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L’enthalpie :
Par définition, l’enthalpie d’un système thermodynamique est donnée par la relation : H=U+P.V
avec:
U: énergie interne du système, en [J]
P: pression du système, en [Pa]
V : volume occupé par le système, en [m3]
Lorsque le système décrit une transformation quelconque à pression constante P0 (pression du milieu extérieur) H varie de : H =U + P0.V
En tenant compte queU = W + Q et W = – P0.V alors on obtient : H=Q
Dans une transformation à pression constante la quantité de chaleur reçue(Q) par le système est égale à sa variation d’enthalpieH.
Les différents états d’un corps pur :
Un corps pur (système constitué d’une seule espèce chimique) peut exister sous les trois états solide, liquide ou gazeux suivant les conditions de température et de pression. Le passage d’un état à l’autre est appelé «transition ou changement de phase ». La figure ci-dessous résume les différentes transitions de phases possibles pour un corps pur, hormis le cas particulier des transformations allotropiques (changements de structure cristalline de certains composés solides).
LES FLUIDES FRIGORIGENES :
Terminologie et nomenclature :
Un fluide frigorigène est un composé chimique facilement liquéfiable dont on utilise les chaleurs latentes (vaporisation ou de condensation) pour produire du froid ou de la chaleur.
On peut classer les frigorigènes en deux familles : les composés inorganiques et les composés organiques.
Les composés inorganiques :
Les frigorigènes appartenant à cette famille sont désignés par la série des 700. Les deux derniers chiffres indiquent la masse molaire (en gramme) du corps.
Comme par exemple : L’ammoniac (NH3) qui est sans doute le plus connu de ce groupe.
Sa désignation est le : R717 car sa masse molaire est de 17 g.
La lettre « R » signifiant qu’il s’agit d’un « réfrigérant ».
L’ammoniac est utilisé aujourd’hui pour les installations de forte puissance à température moyennement basse. Ses caractéristiques techniques sont bonnes. Il est peu coûteux et peu sensible à la présence d’eau ou d’air. Cependant, il est inflammable et toxique, ce qui limite pratiquement son emploi à certains équipements industriels (production de froid pour le stockage de denrées).
Les composés organiques :
Ces fluides frigorigènes sont en réalité des hydrocarbures halogénés car ce sont des dérivés halogénés du méthane (CH4) et de l’éthane (C2H6). Ces réfrigérants peuvent être des corps purs ou des mélanges de corps purs.
Les corps purs :
Les corps purs sont désignés selon la nomenclature R-ijkBr, conçue à l’Institut International du Froid (I.I.F.) avec :
i =Nombre d’atomes de carbone – 1
j =Nombres d’atomes d’hydrogène + 1
k =Nombre d’atomes de fluor
r = Nombres d’atomes de brome
Par conséquent les réfrigérants à deux chiffres sont ceux comprenant un seul atome de carbone.
POMPE A CHALEUR (PAC)
MACHINES THERMIQUES :
Généralités et classifications :
Les machines sont des dispositifs qui permettent de convertir les différentes formes d’énergies (de pression, potentielle, cinétique, thermique, mécanique) entre elles. Les dispositifs permettant la conversion de l’énergie thermique en énergie mécanique et la conversion inverse constituent la famille des machines thermiques.
On distingue ainsi, parmi les machines thermiques, les machines réceptrices (moteurs thermiques) et les machines thermiques génératrices (de froid ou de chaleur).
D’une manière générale, le terme moteur thermique désigne toute machine thermique transformant de la chaleur en travail, quels que soient, leur mode de fonctionnement et la nature du fluide utilisé pour cette transformation.
Parmi les machines génératrices, on trouve les installations de production de froid (appelées machines frigorifiques), ou de chaleur (les pompes à chaleur), ainsi que, dans une certaine mesure, les compresseurs
Les machines génératrices d’énergie thermique :
Généralités :
Du point de vue thermodynamique, les machines frigorifiques comme les réfrigérateurs et les pompes à chaleur sont des machines thermiques qui travaillent à l’envers .C’est à dire qu’ils consomment bien du travail mais pour prélever de la chaleur d’une source froide pour la restituer à une source chaude.
Lorsque le but recherché est de produire du froid (extraction de chaleur à un corps, ou à un milieu, pour le refroidir ou le maintenir à une température
inférieure à l’ambiance) alors la machine thermique utilisée est une machine frigorifique.
Si, au contraire, le but recherché est la production de chaleur (à partir de chaleur gratuite récupérée à une température plus basse) pour chauffer un milieu, ou le maintenir à une température suffisamment haute, alors la machine thermique devient une pompe à chaleur.
Types des machines :
Machine ditherme :
Soit sous la forme d’une énergie mécanique, ou équivalente. Le système comporte alors, conformément au second principe, au minimum une source froide et une source chaude. Il s’agira alors d’une machine, au moins, ditherme.
