Terminale STL – SPCL Systèmes et Procédés Activités – séquence n°1: Utiliser des machines thermiques

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Séquence n°1 Les machines thermiques réceptrices

Fiche de synthèse liée à cette séquence :

PARTIE A : Les machines thermiques réceptrices

ACTIVITÉ 1 : Etude d’une pompe à chaleur pour un plancher chauffant

Lors de la construction d’une maison individuelle, afin de respecter la règlementation thermique RT 2012 en vigueur, on

installe une pompe à chaleur pour le chauffage de la maison. La pompe échange de l’énergie avec l’air extérieur et chauffe

l’eau qui circule en circuit fermé dans des serpentins encastrés sous le plancher chauffant.

Doc.1 – Extrait de http://travaux.edf.fr/construction-et-renovation/bati-et-solutions/pompe-a-chaleur-pac-et-rt-2012

DOCUMENT 1 : Pompe à chaleur (PAC) et RT 2012

La pompe à chaleur, une solution type pour la RT 2012

La réglementation thermique 2012 impose un certain nombre d’exigences parmi lesquelles une consommation

annuelle d’énergie primaire inférieure à 50 kWh par m².

La PAC vous permettra d’y arriver aisément et assurera à la fois, selon le modèle, le chauffage et la production

d’eau chaude de votre logement.

Pompe à chaleur = énergie renouvelable

Autre exigence de la RT 2012, l’usage d’une source d’énergie renouvelable (EnR), ou d’un système dit alternatif,

devant représenter au moins 5KWhep/m².an.1

La pompe à chaleur est donc un équipement clé de la RT 2012 car elle valorise des apports d’énergie gratuits

(calories de l’air, du sol ou de l’eau) selon le type de PAC (aérothermique, géothermique ou hydrothermique) et

répond ainsi à l’enjeu de l’environnement durable et de la réduction des émissions de gaz à effet de serre.

1 : KWhep/m².an =kWh d’énergie primaire par unité de surface et par an. On entend par énergie primaire la première

forme d’énergie directement disponible dans la nature avant toute transformation.

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Doc.2 – Pompe à chaleur pour plancher chauffant

http://www.kbane.com/pompe-a-chaleur-pour-plancher-chauffant.html

Doc.3 –Evolution du COP en fonction de la température de la source froide et de la température optimale de l’eau à

chauffer (35°C pour le plancher chauffant basse température, 50°C pour les radiateurs haute température)

http://www.asder.asso.fr/info-energie/choix-energies/chauffage-eau-chaude/geothermie-pompe-a-chaleur

1. D’après les documents et vos connaissances sur le sujet, expliquer quels sont les intérêts économiques et

environnementaux de l’utilisation d’une pompe à chaleur pour le chauffage de la maison.

DOCUMENT 3 : Evolution du COP en fonction de la température de la source froide

DOCUMENT 2 : Schéma de principe d’une pompe à chaleur pour plancher chauffant

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2. Préciser sur le schéma ci-dessous quelles sont la source chaude et la source froide.

Faire apparaître sur les doubles flèches du schéma les échanges d’énergie intervenant dans le fonctionnement

de cette pompe à chaleur ditherme :

– Energie thermique échangée avec la source chaude Qc

– Energie thermique échangée avec la source chaude Qf

– Energie échangée sous forme de travail W

Préciser à chaque point du cycle (1,2, 3 et 4) quel est l’état du fluide frigorigène (liquide ou gaz) ainsi que de

manière qualitative la pression du fluide (basse pression ou haute pression).

3. Sur la documentation technique de la pompe à chaleur, on lit :

– Puissance thermique échangée avec la source chaude : Pc = 13,3 kW

– Puissance électrique consommée : Pélec = 3,8 kW

Exprimer et calculer numériquement le coefficient de performance de cette pompe à chaleur.

En effectuant un bilan d’énergie sur cette pompe, en déduire la puissance thermique échangée avec la source

froide et commenter le signe du résultat obtenu.

4. L’énergie thermique est transmise à l’eau du circuit de chauffage par l’intermédiaire d’un échangeur thermique.

Le débit dans le circuit d’eau est Qv = 0,8 m3.h-1.

Sachant que l’eau pénètre dans l’échangeur à la température de Te= 20°C, donner l’expression de sa température

Ts à la sortie de l’échangeur et la calculer.

On prendra les valeurs suivantes pour la capacité thermique massique de l’eau ceau = 4,18 kJ.kg-1.K-1 et la masse

volumique de l’eau ρeau = 1000 kg.m-3.

La température déterminée est-elle conforme à la valeur indiquée sur les documents pour un fonctionnement

optimal du plancher chauffant basse température ?

5. Nous souhaitons étudier les performances de la pompe à chaleur air/eau en fonction des conditions climatiques.

Ce type de chauffage est-il plus adapté pour une maison située dans une région où le climat est plutôt sec et

tempéré ou dans une région où l’hiver est rigoureux et humide ? Justifier votre réponse.

