides d'EDF ......................................................................................................................... 62 2.3.3Des incitations fiscales ............................................................................................................ 62 2.3.4Cots titre indicatif ............................................................................................................... 63 2.3.4.1Prix enTTC ........................................................................................................................ 63 3LIMITES DE FONCTIONNEMENT DES PAC .......................................... 64 3.1Limites lies aux fluides frigorignes ................................................ 64 3.2Limites lies la source et au milieu ................................................ 65 3.3Limites lies aux tempratures minimales et maximales de fonctionnement ....... 66 4APPLICATIONS DE LA PAC ............................................................. 67 4.1Impacts sur lenvironnement .......................................................... 67 4.1.1La couche dozone ....................................................................................................................... 67 4.1.2Leffet de serre .......................................................................................................................... 67 4.2Applications pdagogiques ............................................................. 68 4.2.1Dimensionnement et choix ....................................................................................................... 68 4.2.2Rgulation de puissance ............................................................................................................ 69 4.2.2.1Rgulation tout ou rien TOR ............................................................................................... 70 4.2.2.2Variation de vitesse .............................................................................................................. 70 5BIBLIOGRAPHIE ET LIENS INTERNET ............................................... 72 5.1Bibliographie ........................................................................... 72 5 5.2Liens hypertexte ...................................................................... 73 6ANNEXES ................................................................................ 74 6 Introduction Une pompe chaleur (PAC) est une machine thermodynamique destine assurer le chauffage dun local ou dun systme partir dune source de chaleur externe dont la temprature est infrieure celle du local ou du systme chauffer. Cest donc un systme de chauffage qui transfre des calories dun milieu bas niveau de temprature vers un milieu o la temprature doit tre suprieure. Lcoulement naturel de la chaleur seffectuant toujours dun corps chaud vers un corps froid, on peut dfinir galement la pompe chaleur comme un matriel permettant de raliser lcoulement de chaleur inverse du sens naturel, cestdire dun milieu froid vers un milieu chaud. Une dpense dnergie sera bien entendu invitable pour raliser ce transfert inverse. Lnergie ncessaire pour assurer le transfert doit tre infrieure lnergie calorifique utile pour que le systme ait un quelconque intrt. 1THEORIE DE FONCTIONNEMENT Lathermodynamiquetechniqueappliquelespremieretsecondprincipesauxmachines thermiques.Lesmoteurscombustion,laliqufactiondegaz,lindustriefrigorifique,le fonctionnement des pompes chaleur, la climatisation sont autant de domaines concerns par ces lois, et les diagrammes et cycles quon peut en dduire. 1.1Rappels de thermodynamique 1.1.1Notions fondamentales 1.1.1.1Systme thermodynamique En thermodynamique, on sintresse aux processus au cours desquels lnergie se transmet sous forme de chaleur ou de travail. Lanalyse porte sur le systme qui est la portion de lespace (et son contenu) limite par une surface relle ou fictive, o se situe la matire tudie. Le reste de lunivers est alors considr comme accessoire, dont lutilit napparat que dans les changes quil peut avoir avec le systme : on lappelle milieu extrieur. Le systme est dit : isol sil nchange ni matire ni nergie avec le milieu extrieur Corps froid Corps chaud Pompe chaleur nergie Systme isol 7 ferm sil nchange pas de matire avec le milieu extrieur ouvert sil peut changer de la matire et/ou de lnergie avec lextrieur : adiabatique si aucun change de chaleur nest possible avec lextrieur. Par convention de signes tout ce qui est reu par le systme (travail, chaleur etc.) est compt positivement et tout ce qui est cd est compt ngativement. 1.1.1.2Variables et quations dtats La thermodynamique distingue deux types de variables dtat : les variables intensives et les variables extensives. Les variables intensives (comme la temprature T ou la pression P) prennent des valeurs qui ne dpendent pas de la quantit de matire formant le systme. Elles expriment une proprit locale de ce dernier. Les valeurs extensives (comme le volume V, la masse m, le nombre de moles n) prennent des valeurs proportionnelles la quantit de matire contenue dans le systme (qui dpendent de sa masse volume,). Ltat dun systme thermodynamique est caractris par les valeurs des variables extensives et intensives qui la constituent. Lorsquun systme thermodynamique est lquilibre (lorsque toutes ses variables dtat demeurent constantes au cours du temps) on peut introduire des quations dtat reliant une proprit du systme (llasticit, la compressibilit ) un ensemble de variables indpendantes du systme. Energie Systme Energie Systme Matire travail Systme 8 Exemple dquations dtat : Lquation dtat des gaz parfaits :PV = n R T Lquation dtat de Van Der Waals relative n moles de gaz rels ou de fluides:RT bnVVa nP = + ) )(.(22

1.1.1.3Evolution dun systme Un systme thermodynamique peut voluer entre deux tats diffrents. Cette volution peut seffectuer dune manire rversible (les trajets aller et retour concident) ou irrversibles. On dfinit des volutions particulires de systmes thermodynamiques. Parmi celles ci on peut citer : les transformations adiabatiques : sans change de chaleur avec le milieu extrieur les transformations isobares qui seffectuent pression constante les transformations isochores volume constant les transformations isothermes seffectuant temprature constante les transformations cycliques communment appeles cycles pour lesquelles ltat final est rigoureusement identique ltat initial (le systme en fin de transformation se trouve dans un tat identique ltat initial) 1.1.1.4Gaz parfaits / Gaz rels Le gaz parfait nexiste pas dans la ralit. Il sagit dun modle thermodynamique qui permet de dcrire simplement, mais correctement, le comportement des gaz rels ds lors que lon se situe faible pression et temprature leve, cest dire loin des conditions critiques. Du point de vue microscopique, la gaz parfait satisfait aux conditions suivantes : Les molcules des gaz ont des dimensions trs petites devant les distances qui les sparent et elles sont de ce fait assimilables des points matriels. Les forces dinteraction distance entre les molcules de gaz (forces de Van Der Waals) sont nulles, ce qui signifie que ces molcules se comportent indpendamment les unes des autres. Le comportement des gaz parfaits, ou de leurs mlanges, suit un certain nombre de lois : lois de Boyle Mariotte, loi de Charles et loi dAvogadro. Les gaz rels ont des comportements qui scartent toujours plus ou moins de ceux du gaz parfait idal . Par exemple un gaz parfait, quelles que soient les conditions, reste un gaz : ni sous une trs forte pression, ni trs basse temprature, il ne se condense en un liquide. Alors que les gaz rels, par compression (ou refroidissement), se liqufient, et les liquides forms peuvent, leur tour, se solidifier temprature encore plus basse. Tous les carts de comportement des gaz rels par rapport au gaz parfait ont les mmes origines : Les dimensions suprieures des molcules de gaz rel par rapport au gaz parfait Lexistence de forces dattraction entre molcules. 9 Do la ncessit dintroduire des termes correctifs de volume et de pression dans lquation dtat des gaz parfaits : on obtient ainsi lquation dtat de Van Der Waals cite ci- haut. 1.1.2nergie, travail et chaleur 1.1.2.1nergie Lnergie totale E dun systme thermodynamique peut tre dcompose en trois parties : Lnergie cintique Ecin correspondant au dplacement macroscopique des lments du systme (mais nincluant pas lagitation molculaire): 2.21i iicin V m E=(o mi est la masse dun sous-systme i anim de la vitesse Vi) Lnergie potentielle Epot globale des lments du systme (mais nincluant pas lnergie potentielle atomique ou molculaire) : =jj j pot gz m E(nergie potentielle due la force de gravit o mj est la masse du sous-systme j plac au point daltitude zj dans la champ de gravit g) Lnergie interne U qui regroupe toutes les autres nergies non comprises dans les deux prcdentes (nergies de translation, de rotation et de vibration des atomes et/ou des molcules contenues dans le systme ainsi que lnergie des lectrons). Toutes ces nergies sont relies entre elles par la relation: E = U + Ecin + Epot ouE = U + Emca

