Energétique 2ème Année

Module Pompes à chaleur

1 Cycle de Rankine inversé (système ouvert)

1. Construire un projet CYCLEPAD représentant une pompe à chaleur fonctionnant selon un cycle de Rankine inversé en régime sec. On se limitera dans cette première étape à une analyse simple des échanges d’énergie. En conséquence, l’évaporateur sera modélisé par un élément “heater” (en effet, le fluide frigorigène reçoit à ce niveau la chaleur nécessaire pour le vaporiser). De même, le condenseur sera modélisé par un composant “cooler” car le fluide frigorigène cède de la chaleur au milieu extérieur en se condensant. Le laminage du fluide produisant la détente du liquide est représentée par un composant “throttle” (étranglement en anglais).
2. Le fluide de travail sera ici l’Ammoniac. Ce fluide bien que totalement abandonné dans les installations domestiques au profit des HydroFluorocarbures (HFC) reste encore assez utilisé dans un contexte industriel. On supposera que les évolutions sont isobares dans le condenseur et l’évaporateur. La compression sera supposée adiabatique et réversible et pour la détente, vous n’avez pas le choix, le composant “throttle” de CYCLEPAD réalise une détente isenthalpique sans laisser d’autre possibilité à l’utilisateur.
3. La température de condensation sera fixée à 35°C et la température d’évaporation à -5°C. On supposera que la vapeur sortant de l’évaporateur est saturée et de même que le liquide sortant du condenseur est saturé. L’ensemble de ces données est suffisant pour définir le cycle.
4. Déterminer les pressions régnant dans l’évaporateur et le condenseur.
5. Tracer le cycle sur le diagramme fourni et calculer à l’aide des tables et du diagramme les quantités de chaleur massique q_c au condenseur et q_f à l’évaporateur ainsi que le travail massique absorbé par le fluide lors de son passage dans le compresseur. Vérifier que le logiciel donne des valeurs sensiblement égales.
6. Calculer l’efficacité frigorifique ε_f de la machine si elle est destinée à produire du froid et son coefficient de performance ε_c si elle est vue comme une pompe à chaleur. Vérifier que le logiciel donne le même résultat.
7. Supposons que le moteur électrique entraînant le compresseur consomme 12,5 kW et que son rendement est de 85%. En déduire le débit de fluide frigorigène dans la machine. Retrouver ce résultat par le calcul “à la main”.
8. De même, calculer la puissance frigorifique produite par la machine à l’aide du logiciel et “à la main”.
9. Idem pour la puissance calorifique rejetée au condenseur.

2 Rendement p/r à l’isentropique de la compression

Nous allons maintenant supposer que la compression est toujours adiabatique mais qu’elle n’est plus réversible. Nous allons supposer que le rendement par rapport à l’isentropique ρ_s est de 87% (pour le logiciel, ce paramètre est noté nu-s).

1. Noter la nouvelle valeur de l’enthalpie massique en sortie de compresseur et vérifier par le calcul.
2. Noter les nouvelles valeurs des travaux, quantités de chaleur et puissances. Notez celles qui ont changé et celles qui sont restées identiques. Interprêtez.
3. Notez les nouvelles valeurs des efficacités et COP et expliquez le sens de la variation.

3 Echangeur de chaleur

Pour augmenter l’efficacité de la machine, il est assez courant sur les machines industrielles d’installer un échangeur de chaleur permettant d’étendre les zones d’échange de chaleur avec les sources. Cet échangeur généralement assez compact est installé de telle sorte que le liquide chaud sortant du condenseur cède une partie de sa chaleur à la vapeur froide sortant de l’évaporateur. Le liquide ainsi sous-refroidi ressort du premier bras de l’échangeur et est dirigé vers le détendeur. La vapeur sortant du second bras de l’échangeur est quant à elle surchauffée et elle est aspirée par le compresseur. C’est donc le même fluide frigorigène qui traverse les deux bras de l’échangeur de sorte que le circuit est toujours bien fermé et que l’ensemble décrit toujours un cycle thermodynamique. Le reste de la machine est inchangé.

1. Construire le projet CYCLEPAD correspondant à la machine décrite ci-dessus.
2. Nous revenons au cas où la compression est isentropique pour comparer avec le cycle initial. On imposera les mêmes conditions en sortie d’évaporateur et de condenseur. On supposera que la surchauffe de la vapeur est de 10°C et que l’échangeur est parfait (pas de pertes thermiques vers l’extérieur, on peut par exemple supposer qu’il est bien calorifugé). Les évolutions seront supposées isobares dans les deux bras de l’échangeur (du côté chaud comme du côté froid).
3. Calculer “à la main” et avec le logiciel les quantités d’énergie et les puissances comme précédemment.
4. De même, calculer les efficacités et COP. ATTENTION ! Seules les quantités de chaleur échangées avec les sources de chaleur sont à prendre en compte. Conclusion ?