Rappel sur les cycles (le cycle idéal de Carnot)
Les chaleurs et les travaux sont reçus par le fluide qui décrit un cycle réversible constitué par deux isothermes et deux adiabatiques. Le fluide (c’est le système thermodynamique étudié) échange de la chaleur (de façon isotherme) et du travail selon le schéma de principe qui suit : QC désigne la chaleur allant du système vers la source chaude, QE la chaleur allant de la source froide vers le système. Le système est une machine thermique qui a besoin d’une énergie noble W pour réaliser l’opération. Ces machines thermiques fonctionnent par cycle : Elles travaillent avec un fluide isolé matériellement de l’ambiance qui repasse par le même point de la machine.
L’étude des machines thermiques permet de tracer les cycles correspondants aux transformations du fluide dans des diagrammes thermodynamiques. Nous pouvons citer le cycle idéal de Carnot. Les évolutions au sein du cycle de Carnot sont les suivantes : une compression et une détente isentropes, une compression et une détente isothermes .
Cycle de production de froid à deux sources de chaleur
On peut définir la production du froid comme la mise en œuvre d’une suite de transformations thermodynamiques permettant d’extraire de la chaleur d’un milieu (source froide) pour abaisser et/ou maintenir sa température en dessous de la température ambiante.
Ces transformations sont subies par une substance active (le frigorigène) qui prélève de la chaleur à la source froide, en rejette dans la source chaude et à laquelle on doit apporter de l’énergie en compensation.
Autrement dit, l’étude de la production du froid prend, à cause de l’existence du second principe, une dimension thermodynamique qui n’est pas nécessairement la thermique. Des considérations thermodynamiques existent, bien évidemment, également en thermique elles se situent dans l’aspect rendement énergétique et non pas dans l’aspect production. Par exemple, le problème de la meilleure utilisation d’une chaleur obtenue à haute température : combustion, nucléaire, résistance électrique, etc. pour un usage beaucoup plus basse température (applications industrielles ou pour l’habitat) requiert d’avoir recours au second principe. Dans le cas du froid, c’est la production du froid elle-même qui requiert d’avoir recours à la thermodynamique. Cette différence est essentielle et c’est la raison pour laquelle nous débuterons ici par l’utilisation intensive de la thermodynamique. Il existe les systèmes cycliques réversibles et les systèmes cycliques réels qui sont irréversibles.
Les cycles les plus couramment utilisés sont les cycles à compression mécanique de vapeur, idéalisés par des cycles à deux températures (cycles dithermes).
Il existe aussi les cycles à compression thermique de vapeur, généralement des cycles à sorption (absorption liquide ou adsorption) idéalisés par des cycles à trois température (cycles trithermes).
Principe des cycles à compression de vapeur
Le cycle idéal : Quelles que soient la puissance et la nature du fluide frigorigène, une machine frigorifique à compression mécanique de vapeur comprend essentiellement les machines et dispositifs suivants: Un évaporateur : qui vaporise le frigorigène en prélevant de la chaleur au frigoporteur (air, eau etc…) qui se refroidit. La vapeur sortant de cet évaporateur est saturée. L’évaporation s’effectue à la température de vaporisation TE, correspondant à la pression d’évaporation PE du fluide frigorigène. Le frigorigène prend au fluide frigoporteur la chaleur qu’il a absorbée dans son circuit d’utilisation.
Un compresseur mécanique et son moteur : le compresseur aspire, sous la pression PE, la vapeur de frigorigène issue de l’évaporateur et la comprime jusqu’à la pression PC pour la rejeter dans le condenseur. La pression PC sera telle que la température de saturation correspondant à cette pression soit légèrement supérieure à la température du fluide de refroidissement dont on dispose. Un condenseur : c’est un échangeur de chaleur à surface avec circulation d’un côté du fluide frigorigène à condenser et de l’autre côté le fluide de refroidissement (air, eau, etc.…) appelé aussi fluide caloporteur. Il condense le frigorigène en cédant la chaleur au caloporteur qui s’échauffe de TC1 à TC2. Le fluide frigorigène quittant cet échangeur est sous forme de liquide saturé. La condensation s’effectue à la température de condensation TC correspondant à la pression de condensation PC. On a : TC > TC2 > TC1.
Un détendeur : qui alimente en frigorigène l’évaporateur sans excès ni défaut. Le frigorigène y subit la détente de PC à PE.
Ces divers éléments sont reliés par des tuyauteries équipées des armatures de service et de sécurité usuelles.
Machine frigorifique à absorption
Ici l’aspiration de la vapeur de frigorigène se fait par l’intermédiaire d’un liquide absorbant qui présente une forte affinité pour ce frigorigène. La vapeur est absorbée par tout le volume du liquide absorbant.