avecEmca = Epot + Ecinreprsentant lnergiemcanique du systme On a vu prcdemment quun systme thermodynamique peut changer de lnergie avec lextrieur. Cet change peut seffectuer sous la forme de travail (nergie mcanique, nergie lectrique) ou sous la forme de chaleur ( transfert de quantit de chaleur travers les parois du systme). 1.1.2.2Travail Le travail est de lnergie change par un systme avec lextrieur sous forme ordonne : cest dire que les particules sont toutes pousses dans un mme sens sous linfluence des forces extrieures (molcules sous la pousse dun piston par exemple). 10 Dans ltude des machines thermiques, cest le travail des forces de pression qui nous intresse : dV P W . = oavec oW : travail mcanique lmentaire chang avec lextrieur (en joules : J) P : pression extrieure ( tenant compte de la pression environnante Pe (pression atmosphrique le plus souvent) et du module, F, de force mcanique extrieure applique normalement la surface externe du piston) (en pascals : Pa) dV :variation lmentaire de volume du systme (en m3) P=(F/A)+Pe Pe F Piston de section constante A 1.1.2.3Chaleur Un transfert dnergie se fait sous forme de chaleur lorsque les molcules du systme interagissent de faon dsordonne avec le milieu extrieur (la chaleur est une forme dgrade dnergie). Dans ce cas le transfert dnergie est d uniquement une diffrence de temprature. Lchange de chaleur se faisant du systme la temprature la plus leve vers le systme temprature la plus basse. La manire la plus usuelle de fournir de la chaleur un systme est donc dlever sa temprature mais ce nest pas la seule. En effet, on verra un peu plus loin que, lors dune transformation durant laquelle le systme change de phase, la chaleur latente apporte au systme permet une transformation temprature constante. 1.1.3Le premier principe Lapport essentiel du premier principe est daffirmer quen gnral, il nexiste pas de formes indpendantes dnergie dans un systme. Considrons un systme pouvant changer avec le milieu extrieur la fois du travail et de la chaleur. Soient W et Q respectivement le travail et la quantit de chaleur reus par le systme au cours dune transformation. Sa variation dnergie interne est alors : AU = W + Q Lorsque ce systme est ferm et dcrit un cycle (rversible au irrversible) alors AU = 0. La chaleur change avec le milieu extrieur (Q) est rigoureusement gale (et de signe oppos) au travail chang (W) avec lenvironnement au cours de ce cycle. Q + W = 0ouQ = - W 11 Enonc du premier principe : Pour un systme ferm dcrivant une transformation cyclique, la somme algbrique des quantits dnergie changes par le systme avec lextrieur est nulle. Ce premier principe est donc une loi de conservation dnergie. Elle traduit le fait que lnergie ne se cre pas mais elle se transforme. Si un systme isol est le sige dune transformation, cette dernire correspond uniquement la conversion dune forme dnergie en une autre. Il ne peut y avoir ni cration, ni destruction de lnergie. 1.1.4Lenthalpie Par dfinition, lenthalpie dun systme thermodynamique est donne par la relation : H = U + P.Vavec:U:nergie interne du systme (en joules J) P:pression du systme (en pascals Pa) V :volume occup par le systme (en m3) Lorsque le systme dcrit une transformation quelconque pression constante P0 (pression du milieu extrieur) H varie de : AH = AU + P0.AV En tenant compte que AU = W + Q et W = - P0.AV alors on obtient : AH = Q Dans une transformation pression constante la quantit de chaleur reue(Q) par le systme est gale sa variation denthalpie AH. 1.1.5Le second principe Ltude du fonctionnement des machines thermiques au dbut de lre industrielle, entre 1810 et 1860, a abouti la formulation de plusieurs noncs du deuxime principe. Parmi ceux ci on peut par exemple citer celui de Rudolf Emmanuel Clausius qui, en 1850, crivait : La chaleur ne passe pas delle mme dun corps froid vers un corps chaud En effet, lchange de chaleur entre un systme et son environnement a un sens. Celui-ci est dtermin en analysant la variation dune grandeur dtat extensive appele entropie ( signifiant changer de direction en grec). Lors dun change lmentaire rversible de chaleur (oQr) entre un systme ferm et le milieu extrieur, la relation entre la chaleur change et la temprature T du systme est donne par : oQr = T.dSou dS = oQr / T(1) La grandeur extensive S ainsi introduite est appele entropie du systme et dS reprsente la variation lmentaire dentropie provoque par lchange thermique. (Remarque : Pour un systme changeant de la chaleur avec plusieurs sources on a : 12 ) (=iiiTQdSo On remarque ainsi que lentropie ne dpend de lnergie que via la chaleur : le travail mcanique ne contribue pas lentropie. La variation dentropie dun systme lors dune transformation rversible est donc simplement due aux changes de chaleur avec lextrieur. Pour calculer la variation dentropie lors dune transformation il suffit dintgrer la relation de dfinition (1). Au pralable il est ncessaire dexpliciter oQr en fonction des variables dtat du systme en tenant compte des particularits de la transformation rversible tudie. Lors dune transformation irrversible (la grande majorit des transformations le sont) et sil existe des changes de chaleur avec plusieurs sources extrieures de chaleur alors le bilan entropique, pour le systme ferm scrit : iiiidSTQdS + =) (oavec dSi> 0(2) Le terme dSi introduit reprsente la production dentropie (due aux changements internes du systme). Ce terme est toujours positif ou nul. Une autre formulation du second principe est par consquent : La production dentropie dun systme thermodynamique quelconque lie aux seules oprations internes ne peut tre que positive ou nulle Ainsi donc, pour savoir si une transformation est ralisable spontanment (sans apport dnergie extrieure supplmentaire au systme) ou non, il suffit de calculer la production dentropie dSi partir du bilan entropique : Si dSi > 0 :la transformation peut se raliser spontanment mais elle serairrversible. Le systme voluera spontanment dun tat initial vers un tat dquilibre thermodynamique final Exemple :si lon met un corps chaud en contact avec un corps froid, le transfert de chaleur se fait spontanment du premier vers le second. Si dSi = 0 :la transformation est possible. Elle sera en plus rversible Si dSi < 0 :la transformation envisage nest pas ralisable spontanment dans les conditions imposes au systme. Pour quelle se produise il sera ncessaire dapporter de lnergie supplmentaire au systme (par le truchement dun oprateur extrieur) Exemple : dans lexemple considr ci-haut la transformation inverse (du corps froid vers le corps chaud) ne peut tre possible que par lapport dnergie au systme. 13 Le second principe est par consquent un principe dvolution. Il permet de diffrencier les transformations pouvant seffectuer spontanment (et de manire rversible ou irrversible) de celles ncessitant une nergie extrieure supplmentaire. En consquence du second principe (donc de la relation (2)) on montre : quun systme ferm dcrivant un cycle et qui nchange de la chaleur quavec une seule source de chaleur ne peut pas fournir de travail au milieu extrieur ; il ne peut fournir que de la chaleur et recevoir du travail du milieu extrieur . On retrouve lnonc du second principe de Lord Kelvin. Remarque :Lanalyse de la relation (2) ci haut permet dcrire, dans le cas dune transformation cyclique : dS = 00 ) ( s iiiTQ o (si lon considre toujours que dSi> 0). Cette ingalit est appele ingalit de Clausius). Si en plus ladite transformation est suppose rversible alors lingalit de Clausius devient une galit, c..d. :0 ) ( =iiiTQ o

1.1.6Thermodynamique des systmes ouverts Lintrt accord aux systmes ouverts se justifie par le fait que la plupart des systmes industriels rels le sont. Parmi ceux ci on trouve les dtendeurs et les compresseurs industriels, utiliss entre autre dans les pompes chaleur. 1.1.6.1Premier et second principes pour un systme ouvert Considrons un systme ouvert (S) limit par une surface fixe et possdant une section dentre fixe (AB) et une section de sortie fixe (CD). AC BD Lapplication des deux principes de la thermodynamique une unit de masse de fluide pour un systme ouvert fonctionnant en rgime stationnaire permet dcrire : (S) entresortie W Q 14 Premier principe :Le bilan dnergie prend la forme : q w e h + = A + A avec Ah :la variation denthalpie pour lunit de masse du fluide entre lentre et la sortie du systme ouvert (en J/kg). Ae :la variation dnergie mcanique massique (en J/kg). w :le travail massique (ou travail utile) exerc par les ventuelles parties mobiles au cur du systme ouvert (ailettes de turbine) (w = W / m) (en J/kg) q :la chaleur massique change avec un thermostat (source de chaleur) (q = Q / m) (en J/kg) Second principe :Le bilan dentropie scrit : cssTqs + = A avec0 > c sAs :la variation dentropie dune unit de masse du fluide entre lentre et la sortie du systme ouvert (en J/(K.Kg)) q :la chaleur massique change (en J/kg) Ts :temprature du thermostat ( source de chaleur) (en kelvin K) sc :entropie cre lors du transfert dune masse-unit de fluide ((en J/(K.Kg)) 1.1.6.2Application la dtente de JOULE-KELVIN La dtente JOULE KELVIN (ou dtente JOULE THOMPSON) est une dtente dans une simple conduite (donc w = 0), calorifuge (donc q = 0), telle quon puisse ngliger les variations dnergie cintique et dnergie potentielle de pesanteur du fluide (Ae = 0). Dans ce cas : Ecoulement lent dun fluide Isolant thermique Obstacle fixe P1, T1P2, T2 15 Le premier principe :q w e h + = A + A se simplifieAh = 0de telle sorte que : la dtente de Joule Kelvin est isenthalpique (lenthalpie se conserve). Comme lenthalpie dun gaz parfait ne dpend que de la temprature, la temprature du fluide ne varie pas aprs une dtente JOULE-KELVIN. Cest ce que confirme lexprience avec des gaz dilus : la variation de temprature est ngligeable. Les dtendeurs des machines frigorifiques utilisent couramment la dtente de JOULE KELVIN. Cependant, avec des gaz rels tels que lon se situe dans des conditions o T2 < T1. Le second principe scrit :cssTqs + = A soit As =0 > c sOn peut montrer, sur tous les modles de fluides permettant de calculer As, quon a sc > 0. Par consquent : la dtente de JOULE KELVINest irrversible . Ceci sexplique car pour raliser cette dtente on cre un tranglement dans la conduite ou bien on y place une bourre de coton, engendrant ainsi des frottements importants, qui sont responsables de la baisse de pression. 