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TP-L3Physique-Plate-formeTTE-.CE.S.I.R.E.-UnviersitéJosephFourier-Grenoble
ETUDEDURÉFRGIÉRATEUR
BUT DUT.P. L’objet de ce TP, qui comprend deux parties, est de : comprendre le principe de fonctionnement d’un réfrigérateur domestique, les idées de base concernant sa construction, son mode de fonctionnement et loriginedesrecommandationsfaitesauxparticulierspourallongersaduréedevie. Mettreenévidencelesanalogiesetlesdifférencesavecunepompeàchaleur.Lamachineutiliséedans cette expérience simule le compartiment d’un réfrigérateur domestique pouvant contenir des boissons, deslégumes,...maintenusvers3à4C.Lesréglagesetcontrôlesencoursdemanipulationdevrontveiller àéviterdestempératuresnégativesdanslapartiedelappareilreprésentantlachargeutileàrefroidir. Dans ces conditions, dans le cas d’un réfrigérateur domestique les bouteilles pourraient exploser. Sur lamachineutiliséeenTP,ilseformeraitdelaglacedansléchangeuretlamanipulationdevraitêtre interrompue pour remettre en état les circuits ce qui peut prendre de 30 minutes à plusieurs jours suivant lesdégâtsoccasionnés(sansparlerducoûtdelaréparation!). La notation ()docqueechaôtédgeàc)sielcznousngi«elAmecuanntezltdoleuessuorrexenalc: expériences».
1. SYSTÈME FERMÉSYSTÈME EN ÉCOULEMENT On peut distinguer 2 types de système thermodynamique : - les systèmes fermés : ces systèmes peuvent échanger de l’énergie (sous forme de chaleur ou de travail) avec l’extérieur mais n’échangent pas de matière. - les systèmes ouverts : ces systèmes peuvent échanger de l’énergie (sous forme de chaleur ou de travail) avec l’extérieur mais également de la matière. Parmi les systèmes ouverts, les systèmes en écou-lement permanent sont particulièrement utilisés dans nombre de moteurs et machines thermiques. Les énoncés des deux premiers principes appliqués à ces deux types de système sont résumés dans le tableau suivant. Pour les démonstrations correspondantes)odc. Système fermé Système en écoulement permanent Massemconstante Débit massiquem_constant Premier principe _ _ 4U=W+Q m_ ¢Htot=W+Q _ _ U,WetQ WetQascnupsidtsesnoW)(uesténi sontdesénergies(unité)JHtoteuu(inéteiamssqiuneénergest)gk/J Deuxième principe _ _ ¢S=Sche+Srirm_ ¢S=Sceh+Srri Exemple de machines MoteuràexplosionàallumagecommandéTurbopropulseur,turboréacteur(cycledeJoule) (moteur à essence-cycle de Beau de Centrale thermique Rochas ou Otto) (cycle de Rankine ou de Hirn) Moteur à explosion à allumage par compression Réfrigérateur, pompe à chaleur (Moteur Diesel-cycle de Diesel) (cycle de Hirn inversé)
2. RAPPEL SUR LES MACHINES THERMIQUES 2.1.re,oeifdurrcsoouchScedeau.quséontii-naDselsrvuosegadethermodynamiqu,elixesietd2éin valentes 1) La source chaude est la source qui cède de la chaleur, la source froide celle qui reçoit de la chaleur, au cours d’un cycle. 1
2)Lasourcechaudeestlasourcequiseréchauffe(quireçoitdelachaleur),lasourcefroideestla sourcequiserefroidit(quicèdedelachaleur),aucoursduncycle. Danslexempleduréfrigérateur,silonutiliseladénition1,lasourcefroideestlacuisineoùsetrouve leréfrigérateur,alorsquelutilisationdeladénition2impliquequelasourcefroideestlintérieurdu réfrigérateur. DanslasuiteduTPnousutiliseronsladénition2,plusprochedusenscommunmaisquipeutentrai-ner une confusion entre la notion de chaleur et celle de température.
2.2.imuqhtre.eurteMoUn moteur fournit du travail à l’extérieur doncWest négatif. Il prélève une quantité de chaleurQ2à la source chaude et restitue une quantité de chaleurQ1à la source froide. Le cycle est décrit dans le sens horaire.
2.3.riéf(rueurteragénihcaMqimrehte.uooppmàehclaue)rUne telle machine consomme un travail mécaniqueW, prélève une quantité de chaleurQ1à la source froide et en restitue une quantité de chaleur Q2itdansleeestdécrnomotéiressnrtgiàlouaseL.elcyccecrduahnauo(euqiaroh-it).re 2.4.Rendement.it;easet-msér"ovrehtriimree"qugrdedeanerinrptanElnuqieusouredesstuncese pératuredéquilibrenestpassensiblementmodiéeparlaquantitédénergiequonluicèdeouquon luiprélève.Lautresourceestuneenceinteisoléedevolumeniquiatteintunetempératuredéquilibre quandlénergieprélevéeoucédéeparlamachineestcompenséeparlespertesduesàlimperfectionde l’isolation. Dansunemachinefrigorique,lasourcechaudeestleréservoirthermiquesupposéinni(airde lapiècepourunréfrigérateur,circulationdeaudunclimatiseur)etlasourcefroide,levolumenià refroidir(intérieurdelarmoireetsoncontenupourunréfrigérateur,piècepourunclimatiseur).Dans unepompeàchaleur,lasourcefroideestleréservoirthermiquesupposéinni(rivièreouatmosphère) qui représente une source d’énergie gratuite (pour le compte en banque !) et la source chaude le volume niàréchauffer(habitation,piscine). Pourlesmoteurs,onpeutdénirlerendementcommelerapportdelénergieintéressante(travail W) à l’énergie qu’il a fallu payer (chaleur prise à la source chaudeQ2jours.C)reneedemtnsettuo inférieur à 1 et vaut1¡T1=T2dans le cas idéal d’un cycle de Carnot réversible. Pour les machines thermiques,onpréfèredénirunCOefcientdePerformance(COP)ouefcacité,commelerapportde lénergieintéressante(chaleurprélevéeàlévaporateurenmachinefrigorique:Q1; ou chaleur cédée au condenseur en pompe à chaleur :Q2) à l’énergie qu’il a fallu payer (travailWpartapluC.)POCeltse du temps supérieur à 1, dans le cas des machines thermiques, et vautT1=(T2¡T1)pour un réfrigérateur dans le cas idéal d’un cycle de Carnot réversible. EnpréparantceTP,vousrééchirezàladifférenceentrelecoefcientdeperformanceetlerendement thermodynamique (toujours inféieur à 1) habituellement présenté en cours.
2.5.thalEnpie.eeln,tssicsapimhlqpiseuuelhsmsreuidetuniLseesnmutilricneruetropolacitcu fermé qui subit une succession de transformations ou cycle. Ce cycle permet de faire fonctionner la machine en continu. Ce type de machine s’appelle “machine à écoulement permanent” et constitue un système ouvert. Pourlesdécrirecorrectement,considéronsunepetitepartieduuidecaloporteurconstituantunsys-tème fermé, condition nécessaire pour pouvoir appliquer le premier principe de la thermodynamique. SupposonsqueceuidepassedunétatcaratériséparlevolumeV1et la pressionP1à l’état caractérisé par le volumeV2et la pressionP2. 2