![]() |
Conception et réalisation d'un banc didactique informatisé pour l'étude du cycle de réfrigération à compression de vapeurpar Senakpon Hospice AZINHOU Université Nationale des Sciences, Technologies, Ingénierie et Mathématique - Diplôme d'ingénieur de Conception 2022 |
CHAPITRE 4 : RESUSTATS ET DISCUSSIONS4.1. INTRODUCTION Dans cette partie, nous présenterons les résultats de nos travaux de recherches et de conception. Il sera question dans un premier temps de montrer le modèle de banc didactique et de l'interface graphique que nous avons pu obtenir. Dans un second temps, nous présenterons les insuffisances aussi bien sur le banc didactique que sur l'interface graphique et finir par ressortir l'investissement nécessaire pour finaliser ce projet de banc didactique. 4.2. RESULTATS Les résultats de nos travaux de recherches et de conception se subdivisent en trois grandes parties à savoir : le modèle du banc didactique obtenu, les fiches de TP et l'interface graphique. 4.2.1. Réalisation Le modèle obtenu se présente comme suit : Conception et réalisation d'un banc didactique informatisé pour l'étude du cycle de réfrigération à compression de vapeur Figure 3. 33: Modèle obtenu 4.2.2. Interface graphique Développée en python, nous avons pu obtenir une interface graphique qui permettra de traiter les données acquises. Voici en quelques captures d'écran Rédigé par Hospice Sènakpon AZINHOU 61 Conception et réalisation d'un banc didactique informatisé pour l'étude du cycle de réfrigération à compression de vapeur Figure 4. 1:Capture d'écran interface graphique Rédigé par Hospice Sènakpon AZINHOU 62 Conception et réalisation d'un banc didactique informatisé pour l'étude du cycle de réfrigération à compression de vapeur Figure 4. 2: Capture d'écran interface graphique Rédigé par Hospice Sènakpon AZINHOU 63 Rédigé par Hospice Sènakpon AZINHOU 64 Conception et réalisation d'un banc didactique informatisé pour l'étude du cycle de réfrigération à compression de vapeur Figure 4. 3: Capture d'écran 3 Conception et réalisation d'un banc didactique informatisé pour l'étude du cycle de réfrigération à compression de vapeur 4.2.3. Fiches de TP rédigées 4.2.3.1. Fiche de TP n°1 : Identification des composants frigorifiques sur le banc didactique Durée : 1h30 Objectifs : Ce TP a pour objectif d'amener les apprenants à la découverte des composants frigorifiques sur une installation frigorifique. Prérequis : Maitrise de la théorie sur les composants frigorifiques Matériels et outils : Carnet de note Ressource : Le Banc didactique reste hors tension durant tout le déroulement du TP Protocole : Observer les images ci-dessous et identifier-les sur le banc didactique
Figure 4. 4: Images TP 1 Consigne :
Rédigé par Hospice Sènakpon AZINHOU 65 Rédigé par Hospice Sènakpon AZINHOU 66 Conception et réalisation d'un banc didactique informatisé pour l'étude du cycle de réfrigération à compression de vapeur
4.2.3.2. Fiche de TP n°2 : Contrôle électrique avant mise en service Durée : 30min Objectifs : Ce TP amène l'étudiant à prendre connaissance des mesures de sécurité et de protection de l'installation électrique du banc didactique avant la mise en service Prérequis : Les prérequis exigés sont les notions de base de l'électrotechnique en installation électrique basse-tension Matériels et outils : Fiche technique du banc didactique, Multimètre, Tournevis testeur. Le Banc didactique reste hors tension durant tout le déroulement du TP Ressource : Assistance Protocole :
Consigne : En utilisant la fiche technique, prendre connaissance de la puissance du compresseur, puis Justifier le choix du disjoncteur de protection de même que la section des liaisons électrique 4.2.3.3. Fiche de TP n°3 : Contrôle frigorifique avant mise en service Durée : Objectifs : Ce TP amène l'étudiant à prendre connaissance des mesures de sécurité et de protection de l'installation frigorifique du banc didactique avant la mise en service Rédigé par Hospice Sènakpon AZINHOU 67 Conception et réalisation d'un banc didactique informatisé pour l'étude du cycle de réfrigération à compression de vapeur Prérequis : Les prérequis exigés sont les notions de base de l'électrotechnique en installation électrique basse-tension Matériels et outils : Fiche technique du banc didactique, Multimètre, Tournevis testeur. Le Banc didactique reste hors tension durant tout le déroulement du TP Protocole :
