Technologie des syst`emes thermiques LAFFAY Pierre ... - Crans

Département Génie Thermique EnergieIUT d’Evry - Brétigny - JuvisyTechnologie des systèmes thermiquesLAFFAY Pierre-Olivierlaffay@crans.orgVersion 2007-2008

Extrait 1 du Programme Pédagogique National ✭ Génie Thermique et énergie ✮Intentions pédagogiques et compétences associéesCet enseignement est un enseignement technologique de première année. Il est destiné à présenterles appareils essentiels de chauffage, de distribution et de transfert de fluide et à en étudierla décomposition éventuelle en sous-ensembles. Ce module vise à compléter ceux de machinesthermiques et de mécanique des fluides en insistant sur les aspects technologiques et sur ceux liés aucouplage entre les machines qui transfèrent les fluides et les réseaux qui les distribuent. Les compresseurssont vus par ailleurs. Il présentera techniquement la composition globale des ensembles que l’on trouveaussi bien dans le bâtiment que dans les industries, et la description fonctionnelle des divers élémentsqui les composent. Seront mis en évidence leurs rôles, leurs courbes caractéristiques de fonctionnement,les règles de sécurité à respecter. Les travaux pratiques seront prioritairement destinés à permettre uncontact étroit de l’étudiant avec ces appareillages; ils comporteront donc essentiellement des manipulationsde démontage, mesurage, remontage. Les TP pourront être groupés avec des TP d’autres disciplinesdu même semestre.L’étudiant devra :Programme• savoir monter et démonter une chaudière, un corps de chauffe ou un brûleur.• connaître les fonctions caractéristiques des différents organes de distribution desfluides.• savoir appliquer les règles de sécurité.Brûleurs et chaudières :• les brûleurs : ...• les chaudières : ...Machines frigorifiques :• organes principaux et auxiliairesTransferts et distribution des fluides :• Les pompes : les différents types, vitesse variable, courbes caractéristiques• Les ventilateurs : les différents types, vitesse variable, courbes caractéristiquesLes réseaux aérauliques et hydrauliques :• les composants : tubes, gaines, vannes, bouteilles de découplage, ...• pertes de charge, équilibrage• adaptation réseaux - machine hydraulique et aéraulique, point de fonctionnement1 Avec quelques adaptations mineures

Table des matièresCours :1 Chaudières et brûleurs 52 Réseaux de fluides 473 Pompes et ventilateurs 874 Compresseurs 1115 Machines Frigorifiques 1436 Compléments 173TD :1 Machines frigorifiques 1852 Hydraulique 189

Cours 1Chaudières et brûleursContenu du coursI. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6II. Prix de l’énergie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8III. Abrégé de combustion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9III.1. La combustion en elle même . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9III.2. Propriétés fondamentales des combustibles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9III.3. Le F.O.D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10III.4. Les gaz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10IV. Organisation de la chaufferie (introduction) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12V. Les chaudières . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14V.1. Logamax U122 de Buderus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14V.2. Vitorond 200 de Viessmann . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16V.3. Vitocrossal 200 de Viessmann . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18V.4. Vitogas 100 de Viessmann . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21V.5. Vitomax 200 de Viessmann . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22V.6. Petit bilan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23VI. Les brûleurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24VI.1. Principe du brûleur à air soufflé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24VI.2. Bruleur Fioul OEN-156L EV de Oertli (33 à 50kW) . . . . . . . . . . . . . . 26VI.3. Vue partielle du Bruleur Gulliver BS1D de Riello . . . . . . . . . . . . . . . 27VI.4. Bruleur gaz EG 03 B de Elco (108 à 360kW) . . . . . . . . . . . . . . . . . 27VI.5. Principe du brûleur gaz atmosphérique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30VI.6. Connecteur 7 broches et boîtier de contrôle de flamme . . . . . . . . . . . . 30VI.7. Sonde d’ionisation/Cellule photo-résistante . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32VI.8. Pompe à fioul . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33VI.9. Gicleur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36VI.10. Réchauffeur fioul . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38VI.11. Détente et régulation gaz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39VI.12. Chronogramme de mise en marche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40VI.13. Courbe de chauffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41VI.14. Sélection d’une chaudière et d’un brûleur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42VII. Compléments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43VII.1. Loi d’émission de radiateurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43VII.2. Elements permettant le réglage d’un brûleur . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44VII.3. Analyse de la combustion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

6 COURS 1.CHAUDIÈRES ET BRÛLEURSI. IntroductionLa production d’eau chaude et de vapeur intervient dans de multiples domaines :• eau chaude sanitaire et chauffage central• réseaux de vapeur comme celui de la CPCU (Compagnie Parisienne de ChauffageUrbain)Le chauffage étant un des besoins fondamentaux de l’homme, il y a une très forte demande despécialistes enconception, installation et maintenance d’installationsde chauffage.En ordre de grandeur il faut retenir :• ampoule à incandescence : 40W à 120 W• installation de chauffage domestique : 10kW à 80kW• installation de chauffage industriel : 100kW à 60MW• centrale nucléaire : 1GW par coeur nucléaireLa puissance de la chaudière se détermine à partir des besoins thermiques du bâti, ces besoinsétant eux-mêmes calculés suivant la réglementation thermique en vigeur soit laRT2005 depuis le 1 er septembre 2006.Il est cependant utile en avant projet (pour pouvoir déterminer l’ordre de grandeur du coût desinstallations,...) de pouvoir estimer la puissance de la chaudière à installer. Une méthode classiquementutilisée est la méthode des ratios. Avant d’aller plus loin sur le sujet signalons dès-à-présentque ces ratios ne sauraient en aucun cas se substituer à un calcul thermiqueréglementaire complet lors de l’étude complète.Dans la méthode des ratios, les déperditions maximales en France sont en première approximationcomprisent entre 20 et 60W.m −3 . Cette fourchette est assez large, il importe cependant de préciser quela consommation maximale est atteinte par des habitations anciennes souvent non ventilées, alors quela consommation minimale est atteinte par des installations neuves ou rénovées qui sont ventilées.On peut affiner ce ratio :Puissance spécifique (standard) de chauffage W.m −3Volume/surfaceisolationdéperditive (m) actuelle années 80 sans0.5 34 46 681 20 27 481.5 18 23 412 17 21 373 16 20 344 15 17 32Prenons l’exemple d’une maison de 100m 2 et de hauteur sous plafond 2,7m.Son volume est :V = 100 ∗ 2, 7 = 270m 3L’isolation est ✭standard ✮, on choisit un ratio de 30W.m −3 .Soit une estimation des déperditions :P ≈ 270 ∗ 30 = 8100 ≈ 8kWDu fait de la relance thermique (retour de vacances, ralenti de jour/nuit,...), il fautsélectionner une chaudière pouvant fournir (choix par défaut) 20% de puissance en plus.IUT d’Evry - Brétigny - Juvisy GTE 2007-2008

COURS 1.CHAUDIÈRES ET BRÛLEURS 7En France la réglementation distingue les installations à Eau Chaude Basse Température (ECBT)(inférieure à 110 ◦ C) des installations à Eau Chaude Haute Température (ECHT). L’eau est qualifiéede fluide caloporteur car c’est elle qui véhicule l’énergie calorifique depuis sa production(combustion dans la chaudière) vers sonutilisation (émission par les radiateurs,planchers chauffants,...).Les éléments essentiels d’une installation de chauffage à eau chaude sont :• production : chaudière et brûleur• distribution : pompe et tuyauterie• émission :robinets thermostatiques et radiateurs• sécurité :vase d’expansion et soupape de sécurité• régulation : sondes de températures et boîtier derégulationTcapteur de témpérature extérieureboîtierderégulationbrûleurchaudièresoupapepompevase d’expansionEn pratique on rencontre des réseaux 80/60 ◦ C ou 45/35 ◦ C. Les seconds étant qualifiés de réseauxà très basse température (planchers chauffants essentiellement). La notation 80/60 ◦ à la significationsuivante : la température de départ chaudière est de 80 ◦ C et celle de retourchaudière est de 60 ◦ C.IUT d’Evry - Brétigny - Juvisy GTE 2007-2008

8 COURS 1.CHAUDIÈRES ET BRÛLEURSII.Prix de l’énergieL’énergie est un défi d’avenir : manque de ressources, pollution,indépendance énergétique, ... Son prix devient de plus en plus élevé,le ministère de l’industrie tient à jour une base de données sur le prix des différentes énergies. Le prix del’énergie varie suivant la consommation, la base de données Pégase du ministère de l’industrie permetd’obtenir les différents prix de l’énergie suivant la date, la quantité et le type d’énergie. La base dedonnées Pégase est accessible par le site www.industrie.gouv.fr rubrique énergie. A partir de cette base,on peut déterminer le tableau qui suit : les valeurs sont données en euros pour 100kWh PCI (PouvoirCalorifique Inférieur), hors prix des installations et de l’entretien :Energie 2000 2001 2002 2003 2004 2005Bois 1.8 1.8 1.8 2.6 2.6 2.6CPCU 4.68 4.97 5.16 5.16 5.18 5.43Electricité 11.36 11.31 11.40 11.53 11.69 11.69Fioul 4.66 3.98 3.65 3.93 4.54 5.86Gaz naturel 3.51 4.20 4.22 4.31 4.09 4.45Gaz (propane) 6.39 6.62 6.91 7.34 7.61 9.07On note que l’évolution du prix de l’énergie est à la hausse pour toutes les sources. L’électricité restela sourcela plus chère à l’usage (mais la moins chère à l’installation). A la vue de cetableau, on comprend facilement l’intérêt financier du chauffage à eau chaude.En france la population se chauffe :• à 31% par l’électricité• à 33% par le gaz• à 28% par le fioul• à 3% par le bois dont80% en complément d’un autremode• à 5% par d’autres énergies (CPCU, ...)On peut s’attendre à une forte croissance des filières suivantes :• solaire thermique• bois• géothermieIUT d’Evry - Brétigny - Juvisy GTE 2007-2008

COURS 1.CHAUDIÈRES ET BRÛLEURS 9III.Abrégé de combustionIII.1. La combustion en elle mêmeLa combustion peut être définie comme étant une réaction d’oxydation exothermique(qui produit de la chaleur). On retiendra le triangle de feu de la combustion :COMBUSTIBLECOMBURANTCHALEURCe triangle a plusieurs points de vue :• pour les pompiers : il existe différentes manières pour arrêter une combustion :supprimer le combustible (on coupe l’arrivée de fioul ou de gaz), refroidir ouétouffer la flamme.• pour les chauffagistes (notre point de vue) : pour obtenir une combustion, ilfaut un combustible, du comburant et de la chaleur. Une fois la combustiondémarrée, la chaleur sera apportée par la flamme elle-même.III.2. Propriétés fondamentales des combustiblesActuellement il existe principalement deux types de combustibles :les gaz (butane, propane, gaznaturel, ...) et les Fuel-Oil Domestiques (F.O.D). Le bois restant marginal pour leschaudières, il s’agit malgré tout de la solutionla plus écologique actuellement disponiblepour le chauffage. En effet le gaz et le pétrole sont extraits du sous-sol, il s’agit alors d’un termesource de CO 2 . Alors que le bois intervient dans la chaîne du carbone (CO 2 ,...) et neconstitue donc pas un terme source de CO 2 . Le bois est cependant fortement utilisédans des cheminées (souvent en complément d’une autre source d’énergie).IUT d’Evry - Brétigny - Juvisy GTE 2007-2008

