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Etude d'un climatiseur BTSchimiste 2008. |
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L'installation schématisée ci-dessous comporte un compresseur, un détendeur et deux serpentins qui sont le siège d'échanges thermiques.
Le fluide caloporteur qui effectue le cycle est l'ammoniac. Par un jeu de vannes adéquat, le fluide peut circuler dans un sens pour chauffer le local ( A, B, C, D, A) et dans l'autre sens pour le rafraichir ( B, A, D, C, B) En supposant d'une part que le climatiseur n'échange de la chaleur qu'avec l'ectérieur et l'intérieur du local, d'autre part que l'échange de travail ne se fait qu'au niveau du compresseur, compléter les schémas suivants : - y faire figurer les termes : local, extérieur, compresseur - indiquer par des flèches le sens des échanges énergétiques ( thermique Q et travail W) - préciser le signe de chaque échange par rapport au fluide. - On définit le coefficient de performance ( ou efficacité) h du climatiseur comme le rapport des valeurs absolues de l'énergie utile à l'énergie dépensée. L'exprimer littéralement.
En décrivant ce cycle, l'ammoniac subit des changements d'état : - Lors de sa vaporisation dans l'évaporateur, indiquer en le justifiant, le sens de l'échange thermique et son action sur l'environnement ( refroidissement ou réchauffement). Le fluide reçoit de la chaleur de la part de l'extérieur ( environnement) ; l'environnement cède de la chaleur au fluide ( refroidissement) - Lors de sa condensation dans le condenseur, indiquer en le justifiant, le sens de l'échange thermique et son action sur l'environnement ( refroidissement ou réchauffement). Le fluide céde de la chaleur au local ; le local gagne de la chaleur ( réchauffement) En déduire dans le cas de la pompe à chaleur la nature des échangeurs E1 et E2. Evaporateur : au contact de la chaleur puisée à l'extérieur, le fluide frigorigène liquide, se transforme en vapeur. Compresseur : cette vapeur est portée à haute pression. Condenseur : le liquide frigorigène transmet sa chaleur au circuit de chauffage du logement. Le fluide frigorigène toujours comprimé devient liquide. E2 : évaporateur ; E1 : condenseur.
Le diagramme entropique. Le diagramme entropique T(S) de l'ammoniac est partiellement tracé avec les courbes isenthalpiques et isobares. Dans un souci de simplification, certaines courbes ne sont pas tracées dans leur intégralité. Sur le diagramme indiquer les différents domaines : liquide, vapeur, mélange liquide vapeur. Indiquer la courbe de rosée et la courbe d'ébullition en justifiant. courbe d'ébullition : l'ébullition est le moment où apparaît la première bulle de vapeur. Cette courbe est la séparation entre le liquide et le mélange liquide -vapeur. courbe de rosée : c'est la courbe qui sépare la vapeur du mélange liquide-vapeur. La rosée est le moment où apparaît la première goutte de liquide.
Par lecture du graphe, déduire les enthalpies massiques de vaporisation ( ou chaleur latente) de l'ammoniac à 0°C et 20°C.
Les pressions de vapeur saturante de l'ammoniac PS(T) sont données pour trois températures : PS(273 K) = 4,3 bar ; PS(293 K) = 8,2 bar ; PS(313 K) = 15 bar. Définir la pression de vapeur saturante. La pression de vapeur saturante est la pression à laquelle la vapeur est en équilibre avec sa phase liquide ou solide. Indiquer la pression de chaque isobare tracée sur le diagramme.
Fonctionnement du climatiseur en pompe à chaleur. On suppose que la température extérieure est 0°C, on veut que la température du local soit 20 °C. Le cycle décrit par l'ammoniac est le suivant, les transformations sont considérées comme réversibles : - L'ammoniac sort de E1 en C à l'état de liquide saturant, à la température T0 du local. - l'ammoniac subit une détente isenthalpique dans le détendeur jusqu'à la température extérieure ( 0°C), point D. - l'ammoniac se vaporise totalement de D en A à pression constante dans E2. - De A en B l'ammoniac subit une compression adiabatique ( comme elle est réversible, elle est donc isentropique). Le point B est alors à la vapeur sèche. - De B en C, l'ammoniac subit d'abord un refroidissement isobare de la vapeur, puis une liquéfaction totale à pression constante. Tracer le cycle décrit en plaçant les points A, B, C, D et en fléchant le sens du parcours. Trouver graphiquement la température TB à la sortie du compresseur.
On rappelle que le premier principe appliqué à une partie active de la machine ( compresseur, détendeur ou échangeur) est Dh= W+Q, W étant le travail utile, c'est à dire échangé avec l'extérieur du circuit, excluant le travail des forces de pression. Le fluide subit des échanges isobares dans les échangeurs E1 et E2, sans échange de travail utile. déterminer graphiquement, pour 1 kg d'ammoniac, d'après les valeurs indiquées sur le diagramme : - le travail W fournit par le compresseur au fluide. - La chaleur QC fournie par le fluide au local lors du passage dans E1. - La chaleur Qf reçue par le fluide de la part de l'extérieur lors du passage dans E2.
Calculer le coefficient de performance de la pompe à chaleur.
On suppose que la température extérieure est 40°C pour se placer dans des conditions extrèmes, et que celle du local est 20°C. Le rôle des deux échangeurs est alors inversé, la description du cycle est la même, seules les températures changent. Ce cycle a donc la même allure, mais il est décalé. L'ammoniac subit une compression BA puis un refroidissement isobare AD jusqu'à l'état de liquide saturant ; s'ensuit une détente isenthalpique DC puis une vaporisation totale CB. Tracer le cycle sur le diagramme et placer les points B, A, D et C. Flècher le sens du parcours.
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