Machine tritherme :
Soit sous la forme d’une énergie thermique fournie par une source thermique supplémentaire jouant le rôle de source de chaleur motrice. Le système comportant donc, au minimum, trois sources de chaleur sera qualifié de système, au moins, tritherme.
POMPE A CHALEUR :
Définition :
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.
Principe de fonctionnement de la pompe a chaleur :
Depuis des années, le principe de la pompe à chaleur repose sur la technologie de la construction des machines frigorifiques. En considérant toujours que la chaleur est produite par les phénomènes physiques que génère l’évaporateur mais non pas par la combustion. En effet, un liquide qui s’évapore se refroidit ; et la vapeur qui se dégage emporte avec elle la chaleur et la libère à un autre endroit par condensation.
Le principe de fonctionnement d’une PAC est exactement à celui d’un réfrigérateur. Alors qu’un réfrigérateur transfère la chaleur pour rafraîchir son atmosphère intérieure, la PAC transfère la chaleur de l’air extérieur pour l’injecter à l’intérieur de la maison ou du milieu à chauffé. Car l’air, même froid, contient de la chaleur.
La pompe à chaleur est composée de deux échangeurs, un est appelé EVAPORATEUR, il capte la chaleur de l’environnement. L’autre est appelé CONDENSEUR, il restitue la chaleur amplifiée au chauffage.
Entre ces deux échangeurs se trouve le COMPRESSEUR (amplificateur de chaleur).Le pilotage de l’évaporation/condensation est réalisé par le DETENDEUR (vanne d’expansion).
1. Evaporation : au contact des calories puisées dans l’environnement, le fluide frigorigène, grâce à son faible point d’ébullition, de l’état liquide se transforme en vapeur.
2. Compression : cette vapeur est portée à haute pression.
3. Condensation : la vapeur va transmettre sa chaleur au circuit de chauffage. Le fluide frigorigène, toujours comprimé, redevient liquide.
4. Détente : la pression du fluide frigorigène est réduite. Le fluide est prêt à une nouvelle absorption des calories de l’environnement.
5. Réversibilité : le cycle peut être inversé dans le cas d’une pompe à chaleur réversible ; celle-ci peut donc également rafraîchir un logement en été, en absorbant les calories de la pièce et en les évacuant à l’extérieur.
Cycles de fonctionnement d’une pompe à chaleur :
D’une façon générale, on définie « cycle » la suite des transformations thermodynamiques que doit subir le fluide frigorigène pour permettre la réalisation pratique d’une machine thermique.
Dans la pompe à chaleur, le transfert de chaleur est effectué à l’aide d’un fluide frigorigène qui décrit un cycle fermé inversé : cela veut dire que la chaleur est prélevée par évaporation du frigorigène, les vapeurs dégagées étant ensuite comprimées, puis refroidies et condensées avant d’être réadmises dans l’évaporateur, par l’intermédiaire d’un détendeur.
Mais, sauf dans certains montages industriels relativement exceptionnels que les pompes à chaleur utilisent les cycles frigorifiques parmi lesquels on trouve les cycles à absorption, à air et à compression mécanique de vapeur liquéfiable.
Le cycle réel :
L’observation d’un cycle réel de pompe sur le diagramme de Mollier conduit aux constatations suivantes :
Les diverses transformations dans le cycle frigorifique réel à compression sont décrites ci-dessous :
• Entre les points : 1 et 2, la vapeur de frigorigène est comprimée de Pf à PC.
• Entre les points : 2 et 3, la vapeur de frigorigène est désurchauffée T2 à TC puis condensée à la température constante et TC enfin le liquide formé est sous-refroidi de TC à T3.
• Entre les points : 3 et 4, le liquide frigorigène se déplace dans la conduite de liquide ; sa température continue, généralement, à s’abaisser de T3 à T4 ;
• Entre les points : 4 et 5, le liquide frigorigène se détend dans le régleur (vanne de laminage) de PC à PF ;
• Entre les points 5 et 6, le frigorigène se vaporise, sous la pression PF, à la température TF, dans l’évaporateur. La vapeur se surchauffe ensuite légèrement de TF à T6, toujours sous la pression constante PF.
• Entre les points : 6 et 1, le frigorigène, évaporé et aspiré par le compresseur, se réchauffe, dans la conduite d’aspiration, de T6 à T1, toujours sous la pression PF.
Le cycle à absorption :
Le cycle de fonctionnement d’une pompe à chaleur à absorption est identique au cycle d’une pompe à chaleur à compression mécanique de vapeur. Mais la différence provient de la nature de la compression qui diffère dans les deux systèmes.