10 COURS 1.CHAUDIÈRES ET BRÛLEURSIII.3. Le F.O.DLe Fuel-Oil Domestique est un combustible liquide de masse volumique plus faible quel’eau (environ 850kg.m −3 ). Ceci explique que l’eau de condensation s’accumuleau fond des cuvesà fioul :fiouleau de condensationOn définit le PCI (Pouvoir Calorifique Inférieur) comme étant la quantitéde chaleur dégagée par 1kg de F.O.D lors d’une combustion idéale, les fumées étant ramenées à latempérature de condensation mais la condensation n’a pas lieu. Dans le cas du F.O.D le PCI est de12kW.h.kg −1 .On définit aussi le PCS (Pouvoir Calorifique Supérieur) comme étant laquantité de chaleur dégagée par 1kg de F.O.D lors d’une combustion idéale, les fumées étant ramenéesà la température de condensation et toute l’eau a condensée. Dans le cas du F.O.D le PCS est de12, 7kW.h.kg −1 .Il existe depuis (environ) 2005 des chaudières fioul à condension, alors que les chaudières gaz àcondensation existent depuis de nombreuses années. Ceci est jusitifié par la présence d’acidessouffrés (anhydride sulfurique SO 3 et acide sulfurique H 2 SO 4 ) dans les condensats des fumées issuesde la combustion de F.O.D. Les surfaces en contact avec ces acides sont réalisées encéramique.III.4. Les gazLegaz naturel est le gaz extrait du sous-sol directement distribué par GDF. Les autres gaz(butane, propane, ...) sont essentiellement des sous-produits de la pétrochimie.Le volume des gaz dépendent de latempérature et de la pression, il est donc utile de définirune ✭unité ✮ de volume qui permet de s’abstraire de ces dépendances : il s’agit des mètrescubes normaux.IUT d’Evry - Brétigny - Juvisy GTE 2007-2008

COURS 1.CHAUDIÈRES ET BRÛLEURS 11Les mètres cubes normaux sont notésNm 3 ou m 3 (n). Un mètre cube normal correspond à unmètre cube de gaz à 0 ◦ C sous 1013mbar. Les caractéristiques des gaz (PCI, PCS, ...) sontexprimés pour un mètre cube normal.Si on effectue l’approximation du gaz parfait alors PV = nRT et P n V n = nRT n :PTVdétente degaz parfaitP nT nV nTV n , la quantité P nT n PTapparaît comme étant unT nfacteur de correc-Ainsi V = P nPtion entre les mètres cubes réels et les mètres cubes normaux. On rappelle que dans la formule desgaz parfait la température s’exprime en Kelvin. Finalement P nPTT n= 1013P(mbar)273 + θ gaz ( ◦ C)273Le gaz naturel à un PCI de 10, 4kWh.m −3 (n) et un PCS de 11, 5kWh.m −3 (n). Contrairement auF.O.D, il est fréquent de rencontrer des chaudières gaz à condensation.Les gaz sont odorifiés si leur odeur n’est pas suffissante pour cela on utilise du T.H.T dontle nom complet esttétrahydrothiophène. La concentration en T.H.T est de l’ordre de25mg.m −3 (n).IUT d’Evry - Brétigny - Juvisy GTE 2007-2008

12 COURS 1.CHAUDIÈRES ET BRÛLEURSIV.Organisation de la chaufferie (introduction)Une chaufferie fioul comme celle présentée dans la page suivante (d’après une documentation Oventrop),comporte un certain nombre d’élements :• une chaudière et son brûleur• une cheminée d’évacuation des gaz de combustion• une cuve à fioul• un moyen de contrôle du niveau de fioul(éventuellement vision directe si la cuve est en plastique translucide)• une aération de la cuve à fioul• une conduite fioul mono ou bi-tube avecfiltre à fioul• une arrivée d’eau froide et un départ d’eauchaude sanitaire• un départ et un retour d’eau pour le circuit de chauffageQuelques remarques :• le limiteur de remplissage représenté fonctionne de la manière suivante : unerésistance de type CTN (Coefficient de TempératureNégatif) est chauffée et on mesure son temps caractéristique de refoidissement,celui si diminue brutalement lorsque la résistance est plongée dans le liquide.Il s’agit donc d’une mesure électrique, la prise est normalisée et se relie directementsur le camion livrant le fioul pour peu que celui-ci soitéquipé de la connectique nécessaire. Dans un tel cas la livraison de fioul est automatiquearrêtée par un dispositif de sécurité intégré au camion. (Note : il s’agitde la solution Allemande, il existe aucune obligation réglementaire pour la Franceen 2008)• l’indicateur de niveau présenté est mécanique, il existe des modèles pneumatiquesqui mesurent la pression en bas de cuve, un dispositif mécanique convertit l’informationvers un afficheur à aiguilles.• l’aspiration estflottante, une autre solution technique est un tube plongeur(muni idéalement d’unecrépine) arrivant à quelques centimètres du fond dela cuve. On ne pompe jamais les derniers centimètres de fioul pour l’usagede la chaudière, ceci en raison de l’accumulation en oxydes de fer et de l’eaude condensation.FMC energy system fabrique des équipements pour camions de livraison fioul : pompes avec débitmètreréglementaire, ordinateur de livraison, sondes anti-débordement ...IUT d’Evry - Brétigny - Juvisy GTE 2007-2008

COURS 1.CHAUDIÈRES ET BRÛLEURS 13IUT d’Evry - Brétigny - Juvisy GTE 2007-2008

14 COURS 1.CHAUDIÈRES ET BRÛLEURSV. Les chaudièresUne chaudière est essentiellementun échangeur de chaleur. En effet la chaudièretransmet l’énergie calorifique de la flamme au fluide caloporteur.Les fonctions de la chaudière sont donc :• assurer l’élévation en température du fluide caloporteur• assurer la combustion du combustible• récupérer autant que possible l’énergie de la flammeUne chaudière comporte entre-autres :• un foyer où a lieu la combustion• une (des) surface (s) d’échange de la chaleur• un circuit d’eau de chauffage• un brûleur (qui peut être vendu séparémment)• un circuit d’évacuation des gaz de combustion• éventuellement un circuit d’amenée d’airCoupe d’une chaudière trois parcours d’après une documentation Viessmann :Les principaux fabricants de chaudières sont : Acv, Auer, Buderus, De Dietrich, Guillot, Trybasolar,Viessmann, Weishaupt, ...V.1. Logamax U122 de BuderusIl s’agit d’une chaudière murale gaz de petite puissance (24kW), de hauteur 1m, pour une masse de45kg environ (sans compter les 6 litres d’eau du circuit de chauffage et les 65 litres d’eau du préparateurd’ECS (Eau Chaude Sanitaire)).IUT d’Evry - Brétigny - Juvisy GTE 2007-2008

COURS 1.CHAUDIÈRES ET BRÛLEURS 151 : Ventouse2 : Pressostat différentiel3 : Ventilateur d’extraction4 : Thermostat de sécurité5 : Electrode à incandescence6 : Brûleur7 : Bloc gaz8 : Sonde de départ chauffage9 : Coffret de contrôle universel10 : Sonde de départ ECS11 : Robinet de vidange12 : Sonde de stockage ECS13 : Purgeur manuel14 : Echangeur principal15 : Electrode d’ionisation16 : Vase d’expansion 12L17 : Purgeur automatique18 : Pompe chauffage19 : Préparateur d’ECS20 : Vanne 3 voie motorisée21 : Soupape de sécurité22 : Soupape différentielle23 : Disconnecteur24 : Régulateur du débitde puissageVK : Départ chauffageRK : Retour chauffageG : Arrivée GazAB : Départ ECSEK : Arrivée eau froideIUT d’Evry - Brétigny - Juvisy GTE 2007-2008

16 COURS 1.CHAUDIÈRES ET BRÛLEURSV.2. Vitorond 200 de ViessmannIl s’agit d’une chaudière de moyenne puissance (125 à 300kW) présentée ici danssa versionfioul. Cette chaudière mesure 92 cm de haut, pour un poids total de 800kg environ (sanscompter les 100 litres d’eau).isolationtroisièmeparcoursde fuméeboitier decontrôleisolationdeuxièmeparcoursde fuméebrûleurchambre surfacede d’échange en fontecombusionIUT d’Evry - Brétigny - Juvisy GTE 2007-2008

COURS 1.CHAUDIÈRES ET BRÛLEURS 17On notera que les chaudières en fonte comme la Vitorond 200 sont la pluspart du temps livrées enpetits éléments indépendants, par exemple voici un élément intermédaire d’une chaudière Logano GE615de Buderus :On a :• 1 : surface d’étanchéité du moyeu• 2 : languettes d’étanchéitéL’avantage de cette disposition technique est indéniable lorsqu’il s’agit d’installer une chaudière ensous-sol avec des accès difficiles (escalier par exemple). Cela reste tout même relativement délicatpuisque chaque élément pèse dans les 60-250kg suivant la puissance de la chaudière.IUT d’Evry - Brétigny - Juvisy GTE 2007-2008

18 COURS 1.CHAUDIÈRES ET BRÛLEURSV.3. Vitocrossal 200 de ViessmannIl s’agit d’une chaudière à brûleur gaz de moyenne puissance (87 à 311kW). Cette chaudière mesure120 cm de haut, pour un poids total de 300kg environ (sans compter les 300 litres d’eau).boitier de contrôlechambre decombustionbrûleursurface d’échangeen acierisolationcollecteur de fuméesavec évacuationdes condensats✬✩✫✪✂ ✂✂✂✂✂✂✂✂évacuation des condensatsIUT d’Evry - Brétigny - Juvisy GTE 2007-2008

COURS 1.CHAUDIÈRES ET BRÛLEURS 19Les condensats de chaudières gaz ont un pH compris entre 4 et 5,5 (suivantle gaz). Les condensats sont donc acides, il peut être nécessaire de neutraliser cette acidité avantd’évacuer les condensats. Les sociétés Viessmann et Buderus (liste non exhaustive) proposent une solutiontechnique de neutralisation par granulats d’hydroxyde de magnésium(Mg(OH) 2 ).En effet la dissolution des granulés d’hydroxyde de magnésium s’écrit :Mg(OH) 2 → Mg 2+ + 2OH −Puis il y neutralisation de l’acidité (H 3 0 + ) par les ions (OH − ) :2H 3 O + + Mg 2+ + 2OH − → Mg 2+ + 4H 2 OUn des dispositif proposé par Buderus est le suivant :Ce dispositif est constitué des éléments suivants :• 1 : Entrée des condensats• 2 : Sortie des condensats• 3 : Pompe à condensats• 4 : Granulés de neutralisation• 5 : Collecteur à condensats neutralisés• 6 :Pressostat (contrôle le fonctionnement dela pompe)Note : le volume des condensats est de l’ordre de 0, 14l.(kWh) −1 soit quelques litres par heure pourles joursles plus froids de l’année. Ce volume est relativement faible, en habitat domestiqueil est dilué dans les eaux ménagères. La neutralisation est obligatoire pour des puissancessupérieures à 200kW.IUT d’Evry - Brétigny - Juvisy GTE 2007-2008

