1. 2 Principe de fonctionnement de la Pompe À Chaleur (pac) 23








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Auteurs :


au Lycée Paul LANGEVIN de MARTIGUES (Bouches du Rhône)

Me Béatrice JOURDON Professeur de Génie Electrique

M Abdoulaye NDIAYE Professeur de Physique Appliquée
SOMMAIRE :


1 Théorie de fonctionnement 5

1.1 Rappels de thermodynamique 5

1.1.1 Notions fondamentales 5

1.1.1.1 Système thermodynamique 5

1.1.1.2 Variables et équations d’états  6

1.1.1.3 Evolution d’un système 7

1.1.1.4 Gaz parfaits / Gaz réels 7

1.1.2 Énergie, travail et chaleur 8

1.1.2.1 Énergie 8

1.1.2.2 Travail  8

1.1.2.3 Chaleur 9

1.1.3 Le premier principe 9

1.1.4 L’enthalpie 10

1.1.5 Le second principe 10

1.1.6 Thermodynamique des systèmes ouverts 12

1.1.6.1 Premier et second principes pour un système ouvert  12

1.1.6.2 Application à la détente de JOULE-KELVIN 13

1.1.6.3 Application au compresseur à piston 14

1.1.7 Quelques propriétés des corps purs 15

1.1.7.1 Les différents états d’un corps pur 15

1.1.7.2 Diagramme d’équilibre d’un corps pur  16

1.1.7.3 Chaleur latente ou enthalpie de transition de phase 18

1.1.7.4 Formule de Clapeyron 18

1.1.7.5 Application à l’équilibre liquide - gaz d’un gaz réel 19

1.1.7.6 Les diagrammes thermodynamiques 21

1.1.7.6.1 Généralités  21

1.1.7.6.2 Le diagramme entropique  21

1.1.7.6.3 Le diagramme enthalpique 22

1.2 Principe de fonctionnement de la Pompe À Chaleur (PAC) 23

1.2.1 Les machines thermiques 23

1.2.1.1 Généralités et classification 23

1.2.1.2 Les machines génératrices d’énergie thermique 23

1.2.1.2.1 Généralités 23

1.2.1.2.2 Machine ditherme, tritherme 24

1.2.2 Les Coefficients de Performance d’une pompe à chaleur 24

1.2.2.1 Définition  24

1.2.2.2 COP d’une PAC ditherme idéale 24

1.2.2.3 COP d’une PAC tritherme idéale 26

1.2.3 Les Technologies des pompes à chaleur 28

1.2.3.1 Les phénomènes de transfert thermique  28

1.2.3.2 Les différents types de PAC 29

1.2.4 Cycles de fonctionnement d’une PAC 30

1.2.4.1 Généralités 30

1.2.4.2 Cycles à compression mécanique de vapeur 30

1.2.4.2.1 Le cycle idéal 30

1.2.4.2.2 Quelques grandeurs caractéristiques du cycle idéal 32

1.2.4.2.2.1 Bilan des échanges de chaleur et de travail  32

1.2.4.2.2.2 Le Coefficient de performance théorique 33

1.2.4.2.2.3 Bilan global 33

1.2.4.2.3 Cycle réel à compression mécanique de vapeur liquéfiable 33

1.2.4.2.3.1 Ecarts par rapport au cycle théorique 33

1.2.4.2.3.2 Le cycle réel 34

1.2.4.3 Cycle à compression thermique de vapeur 36

1.2.4.3.1 Introduction 36

1.2.4.3.2 Le cycle à absorption 36

1.2.4.4 Cycle thermodynamique à air 37

1.2.5 Caractéristiques réelles de la PAC à compression mécanique 39

1.2.5.1 Chaleur et puissance calorifiques produites au condenseur 39

1.2.5.2 Chaleur et puissance calorifiques extraites à l’évaporateur 39

1.2.5.3 Travail et puissance absorbées par le compresseur 39

1.2.6 COP d’une PAC réelle à compression mécanique de vapeur 40

1.2.6.1 Le coefficient de performance réel  40

1.2.6.2 Les facteurs influents du COP 40

1.2.6.3 Le COP global  41

1.2.6.4 Le coefficient d’exploitation  41

1.2.6.5 Le rendement de cycle 41

1.3 Les fluides frigorigènes 42

1.3.1 Terminologie et nomenclature  42

1.3.1.1 Les composés inorganiques  42

1.3.1.2 Les composés organiques 42

