Qu’est-ce que la pompe à chaleur – Comment ça marche – Définition

Pompe à chaleur – Comment ça marche

Le terme pompe à chaleur est généralement réservé à un appareil qui peut chauffer une maison en hiver en utilisant un moteur électrique qui fonctionne W pour prendre la chaleur Q _froide de l’extérieur à basse température et fournit de la chaleur Q _chaude à l’intérieur plus chaud de la maison.

Le principe de fonctionnement des réfrigérateurs , des climatiseurs et des pompes à chaleur est le même et c’est l’ inverse du moteur thermique . En général, une pompe à chaleur est un dispositif qui transfère l’ énergie thermique à partir d’ une source de chaleur à un « puits de chaleur « , mais dans ce cas le transfert a lieu dans la direction opposée de transfert de chaleur spontanée par absorption de chaleur à partir d’ un espace froid et de le relâcher à un plus chaud. Comme le montre la figure, en effectuant un travail externe W, la chaleur provient d’une région à basse température (source de chaleur) et une plus grande quantité de chaleur est évacuée à une température plus élevée (puits de chaleur).

Le cycle thermodynamique ou la méthode la plus largement utilisée pour le chauffage, la climatisation, les réfrigérateurs et les pompes à chaleur est le cycle de compression de vapeur .

Cycle de compression de vapeur – Réfrigération de compression de vapeur

La compression de vapeur utilise un fluide frigorigène liquide en circulation comme milieu (généralement le R134a ) qui absorbe et élimine la chaleur de l’espace à refroidir et rejette ensuite cette chaleur ailleurs. La figure représente un système de compression de vapeur à un étage typique . Le système de compression de vapeur typique se compose de quatre composants:

• Compresseur
• Condenseur
• Détendeur (également appelé papillon)
• Évaporateur

Dans un cycle de compression de vapeur idéal, le système exécutant le cycle subit une série de quatre processus: un processus isentropique (adiabatique réversible), un processus d’étranglement alterné avec deux processus isobares:

• Compression isentropique (compression dans le compresseur à piston) – Un réfrigérant en circulation tel que le R134a pénètre dans le compresseur sous forme de vapeur à basse pression à la température de l’intérieur du réfrigérateur ou légèrement en dessous de celle-ci. Le milieu gazeux est comprimé adiabatiquement de l’état 1 à l’état 2 par un compresseur à piston (ou par des pompes centrifuges) à une pression et une température relativement élevées. L’environnement travaille sur le gaz, augmentant son énergie interne (température) et le compressant (augmentant sa pression). En revanche, l’entropie reste inchangée. Le travail requis pour le compresseur est donné par W _C = H ₂ – H ₁ .
• Rejet de chaleur isobare (dans un condenseur) – La vapeur surchauffée se déplace sous pression à travers des bobines ou des tubes qui composent le condenseur. Dans cette phase, le réfrigérant passe à travers le condenseur, où le réfrigérant se condense et il y a un transfert de chaleur du réfrigérant vers l’environnement plus frais. La chaleur nette rejetée est donnée par Q _re = H ₃ – H ₂ . Lorsque le réfrigérant quitte le condenseur, il est toujours sous pression mais n’est maintenant que légèrement au-dessus de la température ambiante.
• Processus isenthalpique (détente dans un détendeur) – Le réfrigérant à l’état 3 entre dans le détendeur et se détend à la pression de l’évaporateur. Ce processus est généralement modélisé comme un processus d’étranglement pour lequel l’enthalpie reste constante. H ₄ = H ₃ . La baisse soudaine de la pression entraîne une évaporation flash de type explosif d’une partie (généralement environ la moitié) du liquide. La chaleur latente absorbée par cette évaporation flash provient principalement du réfrigérant encore liquide adjacent, un phénomène connu sous le nom d’ auto-réfrigération .
• Ajout de chaleur isobare ( dans un évaporateur ) – Le réfrigérant froid et partiellement vaporisé continue à travers les serpentins ou les tubes de l’évaporateur. Dans cette phase (entre l’état 4 et l’état 1), il y a un transfert de chaleur à pression constante vers le milieu liquide à partir d’une source externe, car la chambre est ouverte pour entrer et sortir. Lorsque le réfrigérant passe à travers l’évaporateur, le transfert de chaleur de l’espace réfrigéré entraîne la vaporisation du réfrigérant. La chaleur nette ajoutée est donnée par Q _add = H ₁ – H ₄

Lors d’un cycle de compression de vapeur, un travail est effectué sur le fluide par les pompes entre les états 1 et 2 ( compression isentropique ). Il n’y a pas de travail effectué par le fluide car entre les étapes 3 et 4 le processus est isenthalpique. Le fluide de travail dans un cycle de compression de vapeur suit une boucle fermée et est réutilisé en permanence.

