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Filires

Sciences de la Matire Physique

Corrig Travaux Pratiques de Physique

S5

Module

Energies Renouvelables Echanges Thermiques

Parcours Energtique et Matriaux

Anne Universitaire 2013/2014.

Prs : M. Chafik

Universit Ibn Tofail Facult des Sciences Dpartement de Physique Knitra

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N. B. : Ce ci est un doccument pour aider les tudiants prparer la colle de TP. Il ne peut en aucun cas tre considr comme le corrig des travaux pratiques des nergies renouvelables. Les valeurs quil contient sont proches des mesures relles pour mettre ltudiant dans une situation relle mais ce ne sont pas des valeurs correctes.

PANNEAU PHOTOTHERMIQUE

I/ Introduction : Lobjectif de cette manipulation est la dtermination du rendement dun panneau photothermique.

II/ Principe de la manipulation et description du dispositif : 1. Principe :

Un capteur solaire absorbe une nergie rayonnante et chauffe ainsi leau qui y circule. Si le capteur est plus chaud que lenvironnement, il transmet de lnergie cet environnement par rayonnement, convection et conduction de chaleur. Son rendement dpend beaucoup de la nature de labsorbeur et de son systme disolation.

2. Schma du sens de circulation de leau :

Au cours des expriences, on dtermine la quantit dnergie cde par unit de temps daprs llvation de temprature de leau qui circule puis on estime lnergie rayonnante absorbe par unit de temps daprs la puissance de la lampe et la distance qui la spare de labsorbeur. S = 42 cm x 30,5 cm. a = 0,7 e = 0,35. On estime que la puissance incidente Pi que reoive la surface slective S est de 40% de la puissance de la lampe si la distance lampe panneau est de 50 cm. => La puissance reue est : Sa Xi = 40*1000/100 = 400 W En une seconde, la surface reoit lnergie : Ei = 400 J

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Bilan nergtique La puissance extraite par la surface slective est : Pextraite = Sa a Xi - Sa e (Ta4 - T04) - Sa H (Ta - T0) Manipulation

Exemple si vous avez mesur : T0 = 14,8 C = 287,8 K Aprs 15 minutes la temprature Ta de leau du rservoir est Ta = 24,05 C = 297,05 K

Rpondre aux questions :

1- La puissance reue par le panneau est Sa Xi = 400 W 2- Pertes radiatives : Sa e (Ta4 - T04)=42*30,5*10-4*0,35*5,67. 10-8 ((297,05)4 - (287,8)4) = 2,35 W 3- la puissance extraite par le panneau et lnergie correspondante. La puissance absorbe est : Sa a X = 0,7 400 = 280 W => Pextraite = Sa a Xi - Sa e (Ta4 - T04)= 280 - 2,35 = 277,65 W Lnergie est donc Eextraite = Pextraite *15*60=277,65/900 = 249885 J 4- Le rendement du panneau = Eextraite /Ei

Ei = Sa Xi *15*60=360000 J = 249885/360000= 0.694 => = 69.4 % Conclusion Un tel rendement ne peut tre obtenu que si la surface est slective, ce qui est le cas ici (a = 0,7 ; e = 0,35) ce qui fait que les pertes radiatives ne sont que de 2,35 W. Nous avons nglig les pertes par conduction et convection difficile estimer pour notre installation, mais dans tous les cas le rendement ne peut pas tre infrieur 50 %. Pour une surface non slective les pertes par rayonnement seront du mme ordre de grandeur que la puissance absorbe et le rendement sera trs faible.

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tude dune cellule Photovoltaque I/ Introduction Lobjectif de ce TP est dtudier une cellule solaire : Tracer ses caractristiques et dterminer les coordonnes optimales de fonctionnement. III/ Manipulation On ralise le montage suivant :

Distance cellule - lampe = 8 cm Dimensions de la cellule : Longueur 2a = 8.5 cm ; largeur 2b = 5 cm. 1- A vide (tension lobscurit RC = ) la tension mesure est U0 = .. 2- Pour chaque valeur de RC, relever la tension et le courant. 3- Tableau de mesure : --------------------------- 4- I = f (U).

6- Puissance lectrique Pe que fournit la cellule. Tableau de mesures : - -- - - - - - - - 7- Les variations de Pe = f(U).

