Usage du diagramme enthalpique

Usage
du diagramme enthalpique
1
Diagramme h,log pdu R134a
2
compression
Condensat ion
Dét ent e
Evaporat ion
Pression absolue
100,000
10,000
2
3
4
1,000
1
0,100
100
4
3
150
200
250
300
350
Enthalpie massique
400
450
500
550
Sommaire
•
•
•
•
Rappel
Cycle de base
Présentation du diagramme enthalpique.
Tracer un cycle d’une machine à compression de
vapeur.
• Calcul des puissances et du COP
• Exercices et TP
Rappel
• Le circuit frigorifique est constitué de 5 éléments
de base:
Compresseur
• Compresseur
• Condenseur Évaporateur
• Détendeur
• Évaporateur
Détendeur
• Fluide frigorigène
Condenseur
Le fluide frigorigène
Rappel
Il y a deux niveaux de pressions dans le circuit
frigorifique:
BP
HP
• Haute Pression (HP)
Compresseur
• Basse Pression (BP)
Évaporateur
Détendeur
Condenseur
Le fluide frigorigène
Rappel
Le fluide frigorigène se retrouve sous trois états
différents:
• Vapeur
Compresseur
Vapeur
Vapeur
• Liquide
Évaporateur
• Mélange
liquide-vapeur
Liquide-Vapeur
Détendeur
Condenseur
Liquide
Le fluide frigorigène
Rappel
Les notions de chaleurs:
• Chaleur sensible
• Chaleur latente
Rappel
Application au circuit frigorifique
Surchauffe:
Variation de température
Chaleur sensible
Vapeur/
BP
Vapeur/
HP
Désurchauffe:
Variation de température
chaleur sensible
Condensation:
changement d’état
Chaleur latente
Évaporation:
Changement d’état
Chaleur latente
Liquide-Vapeur /BP
Liquide/
HP
sous-refroidissement:
Variation de température
Chaleur sensible
Cycle de base
Le cycle frigorifique de base est repéré par 4 points.
Par convention:
•
•
•
•
1=aspiration compresseur
2=refoulement compresseur
Vapeur
3=entrée détendeur
4=entrée évaporateur
BP
HP
Compresseur
1
2
Vapeur
Évaporateur
Liquide-Vapeur
Détendeur
4
3
Condenseur
Liquide
Tableau récapitulatif
BP
Vapeur
HP
Compresseur
1
2
Vapeur
Évaporateur
Liquide-Vapeur
Détendeur
4
3
Condenseur
Liquide
Tableau récapitulatif
Points
Pression
Etat
1
BP
vapeur
2
HP
vapeur
3
HP
liquide
4
BP
liquide+vapeur
Présentation du diagramme
enthalpique
Courbes de bulle
Point critique
Isentrope
Liquide
Pression
absolue
(bar)
Sous-refroidi
Isobare
Isochore
Mélange
Liquide+vapeur
Courbes de rosée
Vapeur
surchauffée
Isotitre
Isenthalpe
Enthalpie-massique (kJkg)
Isotherme
Exemple de lecture
Diagramme h,log P du R134a
100,0
0,04 m3 / kg
3
Mélange
Mélange
Liquide+vapeur
Liquide+vapeur
3
3
0,2 m3 / kg
0,3 m3 / kg
0,4 m3 / kg
0,5 m3 / kg
0,6 m3 / kg
0,7 m3 / kg
0,8 m3 / kg
V=1 m3 / kg
-30
0,2 0,3
0,4
0,6
0,7 0,8 0,9
Xv=0,5
60
150
200
250
300
350
Enthalpie massique (kJ/kg)
400
450
100
-50
0,1
80
-40
0,1
100
0,06 m / kg
Vapeur
Vapeur 0,08 m / kg
0,1 m / kg
surchauffée
surchauffée
500
140
1,0
50
0,02 m3 / kg
120
t=
-10
-20
10
20
30
40
70
0,01 m3 / kg
60
10,0
Liquide
Liquide
Sous-refroidi
Sous-refroidi
60
10
80 90
-40
-20
0
°C
20
40
Pre ssion absolu e
ThermoRic
Auteur BYS
550
Tracer un cycle d’une machine à
compression de vapeur.
La
Plaçons
Plaçons
le
le
point
point
2se
3à
au
refoulement
:à pression
AL’évaporation
Plaçons
Chute
lacondensation
Représentons
fin de
leCompression
pression
l’évaporateur,les
point
se1
fait
les
àfait
l’aspiration
travers
à
deux
pression
le du
du
constante
compresseur.
.(on
néglige
les
de
charges).
vapeurs
compresseur.
détendeur
constante.
niveaux
se
surchauffent.
