15 diagramme enthalpique

7/28/2019 15 diagramme enthalpique

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LE DIAGRAMME ENTHALPIQUE

Lexpression cycle vient de la thermodynamique. En effet lorsquune masse de fluide se retrouve

aprs diverses transformations dans le mme tat (pression, volume, temprature) au mme point on dit

quelle dcrit un cycle.

Principe du cycle frigorifique:

surchauffe des vapeurs dsurchauffe des vapeurs

vaporateur condensation

vaporation du fluide sous-refroidissement

compresseur

BP HP

dtendeur

Evaporateur:Dans lvaporateur le fluide se vaporise, la chaleur latente de vaporisation tant fournie par le mdium de

refroidissement qui se refroidi.

Etat du fluide lentre: mlange liquide vapeur (80% liquide- 20% vapeur),

Etat du fluide la sortie: vapeur basse pression surchauffe (rgime sec).

Compresseur:

Il absorbe les vapeurs issues de lvaporateur, les compriment et les refoulent vers le condenseur.

Etat du fluide lentre: vapeurs BP surchauffes

Etat du fluide la sortie: vapeurs HP surchauffes

Condenseur:Il va liqufier les vapeurs refoules par le compresseur et sous refroidir le liquide condens.

Etat du fluide lentre: vapeurs HP surchauffes

Etat du fluide la sortie: liquide HP sous refroidi.

Dtendeur:

Il permet partir du liquide HP sortant du condenseur (o de la bouteille) dalimenter lvaporateur en

liquide BP basse temprature.

Etat du fluide lentre: liquide HP sous refroidi

Etat du fluide la sortie: mlange liquide-vapeur (80 % liquide 20% vapeur).


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1) Prsentationdu diagramme:Toutes les caractristiques thermodynamiques dun fluide ainsi que ces diffrents tats (liquide ou

vapeur) sont reprsents graphiquement sur le diagramme enthalpique.

Lutilisation de ce diagramme permet dune manire simple de reprsenter lvolution du fluide

frigorigne au cours de chaque transformation. Le diagramme est un outil pratique cest une reprsentation

graphique de toutes les volutions quun fluide peut subir. Il sagit de sa carte didentit.

2) Coordonnes du diagramme:

Les coordonnes du diagramme sont:

- pour laxe des abscisses:

LENTHALPIE H

- pour laxe des ordonnes:

LA PRESSION P

Pour permettre une reprsentation plus facile on a transform laxe des ordonnes en log de P,

(chelle logarithmique). Cest pourquoi ce diagramme est galement appel diagramme H log de P.

3) Isobare:

La droite qui est parallle laxe des

abscisses lordonne qui reste

constante, est ISOBARE.

La pression est ISOBARE.


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4) Identhalpe:

La droite qui est parallle laxe desordonnes labscisse qui reste constante

est ISENTHALPE

.

5) Isochore:

La courbe indiquant le volume massique du fluide est une isochore V.

Les isochores sont trs utiles pour calculer le dbit masse traversant le compresseur.

Elles permettent de dterminer la vitesse de circulation du fluide dans les tuyauteries daspirations et de

refoulement.

6) Isotherme:

La courbe indiquant la temprature du

fluide est une ISOTHERME

Dans sa partie liquide lisotherme est

ISENTHALPE

Dans sa partie mlange lisotherme est

ISOBARE

Dans sa partie vapeur lisotherme est une

COURBE


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7) Isentrope:

La courbe indiquant lentropie du fluide

est un ISENTROPE galement appeleADIABATIQUE.

Ces courbes sont aussi appeles courbes

de compressions thoriques car lors de la

compression des vapeurs sans change

thermique avec le compresseur (ce qui

narrive jamais), la vapeur monte en

pression et en temprature suivant le

trac de la courbe S.

8) L isotitre:

Cest la courbe indiquant le titre du fluide qui

correspond au rapport de la masse de vapeur

sur la masse totale du fluide.

Lorsque le fluide est en quilibre ltat

liquide lisotitre est gale 0. Lorsque le

fluide est en quilibre ltat vapeur

saturante lisotitre est gale 1.

Ces deux courbes se rejoignent au point

critique. Elles dlimitent les diffrentes zones

du diagramme ou le fluide est homogne

(liquide et vapeur) et htrogne (mlange

liquide vapeur).