1.1.6.3Application au compresseur piston Le compresseur est une machine thermique ouverte dont le rle est daspirer une masse de fluide dun rservoir R1, la pression P1 et la temprature T1, et de la refouler dans un rservoir R2, la pression P2 et la temprature T2, aprs modification de son tat thermodynamique. AspirationrefoulementRservoirR1P1, T1P2, T2Rservoir R2PISTON MOBILE Au cours dune volution adiabatique ( compresseur calorifug donc q = 0) cyclique dun systme ouvert, qui transfre une masse m sans variation dnergie cintique et dnergie potentielle extrieure (Ae = 0), le travail reu par le compresseur, en dehors du travail des forces de pression, est gal la variation denthalpie : 16 q w e h + = A + A se simplifie en w = Ah ouW = m.w = m.(h2 h1) Si le fluide comprim est assimilable un gaz parfait ( de coefficient calorifique massique cP et de coefficient de compressibilit ) alors : h2 h1 = cP (T2 T1)do le travail utile W peut scrire : W = cP.(T2 T1) les tempratures T2 et T1 ainsi que les pressions P2 et P1 sont relies par la loi de LAPLACE (pour une transformation suppose rversible) : ) 1 ()12(12=PPTT La temprature de la vapeur refoule dpend donc de la nature du fluide (notamment de la valeur de ) et du taux de compression (t = P2/P1) du compresseur. Dautres paramtres entrent galement en jeu . Ces derniers rsultant de phnomnes complexes dont lensemble du compresseur est le sige (changes thermiques, cration dentropie). 1.1.7Quelques proprits des corps purs 1.1.7.1Les diffrents tats dun corps pur Un corps pur (systme constitu dune seule espce chimique) peut exister sous les trois tats (que lon appelle galement phases) solide, liquide ou gazeux suivant les conditions de temprature et de pression. Le passage dun tat lautre est appel transition ou changement de phase . La figure ci-dessous rsume les diffrentes transitions de phases possibles pour un corps pur, hormis le cas particulier des transformations allotropiques (changements de structure cristalline de certains composs solides). Lexemple de leau pure permet dillustrer ( une pression correspondant la pression atmosphrique) deux changements de phase dun corps pur : la fusion (de la glace) et la vaporisation de leau liquide. CONDENSATION SOLIDE SOLIDIFICATION ou cristallisation LIQUEFACTION ou condensation liquide LIQUIDESOLIDEGAZ SUBLIMATION FUSIONVAPORISATION 17 Durant les transitions les deux phases coexistent en quilibre : mlange deau et de glace durant la phase de fusion et, mlange deau et de vapeur deau pendant la vaporisation. Les transitions de phase prsentent un intrt thorique et pratique. Elles sont par exemple trs largement utilises dans les machines thermiques en raison des grandes nergies mises en jeu. Remarque : Une vapeur est un gaz, mais le terme est utilis en gnral pour dcrire ltat gazeux dune substance habituellement liquide ou solide. 1.1.7.2Diagramme dquilibre dun corps pur La phase sous laquelle un systme se prsente est dtermine par la connaissance dun certain ensemble de paramtres intensifs : temprature, pression, etc. Si, pour diverses valeurs de ces paramtres, le systme peut se prsenter sous des phases distinctes, il est possible dobserver le passage dune phase lautre en modifiant continment la valeur des ces paramtres. Les courbes dquilibre (appeles galement courbes de saturation) entre les trois phases peuvent tre reprsentes sur un diagramme (p,T) de la manire gnrale indique ci-dessous. Fusion 100 0 T(C) Temps (s) Echauffement de la vapeur Echauffement du liquide Echauffement du solide vaporisation Equilibre Liquide -gaz Solide Liquide Vapeur Point triple p (Pa) T(K) Point critique Equilibre Solide - Liquide Equilibre Solide - gaz Gaz pour leau 18 Ce type de diagramme comporte toujours les trois courbes dquilibres suivantes : solide/gaz, solide/liquide et liquide/gaz. Les trois courbes se coupent au point triple, point o les trois phases coexistent ( T = 0,01C et p = 611 Pa pour leau) en quilibre. Ce point indique galement la plus basse temprature laquelle le liquide peut exister. La courbe de lquilibre liquide/gaz se termine au point critique, point au-del duquel le liquide nexiste plus en tant que tel (fluide supercritique). Lexistence du point critique a pour consquence que la sparation en deux phases (liquide et gazeuse) nest possible que pour des tempratures infrieures la temprature critique. Le passage de ltat liquide ltat gaz (ou linverse) peut se faire de manire continue (par contournement du point critique) ou de manire discontinue (par transition de phase) Le passage de ltat liquide ltat solide (ou linverse) ne peut se faire que de faon brutale par une transition de phase La fusion et la vaporisation sont des transitions du premier type , cest--dire quau point de transition, les deux phases, en prsence lune de lautre, sont en quilibre . Dans le cas de lquilibre liquide-gaz, la dpendance entre la pression dquilibre p et la temprature dquilibre T se teste exprimentalement en utilisant lquation approche ci-dessous (plus connue sous le nom de formule de Dupr) : T CTCC p ln . ln 321 =avecC1, C2 et C3 tant des constantes. Pour leau les formules approches de Dupr-Bertrand (1) ou de Duperray (2) sont utilises. TT pplog . 868 , 32795443 , 17 ) log(0 = si 273 K s sT473 K(1) p = p0 (T 273,15)4(2) avec :p0 = 1 bar = 105 Pa tant la pression atmosphrique Remarque :Pour lquilibre liquide gaz p est galement appel pression de vapeur saturante ou tension de vapeur. Pour une temprature donne, plus cette pression de vapeur saturante est leve plus le liquide est dit volatil. 1.1.7.3Chaleur latente ou enthalpie de transition de phase Lors dun changement de phase pression constante, le systme change avec lextrieur une quantit de chaleur, par mole ou par kilogramme de corps pur, appele chaleur latente (molaire ou massique) de transformation . Cest en fait une variation denthalpie qui sexprime en 19 J/mol ou en J/kg selon le cas. Le terme latente signifie que lon ne voit pas car lchange de chaleur correspondant nest pas associ une variation de temprature du systme. La chaleur latente massique dun corps pur, ou enthalpie massique de transition de la phase 1 vers la phase 2, est la chaleur l12 ncessaire pour raliser, de faon rversible, une temprature et une pression constantes , la transition de phase de lunit de masse de ce corps, de la phase1 la phase 2. Pour un corps pur effectuant une transition rversible entre deux tats dquilibre initial (1) et final (2), on a: l12 = Ah12=T.As12 avec: T:temprature dquilibre de transition de phaseAs12 :variation dentropie provoque par la transition de phase Remarque :La fusion, la vaporisation et la sublimation sont des transitions de phases conduisant une augmentation de lentropie du systme (augmentation du dsordre). Il sensuit que As12 > 0. Par consquent les enthalpies massiques de fusion (Ahf), de vaporisation (Ahv) et de sublimation (Ahsu) sont positives : ces ractions seront donc qualifies de transitions endothermiques. De mme les transitions pour lesquelles Ah < 0 seront qualifies dexothermiques. Le tableau ci-dessous recense des valeurs des enthalpies massiques de fusion de certains corps, obtenues exprimentalement. Les tempratures sont les tempratures de fusion la pressionp = 1 bar. H2ONH3C6H6SnHgO2 Ahf (kJ.kg-1)334452126592313,8 Tf (K)273,15198278,55505234,1554 1.1.7.4Formule de Clapeyron La formule dEmile Clapeyron donne lexpression de lenthalpie massique dune transition de phase (de premire espce ) pour un corps pur en quilibre sous deux phases1 et 2, la pression p12 et la temprature T: dTdpv v T h121 2 12 ). .( = Aavecv2 et v1 : volume massique du corps pur dans les phases 2 et 1 dp12/dT :drive totale de la courbe dquilibre p12(T) entre les deux phases 1 et 2. 20 Tous les quilibres liquide-gaz, liquide solide et solide-gaz sont rgis par une quation de Clapeyron du type prcdent. Remarque :Lquation de Clapeyron ci-dessus permet, aprs intgration, dexprimer la pression dquilibre p en fonction de la temprature dquilibre T ; fournissant par ce biais des quations approches des courbes de saturation (ou dquilibre) du diagramme prcdent. Cette intgration nest possible que si lon connat lexpression en fonction de T des diffrents termes qui interviennent dans cette quation. 