TP L3 Physique Plate forme TTE C E S I R E Université Joseph Fourier Grenoble

De joseph fourier - grenoble (auteur)
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Niveau: Supérieur, Licence, Bac+3
TP - L3 Physique-Plate-forme TTE - C.E.S.I.R.E. - Université Joseph Fourier - Grenoble ETUDEDURÉFRIGÉRATEUR BUT DU T.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 l'origine des recommandations faites aux particuliers pour allonger sa durée de vie. Mettre en évidence les analogies et les différences avec une pompe à chaleur. La machine utilisée dans cette expérience simule le compartiment d'un réfrigérateur domestique pouvant contenir des boissons, des légumes,... maintenus vers 3 à 4 ˚C. Les réglages et contrôles en cours de manipulation devront veiller à éviter des températures négatives dans la partie de l'appareil représentant la charge utile à refroidir. Dans ces conditions, dans le cas d'un réfrigérateur domestique les bouteilles pourraient exploser. Sur la machine utilisée en TP, il se formerait de la glace dans l'échangeur et la manipulation devrait être interrompue pour remettre en état les circuits ce qui peut prendre de 30 minutes à plusieurs jours suivant les dégâts occasionnés (sans parler du coût de la réparation !). La notation (? doc) signifie « Allez consultez le document annexe : classeur rouge à côté de chaque expériences ». 1. SYSTÈME FERMÉ SYSTÈME 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

