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

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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


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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’unréfrigérateur domestique, les idées de base concernant sa construction, son mode de fonctionnement etloriginedesrecommandationsfaitesauxparticulierspourallongersaduréedevie.Mettreenévidencelesanalogiesetlesdifférencesavecunepompeàchaleur.Lamachineutiliséedanscette expérience simule le compartiment d’un réfrigérateur domestique pouvant contenir des boissons,deslégumes,...maintenusvers3à4 C.Lesréglagesetcontrôlesencoursdemanipulationdevrontveilleràéviterdestempératuresnégativesdanslapartiedelappareilreprésentantlachargeutileàrefroidir.Dans ces conditions, dans le cas d’un réfrigérateur domestique les bouteilles pourraient exploser. SurlamachineutiliséeenTP,ilseformeraitdelaglacedansléchangeuretlamanipulationdevraitêtreinterrompue pour remettre en état les circuits ce qui peut prendre de 30 minutes à plusieurs jours suivantlesdégâtsoccasionnés(sansparlerducoûtdelaréparation!).La notation ()doc)signie«Allezconsultezledocumentannexe:classeurrougeàcôtédechaqueexpériences».1. SYSTÈME FERMÉSYSTÈME EN ÉCOULEMENTOn peut distinguer 2 types de système thermodynamique :- les systèmes fermés : ces systèmes peuvent échanger de l’énergie (sous forme de chaleur ou detravail) avec l’extérieur mais n’échangent pas de matière.- les systèmes ouverts : ces systèmes peuvent échanger de l’énergie (sous forme de chaleur ou detravail) 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 letableau suivant. Pour les démonstrations correspondantes)odc.Système fermé Système en écoulement permanentMassemconstante Débit massiquem_constantPremier principe4U=W+Q m_ ¢Hto_ _=W+QtU,WetQ W_etQ_sont des puissances (unitéW)sontdesénergies(unité)JHtotestuneénergiemassique(unitéJ/kg)Deuxième principe¢S=Sche+Sirrm_ ¢S=S_ceh+S_irrExemple de machinesMoteuràexplosionàallumagecommandéTurbopropulseur,turboréacteur(cycledeJoule)(moteur à essence-cycle de Beau de Centrale thermiqueRochas 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 THERMIQUES2.1.Sourcefroide,sourcechaude.Danslesouvragesdethermodynamique,ilexiste2dénitionséqui-valentes1) 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),lasourcefroideestlasourcequiserefroidit(quicèdedelachaleur),aucoursduncycle.Danslexempleduréfrigérateur,silonutiliseladénition1,lasourcefroideestlacuisineoùsetrouveleréfrigérateur,alorsquelutilisationdeladénition2impliquequelasourcefroideestlintérieurduréfrigérateur.Dans la suite du TP nous utiliserons la dénition 2, plus proche du sens commun mais qui peut entrai-ner une confusion entre la notion de chaleur et celle de température.