20 COURS 1.CHAUDIÈRES ET BRÛLEURSDans le cas du fioul (pH des condensats compris entre 2 et 4), la condensation était impossible à causede la présence de souffre dans les fumées. L’amélioration des céramiques industriellesà rendu possible la condensation des fumées issues de la combustion du fioul. Buderus (par exemple)propose la solution suivante, on ajoute a une chaudière classique les éléments suivants :• échangeur eau/fumées en céramique (présencede souffre)• traitement des condensats quasiment obligatoire, traitement en deux parties :élimination du souffre par adsorption sur charbon (ré)actif puis élimination del’acidité.La solution Buderus est donc la suivante :IUT d’Evry - Brétigny - Juvisy GTE 2007-2008

COURS 1.CHAUDIÈRES ET BRÛLEURS 21V.4. Vitogas 100 de ViessmannIl s’agit d’une chaudière à brûleur gaz de petite puissance (18 à 60kW). Cette chaudière mesure 85cm de haut, pour un poids total de 160kg environ (sans compter les 16 litres d’eau).isolationsurfaced’échangeen fontebrûleurà rampeboitier de contrôleélectro-vanne gazLa flamme de cette chaudière se développe à la sortie du brûleur à pré-mélange dont le principesera détaillé plus loin. On peut cependant précisser qu’il n’y a pas une mais plusieures centaines petitesflammes qui se développent à la sortie du brûleur.IUT d’Evry - Brétigny - Juvisy GTE 2007-2008

22 COURS 1.CHAUDIÈRES ET BRÛLEURSV.5. Vitomax 200 de ViessmannIl s’agit d’une chaudière de très grosse puissance (2100 à 15000kW) à eau surchauffée (vapeur), lebrûleur n’est pas fourni avec cette chaudière. Cette chaudière mesure 2,3 m de diamètre, longueur de3,7m à 8,5m suivant modèle pour un poids total de 4600 à 37000kg environ (sans compter les 4000 à29000 litres d’eau).déflecteurisolation deuxièmeparcours troisième d’eauparoi avant à lame d’eauparcoursde fumées * chambre de combustion* : cette chaudière étant de grande dimension, une plate-forme de travail permet de monter au dessuspour les opérations de maintenance.IUT d’Evry - Brétigny - Juvisy GTE 2007-2008

COURS 1.CHAUDIÈRES ET BRÛLEURS 23V.6. Petit bilanOn peut ainsi noter qu’une chaudière peut être caractérissée par :• sa puissance : petite/grosse• ses matériaux : acier/fonte• ses équipements : complète avec brûleur/nue• sa capacité en eau : petite/grosse• son combustible : gaz/fioul/gaz+fioul ou encore bois, bois+fioul...Les chaudières fontes sont constituées d’éléments de taille modeste (mais tout de même assez lourd)ce qui permet de les installer dans des endroits difficiles d’accès : caves en sous-sol...Complément : Le cas des chaudières bois est légèrement différent. Le problème étant l’apport encombustible. Deux tendances existent : soit une chaudières à base de bûches, soit une chaudière à basede pellets (petits cylindres de bois : dimension caractéristique 6mm environ). Dans le cas des pellets, onpeut utiliser un transport en lit fluidisé ou par vis d’archimède.IUT d’Evry - Brétigny - Juvisy GTE 2007-2008

24 COURS 1.CHAUDIÈRES ET BRÛLEURSVI.Les brûleursPour obtenir une combustion, il faut d’après letriangle du feu avoir un combustible, ducomburant et de la chaleur. Une fois la combustion démarrée, la chaleur sera apportée par la flammeelle-même. Il reste deux points qui seront traités à part : la ligne combustible et laligne air.La ligne air est la même pour tous les brûleurs à air soufflé, elle comporte un ventilateur etle corps du gicleur :VI.1. Principe du brûleur à air souffléVI.1..1 Cas du fioulComme signalé il faut deux lignes : la ligne combustible et la ligne air :photorésistance❅❅ gicleur❅❅❅❅❅❅❅❅déflecteurélectrodes d’allumagepompe à fioulflexibles de raccordementLa ligne combustible ou ligne fioul comporte :• gicleur• pompe fioul• flexibles de raccordementA ces deux lignes s’ajoute :• photorésistance• déflecteur• électrodes d’allumageIUT d’Evry - Brétigny - Juvisy GTE 2007-2008

COURS 1.CHAUDIÈRES ET BRÛLEURS 25VI.1..2 Cas des gazDe la même manière le brûleur gaz à air soufflé comporte une ligne gaz et une ligne air :PPressostat airsonde d’ionisation❅❅❅électroded’allumageélectrovanne gazrégulateur de pressionLa ligne combustible ou ligne gaz comporte :• régulateur de pression• électrovannegazA ces éléments s’ajoute :• pressostat air• électrode d’ionisation• déflecteur• électrode d’allumageIUT d’Evry - Brétigny - Juvisy GTE 2007-2008

IUT d’Evry - Brétigny - Juvisy GTE 2007-20081 : Moteur2 : Coffret decommande et desécurité3 : Transformateurd’allumage5 : Ligne gicleur6 : Préchauffeur7 : Electrodes d’allumage9 : Turbulateur10 : Tube de flamme11 : Point de mesurede pression air12 : Cellule dedétection de flamme13 : Oeilleton devisualisation de laflamme14 : Vis de réglagede la position duturbulateur15 : Bouton deréglage du volet d’air17 : Pompe à fioul20 : Flexiblesd’alimentation fioulVI.2. Bruleur Fioul OEN-156L EV de Oertli (33 à 50kW)26 COURS 1.CHAUDIÈRES ET BRÛLEURS

COURS 1.CHAUDIÈRES ET BRÛLEURS 27VI.3. Vue partielle du Bruleur Gulliver BS1D de RielloNe sont représentés ici que la volute du ventilateur, le volet d’air et la roue du ventilateur.volet d’air✂ ✂✂✂✂✂✂✂✂✂ ✂VI.4. Bruleur gaz EG 03 B de Elco (108 à 360kW)On note en particulier le soin acoustique apporté à ce brûleur à travers le caisson d’air (17) qui estinsonorisé.Il n’y a plus de pompe à fioul, mais une électovanne gaz (31)L’électrode d’allumage est numérotée 21-11.La sonde d’ionisation est repérée 21-12.Le turbulateur est noté 21-19.IUT d’Evry - Brétigny - Juvisy GTE 2007-2008

28 COURS 1.CHAUDIÈRES ET BRÛLEURS31 : électrovanne gaz7 et 8 :volet d’air17 : insonorisationIUT d’Evry - Brétigny - Juvisy GTE 2007-2008

COURS 1.CHAUDIÈRES ET BRÛLEURS 2921-11 et 21-12 :électrodes21-8 : transformateur d’allumageIUT d’Evry - Brétigny - Juvisy GTE 2007-2008

30 COURS 1.CHAUDIÈRES ET BRÛLEURSVI.5. Principe du brûleur gaz atmosphériqueLe jet de gazinduit un mouvement de l’air. On parle alors debrûleurgaz atmosphérique.AirGazMélangeAirVI.6. Connecteur 7 broches et boîtier de contrôle de flammeIl y a un seul câble qui relie un brûleur 1 à la chaudière, le connecteur est normalisé(prisedite Wieland), son brochage aussi. Il est utile de connaître son câblage lors des opérationsde maintenance.Vue en 3D d’après une documentation Riello, et vue du brochage d’après une documentation Elco :F1hS6On a dans l’ordre : la phase (L1), la terre, le neutre (N), thermostat chaudière entre T1 etT2, repport de défaut entre S3 et N, compteur horaire entre B4 et N.La régulation du brûleur est à la charge d’un boitier de contrôle de flamme. Cesboitiers sont principalement fabriqués par Landis & Gyr, Dungs, Siemens...On trouve un schéma électrique de brûleur complet en page suivante (d’après une documentationRiello).1 une allure, il y a deux câbles pour un brûleur deux allures de marcheIUT d’Evry - Brétigny - Juvisy GTE 2007-2008

COURS 1.CHAUDIÈRES ET BRÛLEURS 31chaudièrecâblebrûleurIUT d’Evry - Brétigny - Juvisy GTE 2007-2008

32 COURS 1.CHAUDIÈRES ET BRÛLEURSVI.7. Sonde d’ionisation/Cellule photo-résistanteLa détection de flamme peut se faire par deux composants différents :• flammes lumineuses (F.O.D) : photorésistance• flammes faiblement lumineuses (gaz) : sonde d’ionisationVI.7..1 Sonde d’ionisationAvec flammeSans flammeLa source de tension est sinusoïdale, lorsqu’il y a une flamme, la présence des espècesioniséesrend possible la circulation d’un courant. On observe un écrétage très net. Les courants mesuréssont cependant très faibles (quelques µA).VI.7..2 Cellule photo-résistanteIl s’agit d’une résistance telle que U = f(Φ)I (Φ étant l’éclairement), la valeur de larésistance est de l’ordre de 100Ω lorsque la cellule est éclairée, et quelques MΩ sinon.Dans le cas du F.O.D, les suies rayonnent comme un corps noir, d’où une flamme très lumineuse.Dans le cas du F.O.D, une sonde d’ionisation serait rapidement encrasée et donc inutilisable.C’est pourquoi, les brûleurs fioul sont munis d’une cellule photo-résistante.IUT d’Evry - Brétigny - Juvisy GTE 2007-2008

COURS 1.CHAUDIÈRES ET BRÛLEURS 33VI.8. Pompe à fioulLe but d’une pompe à fioul est de véhiculer le fioul depuis la cuvevers le gicleur. La plupart des pompes à fioul peuvent fonctionner en mono-tube ou enbi-tube grâce à un bouchon de dérivation amovible. Il est préférable d’utiliser une installation bitube,cependant en rénovation, on peut conserver une installation mono-tube existante.Il est important de signaler, que la pompe fioul ne comporte pas de moteur, son axes’accouplant avec celui du moteur duventilateur. La circulation du fioul étant alors commandéepar une électrovanne fioul. Une pompe fioul délivre usuellement une pression entre 7 et18 bars.La pression de réglage est à choisir en fonction dugicleur.Les principaux fabricants de pompes à fioul sont Danfoss et Suntec.pompegicleurmono-tubecuve à fioulpompegicleurbi-tubecuve à fioulIUT d’Evry - Brétigny - Juvisy GTE 2007-2008

34 COURS 1.CHAUDIÈRES ET BRÛLEURSPompe à fioul d’après une documentation Suntec :IUT d’Evry - Brétigny - Juvisy GTE 2007-2008

