Qu’est-ce que le cycle de compression de vapeur – cycle de réfrigération – définition

Cycle de compression de vapeur – Cycle de réfrigération

La compression de vapeur utilise comme fluide (généralement le R134a ) un fluide frigorigène à circulation qui absorbe et élimine la chaleur de l’espace à refroidir, puis la rejette ailleurs. La figure illustre un système typique à compression de vapeur à un étage . Le système typique de compression de vapeur comprend quatre composants:

• Compresseur
• Condenseur
• Détendeur (également appelé clapet d’étranglement)
• Évaporateur

Dans un cycle de compression de vapeur idéal, le système qui exécute le cycle subit quatre processus: un processus isentropique (adiabatique réversible), un processus d’étranglement alternant avec deux processus isobares:

• Compression isentropique (compression dans le compresseur à piston) – Un réfrigérant en circulation, tel que le R134a, pénètre dans un compresseur sous forme de vapeur à basse pression à une température légèrement inférieure à la température de l’intérieur du réfrigérateur. Le milieu gazeux est comprimé de manière adiabatique de l’état 1 à l’état 2 par un compresseur à piston (ou par des pompes centrifuges) à une pression et à une température relativement élevées. Les environs travaillent sur le gaz, augmentant son énergie interne (température) et le comprimant (augmentant sa pression). Par contre, 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 voyage sous pression à travers des serpentins ou des tubes qui composent le condenseur. Dans cette phase, le réfrigérant passe à travers le condenseur, où il se condense et la chaleur est transférée du réfrigérant à l’environnement plus frais. La chaleur nette rejetée est donnée par Q _re = H ₃ – H ₂ . Lorsque le réfrigérant quitte le condenseur, celui-ci est toujours sous pression mais il ne dépasse que légèrement la température ambiante.
• Procédé isenthalpique (détente dans un détendeur) – Le réfrigérant à l’état 3 pénètre dans le détendeur et se dilate à la pression de l’évaporateur. Ce processus est généralement modélisé comme un processus de régulation pour lequel l’enthalpie reste constante. H ₄ = H ₃ . La brusque diminution de la pression entraîne une évaporation instantanée ressemblant à un explosif d’une partie (généralement environ la moitié) du liquide. La chaleur latente absorbée par cette évaporation instantanée provient principalement du réfrigérant adjacent encore liquide, un phénomène connu sous le nom d’ auto-réfrigération .
• Addition de chaleur isobare ( dans un évaporateur ) – Le réfrigérant froid et partiellement vaporisé continue à travers les serpentins ou les tubes de l’unité de l’évaporateur. Dans cette phase (entre les états 4 et 1), il se produit un transfert de chaleur à pression constante vers le milieu liquide à partir d’une source externe, car la chambre est ouverte aux flux entrant et sortant. Lorsque le réfrigérant traverse 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

Au cours d’un cycle de compression de vapeur, les pompes effectuent un travail sur le fluide entre les états 1 et 2 ( compression isentrope ). Le fluide n’effectue aucun travail 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.

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.