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L’énergie et l’information

Activité pratique n°2 : La climatisation

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Nom : Prénom : Date :

Objectifs du TP : A la fin de la séquence vous devez être capable de :

Décrire l’organisation d’un circuit de climatisation. Moyens mis à disposition :

Banc didactique « Exxotest » climatisation automobile. L’objectif de ce TP est de comprendre le fonctionnement d’une climatisation. 1] Introduction. Afin d’assurer le confort des personnes et des marchandises, ou leur sécurité, il est parfois nécessaire de diminuer la température à laquelle ils sont soumis :

- climatisation d’habitation ou de locaux commerciaux - climatisation pour automobile, camion, engins de chantier ou agricole - frigo, chambre froide, camions réfrigérant, etc.

Il existe plusieurs façons pour refroidir un espace ou une machine :

Parfois on dispose à proximité d’une source froide. Parfois non.

2] Exemple de systèmes de refroidissement utilisé lorsqu’on dispose d’une source froide.

Refroidissement d’un moteur thermique :



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Principe de fonctionnement : Un liquide caloriporteur circule autour des chambres de combustions. La température du moteur doit être comprise entre 80 et 120°C. Une température supérieure entraine la destruction d’éléments du moteur. Pour des températures inférieures le rendement du moteur est diminué. L’échangeur (radiateur) permet le refroidissement du liquide, par échange thermique avec l’air ambiant.

radiateur radiateur Le thermostat est une vanne qui s’ouvre automatiquement lorsque le moteur est chaud Question 1] Dans l’exemple ci-dessus, quelle est la source froide qui est utilisée pour diminuer la température du moteur ? Question 2] En observant les 2 schémas ci-dessus, expliquez brièvement le principe de fonctionnement du système simplifié de refroidissement.

Refroidissement d’une maison par un puits Canadien :



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Question 3] Effectuez une recherche afin de décrire le principe de fonctionnement d’un puits Canadien.

2] Comment refroidir sans source froide naturelle ?

A] Création de « froid » par détente d’un gaz.

Lorsqu’on comprime un gaz, sa température augmente. Inversement si on le détend brutalement sa température diminue. 1 2 3 1 : Gaz à pression atmosphérique et température ambiante. 2 : gaz à pression et température supérieure. 3 : gaz à pression et température inférieure aux conditions atmosphériques. Pour les cas 2 et 3 la durée dans le temps du déséquilibre thermique entre le gaz et l’extérieur dépend de l’isolation thermique du cylindre. Si celle-ci n’est pas parfaite la température du gaz et du milieu extérieur vont s’équilibrer plus ou moins rapidement.

B] Création de froid par évaporation d’un fluide. Vous avez certainement déjà fait l’expérience suivante : si on verse de l’éther, de l’essence ou un dissolvant pour vernis à ongle sur la peau, on ressent une sensation de froid. L’expérience décrite ci-dessous permet de comprendre pourquoi. (Voir le schéma de la page 4) On chauffe avec une source de chaleur extérieure, de l’eau dans une enceinte. On relève la température de l’eau au cours de son échauffement. Le graphique de la page suivante montre l’évolution de la température du fluide au fur et à mesure qu’on le chauffe. A partir d’une certaine température le fluide se met à bouillir.



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ENTHALPIE

Enthalpie : elle représente l’énergie accumulée par un fluide, sous forme de chaleur (Sans travail de transvasement). Elle s’exprime en Kilojoules/kilogramme de fluide.

Ici l’enthalpie augmente proportionnellement au temps de chauffe du fluide. De 0 à 1 : L’eau est chauffée, on augmente son enthalpie. La température de l’eau augmente proportionnellement à la durée de chauffe. De 1 à 2 : Cette zone est appelée « vapeur saturante ».L’eau « boue », elle change d’état, on trouve du

liquide et de la vapeur. La température du fluide ne varie pas alors que l’on continu de chauffer.

L’énergie thermique apportée au fluide par la source de chaleur, ne sert pas à faire monter la température du fluide mais à « reconstruire » un nouvel état du liquide qui devient vapeur.

A partir de 2 : La totalité du fluide est passé à l’état gazeux, sa température croît proportionnellement à la durée de chauffe.