Comme le cycle à compression mécanique de vapeur, le cycle à absorption comprend deux transformations, l’une à haute pression dans le condenseur et l’autre à basse pression dans l’évaporateur avec changement de phase liquide/vapeur. Le passage de liquide de la haute pression à la basse pression s’effectue, comme dans le cas de la compression mécanique de vapeur, au travers d’un organe de détente comme vanne de détente. Mais la compression des vapeurs entre la basse pression et la haute pression s’effectue à l’aide d’un compresseur thermique.
Le cycle thermodynamique à air :
Les pompes à chaleur en phase uniquement gazeuse fonctionnent généralement avec de l’air : elles équipent notamment les très grosses installations qui nécessitent de grandes quantités de fluide. L’utilisation de l’air en tant qu’agent de travail est déterminée par le fait qu’entre les limites de température entre lesquelles fonctionnent les pompes à chaleur, l’air se comporte comme un gaz parfait.
Classification des PAC :
La pompe à chaleur peut récupérer l’énergie de 3 façons différentes, en fonction du milieu environnant :
La récupération de la chaleur dans l’air extérieur :
La chaleur prélevée dans l’air extérieur est transférée par la pompe à chaleur dans l’air ambiant du logement ou dans le circuit d’eau chaude de l’installation de chauffage. Suivant les modèles, la pompe à chaleur peut être installée à l’intérieur ou à l’extérieur du logement.
• PAC air /air :
Air chaud restitué dans l’air ambiant du logement par cassettes /grilles, split-système.
• PAC air/eau :
Chaleur restituée dans le circuit d’eau chaude de l’installation de chauffage par radiateurs à eau, plancher chauffant ou plancher chauffant-rafraîchissant, ventilo-convecteurs (pour une PAC réversible).
La récupération de la chaleur dans l’eau :
La chaleur est prélevée dans une nappe phréatique, un lac, une réserve d’eau ou encore un cours d’eau. Cette chaleur est ensuite transférée par la pompe à chaleur au circuit d’eau chaude de l’installation de chauffage.
• PAC eau/eau :
La chaleur ou la fraîcheur est restituée par plancher chauffant ou plancher chauffant-rafraîchissant.
La récupération de la chaleur dans le sol :
La chaleur est prélevée dans le sol à l’aide :
o d’un réseau de tubes déroulés à faible profondeur (de 0,6 m à 1,2 m) dans le sol si la surface du terrain est suffisante ;
o de sondes verticales qui peuvent atteindre des profondeurs d’environ 100 m.
• PAC sol/sol (procède à détente directe) :
Le fluide frigorigène circule dans les capteurs et le plancher chauffant. Ce procédé n’est utilisable qu’avec des capteurs horizontaux.
Le rafraîchissement n’est pas possible sur plancher chauffant mais possible avec des ventilo-convecteurs.
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Table des matières
INTRODUCTION
PARTIE 1 : ETUDES THEORIQUES
Chapitre I : PRODUCTION DE FROID
I.1 NOTIONS FONDAMENTALES DE LA THERMODYNAMIQUE
I.1.1 Système thermodynamique
I.1.2 Le premier principe
I.1.3 Le second principe
I.1.4 Evolutions d’un système
I.1.5 Energie, travail et chaleur
I.1.5.1 Energie
I.1.5.2 Travail
I.1.5.3 Chaleur
I.1.7 Les différents états d’un corps pur
I.1.8 Le diagramme de saturation (Diagramme d’Andrews):
I.2 PRODUCTION DU FROID
I.2.1 Cycle fluidique
I.2.2 Diagramme enthalpique
I.3 LES MODES DE TRANSFERT THERMIQUE
I.3.1 Le rayonnement
I.3.2 La conduction
I.3.2.1 Transfert thermique par conduction sur un mur simple
I.3.2.2 Transfert thermique par conduction sur un mur multicouche
I.3.4 La convection
I.3.4.1 La convection naturelle (libre)
I.3.4.2 La convection forcée
I.3.4.3 Intervention simultanée des trois modes de transfert
I.4 LES FLUIDES FRIGORIGENES
I.4.1 Terminologie et nomenclature
I.4.1.1 Les composés inorganiques
I.4.1.2 Les composés organiques
Chapitre II : POMPE A CHALEUR (PAC)
II.1 MACHINES THERMIQUES
II.1.1 Généralités et classifications
II.1.2 Les machines génératrices d’énergie thermique
