15
Département Aérospatiale et mécanique. Laboratoire de Thermodynamique Université de Liège Campus du Sart-Tilman - Bâtiment B49 Parking P33 B-4000 LIEGE (Belgium) tel : +32 (0)4 366 48 00 fax : +32 (0)4 366 48 12 web site : http://www.labothap.ulg.ac.be/cmsms/ Cours de thermodynamique appliquée. Laboratoires d’étudiants. Banc d’essai du groupe frigorifique à tube capillaire. Auteur:Bernard GEORGES tel : +32 (0)4 366 48 18 email :[email protected] Dernière mise à jour : février 2009

Frigo capillaire

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: Frigo capillaire

Département Aérospatiale et mécanique.

Laboratoire de Thermodynamique Université de Liège Campus du Sart-Tilman - Bâtiment B49 Parking P33 B-4000 LIEGE (Belgium) tel : +32 (0)4 366 48 00 fax : +32 (0)4 366 48 12 web site : http://www.labothap.ulg.ac.be/cmsms/

Cours de thermodynamique appliquée.

Laboratoires d’étudiants.

Banc d’essai du groupe frigorifique à tube capillaire.

Auteur:Bernard GEORGES tel : +32 (0)4 366 48 18 email :[email protected] Dernière mise à jour : février 2009

Page 2: Frigo capillaire

Notes de labo capillaire 2009.doc 2

Table de matières.

1 INTRODUCTION................................................................................................. 4

2 PRINCIPE DU GROUPE FRIGORIFIQUE.......................................................... 5

2.1 Description du principe. ...................................................................................................................5

2.2 Description du cycle frigorifique. .....................................................................................................6

2.3 Performances énergétiques...............................................................................................................7

3 DESCRIPTION PHYSIQUE DU BANC D’ESSAI FRIGO CAPILLAI RE............. 7

3.1 Le compresseur. ................................................................................................................................8

3.2 Le condenseur. ..................................................................................................................................9

3.3 Le tube capillaire ............................................................................................................................10

3.4 L’évaporateur. ................................................................................................................................10

4 EVOLUTION COMPLETE DU CYCLE FRIGORIFIQUE SUR LE BAN C D’ESSAI. ........................................... ....................................................................... 13

5 INSTRUMENTATION DU BANC............................ .......................................... 14

6 BILANS THERMIQUES. ................................. .................................................. 14

6.1 Rappel des principes. ......................................................................................................................14

6.2 Bilans basés sur une intégration à long terme. ...............................................................................15

6.3 Contre-vérifications ........................................................................................................................15

Page 3: Frigo capillaire

Notes de labo capillaire 2009.doc 3

Table des illustrations. Figure 1: Principe thermodynamique du groupe frigorifique................................................. 5 Figure 2: Cycle thermodynamique simplifié en diagramme p-h. ............................................ 6 Figure 3: Vue d'ensemble du groupe frigorifique. .................................................................. 7 Figure 4:Vue du compresseur hermétique à piston................................................................. 8 Figure 5: Aspect du condenseur............................................................................................. 9 Figure 6: Vue du tube capillaire. ......................................................................................... 10 Figure 7: Vue de l’évaporateur......................................................................................... 11 Figure 8:Coupe de l’évaporateur. ........................................................................................ 12 Figure 9:Schéma de principe d’essai capillaire. ................................................................... 13

Page 4: Frigo capillaire

Notes de labo capillaire 2009.doc 4

1 Introduction.

Le principe du groupe frigorifique est de refroidir un corps en transférant l’énergie absorbée à basse température dans un milieu d’échange se trouvant à plus haute température. Pour pouvoir comprendre et caractériser le fonctionnement du processus thermique, il est nécessaire de mesurer différentes grandeurs physiques avec le moins d’erreurs possible. Pour vérifier le niveau de précision de ces mesures, on réalise des bilans thermiques qui permettent d’abord de vérifier que les premiers principes de la thermodynamique sont respectés, ensuite d’estimer la fiabilité globale des mesures réalisées. En cas de bilans erronés, on peut vérifier quelles sont les mesures incorrectes, après avoir toutefois vérifié les équations utilisées pour établir les bilans.