COURS 1.CHAUDIÈRES ET BRÛLEURS 35Voici un zoom sur les engrenages d’après une documentation Danfoss :Et voici une photo issue d’une documentation Danfoss :IUT d’Evry - Brétigny - Juvisy GTE 2007-2008

36 COURS 1.CHAUDIÈRES ET BRÛLEURSVI.9. GicleurUn bon gicleur doit présenter : une bonne qualité de pulvérisation et un angle de côneprécis. A la sortie du gicleur le fioul est brisé en gouttelettes. La pression influe fortement sur lataille des gouttelettes qui diminue avec la pression :P=0,2barP=0,7barP=7barP=21barLa combustion s’améliore (moins de d’imbrûlés et de NO x ) quand la taille des goutellesdiminue.Le débit de fioul est imposé par la puissance du brûleur. On cherche donc à obtenir un débitconstant quelque soit le gicleur choisi, avec une pression d’entrée de gicleur aussi grande que possible.Ainsi si on hésite entre deux gicleurs, on prendra celui qui présente le plus petit débit pour unemême pression et on augmentera la pression à la sortie de la pompe à fioul.Les principaux fabricants de gicleurs sont Danfoss, Steinen, Delavan.IUT d’Evry - Brétigny - Juvisy GTE 2007-2008

COURS 1.CHAUDIÈRES ET BRÛLEURS 37Coupe d’un gicleur d’après une documentation Danfoss :Le gicleur est composé des éléments suivants :• filtre en bronze• vis de blocage• cône à canaux• corps de gicleur• pastille profiléeLes canaux du cône mettent le fioul en rotation dans la ✭chambre de rotation ✮ :IUT d’Evry - Brétigny - Juvisy GTE 2007-2008

38 COURS 1.CHAUDIÈRES ET BRÛLEURSIl existe aussi des gicleurs comportant un clapet à bille incorporé :Ces gicleurs nécessitent une pompe à fioul spéciale (par exemple une pompe option LE de Danfoss). Ilsprésentent un meilleur comportement lors des marche arrêt du brûleur.Marquage d’un gicleur d’après une documentation Danfoss :La débit indiqué sur le gicleur est celui obtenu pour une pression de 10bar. On noteaussi la présence de l’angle du cône (ici 80 ◦ ).VI.10. Réchauffeur fioulLa viscosité du fioul étantfonction de la température, une résistance électriqueest souvent rajoutée sur la ligne gicleur afin de contrôler la température et donc la viscosité dufioul qui arrive au niveau du gicleur.IUT d’Evry - Brétigny - Juvisy GTE 2007-2008

COURS 1.CHAUDIÈRES ET BRÛLEURS 39VI.11. Détente et régulation gazLa pression duréseau gaz de GDF étant de 4bar, il est nécessaire d’installer undétendeuravant le brûleur afin de ramener la pression relative à une pression comprise entre30 et 300mbar.Les principaux fabricants sont Briffault, Dungs, Honeywell.Schéma de principe d’un détendeur gaz Briffault :On note en particulier que la détente s’effectue en deux étapes (présence d’une pressionintermédiaire de détente). On note aussi la posibilité de bloquer, par appui sur un bouton de commande,le passage du gaz.IUT d’Evry - Brétigny - Juvisy GTE 2007-2008

40 COURS 1.CHAUDIÈRES ET BRÛLEURSVI.12. Chronogramme de mise en marcheIl existe une procédure de démarrage standardisée qui comprend la détection des défauts. Par exemplepour une chaudière fioul :signal de commande10moteur du ventilateur10électrodes d’allumage10électrovanne fioul1 préventilationdu foyer0flamme10retard à l’allumagedétection de flamme1retard à la0 détection de flammeTSAtempstempstempstempstempstempsLe signal de commande est en général donné par le thermostat chaudière : le boîtier de régulationmet en marche le brûleur dès que la température de l’eau dans la chaudière descend endessous d’une certaine valeur.Le TSA est le Temps de Sécurité à l’Allumage : il désigne le tempspendant lequel les électrodes d’allumage continuent à fonctionner alors que la flamme est présente.La préventilation du foyer permet d’assurer de le foyer ne contient pas de combustiblesgazeux (imbrûlés) qui pourraient déclencher une détonation.La détection de flamme n’est pas immédiate, le temps de réponse des cellulesphoto-résistantes est de l’ordre de 30s.IUT d’Evry - Brétigny - Juvisy GTE 2007-2008

COURS 1.CHAUDIÈRES ET BRÛLEURS 41VI.13. Courbe de chauffeLes besoins en chauffage étant fonction de la température extérieure, il est souhaitable de faire varierla température de départ du circuit d’eau chaude, c’est l’idée de la courbe de chauffe. La courbede chauffe représente la relation entre la température extérieure et la température dedépart. Plus la température extérieure est basse, plus la température de départ est élevée.T depart80 ◦ C55 ◦ C32 ◦ CT extT nc 0 ◦ C −20 ◦ CT nc étant la Température de Non Chauffage. De manière pratique, les régulateurs de chauffage présententquasiment tous une courbe de chauffe préprogrammée :Avec A pour le chauffage par le sol, B pour le chauffage basse température, C pour les radiateursclassiques . Les autres courbes correspondent au cas de l’habitatancien malisolé chauffé par radiateurs haute température. L’échelle complémentaire représente le décalage liéà la température de consigne pour l’ambiance.IUT d’Evry - Brétigny - Juvisy GTE 2007-2008

42 COURS 1.CHAUDIÈRES ET BRÛLEURSVI.14. Sélection d’une chaudière et d’un brûleurLa démarche est la suivante :• Première étape : bilan thermique du bâti suivant RT2005.• Deuxième étape : choix de la chaudière : puissance, type ...• Troisième étape : choix du brûleurLe brûleur se sélectionne à partir du diagramme indiquant la plage de fonctionnement du brûleur(ici plage d’un brûleur Elco) :9mbar❥1600kWPour utiliser ce diagramme il faut relever la contre-pression foyer9mbar dans la documentationde la chaudière(de puissance 1600kW).Dans le cas présent, le brûleur 6.200G est adéquatalors que le 6.170G ne l’est pasConséquence directe : un brûleur ne peut être associéà une chaudière que si la puissance ET la contrepressionfoyer sont compatibles.IUT d’Evry - Brétigny - Juvisy GTE 2007-2008

COURS 1.CHAUDIÈRES ET BRÛLEURS 43VII. ComplémentsVII.1. Loi d’émission de radiateursLa puissance émise par un radiateur est donnée par la relation suivante :P = m ◦ c p (T e − T s )T eT sT aLe modèle le plus simple d’émission d’un radiateur est :( ) nTe + T sP = K − T a2n est de l’ordre 1.3 pour un radiateur. Les documentations fabricants donnent des valeurs de K etde n.On peut tracer un graphique en coordonnées adimensionnées pour n=1,3 :P = F(q, T e ) pour un régime d’eau de dimensionnement 80/60 ◦ C et T a = 20 ◦ C12010080Te = 80 ◦ CTe = 70 ◦ CTe = 60 ◦ CTe = 50 ◦ CTe = 40 ◦ CPen % Pdim60402000 50 100 150 200qq dimen %Il est important de noter la très forte non-linéarité de la puissance émise en fonctiondu débit (q) pour un même régime d’eau. En outre doubler le débit par rapport au débit dedimensionnement n’augmente la puissance d’émission que de 20%.On note par contre une quasilinéarité en fonction de la différence : T e − T a .IUT d’Evry - Brétigny - Juvisy GTE 2007-2008

44 COURS 1.CHAUDIÈRES ET BRÛLEURSVII.2. Elements permettant le réglage d’un brûleurOn constate expérimentalement que les évolutions des concentrations en CO 2 , CO et O 2 présentéesdans le graphique suivant :réactionincomplète*réactioncomplèteOn règle le brûleur de manière à avoir le moins de CO possible dans les fumées. Ce qui donne unexcès d’air de 6% environ. Une fois que le C0 est suffissament bas (6 ppm environ), on cherchera àobtenir le plus bas taux de NO x possible.Une autre méthode consiste à atteindre 6ppm de CO. Puis à fermer progressivement le volet d’airjusqu’à ce que la prodution de NO x augmente rapidement. On note le %CO 2 atteint dit %CO 2critique .On règle le brûleur pour %C0 2réglé = %C0 2critique − 2% en ouvrant lentement le volet d’air.* : Les réactions chimiques ne sont jamais parfaitesni immédiates, ainsi il reste du (di)oxygène dans lesfumées alors que la réaction n’est pas complète.IUT d’Evry - Brétigny - Juvisy GTE 2007-2008

COURS 1.CHAUDIÈRES ET BRÛLEURS 45VII.3. Analyse de la combustionL’analyse de la combustion se fait à l’aide d’un appareil dédié :Un analyseur de combustion relève les informations suivantes :• %O 2 : (di)oxygène• %CO : monoxyde de carbone• %NO : monoxyde d’azote• températureIl est démontré dans le cours de combustion de deuxième année que l’on peut obtenir par le calcul(à partir des valeurs mesurées) les valeurs suivantes :• %CO 2 : dioxyde de carbone• %NO x : oxydes d’azote• η : rendement de la chaudièreIl est primordial de noter le point suivant : Un analyseur de combustionne donne pas immédiatement la bonne valeur, ceci àcause (notamment) du temps de réponse des capteursde gaz. Cela différencie fortement un analyseur de combustion d’un multimètre utilisé en électricitéqui lui donne immédiatement la valeur recherchée.IUT d’Evry - Brétigny - Juvisy GTE 2007-2008

Exemples de questions d’examen :1) Qu’est-ce qu’une chaudière à trois parcours de fumées (avec schéma)?2) Quel est l’ordre de grandeur de la puissance d’une chaudière domestique?3) Quel inconvénient existe-t-il à faire condenser des fumées issues de la combustion de F.O.D?4) Expliquez le principe d’un brûleur à air soufflé.5) Expliquez le principe d’un brûleur à gaz atmosphérique.6) Quel est le rôle du ventilateur dans un brûleur ?7) Est-ce qu’une chaudière de 600 kW peut-être adéquate pour un appartement de 50m 2 ? pour unemaison de 200 m 2 ? (Justifiez vos réponses)8) Quel gicleur faut-il choisir lorsque l’on hésite entre deux gicleurs de taille différente? pour quelleraison?9) Quel est le rôle du capteur de température extérieure?10) Quelle est l’énergie la plus chère à l’usage?11) Quel peut-être l’usage de granulés d’hydroxyde de magnésium dans une chaufferie?12) A quoi correspondent chacune des bornes sur la prise suivante :F1hS613) Quel est l’ordre de grandeur de la pression à la sortie d’une pompe à fioul?14) Qu’est ce que le triangle de feu ? Quelles intreprétations peut-on en faire?15) Qu’est-ce qu’une sonde d’ionisation? Quel est son rôle?

