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TSTL- SPCL- Thermodynamique –Machines thermiques
Activité documentaire : Machines frigorifiques
Objectif : comprendre le fonctionnement d’une machine frigorifique.
Situation :
Monsieur X voit plusieurs de ses voisins installer des pompes à chaleur, d’autres installent des
climatiseurs pour l’été…
Un installateur lui dit que la technologie est la même et qu’une même installation peut remplir
les deux fonctions…
Il regarde les schémas d’implantation des installations de ses voisins et des schémas dans les
documentations des installateurs…
Visibles en couleur sur les premières diapos du diaporamas.
Chez Mr Z
Chez Mr Y
Chez Mr T
Schémas vus chez les installateurs : Doc 1
Schémas vus chez les installateurs : Doc 2
Schémas vus chez les installateurs : Doc 3
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Les différents systèmes :
Quelles sont les différences entre ces différents matériels ?
Remplir le tableau suivant :
Système
Chauffage Production
Climatisation Source de Fluide caloporteur
d’installation
eau chaude
chaleur
(habitation)
oui
?
sol
eau
Chez M. Y
Chez M. Z
oui
Oui
?
air
eau
Chez M. T
oui
non
non
Nappe
aquifère
(eau)
eau
Doc 1
Oui
non
?
air
eau
Doc 2
oui
non
oui
air
air
Doc 3
?
non
oui
air
air
Votre avis :
Quel est l’intérêt de l’installation d’une pompe à chaleur, d’un climatiseur ?
C’est économique, permet de se chauffer en consommant moins d’énergie.
Quelles sont les machines frigorifiques que vous connaissez ?
Le réfrigérateur, le congélateur ..
Problématique:
Peut-on prélever de la chaleur dans une source dont la température est plus basse que celle du milieu qu’on
cherche à réchauffer ?
Connaissances générales :
1) Quelle-est la différence entre température et chaleur ? La température mesure la manifestation de la
chaleur. La chaleur est un mode de transfert de l’énergie, par agitation moléculaire ou atomique.
2) Quelles sont les unités de ces grandeurs ? °C ou K, la chaleur se mesure en Joules
3) Citer trois changements d’état. Fusion ; évaporation ; solidification ; sublimation ; condensation ;
liquéfaction.
4) Qu’est-ce qu’un changement d’état ? C’est le passage d’un état physique à l’autre
5) Y-a-t-il un lien entre la température et la pression d’un gaz ? Si oui, lequel ? Oui, PV=nRT
Lecture de la documentation :
Diaporama
Analyse :
1) Etude du schéma 2 :
 Dans le milieu à refroidir, doit-il y avoir évaporation ou condensation ? Justifier
Il doit y avoir évaporation car l’évaporation est une transformation physique endothermique.
Prend de l’énergie dans le milieu environnant.
 Dans le milieu extérieur, doit-il y avoir évaporation ou condensation ? Justifier
Il doit y avoir condensation car la condensation est une transformation physique
exothermique. Libère l’énergie.
 Expliquer alors ce que représentent les flèches rouges du schéma.
Les flèches rouges sur le schéma 2 représentent l’énergie calorifique échangée (toujours du
chaud vers le froid)
 Reproduire le schéma 2 en le simplifiant : faire apparaître le sens de circulation des fluides.
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BP
HP
Condenseur
Evaporateur
Energie thermique
Energie thermique
Milieu à chauffer
Milieu à refroidir
Machine frigorifique
BP
Apport d’énergie
électrique
HP
 Entre le milieu intérieur et le milieu extérieur, dans quel sens la chaleur circule-t-elle ?
La chaleur circule intérieur vers le milieu extérieur. (Du milieu à refroidir vers l’autre milieu)
 A quoi peut servir l’énergie électrique apportée à la machine frigorifique ?
L’énergie électrique apportée permet de compresser (faire fonctionner le compresseur) (1) le
fluide frigorigène, et ainsi augmenter la pression.
2) Qu’est-ce qu’un fluide frigorigène ? Quelle est sa particularité ?