II.1.2.1 Généralités
II.1.2.2 Types des machines
II.2 POMPE A CHALEUR
II.2.1 Définition
II.2.2 Principe de fonctionnement de la pompe a chaleur
II.2.3 Cycles de fonctionnement d’une pompe à chaleur
II.2.3.1 Le cycle réel
II.2.3.2 Le cycle à absorption
II.2.3.4 Le cycle thermodynamique à air
II.2.4 Classification des PAC
II.2.4.1 La récupération de la chaleur dans l’air extérieur
II.2.4.2 La récupération de la chaleur dans l’eau
II.2.4.3 La récupération de la chaleur dans le sol
II.2.5 Technologie des PAC
II.2.5.1 Le système à compression
a) L’évaporateur et le condenseur : l’échangeur de chaleur
b) Le compresseur
c) Le détendeur
II.2.5.2 Le système à absorption
II.3.3 Indice et coefficient de performance (COP)
II.3.3.1 L’indice de performance E
II.3.3.2 Le coefficient de performance annuel (COPa)
II.3.3.3 Modes de fonctionnement
PARTIE 2 : METHODOLOGIE ET CALCULS
Chapitre I : ETUDE DE CHAUFFAGE DE PISCINE
I.1 LES INSTALLATIONS DE CHAUFFAGE DE PISCINE
I.2 REGLES DE BASE D’INSTALTION DES ELEMENTS
I.2.1 Le chauffage
I.2.1.1 Description et fonctionnement de la pompe à chaleur
I.2.1.2 Installation
I.2.1.3 Branchement électrique
I.2.2 Les éléments de la filtration
I.2.2.1 Les éléments à sceller de la piscine
I.2.2.2 Le filtre de la piscine
I.2.2.3 La pompe de la piscine
I.2.2.4 Branchement hydraulique
I.2.2.5 Implantation générale, raccordement des canalisations et détails techniques
I.2.3 Etude de comportement d’eau de la piscine
I.2.3.1 Températures
a) Températures usuelles de l’eau du bassin
b) Température intérieur hall piscine
I.2.3.2 Evaporations
a) Evaporation dans les piscines en activité normale en kg/h m2
b) Evaporation au niveau du plan d’eau en kg/h m2
c) Evaporation journalière
I.3 RAPPEL DES CLASSIFICATONS DES PISCINES
I.3.1 Piscine hors sol
I.3.2 Piscine collective
Chapitre II : DIMENSIONNEMENT
II.1 DIMENSIONNEMENT DE LA PISCINE
II.1.1 Inventaire
II.1.2 Calcul du volume du bassin : Vb
II.2 BILAN DES CHARGES THERMIQUES
II.2.1 Pertes thermiques par évaporation : Qévap
II.2.2 Pertes thermiques par rayonnement : Qrayon
II.2.3 Pertes thermiques par convection : Qconv
II.2.4 Pertes thermiques par transmission :Qtrans
II.2.5 Pertes thermiques par renouvellement d’eau :Qrenouv
II.2.6 Bilan des pertes thermiques :Qtotales
Chapitre III : MAINTENANCE DE L’INSTALLATION
III.1 SYSTEME DE TRAITEMENT D’EAU DE LA PISCINE
III.1.1 Supprimation de la majorité des matières solides :
III.1.2 Désinfestation d’eau :
III.1.3 Maintenir un équilibre physico-chimique de l’eau :
III.1.4 Les principaux matériels
III.2.2.1 Chlorinateurs (manuels/automatiques)
III.2.2.2 Electrolyseurs
III.2.2.3 Asservissements redox et ph
III.2 ENTRETIEN COURANT DU BASSIN
III.2.1 Entretiens quotidiens
III.2.2 Anomalies possibles et quelques solutions
III.3 MISE EN SERVICE :
III.4 QUELQUES POINTS TECHNIQUES A CONSIDERER
PARTIE 3 : ETUDE ECONOMIQUE ET ETUDE D’IMPACT ENVIRONNEMENTAL
Chapitre I : ETUDE ECONOMIQUE
I.1 GENERALITES
I.2 DETERMINATION DES COUTS
I.2.1 Prix du gros oeuvre, main d’oeuvre(M.O) génie civil, revêtement et étanchéité du bassin :
I.2.2 Prix du système de filtration ,chauffage
I.2.3 Prix de la lumière ,coffret électrique,local technique,option
I.2.4 Prix des petits matériels et produits pour mise en marche
I.2.5 Devis de la piscine :
I.3 CRITERE DE RENTABILITE DU PROJET
I.3.1 Calcul de la valeur actuelle nette (VAN)
I.3.2 La courbe représentative de VAN en fonction du taux d’actualisation :
Chapitre II : ETUDE IMPACT ENVIRONNEMENTAL
II.1 GENERALITES :
II.2 MPACTS CAPITAUX :
II.2.1 Appauvrissement de la couche d’ozone :
II.2.2 Réchauffement de la planète :
I.3 IMPACTS ENVIRONNEMENTAUX
I.4 MESURES A PRENDRE
II.4.1 Choix du fluide frigorigène :
II.4.2 Maîtrise des pertes en fluide frigorigène :
II.4.3 Contrôle des rejets des produits de traitements d’eau de la piscine :
II.4.4 Contrôle des nuisances sonores :
CONCLUSION
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