Page 5: Frigo capillaire

Notes de labo capillaire 2009.doc 5

2 Principe du groupe frigorifique.

2.1 Description du principe. On dispose d’une «source froide » à la température Tf, par exemple de la nourriture que l’on veut maintenir à la température de 4°C. On va évacuer l’énergie absorbée lors du refroidissement en la transférant à travers un échangeur de chaleur, par exemple un condenseur aspirant de l’air ambiant à la température de 25°C: c’est la « source chaude » à la température Tc. Le transfert de l’énergie ( ) (« les calories » ) disponible à basse température vers une source à haute température ne peut s’effectuer naturellement car « la chaleur s’écoule du chaud vers le froid »en vertu du second principe. On doit alors utiliser un fluide de transfert intermédiaire (l’air, l’eau glycolée, l’ammoniac, le fréon, le CO2 etc… peuvent être des fluides de transfert). Dans notre cas, on utilise du réfrigérant (fréon R134) comme fluide intermédiaire pour réaliser un cycle frigorifique. Les transferts thermiques entre « sources » et fluide de transfert sont réalisés dans des échangeurs thermiques. L’illustration de ce principe sur un diagramme est reprise à la Figure 1 . Côté source froide, le réfrigérant circule à une température inférieure à Tf , soit T0 , et reçoit de l’énergie ( « de la chaleur ») de la nourriture. Côté source chaude, le réfrigérant, dont la température doit être plus élevée que Tc, soit T1 , et cède de l’énergie ( « de la chaleur ») à l’air circulant à travers le condenseur.

Figure 1: Principe thermodynamique du groupe frigorifique.

températures

Tc

ECHANGEUR

Circuit de l’air

Tf

Nourriture ECHANGEUR

Énergie du réfrigérant

Réfrigérant (basse pression)

Réfrigérant (haute pression)

T0

T1

Page 6: Frigo capillaire

Notes de labo capillaire 2009.doc 6

2.2 Description du cycle frigorifique. Le groupe frigorifique est un ensemble constitué d’un compresseur, d’un condenseur, d’un évaporateur et d’une vanne de laminage. Le cycle thermodynamique simplifié est montré à la Figure 2.

• Le réfrigérant circule à basse pression (P0 ) et basse température (T0 ) dans l’échangeur (évaporateur), dont les parois sont en contact avec la nourriture, et se vaporise progressivement en recevant de l’énergie (Wevap) de celle-ci, tout comme l’eau s’évapore au soleil. Son ENTHALPIE (niveau énergétique) augmente.

• Pour amener le réfrigérant de sa température basse T0 à un niveau supérieur T1, on utilise un compresseur qui va élever la pression et la température de la vapeur. Ce compresseur va consommer une énergie électrique payante ( Wcmp)

• Lorsque le réfrigérant circule dans l’échangeur de la source chaude (le condenseur), il cède de l’énergie ( Wcond) à l’air ambiant en se condensant progressivement jusqu’à se liquéfier (comme la buée sur une vitre). Son ENTHALPIE (niveau énergétique) diminue. Cette énergie provient de la source froide et du compresseur. En effet, une partie de l’énergie électrique consommée par celui-ci est convertie en énergie mécanique puis finalement en énergie thermique (échauffement du réfrigérant) Wcond =

Wcmp+ Wevap • Le réfrigérant est ensuite détendu (il passe de la haute à la basse pression) à l’aide

d’un organe de laminage pour entrer dans l’évaporateur en état diphasique et recommencer le cycle.

Figure 2: Cycle thermodynamique simplifié en diagramme p-h.