1.1.7.5Application lquilibre liquide - gaz dun gaz rel Ltude de lquilibre liquide - gaz est capitale en raison, dune part de son importance dans la vie quotidienne (mto, etc.), et dautre part de ses multiples applications, notamment dans les machines thermiques. Le rseau dAndrews est la base de ltude de cet quilibre. Ce rseau est lensemble des courbes isothermes dun fluide dans le systme de coordonnes de Clapeyron (p, v) : pour une temprature donne T, on exerce une pression p sur le corps pur et on tudie lvolution de son volume massique (ou molaire) v. Dans ce cas prcis, la courbe de saturation est constitue de la courbe de rose et de la courbe dbullition (ou de vaporisation). Le diagramme ci-dessous prsente un rseau disothermes dAndrews en fonction des valeurs de T par rapport la temprature critique TC . On y distingue quatre domaines : Au-dessous de lisotherme critique (T = TC) la partie du plan situe droite de la courbe de rose dfinit le domaine du gaz ou de la vapeur sche La partie du plan contenue lintrieur de la courbe de saturation dfinit le domaine dquilibre liquide - gaz du fluide. On trouve le domaine du liquide dans la partie du plan situe gauche de la courbe dbullition , au-dessous de lisotherme critique Enfin, toute la partie du plan situe au-dessus de lisotherme critique reprsente le domaine fluide. 21 Sur le tableau ci-dessous on a rassembl les coordonnes du point critique de quelques corps purs : HeH2NH3O2CO2H2O TC (K)5,233,2405,4155304,2647 pC (bar)2,3131135174221 Remarque:Au point de fonctionnement M le fluide est un mlange constitu de liquide et de vapeur. On dfinit la fraction massique (ou molaire) de vapeur ou titre vapeur massique (ou molaire) du mlange {liquide + vapeur} par: x = (vM- vL) / (vG vL) Le titre dune vapeur caractrise la teneur en vapeur sature du mlange liquide vapeur dans le domaine situ sous la courbe de saturation. Dun point de vue exprimental, le passage de ltat liquide ltat gazeux seffectue principalement de deux faons : Par compression ou dtente isotherme dun fluide. Par vaporisation dans le vide ou dans une atmosphre gazeuse. Lanalyse des courbes de saturation ( ou plus particulirement des isothermes dAndrews) met en lumire les lois de fonctionnement suivantes: Pour liqufier un gaz par compression isotherme, il suffit que sa temprature soit infrieure sa temprature critique TC. Cest le cas de tous les gaz utiliss dans les machines frigorifiques et les pompes chaleur. vLvMvG L G C p (Pa) T = TC T > TC T < TC v(m3/kg) LIQUIDE + GAZ GAZ (vapeur sche) LIQUIDE FLUIDE Courbe dbullition Courbe de rose M 22 Sous une pression de saturation donne, la vaporisation et la condensation dun corps pur commencent toujours une temprature de saturation dtermine. Pendant toute la dure de changement dtat physique, cest dire aussi longtemps quil y a coexistence de liquide et de vapeur, la temprature du mlange reste constante. 1.1.7.6Les diagrammes thermodynamiques 1.1.7.6.1Gnralits Le but primordial de ces diagrammes thermodynamiques est de permettre le calcul des quantits de chaleur et des travaux changs par le systme avec le milieu extrieur durant les volutions considres. Les deux diagrammes usuels les plus utiliss sont le diagramme entropique T en fonction de s et le diagramme enthalpique P (ou lnP) en fonction de h. On peut, sur ces diagrammes, faire les remarques suivantes : h et s sont gnralement rapportes lunit de masse de fluide ; Le point de rfrence correspondant une valeur nulle de s ou h est choisi arbitrairement. On se rfre souvent malgr tout un tat physique concret du systme comme le liquide satur en quilibre avec sa vapeur une temprature donne. 1.1.7.6.2Le diagramme entropique Les lments principaux que lon trouve sur ce type de diagramme sont reprsents sur la figure ci-dessous : isenthalpe Isobare s (J/(kg.K)) T( K ) Courbe de saturation Liquide satur vapeur sature C(point critique) Courbe dgal titre vapeur LIQUIDE LIQUIDE + VAPEUR VAPEUR 23 Le domaine diphasique de coexistence entre les deux phases se situe sous la courbe en cloche. A faible pression ( droite sur le diagramme), on constate que les isenthalpes sont des isothermes (elles deviennent horizontales) : le comportement de la vapeur se rapproche du comportement dun gaz parfait. On trouve lintrieur de la courbe de saturation ce que lon appelle les courbes dgal titre vapeur . Ce type de diagramme permet de calculer directement la chaleur change (entre le systme et lextrieur) dans le cas dune transformation cyclique, rversible et ferm. La chaleur correspond laire comprise lintrieur du cycle de fonctionnement. 1.1.7.6.3Le diagramme enthalpique Il comporte quasiment les mmes lments que le diagramme entropique la particularit prs que les isenthalpes sont remplaces par les isentropes. Dans ce diagramme (appel aussi diagramme des frigoristes ) les variations denthalpies sont obtenues par simple lecture sur laxe des abscisses. Les isobares sont des droites horizontales alors que les isenthalpes sont des droites verticales. Une proprit remarquable de ce diagramme tient au fait que la diffrence des ordonnes est proportionnelle au rapport de compression (). En effet, la relation : ln P2 ln P1 = ln (P2 / P1) = ln () montre que dans une compression (ou une dtente) la diffrence des ordonnes ne dpend que du rapport des pressions et non de la pression laquelle seffectue cette compression (dtente). Isentrope Isotherme h (kJ/kg) Ln P(bar) Courbe de saturation Liquide satur vapeur sature C(point critique) Courbe dgal titre vapeur LIQUIDE LIQUIDE + VAPEUR VAPEUR 24 1.2Principe de fonctionnement de la Pompe Chaleur (PAC) 1.2.1Les machines thermiques 1.2.1.1Gnralits et classification Les machines sont des dispositifs qui permettent de convertir les diffrentes formes dnergies (de pression, potentielle, cintique, thermique, mcanique) entre elles. Les dispositifs permettant la conversion de lnergie thermique en nergie mcanique et la conversion inverse constituent la famille des machines thermiques. On distingue ainsi, parmi les machines thermiques, les machines rceptrices (moteurs thermiques) et les machines thermiques gnratrices (de froid ou de chaleur). Dune manire gnrale, le terme moteur thermique dsigne toute machine thermique transformant de la chaleur en travail, quels que soient, leur mode de fonctionnement et la nature du fluide utilis pour cette transformation. chaleurTravail (nergie thermique)(nergie mcanique) pertes nergtiques Parmi les machines gnratrices, on trouve les installations de production de froid (appeles machines frigorifiques), ou de chaleur (les pompes chaleur), ainsi que, dans une certaine mesure, les compresseurs. chaleur ou froid Travail(nergie mcanique) 1.2.1.2Les machines gnratrices dnergie thermique 1.2.1.2.1Gnralits Dun point de vue thermodynamique, les machines frigorifiques (rfrigrateurs) et les pompes chaleur sont des machines thermiques qui travaillent lenvers : ils consomment bien du travail mais pour prlever de la chaleur dune source froide pour la restituer une source chaude. Moteur thermi-que Machine thermique gnratrice Pertes25 Lorsque le but recherch est de produire du froid (extraction de chaleur un corps, ou un milieu, pour le refroidir ou le maintenir une temprature infrieure lambiance) alors la machine thermique utilise est une machine frigorifique Si, au contraire, le but recherch est la production de chaleur ( partir de chaleur gratuite rcupre un temprature plus basse) pour chauffer un milieu, ou le maintenir une temprature suffisamment haute, alors la machine thermique devient une pompe chaleur. Dans certains cas spcifiques, on peut utiliser la fois le froid produit la source froide et la chaleur rejete au puits chaud . Un tel systme est alors gnralement appel thermofrigopompe. 1.2.1.2.2Machine ditherme, tritherme Lnergie motrice ncessaire au fonctionnement des machines gnratrices peut tre amene : Soit sous la forme dune nergie mcanique, ou quivalente. Le systme comporte alors, conformment au second principe, au minimum une source froide et une source chaude (ou puits chaud). Il sagira alors dune machine, au moins, ditherme. Soit sous la forme dune nergie thermique fournie par une source thermique supplmentaire jouant le rle de source de chaleur motrice. Le systme comportant donc, au minimum, trois sources de chaleur sera qualifi de systme, au moins, tritherme. 1.2.2Les Coefficients de Performance dune pompe chaleur 1.2.2.1Dfinition Pour caractriser lefficacit dune pompe chaleur on introduit le coefficient de performance (COP) par la relation : COP = (chaleur fournie) / nergie apporte au systme Le COP est trs utile pour valuer la rentabilit dune pompe chaleur. Il indique dans quelle mesure la puissance calorifique produite est suprieure la puissance dentranement du compresseur. 