Consigne : En utilisant la fiche technique, prendre connaissance de la puissance du compresseur, puis Justifier le choix du disjoncteur de protection de même que la section des liaisons électriques. 4.2.3.4. Fiche de TP n°4 : Contrôle frigorifique après mise en service Durée : Objectifs : Ce TP amène l'étudiant à prendre connaissance des vérifications générales nécessaires pour s'assurer d'un bon fonctionnement du banc didactique après mise en service. Prérequis : Avoir exécuté le TP n°2 ; Bonne maître du fonctionnement Matériels et outils : Fiche technique du banc didactique, Multimètre, Tournevis testeur. Le Banc didactique est mis sous tension durant le déroulement du TP Protocole : Vérifier si :
Rédigé par Hospice Sènakpon AZINHOU 68 Conception et réalisation d'un banc didactique informatisé pour l'étude du cycle de réfrigération à compression de vapeur
Consigne : Présenter un rapport des vérifications demandées dans la protocole en interprétant les résultats obtenus. 4.2.3.5. Fiche de TP n°5: Etude de l'efficacité de la machine frigorifique a compression de vapeur Durée : 2h00min Objectifs : Ce TP amène à prendre de l'étude de l'efficacité d'une pompe à chaleur Prérequis : Théorie sur l'étude de l'efficacité de la machine frigorifique à compression de vapeur. Matériels et outils : Multimètre ; anémomètre Protocole : 1- Relevé des températures On décide de faire fonctionner le dispositif pendant 5min Tableau 4. 1 : Relevé de température TP n°5
Rédigé par Hospice Sènakpon AZINHOU 69 Conception et réalisation d'un banc didactique informatisé pour l'étude du cycle de réfrigération à compression de vapeur 4 5 Pendant ce temps, vous relèverez, toutes les minutes :
On se propose de calculer les COP pour chaque intervalle de temps Ä??=2????. ? Pour l'eau, la quantité de chaleur reçue s'exprime comme suit : Q=m*cp*?T avec m la masse d'eau contenue dans le récipient ; cp la chaleur massique de l'eau et ?Tc = (Température initiale - Température finale) de l'intervalle de temps considéré Pour l'air, la quantité de chaleur cédée à l'air s'exprime comme suit : Q=qv*0.34*?T avec qv le débit volumique de l'air à mesurée avec un anémomètre ; ?T = Température initiale - Température finale) de l'intervalle de temps considéré
La puissance thermique reçue par la source chaude est : ????? = ?????? ???? Le coefficient de performance réel est donc le rapport : ????????é???? = ??????? ???? Le coefficient de performance de Carnot est : ?????????????????? = ????-???? ???? Le rendement du cycle ?? = ????-???? Dresser un tableau des résultats ; Tracer les courbes ????????é????, ?????? ???????????? et le rendement du cycle en fonction du temps, commentez les résultats. 4.2.3.7. Fiche de TP n°6 : Le tracé du diagramme p-h à partir des relevés de l'expérience, et comparaison Rédigé par Hospice Sènakpon AZINHOU 70 Conception et réalisation d'un banc didactique informatisé pour l'étude du cycle de réfrigération à compression de vapeur Durée : 3h00 Objectifs : Etude du diagramme enthalpique du R404A Matériels et outils : Multimètre ; anémomètre 1- Schéma de principe Figure 4. 5: Schéma de principe de fonctionnement Ressource : Rappelle du principe de fonctionnement de la machine frigorifique à compression de vapeur État 1 : Le fluide frigorigène arrive à l'entrée du compresseur à l'état gazeux à la pression Pf et la température T1. État 2 : Il passe alors dans le compresseur qui le comprime à la pression Pc. Cette compression rapide est supposée adiabatique, le fluide gazeux s'échauffe jusqu'à la température T2. État 3 : Dans le serpentin du condenseur C, le gaz se refroidit jusqu'à la température Tc de la source chaude et commence à se liquéfier sous la pression Pc à la température Tc. Rédigé par Hospice Sènakpon AZINHOU 71 Conception et réalisation d'un banc didactique informatisé pour l'étude du cycle de réfrigération à compression de vapeur État 4 : Le fluide frigorigène, sorti du condenseur à la température Tc et à la pression Pc, se refroidit sur son trajet jusqu'au point 4 où il est à la température T4 tout en restant à la pression Pc. État 5 : Dans une vanne de détente, il subit une détente isenthalpique qui le ramène à la pression Pf en subissant un début de vaporisation à la température T5. État 6 : A l'arrivée dans l'évaporateur E, le fluide frigorigène finit sa vaporisation sous la pression constante Pf et à la température T5, Au contact de la source froide, il se réchauffe jusqu'à la température T6 = Tf. Retour à l'état 1 : Entre la source froide et le compresseur, le gaz se réchauffe légèrement de Tf à T1. 2. Bilan énergétique Le fluide :