A

V R

I Lampe lumineuse

P = 40 W

Cellule

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8- Daprs la courbe Pf = . mW = .. 10-3 W => If = .. mA et Vf = .. V Sur la courbe de la caractristique ce point correspond peu prs au milieu du coude. 9- Calcul de la puissance incidente Il suffit deffectuer la rgle de trois : A 4 Srd correspond une puissance de 40 W A 0,1 Srd correspond : 40*0,1 /4 = 1 W => Pi = 1 W

10- Le rendement de la cellule tant = Pe/Pi = . %

= 0.1 Srd

Ampoule 40 W

Cellule

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ETUDE DE LA POMPE A CHALEUR

I/ Introduction : Dans ce TP, nous nous proposons dtudier le fonctionnement dune machine thermique

en dterminant son efficacit dans le cas o elle fonctionne comme pompe chaleur ou dans le cas o elle fonctionne comme machine frigorifique.

II/ Principe de la manipulation et description du dispositif : 3. Schma du sens de circulation du fluide frigorigne :

4. Description du cycle

Le fluide caloporteur sort l'tat gazeux du serpentin de l'vaporateur E (pression PE et temprature TF de la source froide). Il passe alors dans le compresseur qui le comprime la pression PC. Cette compression est isentropique (adiabatique) : le gaz schauffe. Quand le gaz arrive dans le serpentin du condenseur, il se refroidit jusqu' la temprature TC de la source chaude et se liqufie sous la pression PC. Il passe alors dans une vanne de dtente qui le ramne la pression PE. La dtente est isenthalpique.

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A l'arrive dans le serpentin de l'vaporateur E, le fluide se vaporise sous la pression PE et la temprature TF de la source froide. Bilan nergtique Le fluide : reoit le travail W du compresseur ; cde la source chaude la chaleur QC dans le condenseur o il se liqufie (QC < 0); reoit de la source froide la chaleur QF dans l'vaporateur pour se vaporiser (QF > 0). 4-1. Pompe chaleur

FC

C

FC

CCc QQ

QQQ

QWQ

e +===

En fonction des tempratures des sources, FC

Cc TT

Te =

4-2. Machine frigorifique

FC

F

FC

FFf QQ

QQQ

QWQe +

==+=

En fonction des tempratures des sources, FC

Ff TT

Te =

N.B. : lcart de temprature (TC TF) est un paramtre trs important pour ltude de lefficacit.

Machine frigorifique

Source chaude

Source froide QC < 0 QF > 0

W > 0

Schma dune pompe chaleur Pompe chaleur

Pompe chaleur

Source chaude

Source froide QC < 0 QF > 0

W > 0

Schma dune pompe chaleur Pompe chaleur

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III/ Manipulation 1. Mode opratoire :

- Avant la mise en marche de la machine, relever les tempratures des deux rservoirs : elles doivent tre sensiblement gales. - Mettre en marche la pompe chaleur et dclencher le chronomtre. Le compresseur commence fonctionner. Durant la manipulation des agitateurs permettent de bien agiter leau dans les deux rservoirs sans perturber les mesures de tempratures. - Pendant la mise en fonctionnement nous relevons toutes les 2 minutes : La temprature TF de l'eau de la source froide o se trouve le serpentin "vaporateur" ; La pression PF du tube froid o se trouve le serpentin "vaporateur" ; La temprature TC de l'eau de la source chaude o se trouve le serpentin "condenseur" ; La pression PC du tube chaud o se trouve le serpentin " condenseur " ; L'nergie lectrique Ee et la puissance Pe consommes par le compresseur. - Au bout de 16 min, on arrte le fonctionnement de la pompe chaleur. - On obtient Tableau de mesures : - - - - - - - - - - - - - TF = f(t) et TC = f(t).

- Que constate : Nous pouvons remarquer une dissymtrie entre les 2 courbes de temprature. La source froide refroidissant moins que la source chaude ne chauffe. Il y a donc un apport de chaleur au niveau de la source chaude ne provenant pas de la source froide. Lapport de chaleur se fait travers le compresseur.

2. tude de lefficacit eC de la pompe chaleur

A- Pompe chaleur a- Calcul de l'efficacit relle ec

t

TPCm

)t(e Ce

eaueauc

= b- Calcul pratique

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- On dterminer chaque instant (toutes les 2 minutes) le rapport t

Tc

qui est la pente de la

tangente la courbe Tc(t) en diffrentes valeurs de t. On rsume les rsultats dans le tableau : - - - - - - - - - - - - - - -

t (s) Tc-Tf (K) Pe (Watt) Pentec ec . . .

meau = 2 kg (chaque source contient 2 litres deau). Ceau = 4180 J.kg-1K-1 - Courbe ec = f (TC - TF).