Pour rsumer le titre est la proportion en masse prise par la

vapeur dans la zone de mlange.

Exercice sur lisotitre

log.p0C 60C

A B C D5

- 46C

E

0C 60C

h


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point pression en bar enthalpie kJ/kg temprature en C tat titre

A 5 150 -46 liquide SR 0

B 5 200 0 liquide satur 0

C 5 283 0 mlange 0.4

D 5 406 0 vapeur sature 1

E 5 450 60 vapeur surchauffe 1

Le passage de B D correspond au changement dtat.

La diffrence denthalpie entre ces deux points (hd-hb) reprsente la chaleur latente de vaporisation

5 bar, 0C.

Si lon reprend toutes ces courbes sur le mme diagramme cela nous donne la figure suivante:

log.p

S

P

x V

H h

9) Les units:Les units de chaques courbes sont:

- LENTHALPIE kJ/kg

- LA PRESSION bar

- LE VOLUME MASSIQUE m3/kg

- LA TEMPERATURE C

- LENTROPIE kJ/kgK

- LE TITRE na pas dunit car cest un rapport de deux masses.

10) Le circuit frigorifique:

Toute installation frigorifique compression se compose de quatre lments principaux:- le compresseur,

- le condenseur,

- le detendeur,

- levaporateur.

Pour amliorer le fonctionnement de linstallation on ajoute ces lments des appareils annexes:

- le reservoir,

- le deshydrateur,

- la bouteille daspiration,

- le separateur dhuile, etc....

11) Transformations subies par le fluide:


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Certains des appareils sont le sige de phnomnes modifiant les caractristiques dun fluide

frigorigne en circulation.

Cest surtout le cas des quatre appareils principaux. Le diagramme enthalpique tant la

reprsentation graphique des caractristiques dun fluide, on peut tracer sur celui-ci toutes les

modifications subies par le fluide dans linstallation. Cest le cycle frigorifique.

12) La condensation - la vaporisation:La condensation et la vaporisation sont deux changements dtat. Ils se font temprature constante (pour

ceux qui nont pas de glissement) avec restitution de chaleur (condensation) ou absorption de chaleur

(vaporisation).

La condensation commence sur lisotitre X=

1 pour se terminer sur lisotitre X = 0.

La vaporisation commence sur lisotitre X= 0pour se terminer sur lisotitre X = 1.


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B = ASPIRATION

C D = TUYAUTERIE REFOULEMENT

baisse de la temprature de 82C 70C

La dsurchauffe pour valeur 12C

La chaleur dissipe dans la tuyauterie est de:

hC - hD = 454 - 444 = 12 kJ/kg de vapeur.

Au niveau du condenseur il faut distinguer 3

zones :

D E = dsurchauffe

E F = condensation

F G = sous refroidissement

La diffrence denthalpie entre E F reprsente la chaleur latente de condensation 39C soit:

hE - hG = 416 - 250 = 166 kJ/kg

Le point G ( 4C) correspond au liquide sortant du condenseur, et le sous refroidissement du liquide dansle condenseur est reprsent par le segment F G.

La chaleur totale vacu par le condenseur est donne par la diffrence denthalpie: hD hG:

Qk = 442 - 242

Qk = 200 kJ/kg

La vaporisation commence sur lisotitre

X = 0 (point 6)

pour se terminer sur lisotitre

X = 1 (point 8).

Lvaporation du liquide se fait grce la chaleur cde par le milieu refroidir. La chaleur cdeest entirement absorbe par le fluide frigorigne. Cest seulement partir du point J que les vapeurs vont

commencer ce surchauffes pour atteindre le bulbe au point A.

Labsorption de chaleur dans lvaporateur provoque lvaporation du liquide, mais aussi une

augmentation de lenthalpie, la pression reste constante. La production frigorifique massique est donne

par la diffrence denthalpie entre les points

A et I soit:

Qo = hA - hI = 404 - 230 = 174 kJ/kg

Comme Qo reprsente la chaleur change au niveau de lvaporateur, on peut la qualifier de

production frigorifique nette puisque cest la production rellement utilise pour refroidir le milieu

ambiant.

Mais entre A et B les vapeurs continuent schauffer. La production frigorifique brute Qob estdonne par la diffrence denthalpie entre hB hI.