(on
de
néglige
pression
lespertes
pertes
HP
de
charges).
et BP
Liquide
sous-refroidi
à la
HP
Sous-refroidissement
HP
Pression
absolue
(bar)
1
2
Désurchauffe
3
2
Ev
BP
4
1
Surchauffe
Enthalpiemassique (kJkg)
Cd
4
3
La
Plaçons
Plaçons
le
le
point
point
2se
3à
au
refoulement
:à pression
AL’évaporation
Plaçons
Chute
lacondensation
Représentons
fin de
leCompression
pression
l’évaporateur,les
point
se1
fait
les
àfait
l’aspiration
travers
à
deux
pression
le du
du
constante
compresseur.
.(on
néglige
les
de
charges).
vapeurs
compresseur.
détendeur
constante.
niveaux
se
surchauffent.
(on
de
néglige
pression
lespertes
pertes
HP
de
charges).
et BP
Liquide
sous-refroidi
à la
HP
Exemple:
Diagramme h,log P du R134a
100,0
HP
3
20
150
0,02 m3 / kg
2
0,04 m3 / kg
0,06 m3 / kg
0,08 m3 / kg
0,2 m3 / kg
0,3 m3 / kg
1
Surchauffe
300
350
Enthalpie massique (kJ/kg)
400
450
500
140
250
0,7 0,8 0,9
120
200
0,6
0,4 m3 / kg
0,5 m3 / kg
0,6 m3 / kg
0,7 m3 / kg
0,8 m3 / kg
V=1m3 / kg
100
0,2 0,3
0,4
Xv=0,5
60
0,1
100
0,01m3 / kg
0,1 m3 / kg
4
0,1
Désurchauffe
10
-30
-40
-50
10
80
BP
5
70
90
60
1,0
t=
-10
-20
30
40
60
80
20
40
10,0
Sous-refroidissement
-40
-20
0°C
Pression absolue
ThermoRic
Auteur BYS
550
Calcul de puissance et de débit
Puissance frigorifique:
C’est la quantité de chaleur (en kJ) absorbée par unité de temps, par le
fluide frigorigène au médium à refroidir.
Elle s’exprime en kJ/s donc en kW.
Φo=qm∗(h1−h4)
Φo:Puissance frigorifique en kW
qm:Débit masse de fluide frigorigène en kg/s
h1:Enthalpie massique sortie évaporateur en kJ/kg
h4:Enthalpie massique entrée évaporateur en kJ/kg
Calcul de puissance et de débit
Volume aspiré:
C’est le débit de volume aspiré par le compresseur .C’est le volume occupé
par les vapeurs de fluide frigorigène à l’aspiration du compresseur.
qva=qm∗V'
qva:Débit volume aspiré en m3/s
qm:Débit masse de fluide frigorigène en kg/s
V’aspiré:Volume massique à l’entrée du compresseur en m3/kg
Calcul de puissance et de débit
Taux de compression :
C’est le rapport de pression de refoulement sur la pression
d’aspiration exprimées en bars absolus.
P2
Γ=
P1
Γ:taux de compression
P2: pression de refoulement en bars absolus
P1: pression d’aspiration en bars absolus
Calcul de puissance et de débit
Rendement volumétrique :
C’est le rapport entre le débit volume aspiré et le débit volume balayé du
compresseur.Le rendement volumétrique est influencé par différents
facteurs:
qva
ηv=
qvb
•Par la détente de l’espace mort (le type de fluide frigorigène)
• L’étanchéité des clapets et des segments n’est pas parfaite
• Les clapets présentent une certaine perte de charge
• Les gaz d’aspiration se réchauffent au contact des clapets d’aspiration et
de la paroi du cylindre .Par conséquent ,des vapeurs s’évaporent de l’huile.
Calcul de puissance et de débit
Rendement volumétrique :
En utilisant une bonne approximation ,on obtient la formule
suivante du rendement volumétrique:
ηv=1−0,05∗Γ
ηv:Rendement volumétrique
Calcul de puissance et de débit
Débit volume balayé :
C’est le débit volume engendré par la cylindrée du compresseur:
qva
qvb=
ηv
ηv:Rendement volumétrique
qvb:Débit volume balayé par le compresseur en m3/s
qva:Débit volume aspiré par le compresseur en m3/s
Calcul de puissance et de débit
Puissance compresseur:
Elle correspond à la puissance nécessaire au
compresseur pour comprimer les vapeurs de fluide de la BP
à la HP et elle doit vaincre les frottements mécaniques.
Elle dépend surtout de la quantité de fluide à
comprimer et du taux de compression.