2.2.Moteur thermique.Un moteur fournit du travail à l’extérieur doncWest négatif. Il prélève unequantité de chaleurQ2à la source chaude et restitue une quantité de chaleurQà la source froide. Le1cycle est décrit dans le sens horaire.2.3.Machinethermique(réfrigérateuroupompeàchaleur).Une telle machine consomme un travailmécaniqueW, prélève une quantité de chaleurQ1à la source froide et en restitue une quantité de chaleurQ2àlasourcechaude.Lecycleestdécritdanslesenstrigonométrique(ouanti-horaire).2.4.Rendement.Enpratiquelunedessourcesestun"réservoirthermique"degrandeinertie;satem-pératuredéquilibrenestpassensiblementmodiéeparlaquantitédénergiequonluicèdeouquonluiprélève.Lautresourceestuneenceinteisoléedevolumeniquiatteintunetempératuredéquilibrequandlénergieprélevéeoucédéeparlamachineestcompenséeparlespertesduesàlimperfectiondel’isolation.Dansunemachinefrigorique,lasourcechaudeestleréservoirthermiquesupposéinni(airdelapiècepourunréfrigérateur,circulationdeaudunclimatiseur)etlasourcefroide,levolumeniàrefroidir(intérieurdelarmoireetsoncontenupourunréfrigérateur,piècepourunclimatiseur).Dansunepompeàchaleur,lasourcefroideestleréservoirthermiquesupposéinni(rivièreouatmosphère)qui représente une source d’énergie gratuite (pour le compte en banque !) et la source chaude le volumeniàréchauffer(habitation,piscine).Pourlesmoteurs,onpeutdénirlerendementcommelerapportdelénergieintéressante(travail) à l’énergie qu’il a fallu payer (chaleur prise à la source chaudeQ2).Cerendementesttoujoursinférieur à 1 et vaut1¡T1=T2dans le cas idéal d’un cycle de Carnot réversible. Pour les machinesthermiques,onpréfèredénirunCOefcientdePerformance(COP)ouefcacité,commelerapportdelénergieintéressante(chaleurprélevéeàlévaporateurenmachinefrigorique:Q1; ou chaleur cédéeau condenseur en pompe à chaleur :Q2) à l’énergie qu’il a fallu payer (travailW). Ce COP est la plupartdu temps supérieur à 1, dans le cas des machines thermiques, et vautT1=(T2¡T1)pour un réfrigérateurdans le cas idéal d’un cycle de Carnot réversible.EnpréparantceTP,vousrééchirezàladifférenceentrelecoefcientdeperformanceetlerendementthermodynamique (toujours inféieur à 1) habituellement présenté en cours.2.5.Enthalpie.Lesmachinesthermiqueslesplussimples,utilisentunuidecaloporteurencircuitfermé qui subit une succession de transformations ou cycle. Ce cycle permet de faire fonctionner lamachine en continu. Ce type de machine s’appelle “machine à écoulement permanent” et constitue unsystème ouvert.Pourlesdécrirecorrectement,considéronsunepetitepartieduuidecaloporteurconstituantunsys-tème fermé, condition nécessaire pour pouvoir appliquer le premier principe de la thermodynamique.SupposonsqueceuidepassedunétatcaratériséparlevolumeV1et la pressionP1à l’état caractérisépar le volumeV2et la pressionP2.2
W
à
Dansunsystèmefermé,lavariationdelénergieinternedecettepartieduuideU2¡U1est égalela somme du travailWet de la chaleurQéchangés pendant la transformation. Attention :West lasomme du travail fourni par l’extérieurWext(par exemple, par le compresseur) et du travail des forcesdepressionexercéessurlesystèmeconsidéréparleresteduuideWreste.e travailWresetes é1V1¡P2V2cest-à-direàladifférenceentreletravailquidoitêtreC t gal àP(effectuépourfairesortirleuidedevolumeV1à la pressionP1et le travail qu’il faut effectuer pouroccuper le volumeV2à la pressionP2()doc).Ainsinousavons:U2¡U=Q+W+P1V1¡P2V2.1txeEn introduisant l’enthalpieH=U+P V,onobtientnalement:H2¡H1=Q+Wext.Cestpourquoipourladescriptiondecesmachines(systèmeouvert),lenthalpie(etnonlénergieinterne) est la grandeur caractéristique du cycle ; on représente en pratique ce cycle sur le diagrammeP-VouT-S.Lechoixdelapressioncommedeuxièmevariableestjustiéeparlefaitqueléchangedechaleur avec les sources chaude et froide a lieu à pression constante.
P
3. CYCLE ET DIAGRAMME DEMOLLIER3.1.DiagrammedeMollier.LediagrammedeMollierduuideconsidéréapouraxeslapressionet l’enthalpieH(par unité de masse). Sur ce diagramme, des séries de courbes sont déjà tracées : iso-thermes, isentropiques, isochores (volume constant) ainsi que la courbe de saturation limitant le domainedecoexistencededeuxphases(liquideetga)z.Enassimilantlecycleàunesuccessiondetransforma-tion quasi-statiques, le diagramme de Mollier permet de schématiser ce cycle en fonction des paramètresmesurés et d’en déduire les autres variables d’état en tout point du cycle.