Au cours de la phase « vapeur saturante » le fluide soumis à un déséquilibre thermique se comporte comme « une pompe à chaleur » et absorbe de l’énergie sans élever sa température.

L’expérience est totalement réversible : Soumise à un déséquilibre thermique, la vapeur d’eau se refroidit pour devenir liquide.

Au cours de la phase « vapeur saturante » la vapeur se transforme en liquide, et cède de l’énergie thermique au milieu extérieur sans que sa température ne diminue.

Liquide liquide + vapeur

(Vapeur saturante)

Vapeur

Température

0 1 2



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La température d’ébullition de l’eau est de 100°. Certain fluides on des températures d’ébullition plus basse. C’est le cas du dissolvant qui « boue » à la température de la peau. En bouillant il absorbe de l’énergie au milieu dans lequel il se trouve : la peau est refroidie.

Attention : la température d’ébullition est fonction de la pression. En montagne la pression atmosphérique est plus basse : Il est plus difficile de faire cuire des pâtes en montagne car la température d’ébullition est plus basse !

C] Principe de fonctionnement d’un circuit de climatisation. Exemple : climatisation d’automobile

- Voir les 2 schémas sous le texte – On place un échangeur (2) dans l’habitacle que l’on veut refroidir. On fait passer à l’intérieur de cet échangeur un fluide à l’état liquide qui boue à la température de ce milieu. Comme le fluide s’évapore dans cet échangeur, celui est appelé « évaporateur ». Le fluide à l’état liquide est emmené par les conduits (3) En s’évaporant le fluide « pompe » la chaleur autour de lui. Il devient gazeux. On souffle de l’air (1) à travers l’évaporateur. Cet air est refroidi par son contact avec l’évaporateur. Cet air est admis dans l’habitacle du véhicule par les conduits (4), soit vers le pare-brise, soit vers les pieds, soit au milieu de la planche de bord.

L’évaporation du fluide a permis de refroidir l’air admis dans l’habitacle. Le fluide utilisé travaille en circuit fermé, il va être réutilisé pour faire un nouveau cycle. Pour cela il faut maintenant :

- Débarrasser le fluide de la chaleur qu’il a emmagasiné dans l’habitacle (diminuer son enthalpie) - Faire « condenser » le gaz pour qu’il redevienne liquide.

AE



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D] Diagramme d’enthalpie. Le fluide couramment utilisé en climatisation est un HFC (hydro Fluoro Carbone) D’après le diagramme d’enthalpie ci-dessous et le document PowerPoint, répondre aux questions suivantes:

Question 4] La pression dans un circuit de climatisation à l’arrêt est de 2 Bar pour une température de 20 °C Dans quel état est le fluide dans ces conditions ?

Liquide gazeux vapeur saturante (entourez votre choix) Question 5] A pression atmosphérique (1 Bar), à quelle température le fluide R134A commence t -il à bouillir ? Question 6] Sous 8 Bars (8 atmosphères), et à une température de 20°C, quel est l’état du fluide ? Ce diagramme est la clé pour comprendre le fonctionnement de la climatisation. Il nous indique les conditions nécessaires pour faire bouillir le fluide (le charger en chaleur), et celle pour le condenser (le débarrasser de la chaleur prise dans l’habitacle)



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E] Organisation du circuit de climatisation.

Un circuit de climatisation ou un groupe de froid (frigo) comporte les éléments suivants :

- un évaporateur placé dans le milieu à refroidir - un condenseur placé à l’extérieur - un compresseur entrainé électriquement ou par un moteur thermique - un détendeur

1. Compresseur 6. Bouteille déshydratante 2. Condenseur 7. Pressostat tri fonction 3. Radiateur refroidissement moteur 8. Détendeur 4. Groupe Moto Ventilateur (GMV) 9. Ventilateur d’air (pulseur) 5. Canalisations 10. Évaporateur

Extérieur

Habitacle



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Afin de comprendre son fonctionnement, le document page 11 représente le cycle de fonctionnement de la climatisation. De A à B : le compresseur élève la pression du fluide. Le but étant à terme de transformer le gaz en liquide. Question 7] D’après le diagramme d’Enthalpie, quel est l’état du fluide pendant cette phase ? Liquide gazeux vapeur saturante (entourez votre choix) De B à C : le fluide est admis dans le condenseur. Au fur et à mesure de son passage dans le condenseur, il cède de la chaleur à l’air pulsé par les ventilateurs (4) du schéma de la page 7. Question 8] D’après le diagramme d’Enthalpie quel est l’état du fluide pendant cette phase ?