Cours 2Réseaux de fluidesContenu du coursI. Notions sur les réseaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49I.1. Les fluides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49I.2. Les circuits de fluides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51I.3. Réseaux simples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52I.4. Réseaux ramifiés, maillés . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53II. Tubes et gaines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55II.1. Caractéristiques dimensionnelles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55II.2. Matériaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55II.3. Tubes, gaines et raccords particuliers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56III. Organes de coupure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59III.1. Vanne papillon (ici une vanne Sylax de marque Danfoss) . . . . . . . . . . . 59III.2. Vanne à boisseau sphérique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60IV. Vanne de réglage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61V. Régulation et limitation de pression . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62V.1. Limiteur de pression . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62V.2. Régulateur de pression Twinbar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63VI. Purgeurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63VI.1. Purgeur à flotteur pour circuit d’eau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63VI.2. Purgeur de radiateur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64VI.3. Filtre à fioul avec séparateur d’air intégré . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65VII. Mesure de pression . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66VII.1. Manomètres en U . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66VII.2. Manomètre à tube incliné . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67VII.3. Manomètre à tube de Bourdon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68VIII. Mesure de débit/Vitesse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69VIII.1. Tube de Pitot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69VIII.2. Anémomètre à coupelles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70VIII.3. Anémomètre à hélice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71VIII.4. Tube de venturi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71VIII.5. Diaphragme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72VIII.6. Rotamètre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72VIII.7. Débitmètre à effet vortex . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73VIII.8. Débimètre à ultrasons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75IX. Mesure de température . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75IX.1. Thermomètre à dilatation de liquide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75IX.2. Thermocouples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76

48 COURS 2.RÉSEAUX DE FLUIDESIX.3. Résistance électrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76X. Tête thermostatique et presse étoupe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77X.1. Presse étoupe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77X.2. Tête thermostatique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78XI. Mise hors gel par Traçage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79XII. Vase d’expansion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81XIII. Collecteur EC-EF (Eau Chaude - Eau Froide) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84XIV. Sertissage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85IUT d’Evry - Brétigny - Juvisy GTE 2007-2008

COURS 2.RÉSEAUX DE FLUIDES 49I. Notions sur les réseauxI.1. Les fluidesIl existe un grand nombre de fluides succeptibles d’être véhiculés dans des tubes et/ou des gaines :• eau chaude/froide/glycolée (eau + glycol (antigel))• huile• essence/gasoil/fiouls• gaz divers (méthane, propane, gaz médicaux)• vapeur d’eau• vide (médical, industriel)• fluides frigorigènes• acides, bases• parfums• liquides alimentaires (pour sorbet, yaourt...)• air à usage spécifique (salles blanches, blocs opératoires, hall pourpeinture, transport de grains)• ...Un fluide peut être :• liquide/gazeux• neutre/acide/basique• alimentaire ou non• froid/chaud• gratuit/cher• dangereux/inoffensif• faiblement/fortement visqueux• entartrant ou non• encrassant ou non• ...Premier exemple : l’eau.L’eau est un liquide de masse volumique ρ eau = 1000kg.m −3 . Sa capacitécalorifique massique est c peau = 4180J.kg −1 .K −1 . L’eau a la propriété d’être unsolvant pour un grand nombre d’espèces : plomb, fer, calcium, magnésium ...Petit point de vocabulaire : le calcaire a pour nom chimiquecarbonate de calciumsoit CaCO 3 , le tartre est un mélange de carbonate de calcium et de carbonate de magnésium soit unmélange de CaC0 3 et de MgCO 3 .Deuxième exemple : l’air.L’air est un gaz de masse volumique ρ air = 1, 2kg.m −3 dans les conditions atmosphériquesstandard. Sa capacité calorifique massique estc pair = 1002J.kg −1 .K −1 .L’air contient de la vapeur d’eau (quelques grammes par mètre cube), des poussières... Enpremièreapproximation l’air est constitué de 80% d’azote (N 2 ) et de 20% de dioxygène (O 2 ).IUT d’Evry - Brétigny - Juvisy GTE 2007-2008

50 COURS 2.RÉSEAUX DE FLUIDESExercice 1) Un radiateur est dimensionné pour émettre 2000W lorsque le régime d’eau est de 80/60 ◦ C.Quel est le débit d’eau circulant dans le radiateur?On a P = ◦ m c p ∆TAvec :• ∆T = 80 − 60 = 20 ◦ C• c p = c peau = 4180J.kg −1 .K −1• P = 2000WOn obtient donc :◦m= Pc p ∆T = 20004180 ∗ 20 = 0.024kg.s−1◦m= 86kg.h −1Exercice 2) Quelle énergie faut-il apporter pour faire passer 15m 3 d’air de 15 ◦ C à 20 ◦ C ?On a E = ρV c p ∆TAvec :• ρ = ρ air = 1, 2kg.m −3• V = 15m 3• c p = c pair = 1002J.kg −1 .K −1• ∆T = 20 − 15 = 5 ◦ COn obtient donc :E = 1, 2 ∗ 15 ∗ 1002 ∗ 5 = 90180JE = 25W.hIUT d’Evry - Brétigny - Juvisy GTE 2007-2008

COURS 2.RÉSEAUX DE FLUIDES 51I.2. Les circuits de fluidesUn circuit de fluide peut être :• ouvert/fermé• maillé ou non• ramifié ou non• isolé ou non (voire chauffé, par exemple le traçage des canalisations parcâble chauffant)• court/long• controlé ou non• usage intensif/courant/fréquent ou non(RIA (robinet incendiearmé)/réseaux sprinkler)• pression, débit : élevé ou faible, séparément ou ensemble• bien connu/calcul aisé ou non• très spécifique : conduites d’ergols de fusée, tube du lac de NyosI.2..1 Note I : conduites d’ergols de fuséeUn ergol, dans le domaine de l’astronautique, est une substance homogène employée seule ouen association avec d’autres substances et destinée à fournir de l’énergie. Les ergols sont les produitsinitiaux, séparés, utilisés dans unsystème propulsif à réaction. Ils sont constituésd’éléments oxydant et réducteur (combustible).Les conduites d’ergols sont particulières dans le sens où le fluide qui y circule est très froid (−120 ◦ Cou moins), et peu courant (oxgygène et hydrogène (sous forme liquide) en général).Il est alors nécessaire de conduire des essais et/ou des simulations numériques pour déterminer :• la conception fluidique : pertes de charges,...• les contraintes thermiques sur une canalisation initialement à 20 ◦ C• ...I.2..2 Note II : tube du lac de NyosLe 21 août 1986, dans la soirée, le lac Nyos, au nord-ouest du Cameroun, alibéré environ un kilomètre cube de gaz carbonique(CO 2 ) provoquant la mort de plus de1700personnes.Le gaz carbonique originaire du sous-sol s’était progressivement (sur desannées, voire des siècles) stocké dans les eaux du lac. Un mouvement de terrain(hypothèse la plus crédible) a amorcé un dégazage local du lac. Le dégazages’est ensuite propagé dans l’ensemble des eaux du lac (réaction en chaîne), conduisantainsi à la catastrophe.Depuis 2001, une opération de dégazage vise à éliminer progressivement le C0 2contenu dans les eaux du lac, le système est le suivant :IUT d’Evry - Brétigny - Juvisy GTE 2007-2008

52 COURS 2.RÉSEAUX DE FLUIDES50meausaturéeen CO 2200mLe pompage est réaliséuniquement par un tube vertical (environ 200m). Le liquide prélevédans les eaux profondes du lac s’élève dans la colonne, sa pression diminue et des bulles de gaz se formentdans le liquide saturé en C0 2 (comparable à une bouteille de boissongazeuse). La masse volumique moyenne du mélange liquide+gaz contenu dans le tube étant plusfaible que celle du liquide du lac, le processus est auto-entretenu.Le jet formé s’élève à 50m au-dessus du lac. Le système fonctionne en permanence de manière100% autonome. Le dégazage dissipe une quantité inoffensive (pour la populationlocale) de CO 2 dans l’atmosphère.I.3. Réseaux simplesLe circuit le plus simple est la boucle, utilisée pour les circuits de chauffage,d’eau glacée (eau en régime 7/12 ◦ C) en climatisation :IUT d’Evry - Brétigny - Juvisy GTE 2007-2008

COURS 2.RÉSEAUX DE FLUIDES 53Un réseau peut être à écoulement gravitaire :Dans le cas où une pompe fait circuler l’eau, le réseau peut être qualifié de ✭sous charge ✮ou de ✭en charge ✮ :I.4. Réseaux ramifiés, maillésExemple de réseauramifié (distribution d’eau dans un bâtiment, ...) :IUT d’Evry - Brétigny - Juvisy GTE 2007-2008

54 COURS 2.RÉSEAUX DE FLUIDESExemple de réseaumaillé (distribution d’eau à l’échelle régionale, ...) :L’avantage du réseau maillé est qu’il permet d’intervenir sur certaines parties du réseau encoupant l’alimentation en fluide à la plus petite partie possible du réseau. Il estcependant extrêmement délicat à calculer.Le réseau Français de transport du gaz naturel est un réseau maillé, comportant plusieures communicationsavec des réseaux étrangers :IUT d’Evry - Brétigny - Juvisy GTE 2007-2008

COURS 2.RÉSEAUX DE FLUIDES 55II.Tubes et gainesII.1. Caractéristiques dimensionnellesPlusieurs désignations possibles :• 10 : diamètre intérieur de 10mm , diamètre extérieur inconnu• 10/12 : diamètre intérieur de 10mm , diamètre extérieur 12 mm• 10×1 : diamètre intérieur de 10mm, épaisseur de 1mm d’où diamètreextérieur de 12mm• DN10 : Diamètre Nominal numéro 10, il s’agit d’une désignation normalisée.Attention à la désignation en DN, le tableau suivant montre la correspondance entreDN et diamètre intérieur suivant la norme NF A 49-115 :DN D int en mm12 12.615 16.120 21.725 27.332 3640 41.950 53.165 68.980 80.9100 105.3125 130.7II.2. MatériauxLes principaux matériaux sont :l’acier, le cuivre, la fonte, le PVC (Polychlorurede vinyle), le PER (PolyEthylène Réticulé). Le bronze (alliage de cuivre (Cu) et d’étain (Sn)) etle laiton (alliage de cuivre (Cu) et de zinc (Zn) sont couramment utilisés au niveau des raccords.Les critères de choix d’un matériau pour un tube sont les suivants :• prix• résistance à la corrosion• masse linéique• résistance mécanique• disponibilité auprès du revendeur• durabilité (UV pour le PER par exemple)• compatibilité avec l’usage (le plomb disparaît à cause de sa toxicité)• ...IUT d’Evry - Brétigny - Juvisy GTE 2007-2008