diagrammedeMollierduuideR134a
3.2.Cycle.Le 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’uncycle à rendement maximum. Les cycles utilisés en pratique s’écartent sensiblement, pour des raisonstechniques, du cycle de Carnot. Les réfrigérateurs ( et pompe à chaleur) à compression utilisent le cyclede Hirn qui comprend 2 transformations isobares, une transformation adiabatique et une transformationisenthalpique. Un tel cycle est représenté de façon très simple dans un diagramme de Mollier. Le dia-gramme de Mollier du uide considéré ()doc) a pour axes la pressionPet l’enthalpieH(par unité demasse). Sur ce diagramme, des séries de courbes sont déjà tracées : isothermes, isentropiques, isochores(volume constant) ainsi que la courbe de saturation limitant le domaine de coexistence de deux phases(liquideetga)z.Enassimilantlecycleàunesuccessiondetransformationsquasi-statiques,lediagrammede Mollier permet de schématiser ce cycle en fonction des paramètres mesurés et d’en déduire les autresvariables d’état en tout point du cycle.3
Leuidegazeux(pointA)estcomprimédefaçonadiabatiquejusquaupointB.Lavapeur,quisestéchauffée lors de la compression, cède de la chaleur à la source chaude en se refroidissant à pressionconstante puis en se liquéant (à pression et température constantes) dans le condenseur (trajet BC).En sortie du condenseur (point C, le uide complètement liquide est détendu par une détente de Joule-)Thomson(trajetCD).Leliquideserefroiditetsevaporiseenpartie.Iltraverseensuitelévaporateuroùil se vaporise complètement à pression et température constantes) en prélevant de la chaleur à la source(froide(trajetDA).Onmontrefacilementquunuideliquéableaugmentelefcacitéducycle:aucoursdelaliqué-factionetdelavaporisation(isothermes),ontireprotdelachaleurlatentedechangementdétatetlefcacitéestdautantplusgrandequelecycleserapprocheduncycledeCarnot.Auvoisinagedelatempérature ambiante, les caractéristiques des fréons R12 (CCl2F2) ou R22 (CHClF2) (la protectiondelenvironnementprévoitdésormaislobligationdutiliserdautresuides),duchloruredeméthyle(CH3Cl) ou de l’ammoniaque (NH3)répondentausouciindustrieldefcacité.Lecycleréeldécritparleuidedanslamachinesécarteunpeu,pourdesraisonspratiques,ducycledeHirn.Ilalallurereprésentéesurlaguresuivante:
Latempératureduuideensortiedelévaporateurestgénéralementdifférentedecelledelévapora-teurTvpaetlepointreprésentatifnestpassituésurlacourbedesaturationmaisdanslazone”vapeur”du diagramme. Il y a surchauffe du gaz à la sortie de l’évaporateur. Suivant le nombre de thermomètresutilisés, on peut obtenir deux points représentatifs A’ en sortie de l’évaporateur et A en entrée du com-presseur.Cettesurchauffepermetdêtrecertainqueleuideserabienentièrementàlétatdevapeurdansle compresseur (qui ne peut pas comprimer un mélange liquide-vapeur sous peine de casse !). En sortiedu compresseur, on mesure une température correspondant au point B (remarquer qu’il y a augmentationde l’entropie au cours de la compression) différente de celle du point B’ correspondant à l’entrée ducondenseur. Si l’on mesure la température en sortie du condenseur, on trouve un point C situé dans la4
région"liquide":onasous-refoidileliquide.Cesous-refroidissementpermetdêtrecertainqueleuideserabienàlétatliquideàlentréedelavannededétente.Enn,lamesuredelatempératureaprèslavanne de détente donne en général un point D’, également situé sur l’isenthalpique, mais différent de D.