  • échange de chaleur avec les sources chaude

  • chaleur

  • sortie du compresseur

  • voisinage de la température ambiante

  • système ouvert

  • pression constante

  • température constante

  • source froide


Publié le : mardi 29 mai 2012
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Source : physique-eea.ujf-grenoble.fr
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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
Dansunsystèmefermé,lavariationdelénergieinternedecettepartieduuideU2¡U1est égale la somme du travailWet de la chaleurQéchangés pendant la transformation. Attention :West la somme du travail fourni par l’extérieurWtex(par exemple, par le compresseur) et du travail des forces depressionexercéessurlesystèmeconsidéréparleresteduuideWrsete. Ce travailWesretest égal àP1V1¡P2V2sec(erid-à-tféifadàlnteencrertvaereliuodiaqlreitêt effectuépourfairesortirleuidedevolumeV1à la pressionP1et le travail qu’il faut effectuer pour occuper le volumeV2à la pressionP2()doc)no:ssuvaisonA.niU2¡U1=Q+Wxte+P1V1¡P2V2. En introduisant l’enthalpieH=U+P V:otntbeitnnlamenoe,H2¡H1=Q+Wext. Cestpourquoipourladescriptiondecesmachines(systèmeouvert),lenthalpie(etnonlénergie interne) est la grandeur caractéristique du cycle ; on représente en pratique ce cycle sur le diagramme P-VouT-S.Lechoixdelapressioncommedeuxièmevariableestjustiéeparlefaitqueléchangede chaleur avec les sources chaude et froide a lieu à pression constante.
3. CYCLE ET DIAGRAMME DEMOLLIER 3.1..erolliedeMrammDiagnsidéréapouraxesalrpseisnoLiaedamgrdemelloMdreiiuuocedP et l’enthalpieHrammdiagssére,deceuoeidsostnbrsenirupa(ssamedétecruS.)esi-oeé:srtcaédàj thermes, isentropiques, isochores (volume constant) ainsi que la courbe de saturation limitant le domaine decoexistencededeuxphases(liquideetgaz).Enassimilantlecycleàunesuccessiondetransforma-tion quasi-statiques, le diagramme de Mollier permet de schématiser ce cycle en fonction des paramètres mesurés et d’en déduire les autres variables d’état en tout point du cycle.
diagrammedeMollierduuideR134a
3.2.Cyec.lLe cycle théorique de base pour toutes les machines est le cycle de Carnot. Ce cycle com-prend 2 transformations isothermes et 2 transformations adiabatiques ou isentropiques. Il s’agit d’un cycle à rendement maximum. Les cycles utilisés en pratique s’écartent sensiblement, pour des raisons techniques, du cycle de Carnot. Les réfrigérateurs ( et pompe à chaleur) à compression utilisent le cycle de Hirn qui comprend 2 transformations isobares, une transformation adiabatique et une transformation isenthalpique. Un tel cycle est représenté de façon très simple dans un diagramme de Mollier. Le dia-grammedeMollierduuideconsidéré()doc) a pour axes la pressionPet l’enthalpieH(par unité de masse).Surcediagramme,dessériesdecourbessontdéjàtracées:isothermes,isentropiques,isochores (volume constant) ainsi que la courbe de saturation limitant le domaine de coexistence de deux phases (liquideetgaz).Enassimilantlecycleàunesuccessiondetransformationsquasi-statiques,lediagramme de Mollier permet de schématiser ce cycle en fonction des paramètres mesurés et d’en déduire les autres variables d’état en tout point du cycle. 3
Leuidegazeux(pointA)estcomprimédefaçonadiabatiquejusquaupointB.Lavapeur,quisest échauffée lors de la compression, cède de la chaleur à la source chaude en se refroidissant à pression constantepuisenseliquéant(àpressionettempératureconstantes)danslecondenseur(trajetBC). Ensortieducondenseur(pointC),leuidecomplètementliquideestdétenduparunedétentedeJoule-Thomson(trajetCD).Leliquideserefroiditetsevaporiseenpartie.Iltraverseensuitelévaporateuroù il se vaporise complètement (à pression et température constantes) en prélevant de la chaleur à la source froide(trajetDA). Onmontrefacilementquunuideliquéableaugmentelefcacitéducycle:aucoursdelaliqué-factionetdelavaporisation(isothermes),ontireprotdelachaleurlatentedechangementdétatet lefcacitéestdautantplusgrandequelecycleserapprocheduncycledeCarnot.Auvoisinagedela température ambiante, les caractéristiques des fréons R12 (CCl2F2) ou R22 (CH ClF2) (la protection delenvironnementprévoitdésormaislobligationdutiliserdautresuides),duchloruredeméthyle (CH3Cl) ou de l’ammoniaque (N H3é.acit)poréenndustaciouudniirtsdlecfe Lecycleréeldécritparleuidedanslamachinesécarteunpeu,pourdesraisonspratiques,ducycle deHirn.Ilalallurereprésentéesurlaguresuivante:
Latempératureduuideensortiedelévaporateurestgénéralementdifférentedecelledelévapora-teurTvapenv”paue”rtionmaisdanslazoocalebruasedarutesnastptusiuréspeérnirttafiestnlepoet du diagramme. Il y a surchauffe du gaz à la sortie de l’évaporateur. Suivant le nombre de thermomètres utilisés, on peut obtenir deux points représentatifs A’ en sortie de l’évaporateur et A en entrée du com-presseur.Cettesurchauffepermetdêtrecertainqueleuideserabienentièrementàlétatdevapeurdans lecompresseur(quinepeutpascomprimerunmélangeliquide-vapeursouspeinedecasse!).Ensortie du compresseur, on mesure une température correspondant au point B (remarquer qu’il y a augmentation de l’entropie au cours de la compression) différente de celle du point B’ correspondant à l’entrée du condenseur. Si l’on mesure la température en sortie du condenseur, on trouve un point C situé dans la
