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Cours de Thermodynamique appliquée Master 1 Génie Chimique Département de Génie

Cours de Thermodynamique appliquée Master 1 Génie Chimique Département de Génie des Procédés Faculté des Sciences et de la Technologie Université de Mostaganem Dr. Saidj OBJECTIFS 2 Chapitre 1 Chapitre 7 Chapitre 6 Chapitre 5 Chapitre 4 Chapitre 3 Chapitre 2 Introduire les notions fondamentales au sujet des machines frigorifique. Discuter le fonctionnement des machines frigorifiques. Étudier le cycle idéal et les cycles réels à compression de vapeur. Discuter les propriétés des fluides frigorigènes. Quantifier l’effet de la compression en cascade et de la compression étagée sur le rendement des systèmes de réfrigération. Étudier le cycle de liquéfaction des gaz. 7.1. LES MACHINES FRIGORIFIQUES 3 Chapitre 1 Chapitre 7 Chapitre 6 Chapitre 5 Chapitre 4 Chapitre 3 Chapitre 2 la chaleur s’écoule naturellement d’un corps chaud vers un corps froid. Le cas inverse n’est jamais observé. Le deuxième principe de thermodynamique exige pour la cas inverse intervention du milieu extérieur, c’est la cas de la machine frigorifique. La machine frigorifique telle que le réfrigérateur ou bien la pompe à chaleur sont des machines cyclique qui à l’aide d’une fluide frigorigène, extraient une quantité de chaleur Qf d’un milieu à basse température Tf pour rejeter une quantité de chaleur Qch dans un milieu à haute température Tch en consommant une quantité de travail Wnet. Ce qui distingue le réfrigérateur de la pompe à chaleur est leu emploi. Le réfrigérateur sert à maintenir le milieu réfrigéré à à basse température. Quant à la pompe à chaleur, elle sert à maintenir le milieu chauffé à haute température. L’efficacité des réfrigérateurs COPR et des pompes à chaleur COPpch ont été traités en détail dans le chapitre 3. 7.2. LE CYCLE DE RÉFRIGÉRATION À COMPRESSION DE VAPEUR IDÉAL 4 Chapitre 1 Chapitre 7 Chapitre 6 Chapitre 5 Chapitre 4 Chapitre 3 Chapitre 2 Le cycle de réfrigération à compression de vapeur idéal, le plus utilisé, comprend quatre évolutions:  ❶-❷la compression isentropique dans le compresseur  ❷-❸l’évacuation de chaleur à pression constante dans le condenseur  ❸-❹la détente dans le détendeur  ❹-❶l’extraction de chaleur à pression constante dans l’évaporateurMilieu à refroidirMilieu chaud 7.2.1. DIAGRAMME T-S DU CYCLE DE RÉFRIGÉRATION À COMPRESSION DE VAPEUR IDÉAL 5 Chapitre 1 Chapitre 7 Chapitre 6 Chapitre 5 Chapitre 4 Chapitre 3 Chapitre 2 Le fluide frigorigène entre dans le compresseur sous forme de vapeur saturée ❶et il est comprimé de façon isentropique à la pression qui règne au sein du condenseur. Au cours de cette évolution, la température du fluide frigorigène augmente et dépasse la température du milieu extérieur à haute température. En entrant dans le condenseur, le fluide se trouve sous la forme de vapeur surchauffée ❷. Il circule dans le condenseur en cédant sa chaleur au milieu extérieur. Il en sort sous forme de liquide saturé pour ensuite être admis dans le détendeur ❸. Le fluide saturé subit une baisse de pression au sein du détendeur de la pression du condenseur à la pression de l’évaporateur. Il entre dans l’évaporateur sous forme d’un mélange liquide-vapeur de faible titre ❹. À mesure qu’il traverse l’évaporateur, il absorbe de la chaleur du milieu réfrigéré en s’évaporant. Il sort finalement de l’évaporateur sous forme de vapeur saturée pour entrer dans le compresseur ❶. Le cycle est complété. o Le cycle de réfrigération est souvent représenter dans un diagramme P-h. Ce diagramme montre que les 3 de 4 évolutions sont décrites par des segments de droite. Les quantités de chaleur extraite de l’évaporateur et évacuée dans le condenseur sont respectivement proportionnelles à la longueur des segments 4-1 et 2-3. On observe aussi que l’évolution dans le détendeur 3-4 est évolution isenthalpique (h3 =h4) . o Le bilan énergétique dans les quatre dispositifs: les coefficients de performance: 7.2.1. DIAGRAMME P-h DU CYCLE DE RÉFRIGÉRATION À COMPRESSION DE VAPEUR IDÉAL 6 Chapitre 1 Chapitre 7 Chapitre 6 Chapitre 5 Chapitre 4 Chapitre 3 Chapitre 2 o L’écart entre le cycle réel et idéal est dû aux irréversibilités qui se manifestent dans le circuit. Les deux principales source d’irréversibilités sont: • Le frottement qui est responsable de la chute de pression au sein des conduits et des dispositifs. • La transmission de chaleur. o Dans la pratique est très difficile de maintenir la Vapeur sortante de l’évaporateur sous forme de Vapeur saturé, c’est pourquoi, dans le cycle réel, le réfrigérant sort de l’évaporateur sous forme de vapeur surchauffée de façon à être admis dans le compresseur sous dorme légèrement surchauffée. Rappelons que le compresseur est conçu pour comprimer un gaz mais pas un mélange liquide-vapeur. o Dans le cycle idéal, l’évolution de compression 1-2s. Dans le cycle réel, le frottement intervient, ce qui fait augmenter l’entropie. o En pratique, le fluide frigorigène subit une chute de pression en traversant le condenseur puis en parcourant le conduit qui relie le condenseur au détendeur. Par conséquent, le fluide est légèrement sous refroidi lorsqu’il entre dans le détendeur et plus froid lorsqu’il en ressort. 