56 COURS 2.RÉSEAUX DE FLUIDESII.3. Tubes, gaines et raccords particuliersII.3..1 Tube multi-couchessurfaceextérieurecolle/adhésifcoucheintermédiairesurface intérieureL’avantage de ce type de tube est la flexibilité,l’adaptation aux besoins.Par exemple on peut véhiculer un fluide corrosif avec une surface intérieure enplastique et une surface extérieure en acier pour la résistance mécanique.Un cas typique est constituée par les tubes isolés. Prenons l’exemple des bâtiments tertiaires,ces bâtiments sont en général climatisés. La climatisation s’effectue souvent par une productiond’eau dite ✭✭ glacée ✮✮ (eau en régime 7/12 ◦ C) dans le bâtiment. Les tuyauteries sontréalisées (le plus souvent) en acier. L’isolation extérieure de ces tuyauteries permet d’éliminer lacondensation à la surface extérieure ce qui élimine la corrosion de la surface extérieure de ces tuyauteries.On réduit aussi les déperditions thermiques là où elles ne sont pas utiles, ce qui permet d’augmenterle rendement global en augmentant le rendement de distribution.IUT d’Evry - Brétigny - Juvisy GTE 2007-2008

COURS 2.RÉSEAUX DE FLUIDES 57II.3..2 Manchon anti-vibratile (d’après d’une documentation Emiflex)caoutchoux armébride❇❇❇❇❇❇❇❇❇❅❅❅❅❅❅Un manchon anti-vibratile permet de racorder deux tubes en créant une légère mobilitéqui atténue la transmision des vibrations.II.3..3 Raccord rapide (de marque John Gest)Ce raccord est double, il permet la liaison de deux tubes. Ce type de raccord est classique enautomatisme pneumatique. Il comporte un joint torique et une pince mobile.IUT d’Evry - Brétigny - Juvisy GTE 2007-2008

58 COURS 2.RÉSEAUX DE FLUIDESII.3..4 Gaine en matériaux fibreux (d’après d’une documentation Naima)Ce type de matériau permet untraitement passif du bruit en hautes fréquences du faitdes propriétés acoustiques des milieux fibreux. Ces gaines sont fabriquées sur chantierà partir de plaques d’isolant acoustique(laine de verre ou de roche, ...). Undes modes de réalisation est le suivant :IUT d’Evry - Brétigny - Juvisy GTE 2007-2008

COURS 2.RÉSEAUX DE FLUIDES 59III.Organes de coupureIII.1. Vanne papillon (ici une vanne Sylax de marque Danfoss)carré de manoeuvre❛ ❛❛❛❛ joint en élastomère❅❅❅❅❅❅❅❅canneluresCe type de vanne peut être commandée par un volant, une poignée ou un servo-moteur.On note la présence d’un carré de manoeuvre, ici de forme hexagonale avecdétrompeur. Le détrompeur permet de connaître la position de la vanne lorsqu’elle est installée.L’étanchéité se fait au niveau du joint en élastomère déformable qui épouse la forme dupapillon central. La transmission mécanique de l’effort entre l’axe et le papillon se fait par le biais descannelures.Cette vanne existe pour un diamètre allant de 2.5cm à plus de 35cm. La pression de service(sécurité par rapport à la pression de rupture) que peut supporter cette vanne est de 25 bars.On utilise habituellement ce type de vanne pour la coupure du circuit. De manièremoins courante elle peut être utilisée pour le réglage 1 du débit dans le réseau.1 Le réglage sera délicat s’il est effectué à la main, la société Belimo commercialise un servo-moteur dédié pour ce typede vanneIUT d’Evry - Brétigny - Juvisy GTE 2007-2008

60 COURS 2.RÉSEAUX DE FLUIDESIII.2. Vanne à boisseau sphériquemanette de commandejointtige de commandecorpscorpssphèresiègesphère (boisseau sphérique)position de la manette de commandeLes vannes à boisseau sphérique présente plusieurs avantages :• ouverture/fermeture en quart de tour• perte de charge singulière nulle lorsque la vanne est complétementouverte• la vanne peut être totalement fermée• disponible sur un large panel de taillesIUT d’Evry - Brétigny - Juvisy GTE 2007-2008

COURS 2.RÉSEAUX DE FLUIDES 61IV.Vanne de réglageIl s’agit d’une vanne de caractéristique connue quelque soit sa position. Cettevanne est munie de deuxprises de pression. Ce type de vanne est utilisée pour équilibrerles installations de chauffage.L’équilibrage d’un réseau hydraulique est unprocédé de mesure et de réglage visantà obtenir les débits requis dans les différentes branches d’un réseau hydraulique (en généralmaillé).Vue d’une vanne Hydrocontrol F de marque Oventrop :prises de pression❅❅❅❅❅❅ABOn relève, par l’intermédiaire des prises de pressions, la pression statique au point A et au point B.En connaissant la position de la vanne et la différence de pressionentre A et B on peut déduire le debit traversant la vanne.En pratique chaque fabricant de vanne commercialise un appareil électronique effectuant automatiquementces opérations.IUT d’Evry - Brétigny - Juvisy GTE 2007-2008

62 COURS 2.RÉSEAUX DE FLUIDESV. Régulation et limitation de pressionV.1. Limiteur de pressionVue d’un limiteur de pression de marque Caleffi :IUT d’Evry - Brétigny - Juvisy GTE 2007-2008

COURS 2.RÉSEAUX DE FLUIDES 63V.2. Régulateur de pression TwinbarSoit une installation comportant une douche et un robinet à proximité l’un de l’autre.Problème : le puissage de l’eau au robinet peut influencer surle débit et surla températurede la douche, d’où une douche à température fluctuante. Le régulateur Twinbar de marque GRK permetde supprimer la variation de température, seul le débit sera alors affecté :VI.PurgeursVI.1. Purgeur à flotteur pour circuit d’eauExemple d’un purgeur de marque Caleffi :IUT d’Evry - Brétigny - Juvisy GTE 2007-2008

64 COURS 2.RÉSEAUX DE FLUIDESVI.2. Purgeur de radiateurLe gaz qui peut être présent dans un radiateur est lasource de bruit et d’une diminutionde la puissance d’émission du radiateur. Le purgeur leplus simple est comparable à un robinet :corps du radiateurLa purge s’effectue manuellement, on ferme le purgeur quand sort la première goutte d’eau sans air.Il existe des purgeurs à disques hygroscopiques :La disposition d’un purgeur à disques hygroscopiques est la suivante :IUT d’Evry - Brétigny - Juvisy GTE 2007-2008

COURS 2.RÉSEAUX DE FLUIDES 65VI.3. Filtre à fioul avec séparateur d’air intégréIl s’agit d’un filtre à fioul avec séparateur d’air de marque Oventrop comme celui réprésenté sur leschéma de la chaufferie en page 13 .On remarque que coté cuve la liaison se fait en mono-tube tandis que coté brûleur la liaison se faiten bi-tube.vanne d’arrêtarrivée defioul enmonotubebille servant declapet antiretourélément filtrantgodetpurgeflotteursoupaperetour de fiouldu brûleurdépart versle brûleurIUT d’Evry - Brétigny - Juvisy GTE 2007-2008

66 COURS 2.RÉSEAUX DE FLUIDESVII. Mesure de pressionVII.1. Manomètres en UOn a (vue d’un manomètre à colonne verticale de marque Kimo) :ABLe principe de la statique des fluides permet d’écrire :P B − P A = ρg∆zLa relation entre la différence de hauteur etla différence de pression est donc linéaire∆zLe manomètre en U est donc uninstrument de mesure à réponselinéaireIUT d’Evry - Brétigny - Juvisy GTE 2007-2008

COURS 2.RÉSEAUX DE FLUIDES 67VII.2. Manomètre à tube inclinéOn a (vue d’un manomètre à colonne inclinée de marque Kimo) :vis de réglagede l’inclinaisonaxe de rotationréservoirde liquide✭✭✭✭✭✭✭✭✭✭✭✭αniveau àbulleHypothèse : on considère que le niveau de liquide dans le réservoirne varie pas.Par définition de la fonction tangente :tan(α) = ∆z∆L .Ainsi ∆z = tan(α)∆LLa variation de L étant beaucoup plus importante que celle de z, on améliore fortement la précision demesure. Par contre il est nécessaire de mettre l’appareil à l’horizontal. D’où la présence duniveauà bulle et de la vis de réglage.Ce manomètre se rencontre souvent en génie climatique. Il sert souvent à donner uneindication sur le niveau d’encrassement des filtres à air :IUT d’Evry - Brétigny - Juvisy GTE 2007-2008

68 COURS 2.RÉSEAUX DE FLUIDESVII.3. Manomètre à tube de BourdonNote : L’aiguille baigne dans de la glycérine qui permet d’absorber les vibrations dues auxpetites fluctuations de pression.IUT d’Evry - Brétigny - Juvisy GTE 2007-2008

COURS 2.RÉSEAUX DE FLUIDES 69VIII. Mesure de débit/VitesseVIII.1. Tube de PitotLe tube de Pitot est constitué de deux tubes concentriques, il présente 2 orifices servantà la prise des pressions dynamique (en A) et statique (en B). On mesure ces deuxpressions à l’extrémité opposée du tube de Pitot.v a ABP AP BPar définition de la pression dynamique : P A = P B + 1 2 ρv2 A .Ce qui donne v A =√2ρ (P A − P B )Le tube de Pitot permet donc d’obtenir la vitesse d’un fluide par la mesure d’une différencede pression, la relation entre les deux n’est pas linéaire :v AP A − P BIUT d’Evry - Brétigny - Juvisy GTE 2007-2008

70 COURS 2.RÉSEAUX DE FLUIDESVIII.2. Anémomètre à coupellesL’anémomètre à coupelles nécessite un étalonnageexpérimental.IUT d’Evry - Brétigny - Juvisy GTE 2007-2008

COURS 2.RÉSEAUX DE FLUIDES 71VIII.3. Anémomètre à héliceL’anémomètre à hélice nécessite un étalonnage expérimental.VIII.4. Tube de venturiBALa conservation de l’énergie se traduit par P A + 1 2 ρv2 A = P B + 1 2 ρv2 , de plusBla conservation du débit se traduit parv B S B = v A S A . Ce qui implique :P A − Pv A =( B√ ( ) ) 212 ρ SASB− 1Cette relation n’est pas linéaire (comme pour le tube de Pitot).IUT d’Evry - Brétigny - Juvisy GTE 2007-2008

72 COURS 2.RÉSEAUX DE FLUIDESVIII.5. DiaphragmeOn a (vue d’un diaphragme de marque Spirax Sarco) :Expérimentalement on constate que ∆P = P A − P B = Z diaphragme ∗ Q 2VIII.6. RotamètreLe rotamètre (de marque Krohne) de la page suivante comporte les éléments suivants :• 3 : le flotteur qui est strié, il est animé d’un mouvement de rotation• 4 : un tube transparent comportant une échelle graduée• 1 : une pièce limitant le déplacement du flotteur. Le passagedu fluide est ainsi toujours possible.• 2 : une enveloppe de protection• 7,8,9,10 : les différentes connectiques possiblesIUT d’Evry - Brétigny - Juvisy GTE 2007-2008

COURS 2.RÉSEAUX DE FLUIDES 73VIII.7. Débitmètre à effet vortexOn observe la formation de tourbillons derrière un obstacle dans un écoulement de fluide :IUT d’Evry - Brétigny - Juvisy GTE 2007-2008