Qob =hB - hI = 409 - 230 = 179 kJ/kg


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13) La compression:La compression permet dlever la pression du fluide. Celle-ci se fait lorsque le fluide est ltat

gazeux. Lquivalent calorifique de ce travail mcanique correspond la quantit de chaleur absorbe par

le fluide pendant la compression. Celle-ci sera considre comme adiabatique.log.p

Sk= 39C 82C

0C

x = 1

h1 h2 h

Si le compresseur est parfait:

Energie dpense par le compresseur:

Qc = h2 -h1

Qc = 454 -409

Qc = 45 kJ/kg de vapeur comprime

si non W = (H2 - H1) / (m x i)

m = rendement mcanique

i = rendement indiqu

Mais dans tous les cas Qc = H2 - H1 reprsente la quantit de chaleur donne au fluide, que ce soit

en quivalent thermique de compression au del de la chaleur dissipe par les irrversibilits du

compresseur.

La surchauffe due la compression est:82 - 39 = 43C.

14) La dtente:

Au passage de lorifice calibr du dtendeur, le liquide subit un laminage qui provoque la chute de

pression avec vaporisation partielle du fluide.

La dtente du fluide est isenthalpe.

La quantit de chaleur ncessaire la

vaporisation est absorbe au liquide.

La reprsentation est la suivante:

Reprsentation n2


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25C 34C 39C

H G F

230 242

A lentre du dtendeur H on mesure une

pression sensiblement identique G (en

ngligeant les pertes de charges). Par

contre la temprature chute 25C.

Lchange de chaleur entre la tuyauterie liquide 34C et lair ambiant donc provoqu un sous

refroidissement supplmentaire soit un SR total de 14C (39C -25C). La diffrence denthalpique entre

G et H correspond la chaleur cde lair ambiant.

Dans ce cas : hG - hH = 242 - 230 = 12 kJ/kg de fluide.

15) Cycle frigorifique thorique:

Si lon trace sur le mme diagramme enthalpique toutes ces transformations on obtient le cycle

frigorifique de linstallation. Cest le cycle thorique.

condensationd c ot me pnte

vaporation

16) Le cycle frigorifique pratique:

Dans la pratique il est vident que le cycle ne correspond pas au cycle fonctionnel. Certains

artifices sont cres pour augmenter la production frigorifique. La circulation du fluide dans les tuyauteriescre galement des phnomnes qui changent le cycle frigorifique.

161) Le sous refroidissement du liquide:

Le sous refroidissement du liquide avant son entre

dans le dtendeur peut tre obtenu soit dans lecondenseur soit par un artifice tel que lchangeur

liquide-vapeur.


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log.p

+40 k

+32

k

h

162) La surchauffe des vapeurs:

Lalimentation des vaporateurs en fluide frigorigne laide de dtendeurs thermostatiques permet

de fonctionner en rgime sec.

Tout le liquide tant vaporis dans

lvaporateur, les vapeurs se rchauffentlgrement la sortie de lvaporateur ainsi

que dans la tuyauterie daspiration.

log.p

-25C

0 = -30CSk

163) Reprsentation dun cycle frigorifique:

Reprsentation

dun cycle pratique:

Si lon reporte sur le diagramme

enthalpique tous ces phnomnes

(sans pertes de charges) on obtient le

cycle suivant:

log. p

5 4 3 2

6

7 8 1

h


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Reprsentation dun

cycle avec fluide

glissement:

Nota:

lisotherme dans la zone de mlange ne

suit pas lisobare

Reprsentation

dun

cycle frigorifique rel:

log.p

3 24

5

6

78 1

h

17) Reprsentation des quatres organnes principaux sur le diagramme enthalpique:

c o n d e n s eu r

v ap o ra teu r

c o m p re s s eud te n d eu r

2345

6 7 18

12

34

5

67 8


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NOTES:

Le COP de Carnot:

Le COP de Carnot = To / Tc - To

Le cycle de Carnot de la machine frigorifique est un cycle ditherme. Cest dire quil seffectue

entre deux sources qui sont:

- lvaporateur,- le condenseur.

La chaleur pige lvaporateur tant Qo et la chaleur pige au condenseur tant Qc.

De ce fait: Qc = Qo + Wcp

Il faut savoir quaucune machine frigorifique natteint un tel coefficient defficacit. Lintrt cycle

de Carnot est de permettre la comparaison avec dautres cycles ( Rankine, Molier, Enthalpique) ou dun

cycle rel.

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