1.2.2.2COP dune PAC ditherme idale La structure gnrale dune PAC ditherme (soumise deux sources de chaleur) est donne ci dessous. Grce lnergie mcanique (ou quivalente) W fournie ce systme, on absorbe la source froide (qui est la temprature Tf) lnergie thermique Qf et on rejette la source chaude ( la temprature Tc > Tf) lnergie thermique Qc. 26 Lnergie utile pour une PAC tant la chaleur rejete la source chaude Qc, le COP dune PAC ditherme idale peut alors scrire : WQCOPcd i = (1) Lapplication du premier principe ce systme donne : Qf- Qc+W = 0 OuW = Qc Qf(2) En supposant que la machine ainsi considre dcrit un cycle thermodynamiquement idal ( donc rversible), lapplication du second principe au systme ditherme, permet dcrire : 0 = TcQTfQ c f(galit de Clausius) ou TcTfQQcf= (3) En considrant les conditions (2) et (3), lquation (1) scrit : TcTf Tf TcTcCOPid==11 Ce COP (appel parfois efficacit de Carnot ou COP de Carnot) constitue la limite thorique que lon peut obtenir pour une machine quelle que soit la perfection technique de celle-ci. Ce rapport indique nanmoins un rsultat intressant : la machine est dautant plus efficace que Tf / Tc est proche de lunit : c..d. que la temprature de la source froide soit proche de la temprature de la source chaude. La courbe ci aprs montre lvolution du COP en fonction du rapport Tf / Tc PAC Source froide (Tf) Source chaude (TC) travail Qf Qc W 27 Variation du COP en fonction de Tf / Tc01234560 0.2 0.4 0.6 0.8 1Tf / TcCOP idale Dans la ralit les COP des machines relles (qui sont thermodynamiquement irrversibles ) sont gnralement voisins de la moiti des valeurs idales attendues. La figure ci dessous montre la variation du COP thorique en fonction de la temprature TC pour diffrentes valeurs de la temprature Tf. Variation du COP en fonction de Tf et de Tc26101418222610 20 30 40 50 60 70Tc (C)COP idaleCOP(Tf =-30C)COP(Tf = -20C)COP(Tf = -10C)COP(Tf = 0C)COP(Tf = 10C)COP(Tf = 20C) 1.2.2.3COP dune PAC tritherme idale Dans ce type de pompe chaleur, on ne fournit pas de travail mais de la chaleur par lintermdiaire dune source thermique auxiliaire de temprature Ta. 28 Les bilans nergtique et entropique au cours dun cycle scrivent alors : -Qf- Qc+Qa = 0doQa= Qc Qf (4) -0 = + TaQTcQTfQ a c f(galit de Clausius)(5) Le coefficient de performance calorifique est, dans ce cas : actriQQCOP = (6) En considrant les conditions (4) et (5) on a : ) () (Tf Ta TcTc Ta TfQcQf= lquation (6) scrit alors: TaTf TaTf TcTcQcQfCOPtri) (.) (11== Ce coefficient de performance est dautant plus lev que les tempratures Tc et Tf sont plus voisines et que Ta est plus loigne de Tc. Pour les mmes tempratures Tc et Tf, les coefficients de performance des systmes fonctionnant grce une fourniture de chaleur (systmes au moins trithermes) sont infrieurs ceux des systmes recevant de lnergie mcanique. Dune manire gnrale, les pompes chaleur trithermes ont une efficacit thermique faible. Elles sont surtout utiles pour valoriser une source chaude temprature modre (rejets industriels, nergie solaire, biomasse) qui sans cela serait inutilise, de sorte que lefficacit a relativement peu dimportance. Source froide (Tf) Source chaude (TC) Source chaude auxiliaire (Ta) Qf Qc Qa 29 1.2.3Les Technologies des pompes chaleur 1.2.3.1Les phnomnes de transfert thermique Pour extraire de la chaleur dun milieu froid (la source froide) vers un milieu chaud (le local chauffer) on utilise comme vecteur un fluide frigorigne. Celui ci est le sige de phnomnes physico-chimiques permettant de prlever, de transfrer et de restituer la chaleur. Ainsi donc, pour extraire de la chaleur dune source froide on fera subir au fluide frigorigne, en contact avec cette source, un phnomne endothermique (qui consomme de la chaleur). De la mme manire que pour extraire la chaleur stocke par le fluide frigorigne afin de la restituer la source chaude on utilisera un phnomne exothermique (qui dgage de la chaleur). Dans la majeure partie des cas, on fait ainsi dcrire une srie de transformations qui ramne, priodiquement, le frigorigne dans son tat initial. Le cycle de fonctionnement ainsi dcrit est appel cycle frigorifique. Le tableau ci-dessous, recense quelques phnomnes endothermiques et exothermiques permettant de dplacer de la chaleur dans une pompe chaleur. Phnomnes endothermiques (absorbant de la chaleur) Phnomnes exothermiques (produisant de la chaleur) Fusion dun solideSolidification dun liquide Vaporisation dun liquideCondensation dune vapeur Sublimation dun solideCondensation en phase solide Dsorption dun gaz ou dune vapeur (dun liquide ou dun solide) Absorption dun gaz ou dune vapeur (dans un liquide (absorption), dans un solide (adsorption)) Dtente dun gaz comprimCompression dun gaz La grande majorit des pompes chaleur (et des machines frigorifiques) utilise le phnomne de vaporisation dun liquide pour extraire des calories dune source froide (milieu extrieur).La restitution de calories au milieu chauffer sopre alors en utilisant le phnomne de condensation dune vapeur. Le changement dtat liquide vapeur est le phnomne majeur sur lequel on sappuie pour produire de la chaleur. On le met en uvre dans une machine thermique en faisant voluer un fluide frigorigne dans un circuit ferm comportant notamment un vaporateur et un condenseur : Lvaporateur sera plac dans la source froide (le milieu extrieur) o lon maintient une temprature Ti. Le frigorigne y pntre en phase liquide et sy vaporise ( la temprature Tf < Ti) en prlevant de la chaleur ce milieu : cest la phase dextraction de calories 30 Le condenseur sera refroidi la temprature Tr par un fluide extrieur (air ou eau). Le frigorigne qui y entre en phase vapeur, se condense une temprature Tc > Tr en cdant de la chaleur au fluide de refroidissement. Lnergie mcanique (W) fournie ce systme permet lvolution cyclique du frigorigne. 1.2.3.2Les diffrents types de PAC On ne considrera, dans ce paragraphe que les machines utilisant le phnomne de vaporisation dun frigorigne. La manire dont les vapeurs issues de lvaporateur sont aspires permet de distinguer plusieurs types de pompes chaleur : Les PAC compression mcanique : les vapeurs sont extraites par un compresseur mcanique (entran par un moteur lectrique ou thermique). Leur simplicit de fabrication en fait le modle le plus rpandu. Ces PAC entrent dans la catgorie des machines au moins ditherme. W milieu extrieur (source froide) vaporateur Circulation du frigorigne (aspiration des vapeurs,refoulement dans le condenseur dtente du frigorigne liquide) Zone de travail basse pression Zone de travail haute pression apport dnergie motrice condenseur milieu chauffer fluide frigoporteur refroidir (air ou eau)Ti Fluidecaloporteurchaud Tr + ATr Ti - ATiTi Fluide caloporteur chauffer (air, eau) Tr fluide frigoporteur refroidi (air ou eau) 31 Les PAC compression thermique de vapeur pour lesquels la compression mcanique est remplace par une compression thermique. Parmi ceux-ci on peut citer les PAC absorption et les PAC adsorption. La compression du fluide frigorigne est ralise par voie lectrochimique en utilisant des mlanges binaires (forms partir dun fluide frigorigne et dun absorbant) ou un solide adsorbant : les vapeurs dgages par le fluide frigorigne sont dissoutes dans labsorbeur (par un liquide absorbant prsentant une forte affinit pour ce frigorigne) ou dans ladsorbeur (par un solide adsorbeur c..d. que la sorption se fait sur la surface du solide et non dans sa masse). Le fluide frigorigne est alors de nouveau refoul de la solution par un apport de chaleur supplmentaire. Ces PAC mettent donc en uvre au moins une troisime source de chaleur : ils seront donc ncessairement au moins trithermes. 1.2.4Cycles de fonctionnement dune PAC 1.2.4.1Gnralits Dune faon tout fait gnrale, on appelle cycle la suite des transformations thermodynamiques que doit subir le fluide frigorigne pour permettre la ralisation pratique dune machine thermique. Dans la PAC le transfert de chaleur est effectu laide dun fluide frigorigne qui dcrit un cycle ferm invers : la chaleur est prleve par vaporation du frigorigne, les vapeurs dgages tant ensuite comprimes, puis refroidies et condenses avant dtre radmises dans lvaporateur, par lintermdiaire dun dtendeur. Sauf dans certains montages industriels relativement exceptionnels, les pompes chaleur utilisent les cycles frigorifiques parmi lesquels on trouve les cycles absorption, air et compression mcanique de vapeur liqufiable. 1.2.4.2Cycles compression mcanique de vapeur 1.2.4.2.1Le cycle idal Quelles que soient la puissance et la nature du fluide frigorigne, une pompe chaleur compression mcanique de vapeur comprend essentiellement les machines et dispositifs suivants : Un vaporateur : qui vaporise le frigorigne en prlevant de la chaleur au frigoporteur (air, eau etc) qui se refroidit. La vapeur sortant de cet vaporateur est sature. Lvaporation seffectue la temprature de vaporisation Tf, correspondant la pression dvaporation pF du fluide frigorigne. Le frigorigne prend au fluide frigoporteur la chaleur quil a absorb dans son circuit dutilisation. Un compresseur mcanique et son moteur : le compresseur aspire, sous la pression pF, la vapeur de frigorigne issue de lvaporateur et la comprime jusqu la pression pC pour la rejeter dans le condenseur. La pression pC sera telle que la temprature de saturation correspondant cette pression soit lgrement suprieure la temprature du fluide de refroidissement dont on dispose. 32 Un condenseur : cest un changeur de chaleur surface avec circulation dun ct du fluide frigorigne condenser et de lautre ct de fluide de refroidissement (air, eau, etc.) appel aussi fluide caloporteur. Il condense le frigorigne en cdant la chaleur au caloporteur qui schauffe de Tc1 Tc2. Le fluide frigorigne quittant cet changeur est saturant. La condensation seffectue la temprature de condensation TC correspondant la pression de condensation pC. On a : TC > Tc2 > Tc1. Un dtendeur : qui alimente en frigorigne lvaporateur sans excs ni dfaut. Le frigorigne y subit la dtente de pC pF. Ces divers lments sont relis par des tuyauteries quipes des armatures de service et de scurit usuelles. Le cycle fondamental dune telle machine ( compression mono-tage ou un seul compresseur) peut tre dcompos en quatre tapes illustres dans un diagramme entropique (T= f(s)) ou bien dans un diagramme enthalpique (Log P= g(h)) plus traditionnellement utilis par les frigoristes. 