74 COURS 2.RÉSEAUX DE FLUIDESOn montre expérimentalement que :Svplage de mesureAvec S le nombre de Strouhal définit par S = fL vavec :• f la fréquence de détachement des tourbillons• L une dimension caractéristique de l’obstacle• v la vitesse de l’écoulementCe type de débitmètre permet d’obtenir le débit sur la plage où leStrouhal est constant.On mesure la fréquence de vibration et on en déduit la vitesse de l’écoulement.En pratique, les débitmètres à effet vortex commerciaux donnent une information en tension (engénéral), l’électronique intégrée se chargant de mesurer la fréquence de vibration...IUT d’Evry - Brétigny - Juvisy GTE 2007-2008

COURS 2.RÉSEAUX DE FLUIDES 75VIII.8. Débimètre à ultrasonsémetteur d’ultrasonsQrécepteur d’ultrasonsLe temps de réception dépend dudébit dans la conduite. Un circuit électroniquegénère untrain d’ondes et mesure le temps de parcours, il en déduit le débit du fluide.IX.Mesure de températureIX.1. Thermomètre à dilatation de liquidepetit diamètre : capillairevolume ’important’ de liquideIUT d’Evry - Brétigny - Juvisy GTE 2007-2008

76 COURS 2.RÉSEAUX DE FLUIDESIX.2. ThermocouplesIl apparaît une fem (force électro motrice) à la jonction entre deux métaux différents. Cettefem dépend de la température, il s’agit d’un effet thermoélectrique. En choisant bien lesmétaux en contact, il est possible d’obtenir après calcul une valeur fiable de la température de lajonction à partir de la mesure de lafem. C’est l’idée de la mesure de température par thermocouples.IX.3. Résistance électriqueLa résistance électrique d’un fil dépend de la température du fil :RTLa mesure de la résistance par un montage 4 fils permet de déduire la température :IUT d’Evry - Brétigny - Juvisy GTE 2007-2008

COURS 2.RÉSEAUX DE FLUIDES 77X. Tête thermostatique et presse étoupeX.1. Presse étoupeLa puissance d’émission d’un radiateur est régulée demanière terminale par le presseétoupe dont le schéma suit et par une tête thermostatique.tige duclapetjointtoriquecorps devanneclapetraccord pré-réglagedecompressionbi-côneLa tige du presse étoupe est prévue pour être actionnée par une tête thermostatique.IUT d’Evry - Brétigny - Juvisy GTE 2007-2008

78 COURS 2.RÉSEAUX DE FLUIDESX.2. Tête thermostatiqueVue d’une tête thermostatique Danfoss pour radiateur :clipsébulbeincorporésouffletboutonderéglageressortderéglagepoussoirLe liquide (ou le gaz) contenu dans le bulbe se dilate/contracte avec la témpérature ce qui setraduit par unmouvement du poussoir. Le mouvement du poussoir actionne leclapet enappuyant sur la tige du clapet. Il s’en suit uncontrôle du débit d’eau dans le radiateur qui influesur sa puissance d’émission. Les principaux fabricants de tête thermostatiques sont Danfoss,Heimeier, Honeywell, Oventrop, ...IUT d’Evry - Brétigny - Juvisy GTE 2007-2008

COURS 2.RÉSEAUX DE FLUIDES 79XI.Mise hors gel par TraçageOn place un câble chauffant autour des tuyauteries et on isole autour de l’ensemble tuyauterie+câble.On utilise des câbles électriques dont la résistance dépend de latempérature. Il s’agit alors d’une mise hors gel autorégulante : on a P = U2R etla puissance P diminue lorsque température augmente donc la résistance augementequand la température augemente, la tension d’alimentation étant constante.Sinon on utilise des câbles résistifs (de résistance constante) avec une régulation électronique de latempérature. Tyco (alias Raychem) est le fabricant de référence de ce type de produit. Ce fabricantpropose des câbles ronds et des câbles plats.IUT d’Evry - Brétigny - Juvisy GTE 2007-2008

80 COURS 2.RÉSEAUX DE FLUIDESVue d’un câble rond Tyco non auto-régulant et d’un rubant Tyco auto-régulant :Les rubans chauffants présentent l’avantage d’être plus simples à installer (pas d’électronique derégulation), mais ne permettent pas de maintenir des températures supérieures à 65 ◦ C. Ils nedoivent pas dépasser 85 ◦ C. Tandis que les câbles non auto-régulants permettentun choix aisé de la température parprogrammation du régulateurde chauffage.Tyco propose des câbles succeptibles de maintenir des températures jusqu’à 200 ◦ C.IUT d’Evry - Brétigny - Juvisy GTE 2007-2008

COURS 2.RÉSEAUX DE FLUIDES 81XII. Vase d’expansionLa masse volumique de l’eau est de 1000kg.m −3 à4 ◦ C, mais ladilatation conduità une diminution de la masse volumique comme le montre legraphique suivant :1005Masse volumique de l’eau en fonction de la température1000995990ρ en kg.m −39859809759709659609550 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100Température en ◦ CComme la massese conserve, il y a augmentationdu volume. Un vase d’expansionpermet de limiter les variations de pression liées à la dilatation de l’eau dans lesinstallations de chauffage.Il existe plusieurs types de vase d’expansion, le plus courant étant levase à membranesuivit du vase à vessie. Les autres types de vases sont moins classiques pour les petitesinstallations et sont utilisés pour les grandes installations.IUT d’Evry - Brétigny - Juvisy GTE 2007-2008

82 COURS 2.RÉSEAUX DE FLUIDESSchéma d’un vase à membrane (d’après une documentation Salmson) :Schéma d’un vase à vessie (d’après une documentation Salmson) :Valve Schraeder de gonflageLe vase à vessie présente unlinéïque de contact polymère/acier plus faible que pourle vase à membrane. De plus la vessie est fortement serrée contre l’acier tandis que la membraneest pincée dans l’enveloppe métallique. Pour ces différentes raisons le vase à vessie est techniquementpréférable au vase à membrane, cependantfinancièrement son prix estplus élevé. Les principaux fabricants de vase d’expansion sont Flamco, Salmson et Pneumatex.Dans le cas idéal on connaît le volume d’eau ou capacité en eauC à l’arrêt, en pratique onl’évalue souvent par le ratio suivant (par rapport à la puissance chaudière) :10L.(kW) −1Exemple : Pour une installation comportant un chaudière de puissance 25kW, la capacité en eau estd’environC = 10 ∗ 25 = 250L en première approximation.IUT d’Evry - Brétigny - Juvisy GTE 2007-2008

COURS 2.RÉSEAUX DE FLUIDES 83Le volume d’expansion correspond à la différence entre le volume d’eau à températuremaximale et le volume d’eau à température minimale (à l’arrêt),soit :( )ρminiV expansion = C − 1ρ maxiEn effet :V expansion = V maxi − V miniOr :D’où :Soit le résultat annoncé.V mini =V maxi =masse d’eau contenue dans l’installationρ minimasse d’eau contenue dans l’installationρ maxiV expansion = C ρ miniρ maxi− CExemple : Le chauffage fonctionne en régime 90/70 ◦ C. On prend une hypothèsesécuritairesuivant laquelle T mini = 10 ◦ C et T maxi = 90 ◦ C. Ce qui donne ρ mini =1000kg.m −3 etρ maxi = 965kg.m −3 dès lorsV expansion = 0.0363C. Le volume d’expansion est donc de égal à 3,6% de lacapacité en eau. Pour la chaudière de l’exemple précédent on aV expansion = 0.0363 ∗250 = 9L.Si le vase est correctement placé alorsil travaille àtempérature constante. Le vase est à température minimaleentièrement rempli d’un volumeV total de gaz à la pression de gonflageP gonflage à températuremaximale son volume à diminué d’un volume dit utile V utile et la pression est égale à la pressionmaximale choisieP max . La loi des gaz parfait donne le résulat suivant :P gonflage V total = P max (V total − V utile )= CDès lors le volume total du vase est donné par la formule suivante :P maxV total = V utileP max − P gonflageIUT d’Evry - Brétigny - Juvisy GTE 2007-2008

84 COURS 2.RÉSEAUX DE FLUIDESExemple : toujours sur la même installation, on considère que son étendue verticale est de 13m. Ona alors P gonflage = 2.5bar en effet la pression atmosphérique a pour valeur (approximativement)1bar, la colonne d’eau impose 1, 3bar et on arrondi le résultat. Onchoisi P max = 4 + 1 = 5bar. On a alorsV total = 9 5 = 18L. On2.5sélectionnera le vase immédiatement supérieur dans les documentations fabricants.XIII. Collecteur EC-EF (Eau Chaude - Eau Froide)Sur le schéma de la chaufferie présentée lors du coursde chaudières et de brûleurs,on avait noté la présence decollecteurs EC-EF. La vidéo de la société Caleffi vous montreque ce type de collecteur n’est pas nécessairement très gros, contrairement à ce qui est représenté sur leschéma de la chaufferie. Les principaux fabricants de collecteur EF-EC sont Oventrop, Caleffi, ...Il est important de noter que ce type de composant est venduprêt à être monté dansle commerce. De plus son installation se fait sans soudure, il en résulte un gain de tempsimportant à l’installation.Vue issue d’une documentation Oventrop :IUT d’Evry - Brétigny - Juvisy GTE 2007-2008

COURS 2.RÉSEAUX DE FLUIDES 85XIV. SertissageL’installation sans soudure est de plus en plus usitée dans le domaine du bâtiment. Dans les nombreusestechniques existantes, la technique du sertissage se développe de plus en plus :Les avantages du sertissage sont multiples :• formation en moins d’une heure pour lesinstallateurs• gain de temps et baisse du coût de l’installation• facilité de transport comparativement auxbouteilles de gazIUT d’Evry - Brétigny - Juvisy GTE 2007-2008

86 COURS 2.RÉSEAUX DE FLUIDESExemples de questions d’examen :1) Valeur numérique de la capacité calorifique massique et de la masse volumique de l’eau?2) Valeur numérique de la capacité calorifique massique et de la masse volumique de l’air?3) Donnez un schéma pour chacun des réseaux suivants :• maillé• ramifié• bouclé4) Donnez le schéma d’un manomètre en U. Quelle est la relation entre différence de pression etdifférence de niveau?5) Qu’appelle-t’on tracer un réseau dans le cadre de la mise hors gel d’un réseau?6) Quels sont les principaux types de vase d’expansion?7) Quel est l’avantage d’une gaine aéraulique en matériaux fibreux ?8) Qu’est ce qu’une vanne d’équilibrage (appuyez votre réponse par un schéma commenté)?9) Donnez le schéma d’un purgeur à flotteur. Comment fonctionne-t-il ?10) Donnez le schéma d’un purgeur à disques hygroscopiques. Comment fonctionne-t-il ? Où le trouvet-on?11) Sur le schéma qui suit à quoi sert le niveau à bulle ? Sur quel composant peut-on jouer pour quel’indication du niveau à bulle soit correcte?12) Quel est le principe d’un débitmètre à effet vortex?13) Qu’est-ce que le bulbe d’une tête thermostatique?14) Quel est le volume total d’un vase d’expansion pour une chaudière de 80kW en régime 80/60 ◦ C,la hauteur du circuit de chauffage est de 25m, la pression maximale a pour valeur 5bar relatif? (lesgraphiques et formules utiles seront données le jour de l’examen qui par contre sera sans calculatrice)15) Est-il plus simple de sertir ou de souder?IUT d’Evry - Brétigny - Juvisy GTE 2007-2008