3. Représentation du cycle et Mesures Mesures à effectuer Elles doivent être effectuées lorsque la machine frigorifique fonctionne déjà depuis environ 10 minutes ; Vous allez relever une série de températures, Ce ne seront pas exactement les températures du R404A dans les différents états précédemment décrits, Placer les thermomètres aux différents points indiqués ; Aux points 1, 2, 4 et 5. Relever, simultanément : - La pression PF côté évaporateur sur le manomètre avant le compresseur. - La pression Pc côté condenseur sur le manomètre après le compresseur. - La température T1 à l'entrée du compresseur (point 1) ; - La température T2 à la sortie du compresseur (point 2) ; - La température T4 à l'entrée du détendeur (point 4) ; - La température T5 à la sortie du détendeur (point 5) ; - La température Tc de la source chaude ; - La température Tf de la source froide ; Rédigé par Hospice Sènakpon AZINHOU 72 Conception et réalisation d'un banc didactique informatisé pour l'étude du cycle de réfrigération à compression de vapeur - La puissance consommée Pe Attention, les manomètres indiquent des pressions relatives, il faut donc ajouter 1 bar à la lecture pour obtenir des pressions absolues. Tracé du cycle sur le diagramme de Mollier et commentaires Sur le diagramme fourni : Point 1 : - Placer le point 1 correspondant à la pression PF et à la température T1, il se trouve à l'intersection de la droite horizontale PF = constante et de la courbe isotherme d'équation T1= constante ; Lire en abscisse l'enthalpie massique h1 du gaz. Point 2 : - La compression étant supposée isentropique (adiabatique réversible), il se trouve à l'intersection de la droite horizontale correspondant à Pc = constante et de la courbe s = constante passant par le point 1. Sur le diagramme, lire la température T'2 et les enthalpies massique h2 et h'2 correspondant au point 2 et 2'. Comparer la température T'2 lue sur le diagramme et la température T2 relevées à la sortie du compresseur. Que constate-t-on ? Point 3 : - Dans le condenseur, le gaz se refroidit sous la pression constante PC et va commencer à se liquéfier. Sur le diagramme, lire la température T'3 à laquelle la vapeur commence à se liquéfier. Point 4 : - Dans le condenseur, la liquéfaction se poursuit jusqu'à être totale ; le liquide formé se refroidit jusqu'à la température TC de la source chaude ; il continue à se refroidir sur son trajet vers le détendeur jusqu'à la température T4 : il se trouve à l'intersection de la droite horizontale Pc = constante et de la courbe isotherme d'équation T4 = constante. Lire l'enthalpie massique h4 du liquide avant sa détente. Point 5 : - La transformation 4 ? 5 peut-être assimilée à une détente isenthalpique et le point 5 se trouve à l'intersection de la droite verticale h4= constante avec la droite horizontale Pf = constante. Lire la fraction massique x de vapeur qui s'est formée au cours de la détente. Lire sur le diagramme la température T'5 à laquelle se déroule la vaporisation. Comparer T'5 et T5. Rédigé par Hospice Sènakpon AZINHOU 73 Conception et réalisation d'un banc didactique informatisé pour l'étude du cycle de réfrigération à compression de vapeur Point 6 : - Placer le point 6 auquel la vaporisation de termine sous la pression PF et noter la température T6 correspondante. Tracer le cycle. 5) Dresser un tableau récapitulatif des mesures et des relevés sur le diagramme. Température de la source chaude : TC = ; Température de la source froide : Tf = Puissance Pe = Tableau 4. 2: Tableau de données TP 6