Pression P Température T

P0 , T0

Enthalpie H (kJ/kg)

CONDENSEUR

COMPRESSEUR

Wcond

Wevap

Vanne de laminage

Pres. condensation

Pres. évaporation

Tf

T

P1 , T1

EVAPORATEUR

Wcmp

moteur

Page 7: Frigo capillaire

Notes de labo capillaire 2009.doc 7

2.3 Performances énergétiques. Le coefficient de performance du groupe frigorifique s’exprime par le rapport entre l’énergie utile Wevap et l’énergie payée Wcmp soit COP = Wevap / Wcmp. L’intérêt de cette méthode est que la puissance consommée par le compresseur est en général plus faible que celle apportée au niveau de l’évaporateur. Le COP du groupe frigorifique utilisé varie entre 2.5 et 3.5 selon les conditions de fonctionnement.

3 Description physique du banc d’essai frigo capillaire.

Le compresseur implanté sur le banc d’essai est utilisé dans les frigos domestiques. Les composants principaux du banc d’essai sont décrits brièvement ci-après. La Figure 3 montre une vue d’ensemble du banc frigo.

Figure 3: Vue d'ensemble du groupe frigorifique.

Page 8: Frigo capillaire

Notes de labo capillaire 2009.doc 8

3.1 Le compresseur. La compression est réalisée par un piston. Le compresseur est hermétique, c’est à dire que le moteur électrique d’entraînement est refroidi par le réfrigérant. La puissance électrique consommée est donc intégralement apportée au mélange de réfrigérant et d’huile de lubrification par le travail de compression et par le refroidissement du moteur, aux échanges à l’ambiance près. La Figure 4 montre un gros plan du compresseur hermétique .

Figure 4:Vue du compresseur hermétique à piston.

Entrée du R134

Page 9: Frigo capillaire

Notes de labo capillaire 2009.doc 9

Remarque sur la lubrification : Le compresseur doit être lubrifié en permanence par de l’huile mélangée au réfrigérant. Cette huile est entraînée dans tout le circuit réfrigérant.

3.2 Le condenseur. C’est un échangeur métallique qui ressemble à un radiateur de voiture (cf. Figure 5). Le gaz réfrigérant à refroidir et liquéfier passe dans des conduits à ailettes autour duquel circule l’air de refroidissement.

Figure 5: Aspect du condenseur.

Page 10: Frigo capillaire

Notes de labo capillaire 2009.doc 10

3.3 Le tube capillaire Il a pour but de laminer le réfrigérant sortant du condenseur à l’état liquide à haute pression pour l’amener dans l’évaporateur à basse pression et température, sous forme diphasique contenant peu de vapeur de réfrigérant (X est faible).

Figure 6: Vue du tube capillaire.

3.4 L’évaporateur. C’est un échangeur cylindrique dans lequel est plongé une résistance chauffante entouré de céramique et plongée dans un noyau d’acier. Le réfrigérant circule entre cette paroi intérieure et la paroi extérieure, isolée de l’ambiance par une couche de mousse isolante (cf Figure 7).

Page 11: Frigo capillaire

Notes de labo capillaire 2009.doc 11

Figure 7: Vue de l’évaporateur. La Figure 8 montre la coupe de l’évaporateur.

Sortie réfrigérant gazeux basse pression

Niveau d’entrée du réfrigérant diphasique

basse pression

Page 12: Frigo capillaire

Notes de labo capillaire 2009.doc 12

Figure 8:Coupe de l’évaporateur.

Exhaust refrigerant vapour

Supply refrigerant liquid

l = 0.68 m

Isolation External tube Ceramic resistance Internal tube

r = 0.04 m e = 0.005 m

Page 13: Frigo capillaire

Notes de labo capillaire 2009.doc 13

4 Evolution complète du cycle frigorifique sur le banc d’essai.

On se réfère au schéma de principe du banc d’essai (cf. Figure 9 ) sur lequel est repérée la position des différents capteurs de mesure et des points de référence utilisés pour la description du système.

Figure 9:Schéma de principe d’essai capillaire.