4 3 2 2 1 s(kJ/(K.kg)) T (K) 4 3 22 1 h (kJ/Kg) Log P (Pa) figure1 :Cycles thermodynamiques thoriques dune PAC compression vapeur haute pression compresseur vaporateur dtendeur condenseur vapeur basse pression liquide basse pression liquide haute pression haute tempraturebasse temprature haute pression basse pression Tc1Tc2 (frigoporteur)Tf1Tf1 (caloporteur) 33 Les tapes de transformation sont ainsi: 1- 2: compression adiabatique rversible (isentropique) : au point 1, le liquide est entirement vaporis. 2-3: condensation isotherme et isobare : il y a liqufaction. La diffrence denthalpie entre 2 et 3 reprsente la quantit de chaleur laisse au condenseur (donc fournie au caloporteur). 3- 4 : dtente isenthalpique du liquide frigorigne au travers dune vanne de laminage. Lenthalpie ne varie pas car le froid produit sert pratiquement refroidir le fluide. 4-1 : vaporation isotherme et isobare .et le cycle recommence. Ce cycle fondamental saccompagne des hypothses suivantes dune machine suppose idale : le compresseur est parfait (pas despace mort, parois impermables, pas de frottements ni de rsistance passive) les changes de chaleur dans lvaporateur et dans le condenseur se font dune manire rversible les parois des tuyauteries sont impermables la chaleur et lcoulement du fluide sy effectue sans frottement ni rsistance passive ( sauf au dtendeur videmment). Cette famille de cycles, extrmement rpandus, est utilise pour la plupart des pompes chaleur (il sert de base la plupart des applications industrielles) Cependant un tel cycle nest pas ralisable techniquement pour plusieurs raisons :dabord les compression et dtente humides entranent des usures voire des accidents brutaux pour les matriels ( coups de liquide ); ensuite la rgulation pour obtenir le bon titre en vapeur serait trop dlicate 1.2.4.2.2Quelques grandeurs caractristiques du cycle idal En se rapportant toujours au diagramme enthalpique (Log P, h) de la figure (1) il est possible dtablir les valeurs thoriques des paramtres caractrisant le cycle idal. Ce diagramme (appel aussi diagramme de Mollier ) est rapport une masse de fluide frigorigne m = 1 kg. Le choix dchelle en abscisse (enthalpie h en kJ / Kg) est trs pratique pour lexploitation quantitative du cycle, car il permet de lire directement les nergies hi aux diffrents points (1,2,3,4) du cycle de la machine. 34 1.2.4.2.2.1Bilan des changes de chaleur et de travail Chaleur extraite lvaporateur : qF = h1 h4 > 0 Travail de compression :w = h2 h1 > 0 Chaleur dgage au condenseur :qC = h3 h2 < 0 Dtente :h4 = h3 do Ah = 0(isenthalpique) 1.2.4.2.2.2Le Coefficient de performance thorique Par dfinition le coefficient de performance dune PAC thorique dcrivant le cycle idal est : COPth= chaleur produite / travail reu = |qC | / w (car ce terme ne saurait tre ngatif) doCOPth = (h2 h3) / (h2 h1) Remarque :Pour apprcier lefficacit de cette machine thermique par rapport la machine idale de Carnot, on introduit le rendement exergtique qth dfini par : qth = COPth / COPid qth = COPth.TC / (TC TF). qth = ((h2 h3).TC ) / ((h2 h1).(TC-TF)) < 1 1.2.4.2.2.3Bilan global A partir des relations tablies ci-dessus, il est possible de dresser le bilan global pour contrle du cycle idal : Chaleur reue par le systme : qF = h1 h4 Chaleur cde par le systme : qC = h3 h2 En vertu de la relation gnrale du cycle ditherme inverse on a : w = - (qC + qF) (1er principe) w = -(h3 h2 + h1 h4) w = h2 h1 car on a vu ci-haut que h3 = h4 On retrouve ainsi lexpression de w (trouve ci haut) pour le travail de compression. 1.2.4.2.3Cycle rel compression mcanique de vapeur liqufiable 1.2.4.2.3.1Ecarts par rapport au cycle thorique Lors du fonctionnement rel de linstallation, les imperfections et les pertes qui se produisent modifient notablement lallure du cycle. Lannulation des hypothses simplificatrices faites prcdemment occasionne les effets succinctement dcrits ci aprs : 35 -Le compresseur est rel, cest--dire quil comporte notamment un espace mort (le volume aspir par le compresseur peut tre trs diffrent du volume balay par le piston) et que la compression sy effectue avec des changes de chaleur, des frottements et des rsistances passives. Lallure gnrale de la courbe de compression cesse dtre une isentrope (elle est polytrope). Aspirationespace mort volume balayrefoulement -Les changes de chaleur dans lvaporateur et le condenseur se font dune manire irrversible, cest--dire en ncessitant des diffrences de temprature ; il en rsulte : La temprature effective dvaporation (Tvap) du fluide frigorigne doit tre infrieure la temprature du milieu refroidir (de lordre de 5 10 %) : Tvap < TF La temprature effective de condensation (Tcond) du fluide frigorigne doit tre suprieure la temprature du fluide de refroidissement (de lordre de 5 10 K) : Tcond > TC -Dans les tuyauteries, il se produit invitablement des pertes de charge ainsi que des changes de chaleur parasites (sous refroidissement du liquide) avec le milieu malgr lisolation thermique. Linfluence des pertes de charge est particulirement sensible du ct vapeur du circuit . Sil sen produit galement du ct liquide du circuit, il peut en rsulter des difficults de fonctionnement du dtendeur qui nassure alors plus une alimentation correcte de lvaporateur. A ces effets nfastes, il peut encore sajouter une surchauffe de la vapeur la sortie de lvaporateur, cause de celui-ci et/ou par suite dchanges de chaleur parasites le long de la tuyauterie entre lvaporateur et le compresseur. Cette surchauffe laspiration provoque un dplacement du point de dbut de compression de 1 en 1 (figure 2). Cette surchauffe est nanmoins indispensable car le compresseur, presque toujours de type volumtrique, ne doit en aucun cas aspirer du liquide. Dune manire gnrale, les influences dfavorables dcrites ci-dessus conduisent aux consquences suivantes : Augmentation du travail de compression Accroissement de la temprature en fin de compression (problmes de lubrification notamment) Diminution de la puissance frigorifique prleve au milieu froid (puissance pompe la source froide). 36 1.2.4.2.3.2Le cycle rel Lobservation dun cycle rel de pompe sur le diagramme de Mollier conduit aux constatations suivantes : 432156Condenseur EvaporateurCompresseurDtendeur figure 2 : le cycle rel Les diverses transformations qui jalonnent le cycle frigorifique rel compression sont dcrites ci-dessous : Entre les points 1 et 2, la vapeur de frigorigne est comprime de Pf PC. Lenthalpie h2 et la temprature T2 augmentent car le compresseur tant rel, la transformation est irrversible et non adiabatique. 1 3 4 2 LIQUIDE Sous refroidissement condensationdsurchauffe surchauffe laspirationvaporation 2 16 43 5 h (kJ/kg) Log P (Pa) LIQUIDE + VAPEUR VAPEUR Log PC Log PF compression dtente: cycle rel : cycle idal 37 Entre les points 2 et 3, la vapeur de frigorigne est dsurchauffe de T2 TC, puis condense la temprature constante TC, enfin le liquide form est sous-refroidi de TC T3. Entre les points 3 et 4, le liquide frigorigne se dplace dans la conduite de liquide ; sa temprature continue, gnralement, sabaisser de T3 T4 ; son sous-refroidissement augmente. Entre les points 4 et 5, le liquide frigorigne se dtend dans le rgleur (vanne de laminage) de PC PF en nchangeant, avec le milieu extrieur, ni nergie mcanique (le dtendeur est un robinet et non un moteur) ni chaleur (sa surface dchange thermique est ngligeable). Lenthalpie du frigorigne reste constante, la dtente est isenthalpique. Le liquide devant ncessairement se refroidir de T4 TF, une partie de sa masse se vaporise ( la fin de la dtente il y a un dbut dvaporation du liquide). Entre les points 5 et 6, le frigorigne se vaporise, sous la pression PF, la temprature TF, dans lvaporateur. La vapeur se surchauffe ensuite lgrement de TF T6, toujours sous la pression constante PF. Entre les points 6 et 1, le frigorigne, vapor et aspir par le compresseur, se rchauffe, dans la conduite daspiration, de T6 T1, toujours sous la pression PF. Ce cycle est ncessaire pour les calculs manuels qui utilisent les diagrammes mais ne simpose pas pour les calculs par ordinateur. Il permet cependant une visualisation complte de lvolution du frigorigne et facilite la comprhension des phnomnes. 1.2.4.3Cycle compression thermique de vapeur 1.2.4.3.1Introduction Si lon dispose dune source chaude en plus de la source gratuite temprature ambiante, il est possible dextraire de la chaleur dune source froide sans apport de travail (machines thermiques trithermes). Il existe deux principales manires de procder : Les machines frigorifiques composes dune machine thermique fonctionnant entre la source chaude et lambiance, qui entrane une machine frigorifique compression de vapeur. Les machines absorption de vapeur. Ces dernires, qui offrent lavantage de ne pas comprendre de machines tournantes ( lexception dune pompe) ont une longue histoire et sont les seules (parmi ce type de machines) ayant atteint le dveloppement industriel. 