Ad machine thermique prof
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TSTL- SPCL- Thermodynamique –Machines thermiques Activité documentaire : Machines frigorifiques Objectif : comprendre le fonctionnement d’une machine frigorifique. Situation : Monsieur X voit plusieurs de ses voisins installer des pompes à chaleur, d’autres installent des climatiseurs pour l’été… Un installateur lui dit que la technologie est la même et qu’une même installation peut remplir les deux fonctions… Il regarde les schémas d’implantation des installations de ses voisins et des schémas dans les documentations des installateurs… Visibles en couleur sur les premières diapos du diaporamas. Chez Mr Z Chez Mr Y Chez Mr T Schémas vus chez les installateurs : Doc 1 Schémas vus chez les installateurs : Doc 2 Schémas vus chez les installateurs : Doc 3 Page 1 sur 5 TSTL- SPCL- Thermodynamique –Machines thermiques Les différents systèmes : Quelles sont les différences entre ces différents matériels ? Remplir le tableau suivant : Système Chauffage Production Climatisation Source de Fluide caloporteur d’installation eau chaude chaleur (habitation) oui ? sol eau Chez M. Y Chez M. Z oui Oui ? air eau Chez M. T oui non non Nappe aquifère (eau) eau Doc 1 Oui non ? air eau Doc 2 oui non oui air air Doc 3 ? non oui air air Votre avis : Quel est l’intérêt de l’installation d’une pompe à chaleur, d’un climatiseur ? C’est économique, permet de se chauffer en consommant moins d’énergie. Quelles sont les machines frigorifiques que vous connaissez ? Le réfrigérateur, le congélateur .. Problématique: Peut-on prélever de la chaleur dans une source dont la température est plus basse que celle du milieu qu’on cherche à réchauffer ? Connaissances générales : 1) Quelle-est la différence entre température et chaleur ? La température mesure la manifestation de la chaleur. La chaleur est un mode de transfert de l’énergie, par agitation moléculaire ou atomique. 2) Quelles sont les unités de ces grandeurs ? °C ou K, la chaleur se mesure en Joules 3) Citer trois changements d’état. Fusion ; évaporation ; solidification ; sublimation ; condensation ; liquéfaction. 4) Qu’est-ce qu’un changement d’état ? C’est le passage d’un état physique à l’autre 5) Y-a-t-il un lien entre la température et la pression d’un gaz ? Si oui, lequel ? Oui, PV=nRT Lecture de la documentation : Diaporama Analyse : 1) Etude du schéma 2 : Dans le milieu à refroidir, doit-il y avoir évaporation ou condensation ? Justifier Il doit y avoir évaporation car l’évaporation est une transformation physique endothermique. Prend de l’énergie dans le milieu environnant. Dans le milieu extérieur, doit-il y avoir évaporation ou condensation ? Justifier Il doit y avoir condensation car la condensation est une transformation physique exothermique. Libère l’énergie. Expliquer alors ce que représentent les flèches rouges du schéma. Les flèches rouges sur le schéma 2 représentent l’énergie calorifique échangée (toujours du chaud vers le froid) Reproduire le schéma 2 en le simplifiant : faire apparaître le sens de circulation des fluides. Page 2 sur 5 TSTL- SPCL- Thermodynamique –Machines thermiques BP HP Condenseur Evaporateur Energie thermique Energie thermique Milieu à chauffer Milieu à refroidir Machine frigorifique BP Apport d’énergie électrique HP Entre le milieu intérieur et le milieu extérieur, dans quel sens la chaleur circule-t-elle ? La chaleur circule intérieur vers le milieu extérieur. (Du milieu à refroidir vers l’autre milieu) A quoi peut servir l’énergie électrique apportée à la machine frigorifique ? L’énergie électrique apportée permet de compresser (faire fonctionner le compresseur) (1) le fluide frigorigène, et ainsi augmenter la pression. 