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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.