DETENDEUR

EVAPORATEUR

COMPRESSEUR

CONDENSEUR Source ……... :

……………………

Source ……... :

……………………

1

2 3

4

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ACTIVITÉ 2 : ETUDE EXPERIMENTALE D’UNE MACHINE FRIGORIFIQUE

Le dispositif suivant permet l’étude du fonctionnement d’un groupe froid à compression et la détermination du

coefficient de performance (COP) de cette machine frigorifique en appliquant le premier principe de la

thermodynamique.

Le document ci-dessous représente la machine frigorifique étudiée.

Doc.1 – Photographie de « Refrigeration Laboratory Unit R714 », utilisant comme fluide frigorigène R134a

1. A partir d’une recherche documentaire, trouver et justifier au moins 3 critères de choix d’un bon fluide

frigorigène.

2. Après la mise en route de l’installation avec une puissance constante fournie à l’évaporateur par une résistance

électrique, régler le débit d’eau de refroidissement du condenseur pour obtenir une pression donnée au niveau

du condenseur.

Proposer une méthode pour mesurer ce débit d’eau. Après vérification du professeur, effectuer cette mesure.

3. Lorsque l’installation est en équilibre (stabilisation des mesures), effectuer un relevé de valeurs comportant

notamment : les pressions au condenseur et à l’évaporateur, toutes les températures, les débits d’eau et de

fluide frigorigène.

DOCUMENT 1 : Photographie légendée de la machine frigorifique

Vanne de

détente

Condenseur

Evaporateur

Compresseur

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4. Premier principe de la thermodynamique :

Evaluer les quantités d’énergie thermique échangées Q1 et Q2 lors de l’évaporation et la condensation du fluide

frigorigène à l’aide des variations d’enthalpies mesurées sur le cycle froid tracé sur le diagramme enthalpique

(document 2). En effet, au cours d’une transformation isobare, l’énergie échangée par transfert thermique est

égale à la variation d’enthalpie du système (Q = ΔH).

En déduire à l’aide du premier principe de la thermodynamique le travail W fourni lors de la compression.

5. Déterminer la puissance thermique P2 échangée lors de la condensation à partir de Q2 et du débit de fluide

frigorigène.

Vérifier alors la valeur de P2 en calculant la puissance thermique échangée à partir du débit d’eau de

refroidissement et de ses températures d’entrée et de sortie.

Donnée : Cp (eau) = 4,18 kJ.kg-1.K-1

6. Calculer le coefficient de performance (COP) de cette machine frigorifique. Conclure sur l’intérêt énergétique de

cette installation.

Doc.2 Diagramme enthalpique du fluide frigorigène R134a – (Extrait de http://www.chimix.com/an7/bts/fee72.htm)

DOCUMENT 2 : Diagramme enthalpique

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Doc.3 Tracé du cycle froid sur le diagramme enthalpique (diagramme de Mollier)

Doc.4 Résultats expérimentaux utilisables pour l’activité

DOCUMENT 3 : Tracé du cycle sur le diagramme enthalpique

Le tracé du diagramme nécessite la détermination de la position de 4 points :

Le point 1 : entrée du compresseur (sortie de l'évaporateur) obtenu par l'intersection de la pression évaporateur

(pression absolue) et de la température T1 (vapeur)

Le point 2 : sortie du compresseur obtenu par l'intersection de la pression du condenseur (pression absolue) et de la

température T2 (vapeur)

Le point 3 : entrée vanne de détente, obtenu par l'intersection de la pression du condenseur (pression absolue) et de

la température T3 (liquide)

Le point 4 : sortie de la vanne de détente, détente isenthalpique (enthalpie constante) obtenu en traçant une droite

verticale depuis le point 3 jusqu'à l'intersection de la ligne de pression de l'évaporateur (pression absolue) (liquide-

vapeur)

DOCUMENT 4 : Exemple de résultats expérimentaux

Mesure du débit d’eau de refroidissement au niveau du condenseur :

Durée de la mesure : t = 3 min

Masse d’eau récupérée : Essai 1 : m1 = 1,28 kg Essai 2 : m2 = 1,23 kg Essai 3 : m » = 1,27 kg

Valeurs expérimentales (installation en régime stationnaire : puissance fournie à l’évaporateur de 350 W) :

Pressions relatives au condenseur et à l’évaporateur : P(condenseur) = 10 bar et P(évaporateur) =0,7 bar

Températures du fluide frigorigène aux 4 points du cycle : T1 = -2,9 °C T2 = 62,2 °C T3 = 34,6 °C T4 = -14,9 °C

Températures d’entrée et sortie de l’eau de refroidissement du condenseur : TE = 20,3 °C TS = 39,6 °C

Débit indiqué sur le débitmètre à flotteur : Qm(fluide frigorigène) = 3,0 g.s-1