38 1.2.4.3.2Le cycle absorption Le cycle de fonctionnement dune PAC absorption est identique (dans le diagramme (Log P, h)) au cycle dune PAC compression mcanique de vapeur. Mais la diffrence provient de la nature de la compression qui diffre dans les deux systmes. Comme le cycle compression mcanique de vapeur, le cycle absorption comprend deux transformations isobares (lune haute pression (dans le condenseur) et lautre basse pression (dans lvaporateur)) avec changement de phase liquide/vapeur. Le passage de liquide de la haute pression la basse pression seffectue, comme dans le cas de la compression mcanique de vapeur, au travers dun organe de dtente (capillaire ou vanne de laminage). Mais la compression des vapeurs entre la basse pression et la haute pression seffectue laide dun compresseur thermique ou chimique. Celui-ci est constitu de deux rservoirs (labsorbeur et le gnrateur (appel galement bouilleur)), dans lesquels une phase liquide et une phase vapeur sont en quilibre thermodynamique. Le bouilleur est en contact avec la source thermique auxiliaire et est maintenu haute pression. Labsorbeur est la temprature de la source gratuite (source froide) et basse pression. Le principe de fonctionnement ainsi que le schma dun systme absorption est dcrit dans le paragraphe 2.1.2. Le COP idal dun tel cycle, en ngligeant lnergie de la pompe de circulation utilise pour faire passer la solution liquide du circuit basse pression au circuit haute pression, est donn au paragraphe 2.2.3. Ce COP thorique (COP de Carnot) se situe aux environs de 1,8 2,0 alors que dans la ralit, on ne peut dpasser des valeurs denviron 1,1 1,3 en fonction de la diffrence de temprature entre lvaporateur et le gnrateur et de limportance de linstallation. Cela est trs intressant compte tenu du fait que lnergie dpense est de lnergie thermique. Avec de telles pompes chaleur, on peut rcuprer 110 130 % de lnergie primaire investie alors que, avec une chaudire classique fuel ou gaz, on naurait pu en rcuprer que 70 80 %. Remarque:Pour une pompe chaleur absorption, leffet utile (la chaleur fournie au milieu chauffer) est recueilli environ pour moiti au niveau du condenseur et pour moiti au niveau de labsorbeur. 1.2.4.4Cycle thermodynamique air Les pompes chaleur en phase uniquement gazeuse fonctionnent gnralement avec de lair : elles quipent notamment les trs grosses installations qui ncessitent de grandes quantits de fluide caloporteur ainsi que les cabines davion. Lutilisation de lair en tant quagent de travail est dtermine par le fait quentre les limites de temprature entre lesquelles fonctionnent les PAC, lair se comporte comme un gaz parfait. Le cycle dcrit par lair est reprsent dans le diagramme (T,s) ci-dessous (il sagit dun cycle de Joule invers). 39 Les tapes de fonctionnement sont les suivantes : -de 1 2 : compression isentropique (lair est comprim adiabatiquement de ltat 1 ltat 2) -de 2 3 : condensation isobare (lair pntre dans le condenseur o il est refroidi, pression constante, jusqu' ltat 3 en cdant la chaleur qC) -de 3 4 : dtente isentropique (lair est dtendu adiabatiquement dans la turbinejusqu la pression P1) -de 4 1 : vaporisation isobare (lair reoit la quantit de chaleur qf et passe de ltat 4 ltat 1) La structure de la PAC air est identique celle de la PAC compression mcanique de vapeur. La PAC air est en ralit une PAC compression mcanique. Seulement, contrairement au cycle compression mcanique de vapeur, la puissance rcuprable lors de la dtente nest pas ngligeable, et lon utilise donc une turbine (alors que la dtente tait effectue par une vanne dans le cycle compression de vapeur. Le COP dune PAC idale air est alors : COPair = -qc / w = - qc / (-qc qf) = 1 / (1 + qf /qc) avec qc = h3 h2 = cP (T3 T2) 0(chaleur massique absorbe lvaporateur) En tenant compte des relations tablies ci-dessus on obtient : ) 3 2 () 4 1 (11T TT TCOPair== 1 / [1 T4/T3)] = 1 / [1 (P1/P2) /(-1) ] (car P4 = P1, P3 = P2, T1/T4 = T2 / T3 et T4/T3 = (P4/P3) /(-1) ) vaporation dtente condensation 4 3 1 2 s T Qf compresseur vaporateur dtendeur condenseur QC compression 40 Le COP dpend donc du rapport des pressions entre lentre et la sortie du compresseur. Ces machines requirent un rapport de pression minimum qui crot rapidement avec le rapport TC / Tf. On montre que pour des rapports de pression modrs, le COP diminue rapidement, et, en tenant compte du rendement des machines, il est encore rduit (environ dun facteur 3). Ces machines thermiques ne sont donc pas comptitives avec les machines compression de vapeur. Cependant leur faible poids (d lutilisation de turbomachines) est un avantage dcisif (notamment pour le conditionnement dair dans les avions). 1.2.5Caractristiques relles de la PAC compression mcanique On se place dans le cas dune PAC dcrivant un cycle compression mcanique. On suppose que cette machine fonctionne en rgime permanent tout en ngligeant les variations dnergies cintique et potentielle. On a ainsi, pour une masse de frigorigne, entre lentre e et la sortie s dun lment du circuit thermodynamique : q + w = hs he 1.2.5.1Chaleur et puissance calorifiques produites au condenseur Dans les conditions dcrites ci-haut et tant donn que le condenseur est une machine statique (w = 0) : La chaleur produite , qc, par unit de masse de frigorigne qui se dsurchauffe, se liqufie et se sous - refroidit dans le condenseur (de 2 3) est : qc = h3 h2 < 0do :|qc| = h2 h3 (qc est exprim en kilojoules / kilogrammes) La puissance calorifique (thermique) produite au condenseur est (en valeur absolue) alors : PC = .m .|qc| =.m(h2 h3) Avec .m: dbit massique (en kilogrammes par seconde) de la PAC. 1.2.5.2Chaleur et puissance calorifiques extraites lvaporateur La chaleur extraite, qF, par unit de masse de frigorigne qui svapore (de 5 6) est, daprs le cycle tudi : qF = h6 h5 Par consquent, la puissance calorifique quune PAC absorbe sa source froide (le dbit massique .mtant connu) est : PF = .m .(h6 h5) 41 1.2.5.3Travail et puissance absorbes par le compresseur Pour comprimer le dbit massique .mde vapeur de 1 2, le compresseur recevrait le travail : w = h2 h1 et donc la puissancePcomp =.m .(h2-h1) En tenant compte des pertes (thermodynamiques et mcaniques) le compresseur rel doit consommer, sur son arbre, la puissance effective : Prelle = Pcomp / qrel = .m .(h2-h1) / qrel (qrelreprsente le rendement du transfert de puissance mcanique au compresseur). 1.2.6COP dune PAC relle compression mcanique de vapeur 1.2.6.1Le coefficient de performance rel Le COP peut tre exprim partir des notations de la figure (2) reprsentant le cycle rel. En effet : COP rel = |qc| / w = (h2 h3)/(h2 h1) On constate que :COP rel < COP idal Ainsi donc toutes les irrversibilits du cycle rel font baisser le COP par rapport au COP de la machine idale de CARNOT. 1.2.6.2Les facteurs influents du COP Les facteurs qui influencent le COP sont : Les pressions PC (pression absolue du fluide frigorigne au condenseur) et PF ( lvaporateur): le COP est dautant meilleur que le rapport PC / PF est plus faible, ce qui revient dire que la temprature de la source froide doit tre aussi tide que possible. La puissance globale de la pompe chaleur , cest--dire du compresseur utilis : le rendement du compresseur est en principe meilleur sur les compresseurs industriels de grande taille, et la puissance lectrique des auxiliaires (pompes et ventilateurs) sera proportionnellement plus faible sur les installations qui dpassent une puissance de lordre de 100 kW. La nature du fluide frigorigne utilis : en effet, le rendement dun compresseur dpend non seulement de son rgime de marche et de son rapport de compression mais aussi du fluide utilis. 42 La qualit de la rgulation : il est important que la pompe chaleur ne soit pas surdimensionne, et quelle corresponde aux demandes de chaleur des logements ou des locaux. Cela amne donc concevoir des pompes chaleur avec 4 ou 5 compresseurs qui se mettent en route successivement lorsque la temprature ambiante extrieure sabaisse. Le thermostat doit tre convenablement plac dans la pice chauffer et ne pas provoquer des remises en route trop frquentes, surtout lorsque les locaux sont inoccups. 1.2.6.3Le COP global Le COP global diffre du COP rel de la machine, car il faut tenir compte des pompes de circulation deau, des ventilateurs dair, de lnergie de dgivrage, etc. En ajoutant les diverses consommations pour faire fonctionner ces accessoires, on dfinit le COP global de linstallation par : COPg = k . COPid = k.[ 1 (TF / TC)] o k est un facteur qui dpend du type dinstallation : k = 0,4 0,45 pour de toutes petites machines (de la taille dun climatiseur individuel) k = 0,5 0,55 pour une machine de moyenne puissance (de la taille dune pompe chaleur de maison individuelle) k = 0,6 pour les machines de plusieurs dizaines ou centaines de kW k = 0,7 0,75 pour les machines de trs grandes puissances (plusieurs milliers de kW) Ce COP nintgre ni les pertes de chaleur dans les conduites, ni la consommation du chauffage dappoint (quand il existe). 1.2.6.4Le coefficient dexploitation Le plus souvent on introduit un coefficient dexploitation (COE) comme critre pour lexploitation conomique dune installation de pompe chaleur. Le COE exprime le rapport entre une consommation annuelle de rfrence de chauffage (lectrique ou autre) du local et la consommation globale relle du chauffage par pompe chaleur du mme local, y compris tous les accessoires et chauffage dappoint. Le COE set dfini par : COE = Eu / (Em + Ea) Avec :Eu : nergie utile obtenue pendant le temps t Em et Ea :nergies fournies ou absorbes par linstallation complte de pompe chaleur. 1.2.6.5Le rendement de cycle On dfinit galement le rendement de transformation (ou degr effectif de rversibilit relatif au cycle de Carnot invers), par le rapport entre lefficacit effective du cycle rel et celle du cycle de Carnot voluant entre les mmes tempratures extrmes : 43 qtr = COPrel / COPC Pour les pompes chaleur compression mcanique de vapeur utilisant des compresseurs volumtriques , qtr est compris entre 0,35 et 0,45 pour de petites puissances et monte 0,60 0,65 pour les moyennes et grandes puissances. 