Observations à partir le cycle Comparer, respectivement, les températures T'1 et T2, les températures T'5 et T5, expliquer. Comparer T1 avec Tf et T4 avec Tc, Qu'observe-t-on ? Estimation du débit et du rendement Rédigé par Hospice Sènakpon AZINHOU 74 Conception et réalisation d'un banc didactique informatisé pour l'étude du cycle de réfrigération à compression de vapeur Déterminer le débit du fluide frigorigène circulant dans le circuit. Calculer le rendement isentropique du compresseur. Etude de l'efficacité Pour les valeurs relevées, calculer : Le COP maximale d'une pompe à chaleur fonctionnant entre deux sources aux températures TC et TF des deux réservoirs d'eau. L'efficacité d'une pompe à chaleur, le COP est donné par : COP=????-???? ????-???? Comparer les deux coefficients, Conclure 4.2.3.7. Fiche de TP n°7 : Mesure de la surchauffe et du sous refroidissement Durée : 30min Objectifs : Ce TP vise à apprendre à l'apprenant la mesure de la surchauffe et à interpréter les valeurs Prérequis : Théorie sur la notion de surchauffe et du sous refroidissement Matériels et outils : Carnet de note Rappel : L'un des renseignements les plus importants sur la « vie » du circuit frigorifique est sans aucun doute la valeur de la surchauffe des vapeurs à la sortie de l'évaporateur. Par définition, la surchauffe d'une vapeur représente la différence entre la température de cette vapeur et la température d'évaporation du fluide qui lui a donné naissance, la pression étant constante. Conception et réalisation d'un banc didactique informatisé pour l'étude du cycle de réfrigération à compression de vapeur Figure 2. 18: Mesure de la surchauffe[8] Sur un évaporateur, la surchauffe représente la différence entre la température mesurée au bulbe du détendeur, et la température d'évaporation lue au manomètre BP (dans la plupart des cas, la perte de charge de la tuyauterie d'aspiration est négligeable). Dans l'illustration ci-dessus, la surchauffe = 11 - 4 = 7°C Le sous refroidissement quant à lui constitue également comme la surchauffe l'un des renseignements les plus importants dans la vie du circuit frigorifique. Par définition, le sous refroidissement d'un liquide représente la différence entre la température de condensation de ce liquide à la sortie du condenseur.[7] Rédigé par Hospice Sènakpon AZINHOU 75 Conception et réalisation d'un banc didactique informatisé pour l'étude du cycle de réfrigération à compression de vapeur Figure 2. 19: Mesure du sous refroidissement[8] Sur un condenseur, le sous refroidissement la différence de température entre la température de condensation (lue au monomètre HP), et la température de la ligne liquide mesurée au départ du condenseur (ou de la bouteille liquide). Dans l'illustration ci-dessus, le sous refroidissement = 38 - 32 = 6°C. On rencontre généralement sur les condenseur à air une valeur normale du sous refroidissement comprise entre 4 et 7°C[7] Consigne : Procéder à partir du rappel, à la prise des données nécessaires à la détermination de la surchauffe et du sous refroidissement. 4.2.3.8. Fiche de TP n°8 : tirage au vide (Sans vacuometre) Durée : 1h Objectifs : Ce TP vise à apprendre à l'apprenant à débarrasser le circuit frigorifique de l'air et de son humidité Prérequis : Bonne maîtrise du manifold Matériels et outils : ? Une pompe à vide ? Une clef à cliquet Rédigé par Hospice Sènakpon AZINHOU 76 Conception et réalisation d'un banc didactique informatisé pour l'étude du cycle de réfrigération à compression de vapeur ? Un vacuomètre si possible ? Un jeu de manifolds Précautions ? Le circuit ne doit pas être sous pression et les fuites ont été recherchées au préalable. Il ne faut jamais laisser un circuit au vide, on doit réaliser au moins une pré-charge une fois l'opération terminée. ? Conditions initiales ? La tuyauterie est terminée, les fuites ont été recherchées, ? Le nouveau déshydrateur d'être monté ? Les vannes 3 et 4 sont fermées pour préserver le déshydrateur. Protocole : Mode opératoire du tirage au vide : (sans vacuomètre)
4.2.3.9. Fiche de TP n°8 : Tirage au vide (avec vacuomètre) Durée : 2h30 Rédigé par Hospice Sènakpon AZINHOU 77 Rédigé par Hospice Sènakpon AZINHOU 78 Conception et réalisation d'un banc didactique informatisé pour l'étude du cycle de réfrigération à compression de vapeur Objectifs : Ce TP vise à apprendre à l'apprenant à débarrasser le circuit frigorifique de l'air et l'humidité Prérequis : Bonne maîtrise du manifold Matériels et outils :
Mode opératoire du tirage au vide : (avec vacuomètre) Rédigé par Hospice Sènakpon AZINHOU 79 Conception et réalisation d'un banc didactique informatisé pour l'étude du cycle de réfrigération à compression de vapeur