Le réfrigérant est du fréon R134 qui suit un cycle fermé : 1. Il entre dans le compresseur en phase gazeuse surchauffée (t1 =5…20°C),à basse pression

(P1=2 à 5 bar). 2. Il est comprimé à haute pression (P2=10 à 15 bar) et haute température (t2=40 …90°C). 3. Il entre ensuite dans le condenseur dans les mêmes conditions, aux pertes de charge et

pertes à l’ambiance près. Il cède sa chaleur à l’air ambiant en subissant d’abord un refroidissement sensible à pression constante.

t2=57.2

t11=502.1

t12=21.2t13=35.6

t3=52.0t4=44.3

t7=12.9

t8=11.7

pbasse =418500 [Pa]

phaute =1298500 [Pa]

volumes de contrôle

t 1=10.3

Wevap=1434 [W]Wcmp=572 [W]

Qamb,global=-14 [W]

Q air,cd=-1820 [W]

moil=0.0022 [Kg/s ]mr =0.0097 [kg/s ]

mair =0.13 [kg/s ]

dudtevap=70.97

dudtsyst=152 [W]δδδδ H,cap=-267 [J /kg]

δδδδ H,ev=-141569 [J/kg]

∆∆∆∆ ptrox=140 [Pa]

Qamb,cmp=-16 [W]

points du cycle

t10=12.2

tcond=49.4 [C]

te vap=10.3 [C]

X

7

5

6

4

3

2

18

9

Page 14: Frigo capillaire

Notes de labo capillaire 2009.doc 14

4. Il se liquéfie alors par transfert latent à température constante, 5. Puis est sous-refroidi. L’air, quant à lui, entre dans le condenseur à t12 et sort à t13 en

emportant les calories apportées par le réfrigérant. A la sortie du condenseur (point t6), le réfrigérant doit normalement être en phase liquide, toujours à haute pression, pour permettre un bon fonctionnement du détendeur capillaire situé en aval. On observe l’état du réfrigérant grâce à un voyant situé avant le capillaire.

6. Le réfrigérant subit un laminage afin de passer de la haute à la basse pression. Ce laminage est supposé se dérouler à enthalpie constante, aux légers échanges de chaleur du tube chaleur près.

7. Le réfrigérant entre alors dans l’évaporateur à t7 et absorbe de la chaleur fournie par la résistance électrique. Cette dernière a pour fonction de remplacer la « source froide ».. C’est l’effet UTILE du cycle.

8. Le réfrigérant est considéré comme complètement évaporé, à la limite de la zone diphasique

9. A la sortie de l’évaporateur à température t8, le réfrigérant est normalement en phase gazeuse, à basse pression. Dans le cas contraire, des gouttelettes de réfrigérant pourraient être aspirées par le compresseur et risquer de le détériorer en « lavant » l’huile de lubrification qui circule dans tout le circuit du réfrigérant.

10. Le réfrigérant pénètre alors dans le compresseur et le cycle est fermé.

5 Instrumentation du banc

Elle est constituée de différents capteurs décrits dans le fascicule des notes de mesures.

6 Bilans thermiques.

6.1 Rappel des principes. Les bilans thermiques et les calculs divers sont réalisés sur base des notes de cours de thermodynamique. La mesure de débit d’air du compresseur est réalisée à l’aide d’un venturi industriel de marque TROX pour lequel il faut d’abord effectuer une conversion de la perte de charge en débit volumique normalisé à 20°C, soit une densité de l’air ρ =1.2 kg/m³, selon la formule :

pCV20 ∆=& [m3/h] avec ∆P en [Pa] et C =33 pour la tuyère utilisée.

On corrige ensuite le débit en tenant compte de la densité réelle de l’air (ρ ) soit :

ρ= 2.1

VV 20&&

[m3/h]

On convertit ensuite en débit massique [ kg/s].

Page 15: Frigo capillaire

Notes de labo capillaire 2009.doc 15

6.2 Bilans basés sur une intégration à long terme. En prenant les index de départ et d’arrêt du régime oscillatoire considéré sur une période d’au moins 30 minutes, on peut trouver, par exemple, un COP moyen de l’installation que l’on pourra comparer avec le COP basé sur une mesure instantanée.

6.3 Contre-vérifications Il est toujours intéressant de recouper les calculs avec les indications des fiches signalétiques telles que le volume balayé par le compresseur,etc…