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région"liquide":onasous-refoidileliquide.Cesous-refroidissementpermetdêtrecertainqueleuide serabienàlétatliquideàlentréedelavannededétente.Enn,lamesuredelatempératureaprèsla vanne de détente donne en général un point D’, également situé sur l’isenthalpique, mais différent de D.
4. RÉALISATION PRATIQUE Attention il existe 2 machines thermiques : Machine A et Machine B légèrement différentes Dans ce T.P., la chaleurQ1(simulant la charge thermique à retirer des aliments d’un réfrigérateur) estprélevéeàuncircuitdeau(évaporateur).Letravailestfourniauuideparuncompresseurhermé-tique(moteuretcompresseurdanslamêmeenceinte).UndeuxièmeéchangeurtransfèrelachaleurQ2 àlasourcechaude(secondéchangeuràeausimulantlairatmosphériqueentourantunréfrigérateur). Leuidecaloporteurterminesoncycleenrevenantàlasourcefroideaprèspassageparundétendeur pressostatique.Leuidecaloporteurestuncomposéuorocarbonécourammentutilisédanslindustrie frigorique,leR12danslecasdelamachineBplusancienne.Ceuidenestplusautorisépourles nouvellesmachines.LamachineAcontientleFréonR134amoinsnocifpourlacouchedozoneencas de fuite. MachineA
MachineB
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Plusieurs thermomètres permettent de mesurer les températures du fréon en différents points du cycle : aux entrées et sorties de l’évaporateur, du compresseur et du condenseur, et en cours de détente. Des manomètres, reliés à des prises de pression à l’entrée et à la sortie du compresseur, mesurent les pressions danslévaporateuretlecondenseur.Undétendeurpressostatiqueàréglagemanuel(détentedeJoule-Thomson) permet de faire varier la basse pression donc le débit de fréon, dans le cas de la machine B uniquement. Un débitmètre, placé juste avant la vanne du détendeur donc en phase liquide, permet de mesurer ce débit. Pour le montage A nous n’avons pas accès au débit de fréon. Le système est différent, ledébitdefréonestcontrôléparlavannedexpensionthermostatic(MachineA(4)gurémemêeléleel par la sonde de température 6. La différence de température entre les tubes d’entrée et de sortie du vaporisateursertdevariabledecontrôle.Sicettevaleurtombeendessousdunevaleurconsigneau niveau de la vanne d’expansion- parce que l’apport de chaleur au vaporisateur est trop bas - le débit de fréon est diminué. Dans chaque échangeur, le débit d’eau est réglable à l’aide d’une vanne : il sera mesuré à l’aide d’un compteur et d’un chronomètre. On mesurera également les températures d’eau à l’entrée et à la sortie deséchangeurs"chaud"et"froid". Lénergieélectriqueconsomméeestmesuréeparuncompteurélectrique(manipB),parunjoulemètre (manipA).
5. MANIPULATIONS ET ÉTUDE EN RÉFRIGÉRATEUR ATTENTION:Aprèsidenticationdetouslescomposantsdelamachine,ouvrirlacirculationdeau dans les échangeurs et régler les débits aux valeurs désirées ()docmpresseurenaertteM.ocelsrol) marcheetxerledébitdefréonàlapremièrevaleur()odcbrlisteep)ityte-L.spmeimedneesiuqé quementde30à45minutesàlamiseenrouteetde15à20minutesaprèsmodicationdunparamètre de fonctionnement.
5.1.s.ieAnogalOù se situent, sur la machine de TP, les points A, A’, B, B’, C et D du cycle ? Pourquoi a-t-on placé plus de quatre thermomètres sur le circuit de fréon ? Comparer la machine de TP et la « tripe » de réfrigérateur domestique. Dans ce réfrigérateur domestique, en quoi consistent les échangeurs, vanne de détente et compresseur ? Où sont-ils placés ?
5.2.Paqiro."eueitréht"lesCnirutdéOnpest(vinaPOus)odc) : -ueiqatpruaic»aqmr:eloimeomnsconéureémdmiosncoencettsîeoebn«iehnéreedlel-cigée trique et prélève de la chaleur dans une enceinte. La valeur du COP est obtenue à partir des mesures des puissances récupérée ou cédée dans les échangeurs à eau, et de la puissance électrique consommée. -Medilloerrctiaplrcecyelédttracerl:ilfaueduseiuairgurdndeMoammerpuilliereulavésel travailWet les quantités de chaleurQ1etQ2à partir des variations d’enthalpie du fréon mesurées sur le cycle au cours des diverses transformations. -de Carnot: on peut trouver 2 transformations isothermes dans le cycle décrit par la machine et comparer ce COP au COP de Mollier. Ne pas oublier que le COP d’un cycle de Carnot est le COP maximum maximorum.
5.3.auesuresMéon.edrfbétieidrrpmeAprès mise en équilibre, effectuer toutes les mesures néces-saires : pression, températures, débit d’eau, débit de fréon, puissance consommée (il y a en particulier 10 thermomètresetuncompteurdénergieélectriqueconsommée). 1. Tracer sur un diagramme de Mollier le cycle correspondant à vos mesures (attention à la lecture des manomètres). 2. Déterminer les COP de Mollier et pratique (attention à la position des thermomètres et à leur correspondancesurlecycle).Précisions. 3. Si on suppose que toute l’énergie électrique sert à comprimer le fréon, calculez pour la machine B uniquement, dans cette hypothèse, l’enthalpieHBdu fréon (attention c’est le débit massique de fréon 0 quinousintéresse).Quepouvezvousconcluresurlerendementdugroupecompresseur? 4. Comparer les quantités de chaleur prises et cédées aux deux sources déduites d’une part du dia-gramme tracé, d’autre part des variations de température de l’eau dans le condenseur et l’évaporateur. Conclusion. Attention : le débitmètre de fréon est en litre/heure et mesure le débit en phase liquide ; 6
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