Liquide gazeux vapeur saturante (entourez votre choix) Et très précisément au point C : Liquide gazeux vapeur De C à D : Le fluide est brutalement détendu (chute de la pression) ce qui a pour effet de faire chuter sa température.

Question 9] D’après le diagramme d’Enthalpie quel est l’état du fluide pendant cette phase ?

Liquide gazeux vapeur saturante (entourez votre choix) De D à C : Le fluide détendu est admis dans l’évaporateur. Il ne demande qu’à s’évaporer. Pour cela il se charge de chaleur, ce qui a pour effet de refroidir l’air pulsé par les ventilateurs ((9) schéma page 7) Question 10] sur les 2 schémas du circuit de la page 7, placez les repères A, B, C, D du diagramme d’enthalpie. Exemple : A est à placer à l’entrée du compresseur.

Fluide provenant

du condenseur Fluide détendue Vers évaporateur

Schéma de principe du détendeur



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Partie 2 : Travail sur la maquette Question 11] Sur la maquette Exxotest de climatisation automobile, repérez tous les éléments du circuit décrit à la page 7. Mettre en route la maquette, en agissant sur la clé de contact mais sans démarrer le moteur. AF1 Afficheur Haute Pression (bar) AF3 Afficheur Température Haute Pression (°C) (Relevé à la sortie du condenseur) (Relevé à la sortie du condenseur) AF2 Afficheur Basse Pression (bar) AF4 Afficheur Température Basse Pression (Relevé à l’entrée du compresseur) (Relevé à l’entrée du compresseur) Question 12] Vérifier que la charge de gaz contenue dans le circuit de climatisation de la maquette est correcte. Pour cela relevez : la température du fluide : la pression du fluide : Si la charge est correcte nous devons être sur la courbe de saturation ci-dessous : Dans le cas inverse effectuez le réglage en agissant sur le potentiomètre P2.

Question 13] Quel est l’état du fluide dans ces conditions ? –Voir le diagramme d’enthalpie – Question 14] Mettre le moteur en route, démarrer la climatisation en demandant une température habitacle inférieure à la température extérieure et relever : Haute Pression : Basse Pression : Température Haute Pression : Température Basse Pression : Le document de la page 11, représente le cycle de fonctionnement de la climatisation. Question 15] Placer ces 2 points sur le diagramme d’enthalpie de la page 11.



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Question 16] Sont ils en correspondance avec le diagramme théorique du document ? Régulation de la température dans l’habitacle. La climatisation automatique à également comme fonction de chauffer l’habitacle si le conducteur le désire. Le système comprend un aérotherme (AE sur le schéma de la page 5 et sur la maquette) Faire varier la consigne de température demandée par le conducteur et observez le flux d’air dans les conduits. Question 17] Expliquez comment est réalisé le réglage de la température de l’air admis dans l’habitacle. Capteur de température. Pour répondre aux demandes du conducteur, le calculateur doit être informé de la température dans l’habitacle et de la température extérieure. Pour cela il dispose de 2 capteurs (R et C sur la maquette) qui mesurent la température. Question 18] Branchez l’oscilloscope sur les 2 bornes du capteur C. En agissant sur le potentiomètre P 6 faire varier la température extérieure d’un extrême à l’autre. La température est affichée sur « AF5» lorsque l’on presse le bouton rouge «Text» Question 19] Relevez la tension pour 6 valeurs de températures. Reportez les valeurs dans un tableau Excel Question 20] À partir des valeurs relevés et du logiciel Excel, tracez la courbe de la température en fonction de la tension. Question 21] D’après le document ressource sur les capteurs, indiquez de quel type de capteur il s’agit. Justifiez votre réponse.

Partie 3 : la climatisation réversible des habitations.

Question 22] Recherchez les particularités de la climatisation réversible utilisé en habitation.

- Principe de la réversibilité - Rendement du système dans les 2 fonctionnements possibles



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