7.2.3. L’ÉCART ENTRE LE CYCLE DE RÉFRIGÉRATION À COMPRESSION DE VAPEUR RÉEL ET LE CYCLE IDÉAL 7 Chapitre 1 Chapitre 7 Chapitre 6 Chapitre 5 Chapitre 4 Chapitre 3 Chapitre 2 7.3. LES FLUIDES FRIGORIGÈNES 8 Chapitre 1 Chapitre 7 Chapitre 6 Chapitre 5 Chapitre 4 Chapitre 3 Chapitre 2 Les propriétés du fluide frigorigène idéal sont les suivantes: Une température critique élevée et un point de congélation bas. Une grande chaleur latente d’évaporation hfg. Une pression de vapeur supérieur à la pression atmosphérique. Un petit volume massique de la vapeur. Une conductivité élevée. Non corrosif et inerte. Bon marché. Les fluides disponibles: NH3: odeur forte, toxique CO2 : inodore, inflammable, non explosif SO2 : non toxique, sec CH3Cl, C2H5Cl : non toxique, anesthésiant, inflammable 7.3. LES FLUIDES FRIGORIGÈNES CFC 9 Chapitre 1 Chapitre 7 Chapitre 6 Chapitre 5 Chapitre 4 Chapitre 3 Chapitre 2 Les chlorofluorocarbures CFC sont des produits inertes, stables, inodores, incolores, inflammables et non toxiques. Ils répondent aux caractéristiques des fluides frigorigènes idéales. La marque FREON de l’entreprise DuPont est devenu la plus utilisée dans les années 70 comme fluide frigorigène domestique. Quelques exemples de FREON: FREON 11: CCl3F FREON 22: CHClF2 (-75°C) FREON 12: CCl3F2 (-60°C) FREON 113: C2Cl3F3 FREON 13: CClF3 (-87°C) FREON 114: C2Cl2F4 Dans les années qui suivent, les savants ont constatés que les molécules CFC attaquent la couche d’ozone de l’atmosphère, ce qui a donné une naissance à une nouvelle génération de fluides frigorigène appelée (HCFC). Malgré que les HCFC (hydrochlorofluorocarbures) sont moins stables que les CFC, donc moins destructeurs de la couche d’ozone, le protocole de Copenhague appelle à leur interdiction d’ici 2030-2040. Actuellement le fluide frigorigène le plus utilisé dans les machine frigorifiques domestiques est le tétrafluoréthane, plus connu sous le nom de réfrigérant R-134a et c’est molécule qui ne contient pas de chlore. 7.4.1. LE SYSTÈME DE RÉFRIGÉRATION EN CASCADE 10 Chapitre 1 Chapitre 7 Chapitre 6 Chapitre 5 Chapitre 4 Chapitre 3 Chapitre 2 La différence de température entre le milieu réfrigéré et le milieu extérieur peut atteindre des valeurs au delà de -70°C dans les installations commerciales et industrielles. Dans ce cas, si on travaille avec une seule boucle de compression, non seulement le travail consommé est très important, mais aussi le rendement est faible. Pour contourner, ce problème, on recourt à un système de réfrigération en cascade. Les deux cycles sont reliés entre eux par un échangeur de chaleur qui est en même temps un évaporateur pour le cycle A (le cycle à haute température) et un condenseur au cycle B (le cycle à basse température). 7.4.2. LE CYCLE DU SYSTÈME DE RÉFRIGÉRATION EN CASCADE 11 Chapitre 1 Chapitre 7 Chapitre 6 Chapitre 5 Chapitre 4 Chapitre 3 Chapitre 2 Pour un écoulement en régime permanent et dont la variation des énergies potentielle et cinétique est négligeable, on détermine les débits massiques des écoulements dans le cycle A et B. On note que le COP du cycle en cascade est plus élevé, car la quantité de Chaleur extraite du milieu réfrigéré est plus importante. Dans les systèmes en cascade les fluides frigorigènes ne sont pas mélangés Dans l’échangeur de chaleur, par conséquent, les fluides peuvent être de nature différente et adapté à la plage de température. Par exemple l’éthane Peut circuler dans la boucle B, alors que l’ammoniac dans la boucle A. 7.5. LE SYSTÈME DE RÉFRIGÉRATION À COMPRESSION ÉTAGÉE 12 Chapitre 1 Chapitre 7 Chapitre 6 Chapitre 5 Chapitre 4 Chapitre 3 Chapitre 2 Un seul fluide frigorigène circule à travers les 2 boucles de compression dans le cycle de réfrigération à compression étagée. Donc au lieu d’avoir un échangeur de chaleur entre les 2 boucles de compression, on incorpore une chambre de mélange, appelée « séparateur », qui fait séparer la phase liquide du mélange sortant du premier détendeur ❻de la phase vapeur. La partie liquide saturé ❼entre dans le deuxième détendeur, elle se détend pour être admis dans l’évaporateur ❽, qui absorbe la chaleur du milieu réfrigéré. Quant à la partie de vapeur saturée est mélangée à la vapeur surchauffée émergeante du compresseur à uploads/Geographie/ cours-de-thermodynamique-appliquee-7.pdf