1.3Les fluides frigorignes 1.3.1Terminologie et nomenclature Un fluide frigorigne est un compos chimique facilement liqufiable dont on utilise les chaleurs latentes (vaporisation ou de condensation) pour produire du froid ou de la chaleur. On peut classer les frigorignes en deux familles : les composs inorganiques et les composs organiques. 1.3.1.1Les composs inorganiques Les frigorignes appartenant cette famille sont dsigns par la srie des 700. Les deux derniers chiffres indiquent la masse molaire (en grammes) du corps. Lammoniac (NH3) est sans doute lexemple le plus connu de ce groupe. Sa dsignation est le R717 car sa masse molaire est de 17 g. La lettre R signifiant quil sagit dun rfrigrant . Lammoniac est utilis aujourdhui pour les installations de forte puissance temprature moyennement basse. Ses caractristiques techniques sont bonnes. Il est peu coteux et peu sensible la prsence deau ou dair. Cependant il est inflammable et toxique, ce qui limite pratiquement son emploi certains quipements industriels (production de froid pour le stockage de denres). 1.3.1.2Les composs organiques Ces fluides frigorignes sont en ralit des hydrocarbures halogns car ce sont des drivs halogns du mthane (CH4) et de lthane (C2H6). Ces rfrigrants peuvent tre des corps purs ou des mlanges de corps purs. 1.3.1.2.1Les corps purs Les corps purs sont dsigns selon la nomenclature R-ijkBr, due lInstitut International du Froid (I.I.F.) avec : i=nombre datomes de carbone 1 j=nombres datomes dhydrogne + 1 k=nombre datomes de fluor r=nombres datomes de brome Par consquent les rfrigrants deux chiffres sont ceux comprenant un seul atome de carbone (par exemple le R-22). Le tableau ci-dessous recense quelques rfrigrants et leurs dsignations : 44 DnominationFormule Chimique R-11CFCl3 R-12CF2Cl2 R-12B1CF2ClBr R-22CHF2Cl Les corps purs les plus rpandus sont : les ChloroFluoroCarbone (ou CFC) qui sont connus sous le nom commercial de fron : exemple le R-12 les HydroChloroFluoroCarbone (ou HCFC) pour lesquels il y a un remplacement partiel des atomes de chlore par des atomes dhydrogne : exemple le R-22 les HydroFluoroCarbone (ou HFC) pour lesquels il y a un remplacement total des atomes de chlore par des atomes dhydrogne : exemple le R-134a 1.3.1.2.2Les mlanges On distingue les mlanges azotropiques et les mlanges zotropiques. Les mlanges azotropiques se comportent comme des corps purs. Ils sont dsigns sous la Srie des R500. Les deux derniers chiffres indiquent le numro dordre dapparition sur le march. Exemple : le R502 est un mlange constitu de 48,8% de R-22 et de 51,2% de R-115. Les mlanges zotropiques se vaporisent et se condensent, non pas une temprature constante, mais sur une plage de temprature. Ils ne se comportent donc pas comme des corps purs. Ces mlanges sont dsigns sous la srie des R400, les deux derniers chiffres indiquant le numro dordre dapparition sur le march. Exemples de rfrigrants concerns : le R404A (ou FX 70), le R408A (ou FX 10) et le R409A (ou FX 56) 1.3.1.2.3Protection de lenvironnement Les hydrocarbures halogns ont de bonnes proprits thermodynamiques et de transfert de chaleur. Inodores, la prsence du fluor les rend trs stables (leur dure de vie est trs longue (120 ans pour le R-12)), ininflammables et non toxiques. Ils sont compatibles avec les matriaux de construction, certaines huiles et les lastomres. Ils ont toujours donn satisfaction. Malheureusement, leur trs grande stabilit, en particulier des composs sans atome dhydrogne, est galement lorigine de leur principal dfaut : ils exercent une action nocive sur lenvironnement. En effet ces composs diffusent sans tre dcomposs jusqu la stratosphre, o ils sont dcomposs par des ractions photochimiques, librant du chlore qui ragit avec lozone stratosphrique. Une molcule de chlore peut dtruire 50 000 100 000 molcules dozone. Depuis que lon connat leur effet destructeur de lozone dans la stratosphre et leur impact sur le rchauffement de latmosphre (effet de serre), le remplacement des produits nocifs par des substances neutres et respectueuses de lenvironnement simpose. 45 Le protocole de Montral prvoit larrt de la production et de lutilisation des composs halogns les plus stables, dont les frigorignes R-11, R-12 et R-115. Actuellement, lindustrie chimique recherche des produits de substitution. Ceux qui sont ltude prsentent des proprits thermodynamiques et technologiques admissibles. Ils ne sont pas toxiques ou ne le sont que faiblement, mais ils sont moins stables parce que partiellement hydrogns. La protection de lenvironnement conduit galement limiter lutilisation de certains de ces fluides pour lutter contre leffet de serre qui lve la temprature de latmosphre. Egalement pour pargner la couche dozone stratosphrique qui protge la Terre des rayonnements nocifs en provenance de lespace. Une convention internationale a adopt un accord qui prvot larrt complet de la production des CFC. Plusieurs annes de recherche et de dveloppement ont conduit lintroduction sur le march du R-123, substitut du R-11, et du R-134a en remplacement du R-12. Les deux fluides R-12 et R-134a diffrent peu quant aux proprits thermodynamiques. En revanche, leffet de serre produit par le R-134a est environ dix fois infrieur celui du R-12. Ltat actuel des connaissances a permis de constater que le R-134a est moins toxique que le R-12, son limination peut nanmoins engendrer la production de substances toxiques. 1.3.2Critres de choix Les fluides frigorignes ont pour rle dassurer les transferts thermiques entre lvaporateur et le condenseur. Pour cela ils doivent rpondre un certain nombre de critres : thermodynamiques (obtention du rendement optimal, tempratures dvaporation et de condensation comprises entre le point triple et le point critique), de scurit (toxicit, inflammabilit), techniques (action sur le milieu refroidir, les matriaux constitutifs de lamachine et les huiles de graissage), conomiques et cologiques. Dune manire gnrale les fluides frigorignes utiliss doivent prsenter les proprits physico-chimiques suivantes : Une basse temprature de vaporisation la pression atmosphrique afin de soutirer la chaleur une pression lgrement suprieure la pression atmosphrique et ainsi viter la pntration de lair dans lvaporateur. Une caractristique favorable des courbes de saturation, afin dobtenir des rapports de compression modrs. Des pressions de condensation rduites aux tempratures exiges par les consommateurs, dans le but de rduire le travail mcanique de compression, des pertes de fluide dans le milieu ambiant ainsi quune construction plus simple du compresseur. Une chaleur latente leve dans le domaine des tempratures de fonctionnement, ce qui conduit des dbits rduits dans linstallation et des coefficients de transfert thermiques levs. 46 Une valeur du volume spcifique des vapeurs et de la viscosit du liquide aussi basses que possible. Une stabilit chimique sur tout le domaine des tempratures de fonctionnement et une compatibilit avec les huiles de graissage et les matriaux constructifs de linstallation. Une solubilit totale par rapport leau, afin dviter la formation de morceaux (bouchons) de glace. tre non inflammables, non toxiques et non explosifs. Une rigidit dilectrique leve, surtout dans le cas des installations sertisses o lagent thermodynamique entre en contact direct avec les lments du circuit lectrique. tre non polluants, la suite dventuelles fuites, pour le milieu de distribution de la chaleur. Avoir un cot acceptable, surtout pour les installations de grande puissance. 1.3.3Les fluides thermodynamiques utiliss dans les cycles de PAC On utilise le plus souvent les fluides R-12, R-22, R-500, R-502, R-134a, pour les PAC de basse et moyenne temprature (0 50C), et R-11, R-113, R-114, R-123, FC-72 et FC-88 pour les PAC haute temprature (70 120C). Le choix du fluide frigorigne dpend des tempratures des sources froide et chaude. Pour les installations les plus courantes, on utilise le R-22 qui ne pose gure de problmes technologiques lorsque les niveaux de temprature restent modrs (ce qui permet de limiter le taux de compression de la machine) : Temprature infrieure 55C la source chaude. Temprature comprise entre 10C et + 10C la source froide. Le R-12 mriterait dtre utilis plus frquemment en raison de certaines de ses qualits thermodynamiques, mais donne des rsultats sensiblement infrieurs ceux du R-22 ou du R-502 : Temprature critique plus leve Temprature de refoulement aprs compression plus basse, ce qui le situe particulirement bien lorsque la pompe chaleur travaille basse temprature dvaporation Pression de condensation plus faible. Malheureusement, sa puissance thermique plus faible que pour le R-22 ou le R-502 en limite lutilisation pour des raisons conomiques. 47 La plupart des constructeurs utilisent actuellement le R-22 lorsque lon ne dpasse pas les plages de temprature rappeles prcdemment (pour des raisons de durabilit, autre critre de choix dune pompe chaleur, le R-502 pourrait tre aussi slectionn). Ceci sexplique par sa puissance thermique leve et son excellente conductivit thermique rapporte celle du R-12. Ce dernier serait mieux adapt lobtention de tempratures de lordre de 70 90C et la production deau chaude sanitaire. Pour des raisons videntes de scurit (inflammable et toxique), on ne peut retenir le NH3 qui donne pourtant les meilleures perform