4. RÉALISATION PRATIQUEAttention il existe 2 machines thermiques : Machine A et Machine B légèrement différentesDans ce T.P., la chaleurQ1(simulant la charge thermique à retirer des aliments d’un réfrigérateur)estprélevéeàuncircuitdeau(évaporateur).Letravailestfourniauuideparuncompresseurhermé-tique (moteur et compresseur dans la même enceinte). Un deuxième échangeur transfère la chaleurQ2à la source chaude (second échangeur à eau simulant l’air atmosphérique entourant un réfrigérateur).Leuidecaloporteurterminesoncycleenrevenantàlasourcefroideaprèspassageparundétendeurpressostatique.Leuidecaloporteurestuncomposéuorocarbonécourammentutilisédanslindustriefrigorique, le R12 dans le cas de la machine B plus ancienne. Ce uide n’est plus autorisé pour lesnouvellesmachines.LamachineAcontientleFréonR134amoinsnocifpourlacouchedozoneencasde fuite.
Machine A
Machine B
5
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. Desmanomètres, reliés à des prises de pression à l’entrée et à la sortie du compresseur, mesurent les pressionsdanslévaporateuretlecondenseur.Undétendeurpressostatiqueàréglagemanuel(détentedeJoule-Thomson) permet de faire varier la basse pression donc le débit de fréon, dans le cas de la machine Buniquement. Un débitmètre, placé juste avant la vanne du détendeur donc en phase liquide, permet demesurer ce débit. Pour le montage A nous n’avons pas accès au débit de fréon. Le système est différent,ledébitdefréonestcontrôléparlavannedexpensionthermostatic(MachineA(4)elle même réguléepar la sonde de température 6. La différence de température entre les tubes d’entrée et de sortie duvaporisateursertdevariabledecontrôle.Sicettevaleurtombeendessousdunevaleurconsigneauniveau de la vanne d’expansion- parce que l’apport de chaleur au vaporisateur est trop bas - le débit defréon est diminué.Dans chaque échangeur, le débit d’eau est réglable à l’aide d’une vanne : il sera mesuré à l’aide d’uncompteur et d’un chronomètre. On mesurera également les températures d’eau à l’entrée et à la sortiedeséchangeurs"chaud"et"froid".Lénergieélectriqueconsomméeestmesuréeparuncompteurélectrique(manipB),parunjoulemètre(manip A).
5. MANIPULATIONS ET ÉTUDE EN RÉFRIGÉRATEURATTENTION:Aprèsidenticationdetouslescomposantsdelamachine,ouvrirlacirculationdeaudans les échangeurs et régler les débits aux valeurs désirées ()odc).Mettrealorslecompresseurenmarcheetxerledébitdefréonàlapremièrevaleur()odc). Le temps de mise en équilibre est typi-quementde30à45minutesàlamiseenrouteetde15à20minutesaprèsmodicationdunparamètrede fonctionnement.5.1.Analogies.Où se situent, sur la machine de TP, les points A, A’, B, B’, C et D du cycle ? Pourquoia-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.Partie"théorique".OnpeutdénirlesCOPsuivants()odc) :-pratique:lamachineestconsidéréecommeune«boîtenoire»quiconsommedelénergieélec-trique et prélève de la chaleur dans une enceinte. La valeur du COP est obtenue à partir des mesures despuissances récupérée ou cédée dans les échangeurs à eau, et de la puissance électrique consommée.-de Mollier:ilfauttracerlecycledécritparleuidesurundiagrammedeMollierpuisévaluerletravailWet les quantités de chaleurQ1etQ2à partir des variations d’enthalpie du fréon mesurées surle cycle au cours des diverses transformations.-de Carnot: on peut trouver 2 transformations isothermes dans le cycle décrit par la machine etcomparer ce COP au COP de Mollier. Ne pas oublier que le COP d’un cycle de Carnot est le COPmaximum maximorum.5.3.Mesuresaupremierdébitdefréon.Après mise en équilibre, effectuer toutes les mesures néces-saires : pression, températures, débit d’eau, débit de fréon, puissance consommée (il y a en particulier 10thermomètresetuncompteurdénergieélectriqueconsommée).1. Tracer sur un diagramme de Mollier le cycle correspondant à vos mesures (attention à la lecture desmanomètres).2. Déterminer les COP de Mollier et pratique (attention à la position des thermomètres et à leurcorrespondancesurlecycle).Précisions.3. Si on suppose que toute l’énergie électrique sert à comprimer le fréon, calculez pour la machine Buniquement, dans cette hypothèse, l’enthalpieHB0du fréon (attention c’est le débit massique de fréonquinousintéresse).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
?