Pompes à chaleur réversibles

Les pompes à chaleur réversibles fonctionnent dans les deux sens pour fournir du chauffage ou de la climatisation (refroidissement) à l’espace intérieur. Ils utilisent une vanne d’inversion pour inverser le flux de réfrigérant du compresseur à travers le condenseur et les serpentins d’évaporation.

Chauffage et climatisation

En mode chauffage , les pompes à chaleur sont trois à quatre fois plus efficaces pour chauffer (c’est-à-dire qu’elles peuvent avoir COP = 4) que les simples résistances électriques à résistance utilisant la même quantité d’électricité. Le coût généralement installé pour une pompe à chaleur est environ 20 fois plus élevé que pour les résistances chauffantes. En mode chauffage, le serpentin extérieur est un évaporateur, tandis que l’intérieur est un condenseur.

En mode refroidissement , le débit est inversé et le serpentin extérieur est un condenseur, tandis que l’intérieur est un évaporateur. En mode chauffage, le serpentin extérieur est un évaporateur, tandis que l’intérieur est un condenseur. Le COP pour le mode de refroidissement est inférieur à celui du mode de chauffage, car le travail effectué par le compresseur est utilisé uniquement pendant le mode de chauffage.

Coefficient de performance – Pompe à chaleur, réfrigérateur, climatiseur

En général, le rendement thermique , η _e , de tout moteur thermique en tant que rapport du travail qu’il fait, W , à la chaleur d’ entrée à la température élevée, Q _H .

L’ efficacité thermique , η _th , représente la fraction de chaleur , Q _H , qui est convertie en travail .

Mais dans les pompes à chaleur et les réfrigérateurs , le travail n’est pas une sortie. Pour une réfrigération ou des pompes à chaleur, l’efficacité thermique indique dans quelle mesure l’énergie ajoutée par le travail est convertie en chaleur nette. D’un point de vue économique, le meilleur cycle de réfrigération est celui qui élimine la plus grande quantité de chaleur de l’intérieur du réfrigérateur (réservoir froid) pour la moindre dépense de travail mécanique ou d’énergie électrique. Le ratio pertinent est donc plus ce ratio est élevé, meilleur est le réfrigérateur. Nous appelons ce rapport le coefficient de performance , noté COP .

Le coefficient de performance ,   COP, est également défini pour les pompes à chaleur, mais à ce stade, nous suivons la chaleur nette ajoutée au réservoir chaud. Le COP dépasse généralement 1, en particulier dans les pompes à chaleur, car, au lieu de simplement convertir le travail en chaleur, il pompe la chaleur supplémentaire d’une source de chaleur là où la chaleur est requise.

En général, le COP dépend fortement des conditions de fonctionnement, en particulier de la température absolue et de la température relative entre le dissipateur thermique et le système.

Coefficient de performance – réfrigérateur, climatiseur

Le coefficient de performance , COP , d’un réfrigérateur est défini comme la chaleur évacuée du réservoir froid Q _froid , (c’est-à-dire à l’intérieur d’un réfrigérateur) divisée par le travail W effectué pour évacuer la chaleur (c’est-à-dire le travail effectué par le compresseur).

Comme on peut le voir, le réfrigérateur est meilleur (plus efficace) lorsque plus de chaleur Q _froide peut être retirée de l’intérieur du réfrigérateur pour une quantité de travail donnée. Puisque la première loi de la thermodynamique doit être valable également dans ce cas (Q _froid + W = Q _chaud ), nous pouvons réécrire l’équation ci-dessus:

Pour un réfrigérateur idéal (sans pertes ni irréversibilités), on peut déduire que:

Ces formules s’appliquent également à un climatiseur , qui fonctionne très bien comme un réfrigérateur.

En revanche, les COP pour le chauffage et le refroidissement sont différents.

Coefficient de performance – Pompe à chaleur

Pour le chauffage, le COP est le rapport de la chaleur ajoutée au système (réservoir chaud). En utilisant le première principe de la thermodynamique, définissez également le COP comme la chaleur retirée du réservoir froid plus le travail d’entrée vers le travail d’entrée.