2) Qu’est-ce qu’un fluide frigorigène ? Quelle est sa particularité ? Les fluides frigorigènes doivent répondre aux critères suivants : grande propriété d'absorption de chaleur lorsqu'ils passent de leur phase liquide à leur phase gazeuse. respecter l'environnement et être inoffensifs pour l'homme (et tout être vivant) du fait du risque de fuite dans l'atmosphère. leurs pressions (qui sont fonction des températures de service des échangeurs cités ci-dessus) doivent permettre leur utilisation dans un circuit frigorifique avec un dimensionnement raisonnable des tuyauteries et du compresseur. En effet, il ne serait pas rentable d'utiliser de l'azote pour faire de la climatisation, la pression nécessaire étant trop importante, ce qui nécessiterait des tuyaux très épais et un compresseur gigantesque. 3) Sur quel paramètre agit-on pour restituer de la chaleur dans un milieu dont la température est plus élevée que celle du milieu d’où vient cette chaleur ? On joue sur la température de changement d’état en fonction de la pression. (Le paramètre est donc la pression) A basse pression le fluide frigorigène a une température d’ébullition basse, ainsi s’il arrive à l’état liquide dans un milieu dont la température est plus élevée que la température d’ébullition, alors il s’évapore. Cette évaporation (4) capte de l’énergie au milieu extérieur, qui se refroidit. A haute pression, le fluide frigorigène à une température d’ébullition élevée, ainsi s’il arrive à l’état gazeux dans un milieu dont la température est plus faible que la température d’ébullition, alors il se condense. Cette condensation (2) libère de l’énergie au milieu extérieur, qui se réchauffe. 4) Quels sont les différents composants d’une machine frigorifique ? Expliquez brièvement le rôle de chacun d’eux. Compresseur (1) Condenseur (2) Détendeur (Permet d’abaisser la pression) Evaporateur (4) Page 3 sur 5 TSTL- SPCL- Thermodynamique –Machines thermiques 5) Compléter le tableau ci-dessous : Eléments machine frigorifique Compresseur Condenseur Détendeur Evaporateur Etat fluide entrée sortie V V L L V L L V Température entrée sortie f F F f F F f f Pression entrée sortie f F F f F F f f Energie reçue ou cédée Electrique reçue Thermique cédée Thermique reçue 6) 7) 8) Dans le tableau colorier en rouge la case correspondant à la pression la plus élevée. D’où provient l’énergie du compresseur ? Du moteur électrique La pompe à chaleur peut-elle être qualifiée de machine frigorifique ? Justifier La pompe à chaleur peut être qualifiée de machine thermique car elle permet par apport d’énergie électrique de transférer de la chaleur prise dans un milieu froid vers un milieu chaud. 9) Repérer sur le schéma ci-dessous les différents éléments d’une pompe à chaleur : 10) Pourquoi une pompe à chaleur peut-elle être réversible ? Car il suffit d’inverser le sens de fonctionnement du compresseur, ainsi l’évaporateur devient le condenseur et vice-versa. Expliquer ce que représentent les schémas 1 et 2 de la dernière diapo. (Donner une explication par schéma) Votre explication devra comporter les termes suivants : Détente, compression, échange, refroidir, réchauffer, chaleur, compresseur, détendeur, évaporer (évaporation), condenser (condensation). Il montre la réversibilité de la pompe à chaleur. En cycle chaud à la sortie du compresseur le gaz sous haute pression et à température élevée, subit une condensation, il libère alors de la chaleur à l’extérieur. Le liquide toujours sous haute pression arrive dans le détendeur, où il subit une détente (abaissement de la pression) et un abaissement de la température. Ce liquide arrive dans l’évaporateur (intérieur de la pièce) il capte alors l’énergie de la pièce qui se refroidit. On a donc une climatisation. En cycle froid … chauffage. 11) Compléter le schéma énergétique ci-dessous, en plaçant : Qc : énergie fournie à la source chaude Qf : l’énergie prélevée à la source froide Qe : énergie électrique fournie au compresseur. Pompe à chaleur Qf >0 Qc <0 Qe >0 12) Préciser le signe de chacune de ces énergies. 13) Définir le coefficient de performance COP : pour une pompe à chaleur : COP = QC / Qe pour un climatiseur. COP = Qf / Qe Page 4 sur 5 TSTL- SPCL- Thermodynamique –Machines thermiques Page 5 sur 5