Calcul de puissance et de débit
Puissance compresseur:
La puissance mécanique du compresseur est égale à:
qm∗(h2is −h1)
Pcpméca =
ηi∗ηm
Pour simplifier
nos calculs;
on prendra ηi= ηv
Pcpméca:Puissance mécanique compresseur en kW
qm:Débit masse de fluide frigorigène en kg/s
h2is:Enthalpie massique des vapeurs refoulés lors d’une compression
isentropique en kJ/kg
h1 :Enthalpie massique des vapeurs aspirés en kJ/kg
ηi:Rendement indiqué
ηm:Rendement mécanique
Calcul de puissance et de débit
Puissance rejetée au condenseur:
C’est la quantité de chaleur à évacuer pour permettre au fluide de se
condenser par unité de temps .Elle correspond à la chaleur absorbée par le
fluide dans l’évaporateur ainsi que la chaleur due au travail de compression
par unité de temps.
Φk =Φ0+Pcpméca +q
Φk:Puissance rejetée au condenseur en kW
q:Quantité de chaleur captée par le fluide dans la ligne d’aspiration ,chaleur
dissipée par effet joule dans les semi-hermétiques et hermétiques par unité
de temps.
Définition:
• Enthalpie:
• L’enthalpie représente l’énergie totale
contenue dans un fluide .Elle est constitué
de l’énergie interne et du travail extérieur
qu’il a fallu lui fournir pour atteindre l’état
considéré.
Définition:
• Pression absolue:
– La pression absolue est égale à la pression
relative (pression mano) + 1 bar.
Pabs = Prelative + 1
Définition:
• Volume massique:
– C’est le volume occupé par une masse de 1 kg
de fluide
Unité : m3/kg
Remarque: le volume massique est d’autant plus
important que la pression qui règne sur le fluide
est faible.
Définition:
• Titre en vapeur:
– C’est le pourcentage de vapeur contenu dans un
mélange liquide-vapeur .Il est utilisé pour
mesurer la quantité de vapeur lors de
l’évaporation ou de la condensation.
Définition:
• Point critique:
– C’est le point de rencontre entre la courbe de
rosée et la courbe de bulle .
– Il représente la température au-delà de laquelle
aucune pression ,si élevée soit-elle , ne
provoque la condensation
Définition:
• entropie:
Définition:
• Détente:
La chute de pression due au détendeur
est isenthalpique .On constate qu’en cours
de détente ,une partie du fluide s’est
vaporisée afin de refroidir de Tk à To le
liquide restant.
Définition:
• Évaporation:
– L’évaporation se fait à pression constante
.L’enthalpie du fluide augmente au fur et
à mesure de son avance dans
l’évaporateur.A la fin de l’évaporateur,les
vapeurs se surchauffent.
Définition:
• Compression:
• La compression est isentropique (ou
adiabatique) .Pendant la compression, le
fluide absorbe une quantité de chaleur qui
correspond au travail fourni par le
compresseur .Le travail augmente avec la
pression et la température.
Définition:
• Condensation:
La condensation se fait à pression constante.
Il y a 3 étapes dans le condenseur:
• Désurchauffer les vapeurs refoulées
• Condenser le fluide
• Sous-refroidir le liquide avant la détente.
Définition:
• entropie:
Définition:
• Débit masse:
C’est la quantité de fluide frigorigène à
évaporer et à faire circuler pour obtenir la
puissance frigorifique .
Le débit masse s’exprime en kg de fluide par
unité de temps (kg/s)
Définition:
• Rendement mécanique:
C’est une caractéristique propre à chaque
compresseur.Il est donné par le constructeur.
Définition:
• Chaleur sensible:
C’est la quantité de chaleur en joules qui
provoque la variation de température d’un
corps sans modifier son état physique.
Définition:
• Chaleur latente:
C’est la quantité de chaleur en joules qui
provoque le changement d’état d’un corps à
température et pression constante dans le cas
d’un fluide pur .
• Voir les exemples.
Exemples:
• Exemple 1:
on veut refroidir 1 kg d’eau de 15°C à –18°C .
T,°C
15°C
0°C
0°C
-18°C
Chaleur sensible
avant congélation
62,70
Chaleur latente de
solidification
335
Chaleur sensible
après congélation
37,62
Q,kJ
Exemples:
Retour sur notion
de chaleur
• Exemple 2:
on veut refroidir 1 kg de vapeur R134a de 54 °C à
35 °C sous une pression de 10,16 bar.
T,°C
54°C
40°C
40°C
35°C
Chaleur sensible
avant
condensation
15.5
Chaleur latente de
condensation
161
Chaleur sensible
après
condensation
8,5
Q,kJ