Pour une pompe à chaleur idéale (sans pertes ni irréversibilités), on peut déduire que:

A noter que ces équations doivent utiliser une échelle de température absolue (T _froid , T _chaud ) et ce n’est qu’une efficacité maximale théorique . Selon la formule ci-dessus, le COP maximum réalisable pour T _chaud = 35 ° C (308 K) et T _froid = 0 ° C (273 K) serait de 8,8. Mais en réalité, les meilleurs systèmes tournent autour de 4,5.

Comme on peut le voir, le COP d’un système de pompe à chaleur peut être amélioré en réduisant la différence de température (T _chaud – T _froid ). Par conséquent, la réduction de la température de sortie (T _chaud ) est très efficace, mais nécessite un transfert de chaleur très efficace du système de pompe à chaleur vers l’environnement (c.-à-d. Utilisation de plancher tubulaire). Une augmentation de la température d’entrée (T _froid ) signifie, par exemple, une source de chaleur au sol surdimensionnée.

Exemple – Pompe à chaleur – Chauffage et climatisation

Une pompe à chaleur réversible a un coefficient de performance, COP = 3,0 , lorsqu’elle fonctionne en mode chauffage . Son compresseur consomme 1500 W d’énergie électrique.

1. Calculez la quantité de chaleur ( Q _chaude ) que la pompe à chaleur peut ajouter à une pièce?
2. Si la pompe à chaleur était mise en mode refroidissement (c’est-à-dire pour agir comme climatiseur en été), quel serait son coefficient de performance ? Supposons que tout le reste reste le même et négligez toutes les autres pertes.

Solution:

De la COP , qui est définie comme:

la quantité de chaleur que la pompe à chaleur peut ajouter à une pièce est égale à:

Q _chaud = _chauffage COP x W = 3 x 1500 = 4500 W ou 4500 J / s

Dans le cas du mode de refroidissement , la pompe à chaleur (climatiseur) avec un moteur de 1500 W peut prendre la chaleur Q _froide de l’intérieur de la maison, puis vider Q _chaud = 4500 W vers l’extérieur chaud. En utilisant le première principe de la thermodynamique, qui stipule:

Q _froid + W = Q _chaud ,

on obtient de la chaleur, Q _froid = 3000 W . D’après la définition: COP _{refroidissement} = 3000/1500 = 2 .

Notez que, dans cet exemple, nous avons de nombreuses hypothèses. Par exemple, nous avons supposé que la différence de température (T _chaud – T _froid ) est la même pour les deux modes. Mais nous avons échangé des réservoirs, sans aucun impact sur le COP. Ce n’est qu’un exemple illustratif.

Cycle inversé de Brayton – Cycle de réfrigération de Brayton

En général, le cycle de Brayton décrit le fonctionnement d’un moteur thermique à pression constante . Aujourd’hui, les moteurs à turbine à gaz modernes et les moteurs à réaction à respiration aérodynamique sont également des moteurs thermiques à pression constante.

Un cycle de Brayton entraîné en sens inverse est appelé cycle de Brayton inversé . Son but est de déplacer la chaleur d’un corps plus froid vers un corps plus chaud, plutôt que de produire du travail. Conformément à le deuxième principe de la thermodynamique, la chaleur ne peut pas circuler spontanément du système froid au système chaud sans qu’un travail externe soit effectué sur le système. La chaleur peut circuler d’un corps plus froid vers un corps plus chaud, mais uniquement lorsqu’elle est forcée par un travail extérieur. C’est exactement ce que les réfrigérateurs et les pompes à chaleur accomplissent. Ceux-ci sont entraînés par des moteurs électriques nécessitant un travail de leur environnement pour fonctionner. L’un des cycles possibles est un cycle de Brayton inversé, qui est similaire au cycle Brayton ordinaire mais il est entraîné en sens inverse, via une entrée de travail nette. Ce cycle est également connu sous le nom de cycle de réfrigération au gaz ou cycle de Bell Coleman. Ce type de cycle est largement utilisé dans les avions à réaction pour les systèmes de climatisation utilisant l’air des compresseurs du moteur. Il est également largement utilisé dans l’industrie du GNL où le plus grand cycle inversé de Brayton est pour le sous-refroidissement du GNL en utilisant 86 MW de puissance provenant d’un compresseur entraîné par turbine à gaz et d’un réfrigérant à l’azote.