les graduations portées sur la partie gauche de la courbe d’équilibre liquide-vapeur donnent le volumemassique du fréon.5. A partir du diagramme de Mollier, tracer le cycle décrit par le fréon dans un diagramme T-S (T enordonnée).Onferaattentionauxdiversestransformationssubiesparleuide(veilleràbienplacertouslespointscaractéristiquesducycle!).6.Surcediagramme,placerlecycledeCarnotctifcorrespondant.7.ComparerlesCOPàceluidececycledeCarnotctif.Conclusions.8. Comparer la valeur mesurée de W sur le diagramme de Mollier à la valeur que l’on peut déduire ducycleendiagrammeT-S(attentionauxunités!).9.Quelleestloriginedeladifférenceàvotreavis5.4.MachineBM:esuresàunautredébitdefréon.Régler la vanne de détente pour avoir une autrepression au condenseur et effectuer à nouveau les mesures lorsque la machine est à l’équilibre. Tracerle deuxième cycle sur le diagramme précédent pour pouvoir effectuer des comparaisons. Effectuer lesmêmescalculsdeCOPqueci-dessusàpartirdecedeuxièmecycle.Conclusions.5.5.MachineA:Mesureàunautredébitd'ea.uFaites varier le débit d’eau d’un facteur 2 au niveaudelévaporateur.Lesquestionssontlesmêmesquauparagraphe5.46. ETUDE ENPOMPE ÀCHALEURLe principe de la pompe à chaleur (PAC) est ancien (Thomson 1852) mais il a fallu attendre 1927 pourvoir la première PAC fonctionner en Ecosse. Le début de commercialisation (principalement aux Etats-Unis) date des années 50. L’utilisation de la PAC comme moyen de chauffage domestique en France adémarré dans les années 70 à la suite du premier choc pétrolier. Dans un but d’économies d’énergie etpour écouler son trop-plein de production, E.d.F. lança une campagne de promotion du système PERCHE(PompeEnRelèvedeCHaudièreExistante)couplantunePACetunechaudièreàmazouttraditionnelle.Legrandpublicdécouvraitalorsunemachinemiraculeusequirestituaitdanslesradiateursplusdénergiequellenenconsommait.Lintérêtpourdetelssystèmesadiminuédepuiscettedate,enpartieàcausedunmanquedeabilitédespremiersmatérielsproposésetdunmanquedeformationdesinstallateurs;lecoûtdesPAClimiteégalementleurdéveloppement.Pour le physicien, la PAC n’a rien d’une machine miraculeuse. En effet, dans le cas d’une pompeàchaleur,lasourcefroideestleréservoirthermiquesupposéinni(rivière,atmosphère,...);cestunesourcedénergiegratuite(pourlecompteenbanque!).Lasourcechaudeestlevolumeàréchauffer(ha-bitation,piscine,...)quidoitêtreni.Danssonprincipe,cestdonclamêmemachinequunréfrigérateur:seulesles"dimensions"desdeuxsources,chaudeetfroide,ontétééchangées.1.Alaidedesmesureseffectuéeslorsdelapremièremanipulationenmachinefrigorique,calculezle COP de Mollier et le COP pratique en pompe à chaleur.2.ComparezcesvaleursdeCOPàcellesobtenuesenmachinefrigorique.3.Quellesraisonsphysiquessimplespouvez-vousproposerpourexpliquerlesdifférencesconstatées7. CONSIDÉRATIONS PRATIQUES SUR VOTRE PROPRE RÉFRIGÉRATEURCesquestionssontuniquementposéespourvousfairerééchir.Dansvotreréfrigérateur,àquellestempératuressetrouveleuidecaloporteuràlasourcefroideetàlasourcechaude?Pourquoi?Pourquoiest-ilrecommandédedégivrerrégulièrementunréfrigérateur?Pourquoifaut-ilrégulièrementenleverlapoussièresaccumulantsurleradiateurexternedunréfrigérateur?Pourquoifaut-iléviterdeleplacercontre un mur sans aération ?
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