1.3.1.2.1 Les corps purs 42

1.3.1.2.2 Les mélanges 43

1.3.1.2.3 Protection de l’environnement 43

1.3.2 Critères de choix 44

1.3.3 Les fluides thermodynamiques utilisés dans les cycles de PAC 45

2 TECHNOLOGIE ET CLASSIFICATION DES PAC 47

2.1 Technologie des PAC 47

2.1.1 Le système à compression 47

2.1.1.1 L’ évaporateur et le condenseur : l’échangeur de chaleur 48

EVAPORATEUR 48

CONDENSEUR 48

2.1.1.2 Le compresseur 49

Système à compression 49

2.1.1.3 Le détendeur 51

DETENDEUR 51

EVAPORATEUR 52

DETENDEUR 52

CONDENSEUR 52

DETENDEUR 52

2.1.2 Le système à absorption 52

2.1.3 Critères de choix. 53

2.2 Classification des PAC 55

2.2.1 Les PAC air / air  57

2.2.1.1 Procédé air extrait / air : 57

2.2.1.2 Procédé air extérieur / air : 57

2.2.2 Les PAC air / eau  57

2.2.2.1 Procédé air extrait / eau & plancher (hiver / été) :  57

2.2.2.2 Procédé air extérieur / eau & ventilo-convecteurs 57

2.2.2.3 Procédé air extérieur / eau & plancher (hiver / été) : 58

2.2.3 Les PAC eau / eau  58

2.2.3.1 Procédé eau / eau & plancher (hiver / été) : 58

2.2.3.2 Procédé eau / eau & ventilo-convecteurs (hiver / été) : 58

2.2.4 Les PAC eau /air  59

2.2.5 Les PAC géothermiques  59

2.2.5.1 Procédé à détente directe ou « sol-sol »  59

2.2.5.2 Procédé avec fluide intermédiaire ou « eau glycolée-eau »  60

2.2.5.3 Procédé mixte ou « sol-eau »  60

2.2.5.4 Procédé sur capteurs enterrés & plancher (hiver / été)  61

2.2.5.5 Procédé sur capteurs enterrés & ventilo-convecteurs (hiver / été)  61

2.2.5.6 Procédé sol / air  61

2.3 Critères Economiques 62

2.3.1 Les primes et la subvention de l'ANAH 62

2.3.2 Des aides d'EDF 62

2.3.3 Des incitations fiscales 62

2.3.4 Coûts à titre indicatif 63

2.3.4.1 Prix en € TTC 63

3 LIMITES DE FONCTIONNEMENT DES PAC 63

3.1 Limites liées aux fluides frigorigènes  64

3.2 Limites liées à la source et au milieu 64

3.3 Limites liées aux températures minimales et maximales de fonctionnement  65

4 APPLICATIONS DE LA PAC 66

4.1 Impacts sur l’environnement 67

4.1.1 La couche d’ozone 67

4.1.2 L’effet de serre 67

4.2 Applications pédagogiques 68

4.2.1 Dimensionnement et choix 68

4.2.2 Régulation de puissance 69

4.2.2.1 Régulation tout ou rien TOR 69

4.2.2.2 Variation de vitesse 70

5 BIBLIOGRAPHIE ET LIENS INTERNET 72

5.1 Bibliographie 72

5.2 Liens hypertexte 73

6 ANNEXES  73



Introduction
Une pompe à chaleur (PAC) est une machine thermodynamique destinée à assurer le chauffage d’un local ou d’un système à partir d’une source de chaleur externe dont la température est inférieure à celle du local ou du système à chauffer.

C’est donc un système de chauffage qui transfère des calories d’un milieu à bas niveau de température vers un milieu où la température doit être supérieure.

L’écoulement naturel de la chaleur s’effectuant toujours d’un corps chaud vers un corps froid, on peut définir également la pompe à chaleur comme un matériel permettant de réaliser l’écoulement de chaleur inverse du sens naturel, c’est–à–dire d’un milieu froid vers un milieu chaud. Une dépense d’énergie sera bien entendu inévitable pour réaliser ce transfert inverse. L’énergie nécessaire pour assurer le transfert doit être inférieure à l’énergie calorifique utile pour que le système ait un quelconque intérêt.



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