L’évaporateur est relié à une capacité, l’absorbeur, à l’intérieur de laquelle on pulvérise en permanence la solution absorbante pauvre en frigorigène. La pulvérisation permet d’accroître la surface de contact avec la vapeur de frigorigène. Le liquide absorbe le frigorigène, provoquant ainsi la raréfaction de la vapeur et l’aspiration d’une nouvelle masse de frigorigène issue de l’évaporateur. La solution enrichie en frigorigène (solution riche) quitte l’absorbeur et est dirigée vers un autre point de la machine où, par chauffage, on procède à l’extraction du frigorigène fixé. Les systèmes à absorption appartiennent donc à la catégorie des systèmes frigorifiques au moins trithermes. L’absorption du frigorigène par la solution absorbante est exothermique ce qui impose l’usage d’un échangeur de refroidissement de la solution absorbante. Les systèmes à absorption furent les premiers systèmes frigorifiques industriellement opérationnels. L’énorme développement des systèmes à compression les a confinés dans des applications spéciales.
Table des matières
Introduction
CHAPITRE I : Etude des machines frigorifiques
I.1. Rappels thermodynamiques
I.1.1. Premier principe–Principe équivalence
I.1.2. Enoncé simplifié du second principe- Machine de Carnot
I.2. Application des lois fondamentales de la thermodynamique au cycle ditherme
I.2.1. Rappel sur Les cycles (le cycles idéal de Carnot)17
I.2.2. Relation entre les chaleurs et les températures dans une cycle de
Carnot
I.2.3. Calcul du rendement (moteur)
I.2.4. Calcul du « COP» (cycle récepteur)
a) Machine frigorifique
b) Pompe à chaleur
I.3. Cycle de production de froid à deux sources de chaleur
I.3.1. Introduction
I.3.2. Systèmes évoluant entre deux sources de chaleur sans échange de travail mécanique
I.3.3. Cycles à deux sources de chaleur avec échange de travail mécanique
I.3.4. Principe des cycles à compression de vapeur
I.3.5. Quelques grandeurs caractéristiques du cycle idéal
I.3.6. Bilan des échanges de chaleur et de travail
I.3.7. Le Coefficient de performance théorique
I.3.8. Bilan global
I.4. Cycles frigorifiques polyétagés
1.5. Machine frigorifique à absorption
1.6. Machine frigorifique à adsorption
1.7. Machine frigorifique à éjection
1.8. Cycle de Stirling inverse (théorique)
1.9. Le fluide frigorigène
1.9.1. Rappels historiques
1.9.2. Les différentes fluides frigorigènes
1.9.3. L’eau
1.9.4. L’ammoniac
1.9.5. Le dioxyde de carbone
1.10. Les fluides frigorigènes et l’environnement
1.10.1. Le GWP
1.10.2. L’effet de serre
1.10.3. L’ammoniac
1.10.4. Le dioxyde de carbone
1.10.5. Le protocole de Montréal
1.10.6. Conséquences du protocole
CHAPITRE II : Etude du cycle frigorifique transcritique d’une machine frigorifique à CO2
II.1. Intérêts du CO2 dans la réfrigération
II.2. Cycle frigorifique transcritique à CO2
II.2.1. Caractéristiques d’un fluide surcritique.
II.2.2. Le cycle frigorifique transcritique à CO2
II.2.3. Comparaison des performances du CO2 en cycle transcritique et en cycle sous-critique
II.3. Utilisation du cycle transcritique à CO2 dans la climatisation et le chauffage par pompe à chaleur
II.3.1. pompes à chaleur
II.3.2.Climatisation centrale
II.3.3. Amélioration du cycle frigorifique transcritique
II.4. Machine frigorifique à CO2 utilisant un éjecteur comme détendeur
II.5. Conclusion
CHAPITRE III : Evaluation des performances d’une machine frigorifique à CO2 munie d’un détendeur à éjecteur
Introduction
III.1 Analyse du fonctionnement de la machine frigorifique à CO2 munie d’un détenteur à éjecteur
III.1.1. Cycle transcritique de base
III.1.2. Le cycle transcritique muni d’un détendeur à éjecteur
III.2. dimensionnement d’un éjecteur pour une machine frigorifique d’une puissance de 10 KW
III.2.1. hypothèses de calcul
III.2.2. Equations du modèle d’écoulement du CO2 à travers l’éjecteur
III.2.3. Résolution mathématique
III.3. Calcul des performances de la machine frigorifique munie d’un détendeur à éjecteur
III.4. Evaluation de l’amélioration du COP de la machine munie d’un détendeur à éjecteur avec celui d’une machine de base
III.5. Conclusion
Conclusion générale
Bibliographique
Annexe