- Conclusion Une pompe chaleur apporte plus dnergie quelle consomme ; son efficacit doit tre suprieure 1. Or dans le tableau, ec est plus grande que 1 jusqu t = ---- mn. Aprs, les tempratures tendent vers une stabilisation (restent constantes) et lefficacit chute. La pompe consomme au lieu de produire. c- Comparaison de l'efficacit relle ec avec l'efficacit idale ec

FC

Ccrev TT

Te =

Tf (K) Tc ( K ) Tc-Tf (K) ecrev . . . .

- ecrev = f(TC - TF)

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- Conclure. Ainsi lcart entre lefficacit dune pompe chaleur rversible et lefficacit exprimentale est trs grand. Donc la pompe ne fonctionne pas rversiblement B- Machine frigorifique a- Calcul de l'efficacit relle ef

t

TPCm)t(e fe

eaueauf

= b- Calcul pratique - On regroupe les rsultats dans le tableau :

t (s) Tf (K) Tc ( K ) Tc-Tf (K) Pe (Watt) Pentef | ef | . . .

- Courbe ef = f (TC - TF).

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- Conclure. En machine frigorifique lefficacit est plus grande que 1 sauf aprs un temps suffisant o lon tend vers un quilibre thermique. Tf varie peut. La pompe produit lnergie pour refroidir la source froide avec une bonne efficacit. Remarque : on peut calculer lefficacit rversible et la tracer. On vrifiera alors le fait que la machine frigorifique fonctionne de faon irrversible. Conclusion Gnrale 1- Lefficacit est un rendement sauf quelle est suprieure 1, pourquoi ? En pourcentage sa valeur serait suprieure 100 %. Ce ci veut dire quavec une machine frigorifique qui a une efficacit de 200%, nous allons produire une chaleur suprieure lnergie consomme. La machine serait 200 fois plus efficace pour chauffer ou refroidir un lieu que de le faire directement en fournissant lnergie lectrique. - Trac dans le diagramme de Clapeyron :

t (s) Tf (K) Tc ( K ) Pf (bar) Pc (bar) Pe (Watt) . . .

N. B. : 1 bar = 105 Pa = 1atm Le tableau montre que la pression (Pc) avant le dtendeur est bien suprieure la pression (Pf) aprs celui-ci. Donc le fluide subit une dtente => son volume augmente. Schma explicatif :

T, Pf

Tf, Pf

Isobare, Pf

T, Pf Tc > T

Adiabatique Tc, Pc

T < Tc, Pc

Isobare, Pc

Adiabatique

T, Pc

Tf, Pf

Compresseur

Dtendeur

Source froide

Source chaude

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T et T sont respectivement les tempratures des tubes entre la source froide et le compresseur et entre la source chaude et le dtendeur. Le cycle contient deux isobares (transformations au niveau des sources) et deux adiabatiques (transformations au niveau du compresseur et du dtendeur). Dans le diagramme de Clapeyron le cycle sera donc :

La transformation 1 : Au niveau de la source chaude (Pc, Vc1, Tc) ------> (Pc, Vc2, T) La transformation 2 : Au niveau du dtendeur (Pc, Vc2, T) ------> (Pf, Vf1, Tf) La transformation 3 : Au niveau de la source froide (Pf, Vf1, Tf) ------> (Pf, Vf2, T) La transformation 4 : Au niveau du compresseur (Pf, Vf2, T) ------> (Pc, Vc1, Tc) Remarques importantes : 1- Si la temprature baisse au niveau de la source chaude cest que le volume a diminu puisque la pression reste constante. Cest une compression isobare. Le fluide entre ltat gazeux et sort ltat liquide. 2- Dans le dtendeur le volume passe de Vc2 Vf1 > Vc2. Cest une dtente adiabatique. Le fluide devient est toujours liquide la sortie du dtendeur. 3- Si le volume augmente au niveau de la source froide cest que la temprature a augment puisque la pression reste constante. => T > TF. Cest aussi une compression isobare. Le fluide entre ltat liquide et sort ltat gazeux. 4- Dans le compresseur le gaz est comprim. Cest une compression adiabatique. el sort toujours gazeux pour entre la source chaude et faire nouveau un autre tour. => Pendant un tour le fluide, est un gaz entre la sortie de la source froide et lentre de la source chaude et un liquide ailleurs.