Rédigé par Hospice Sènakpon AZINHOU 80 Conception et réalisation d'un banc didactique informatisé pour l'étude du cycle de réfrigération à compression de vapeur
4.2.3.10. Fiche de TP n°10 : Casse du vide Durée : 1h30 Objectifs : Ce TP vise à apprendre à l'apprenant à casser le vide Prérequis : Bonne maîtrise du manifold Matériels et outils :
Mode opératoire du tirage au vide : (avec vacuomètre) Conception et réalisation d'un banc didactique informatisé pour l'étude du cycle de réfrigération à compression de vapeur Figure 4. 7: Tirage au vide avec vacuomètre
4.2.3.9. Fiche de TP n°10 : La charge en liquide Durée : Objectifs : Apprendre à l'apprenant à charger du réfrigérant nécessaire au fonctionnement de l'installation frigorifique. Prérequis : Bonne maîtrise du manifold Matériels et outils : ? Une bouteille de réfrigérant. ? Une clef à cliquet. Rédigé par Hospice Sènakpon AZINHOU 81 Conception et réalisation d'un banc didactique informatisé pour l'étude du cycle de réfrigération à compression de vapeur ? Un thermomètre équipé d'une sonde de contact. ? Un jeu de manifolds. Précaution : Une installation tirée au vide et étanche, les appareils de sécurités et de régulations sont préréglés. Le jeu de manifolds est resté monté sur l'installation, by-pass fermés. Protocole :
4.3. DISCUSSIONS 4.3.1. Améliorations techniques Rédigé par Hospice Sènakpon AZINHOU 82 Rédigé par Hospice Sènakpon AZINHOU 83 Conception et réalisation d'un banc didactique informatisé pour l'étude du cycle de réfrigération à compression de vapeur Tableau 4. 3: Liste des composants déjà acquis et ceux qui reste à acheter
Rédigé par Hospice Sènakpon AZINHOU 84 Conception et réalisation d'un banc didactique informatisé pour l'étude du cycle de réfrigération à compression de vapeur
4.3.2. Investissement à faire pour finaliser le banc Pour un investissement de 524 500F sur 1 953 125F, nous avons pu obtenir le modèle basique présenté ci-dessus. Ainsi, il faudra un investissement complémentaire de 1 428 625 F pour finaliser la réalisation du banc didactique informatisé. Rédigé par Hospice Sènakpon AZINHOU 85 Conception et réalisation d'un banc didactique informatisé pour l'étude du cycle de réfrigération à compression de vapeur 4.3.3. Impacts environnementaux Le HFC ou hydrofluorocarbure, R 404A a longtemps été le fluide frigorigène utilisé dans une majorité des installations existant en raison de ses propriétés physico-chimiques. En effet, c'est un réfrigérant non toxique, non inflammable, particulièrement stable, pouvant être utilisé indéfiniment dans le cycle thermodynamique d'une installation, sans aucune pollution directe. C'est seulement en cas de fuite que le R 404A libéré reste des dizaines d'années dans l'atmosphère, engendrant le réchauffement de l'atmosphère par effet de serre. Le GWP (Global Warming Potential) ou le PRG (Potentiel de Réchauffement Global) a été créé afin de comparer l'action des fluides frigorigènes sur l'effet de serre. La molécule de référence est le CO2 (GWP =1) pour des durées bien déterminées, généralement 100 ans. Plus cet indice est élevé plus le fluide est néfaste. Le règlement européen n°517/2014, aussi appelé réglementation F-Gaz concerne justement la réduction progressive des HFC à fort GWP. Le R 404A a un GWP de 3922 c'est-à-dire que 1 kg de R 404A libéré dans l'atmosphère correspond à 3922 kg de CO2 rejeté sur 100 ans. Il est donc directement impacté par la réglementation. De plus, le potentiel d'appauvrissement de la couche d'ozone est nul. 4.3.4. Impacts socio - éducatif Le banc didactique de ce projet aura pour impact de permettre aux apprenants de : ? Se familiariser avec le cycle frigorifique à compression de vapeur en Traiter suffisamment des phénomènes inhérents du cycle frigorifique à compression de vapeur ? Améliorer leur niveau en pratique ? Se préparer pour stages académique 4.4. CONCLUSION Vu le niveau actuel des résultats, il serait très important de trouver les moyens nécessaires pour finaliser le travail de sorte à atteindre les objectifs de départ. Rédigé par Hospice Sènakpon AZINHOU 86 Conception et réalisation d'un banc didactique informatisé pour l'étude du cycle de réfrigération à compression de vapeur |
|