Les fluides frigorigènes doivent répondre aux critères suivants :
 grande propriété d'absorption de chaleur lorsqu'ils passent de leur phase liquide à leur phase
gazeuse.
 respecter l'environnement et être inoffensifs pour l'homme (et tout être vivant) du fait du risque
de fuite dans l'atmosphère.
 leurs pressions (qui sont fonction des températures de service des échangeurs cités ci-dessus)
doivent permettre leur utilisation dans un circuit frigorifique avec un dimensionnement
raisonnable des tuyauteries et du compresseur. En effet, il ne serait pas rentable d'utiliser de
l'azote pour faire de la climatisation, la pression nécessaire étant trop importante, ce qui
nécessiterait des tuyaux très épais et un compresseur gigantesque.
3) Sur quel paramètre agit-on pour restituer de la chaleur dans un milieu dont la température est plus
élevée que celle du milieu d’où vient cette chaleur ?
On joue sur la température de changement d’état en fonction de la pression. (Le paramètre est donc la
pression)
A basse pression le fluide frigorigène a une température d’ébullition basse, ainsi s’il arrive à l’état
liquide dans un milieu dont la température est plus élevée que la température d’ébullition, alors il
s’évapore. Cette évaporation (4) capte de l’énergie au milieu extérieur, qui se refroidit.
A haute pression, le fluide frigorigène à une température d’ébullition élevée, ainsi s’il arrive à l’état
gazeux dans un milieu dont la température est plus faible que la température d’ébullition, alors il se
condense. Cette condensation (2) libère de l’énergie au milieu extérieur, qui se réchauffe.
4) Quels sont les différents composants d’une machine frigorifique ? Expliquez brièvement le rôle de
chacun d’eux.
 Compresseur (1)
 Condenseur (2)
 Détendeur (Permet d’abaisser la pression)
 Evaporateur (4)
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5) Compléter le tableau ci-dessous :
Eléments machine
frigorifique
Compresseur
Condenseur
Détendeur
Evaporateur
Etat fluide
entrée
sortie
V
V
L
L
V
L
L
V
Température
entrée
sortie
f
F
F
f
F
F
f
f
Pression
entrée
sortie
f
F
F
f
F
F
f
f
Energie reçue ou
cédée
Electrique reçue
Thermique cédée
Thermique reçue
6)
7)
8)
Dans le tableau colorier en rouge la case correspondant à la pression la plus élevée.
D’où provient l’énergie du compresseur ? Du moteur électrique
La pompe à chaleur peut-elle être qualifiée de machine frigorifique ? Justifier
La pompe à chaleur peut être qualifiée de machine thermique car elle permet par apport d’énergie
électrique de transférer de la chaleur prise dans un milieu froid vers un milieu chaud.
9) Repérer sur le schéma ci-dessous les différents éléments d’une pompe à chaleur :
10) Pourquoi une pompe à chaleur peut-elle être réversible ?
Car il suffit d’inverser le sens de fonctionnement du compresseur, ainsi l’évaporateur devient le
condenseur et vice-versa.
Expliquer ce que représentent les schémas 1 et 2 de la dernière diapo. (Donner une explication par
schéma)
Votre explication devra comporter les termes suivants : Détente, compression, échange, refroidir,
réchauffer, chaleur, compresseur, détendeur, évaporer (évaporation), condenser (condensation).
Il montre la réversibilité de la pompe à chaleur.
En cycle chaud à la sortie du compresseur le gaz sous haute pression et à température élevée, subit une
condensation, il libère alors de la chaleur à l’extérieur. Le liquide toujours sous haute pression arrive dans le
détendeur, où il subit une détente (abaissement de la pression) et un abaissement de la température. Ce
liquide arrive dans l’évaporateur (intérieur de la pièce) il capte alors l’énergie de la pièce qui se refroidit. On a
donc une climatisation.
En cycle froid … chauffage.
11) Compléter le schéma énergétique ci-dessous, en plaçant :
 Qc : énergie fournie à la source chaude
 Qf : l’énergie prélevée à la source froide
 Qe : énergie électrique fournie au compresseur.
Pompe à chaleur
Qf >0
Qc <0
Qe >0
12) Préciser le signe de chacune de ces énergies.
13) Définir le coefficient de performance COP :
 pour une pompe à chaleur : COP = QC / Qe
 pour un climatiseur. COP = Qf / Qe
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