Cours 3Pompes et ventilateursContenu du coursI. Technologie des pompes et ventilateurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88I.1. Pompes : cas du circulateur de chauffage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88I.2. Ventilateurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91II. Introduction aux courbes de réseau et de machine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92II.1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92II.2. Courbe de machine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92II.3. Courbe de réseau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93II.4. Point de fonctionnement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94III. Courbes des machines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95III.1. Cas des pompes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95III.2. Cas des ventilateurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96III.3. Courbes de ventilateurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96III.4. Montage en série . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97III.5. Montage en parallèle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98IV. Courbes de réseau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99IV.1. Modélisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99IV.2. ∆P 0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99IV.3. Réseaux en série . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100IV.4. Réseaux en parallèle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101V. Effet d’une vanne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102V.1. Le coefficient K v : définition et intérêt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102V.2. L’autorité hydraulique d’une vanne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102V.3. Effet global d’une vanne : le diagramme à quatre cadrants . . . . . . . . . . 105VI. Exercices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107VI.1. Sélection d’un gicleur de F.O.D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107VI.2. Connaissance d’un réseau à partir de deux points . . . . . . . . . . . . . . . 108VI.3. Mesure du débit par un diaphragme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109

88 COURS 3. POMPES ET VENTILATEURSI. Technologie des pompes et ventilateursI.1. Pompes : cas du circulateur de chauffageCoupe d’un circulateur de marque Salmson :IUT d’Evry - Brétigny - Juvisy GTE 2007-2008

COURS 3. POMPES ET VENTILATEURS 89Les circulateurs utilisés dans les installations de chauffage à ECBT 1 sont leplus souvent du type rotor noyé : l’eau du circuit de chauffage sert à refoidir le moteurélectrique. Ces circulateurs sont actuellement installés systématiquement, les installationsfonctionnant uniquement en thermosiphon pour faire circuler l’eau chaude ayanttotalement disparues au moins pour les installations neuves. Il existe un grand nombre de fabricants :Salmson, Grundflos, Wilo, ... Chaque fabricant (ou presque) propose unlogiciel métier pourla sélection des pompes, il ne faut désormais que quelques minutes (une dizaine) poursélectionner une pompe adaptée à ses besoins (ou à ceux des clients).Lorsqu’une installation ne fonctionne pas pendant une longue durée (plusieurs mois),il est possible que la pompe se grippe. Dans ce cas il est possible de dégommer lapompe, c’est-à-dire de dégripper le rotor à l’aide d’un tourvenis aprèsavoir retiré la vis dédiée à cette opération :1 Eau chaude basse température : température inférieure à 110 ◦ CIUT d’Evry - Brétigny - Juvisy GTE 2007-2008

90 COURS 3. POMPES ET VENTILATEURSLes circulateurs traditionnels (sans commande électronique) sont en généralmono ou tri-vitesse Vue du boitier de connexion électrique d’un circulateur à troisvitesses :On repère :• Lecondensateur de démarrage, qui est obligatoire en monophasé.• Le sélecteur de vitesse : petite, moyenne ou grande vitesseLa variation de la vitesse de rotation se fait par augmentation (ou réduction) du nombre de pairesde pôles du circuit électrique au stator :L : Phasesélecteur rotatifGVPVMVenroulementde démarrageenroulement principalN: Neutrecondensateur de démarrageAvec bien entendu :• PV : Petite Vitesse• MV : Moyenne Vitesse• GV : Grande VitesseIUT d’Evry - Brétigny - Juvisy GTE 2007-2008

COURS 3. POMPES ET VENTILATEURS 91I.2. VentilateursVue d’un ventilateur centrifuge à action (de marque Helios) :bride de refoulement circulairevolute ❳ ❳ ❳❳❳❳ ❳❳❳❳ ❳❳❳❳ ❳❳❳❳❳moteur❅❅❅❅❅❅❅❅❅❅❅❅roue ouporte métalliqueplot anti-vibratoireturbineLe moteur est solidaire de la porte, la roue est constitué de tôle pliée. L’aspiration del’air se fait par l’ouie d’aspiration du côté opposé au moteur.Les ventilateurs centrifuges sont dits à action ou à réaction suivant l’orientation des aubes par rapportau sens de rotation :Ventilateur à✭✭ action ✮✮aubes inclinées vers l’avantVentilateur à✭✭ réaction ✮✮aubes inclinées vers l’arrièreIUT d’Evry - Brétigny - Juvisy GTE 2007-2008

92 COURS 3. POMPES ET VENTILATEURSII.Introduction aux courbes de réseau et de machineII.1. IntroductionOn s’intéresse au fonctionnement global des installations. Le but recherché n’est pas la connaissanceparfaite (au pourcent près), mais une connaissance approximative à 10 pourcent près (aumaximum) des installations. Ceci se justifie par les points suivants :• il y a toujours un écart entre conception et réalisation• les installations vivent : modifications, encrassement, détériorations, ...• le calcul des installations coûte cher (temps humain important)• les conditions de fonctionnement sont variables : du débit probabledes eaux à consommation humaine aux conditionsclimatiques.Les réseaux sont finalement toujours calculés pour desconditions probables,critiques, extrèmes ....• ...Dans ce cours on suppose les écoulementsincompressibles, la masse volumique ne peutdépendre que de la température.II.2. Courbe de machineEn régime permanent une machine hydraulique/aéraulique estcaractérisée parsa courbede fonctionnement :∆P pompe = f pompe (Q)P e P sQAvec :• ∆P pompe = P s − P e : la variation de pression entre l’entrée etla sortie de la machine• Q : le débit traversant la machineIUT d’Evry - Brétigny - Juvisy GTE 2007-2008

COURS 3. POMPES ET VENTILATEURS 93On représente graphiquement la courbe caractéristique :∆P pompeQII.3. Courbe de réseauDe la même manière un réseau est caractérisé par sa courbe de fonctionnement :∆P réseau = f réseau (Q)P e P sQAvec :• ∆P réseau = P e − P s : la variation de pression entre la sortie etl’entrée du réseau• Q : le débit traversant le réseauOn représente graphiquement la courbe de réseau :∆P reseauQIUT d’Evry - Brétigny - Juvisy GTE 2007-2008

94 COURS 3. POMPES ET VENTILATEURSII.4. Point de fonctionnementLa machine et le réseau sont installés en série :QEn régime permanent on a : ∆P pompe = ∆P réseauGraphiquement cela se traduit par le point d’intersection des courbescaractéristiques de machine et de réseau. Le point d’intersection est appellé pointde fonctionnement :∆P = ∆P pompe = ∆P reseau∆P fQ fQIUT d’Evry - Brétigny - Juvisy GTE 2007-2008

COURS 3. POMPES ET VENTILATEURS 95III.Courbes des machinesLes différents fabricants de machines fournissent lescourbes caractéristiques desmachines qu’ils produisent. De plus en plus le catalogue est complété ou remplacépar un logiciel de sélection.Les données sont souvent fournies en mètres de colonne d’eau. Il s’agit d’unabus classique sur les unités :• 1bar = 10 5 Pa : il s’agit d’une égalité• Quand les unités ne sont pas égales mais que l’on peut les utiliser parreprésentation on utilise le symbole ∧ = (représenté par). Sous l’eau✭ on prend ✮ 1bar tous les 10m (relation bien connue en plongée 2 ) soit :1bar ∧ = 10mCEOn peut aussi écrire 10Pa ∧ = 1mmCE, CE étant l’abbréviation de colonned’eau. On utilise les termes ✭ hauteur manométrique ✮ (HM) et ✭ hauteur manométrique totale ✮(HMT) pour désigner la ∆P pompe exprimée en mCE.La pression est homogène à une énergie volumique soit 1Pa = 1J.m −3 , mais aussi àune force par unité de surface 1Pa = 1N.m −2III.1. Cas des pompesCourbe d’une pompe à vitesse de rotation fixe (circulateur UPS 25-50 Grundfos) :Il s’agit d’un circulateur àtrois vitesses de rotation. Le domaine de fonctionnementest facilement identifiable (trait épais). Le fabricant ajoute des courbes de réseau(bouclé) sur le graphique qui permettent de connaître rapidement l’évolution du point de fonctionnementdans le cas où l’on ne change que la vitesse de rotation.2 et par tous les étudiants lors du cours de statique des fluidesIUT d’Evry - Brétigny - Juvisy GTE 2007-2008

96 COURS 3. POMPES ET VENTILATEURSOn utilise de plus en plus des pompes avecrégulation électronique. Dans ce casla vitesse de rotation n’est plus fixe. On obtient alors les courbes suivantes :Ce circulateur possède 5 réglages de fonctionnement + une fonction ralenti. Ladémarche est la suivante, on sélectionne une des courbes de fonctionnement (1 à 5). L’électronique ducirculateur régulerala vitesse de rotation de manière à avoir en permanence un pointde fonctionnement sur la courbe choisie. Si la température de l’eaudescend en dessousd’un certain seuil, alors le circulateur passe automatiquement en moderalenti et le point de fonctionnement sera alors sur la sixième courbe (et ce quelque soit la courbe debase choisie).III.2. Cas des ventilateursIII.3. Courbes de ventilateursLes courbes caractéristiques des ventilateurs sont les suivantes :∆P∆Q reactionactionréactionQ∆Q actionIUT d’Evry - Brétigny - Juvisy GTE 2007-2008

COURS 3. POMPES ET VENTILATEURS 97On remarque que la courbe caractéristique d’un ventilateur à réaction est semblableà celle d’une pompe.Comparaison :• Action :• Réaction :• ∆P relativement constante• Puissance fortement variable• Moins bruyant• Meilleur rendement• Q plus constant lors d’une variation du coefficientZ du réseauIII.4. Montage en sérieQ tHMT 1 HMT 2HMT tLe débit se conserve d’oùQ t = Q 1 = Q 2 , et HMT t = HMT 1 +HMT 2 . Lors de l’associationsérie de deux machines, on additionne les hauteurs manométriques totales pour un mêmedébit :Courbes caractéristiques de pompes en série108pompe 1 seulepompe 2 seulecouplage sérieHMT en mCE64200 0.5 1 1.5 2Débit Q en m 3 .h −1IUT d’Evry - Brétigny - Juvisy GTE 2007-2008

98 COURS 3. POMPES ET VENTILATEURSEn plaçant plusieurs points, par décalage vertical, il est possible de déterminergraphiquement la courbe résultant de l’association de deux machines en série.L’association série de deux machines augmente la hauteur manométrique pour un débitidentique.III.5. Montage en parallèleQ tHMT tOn a :HMT t = HMT 1 = HMT 2 etQ t = Q 1 + Q 2 .Lors de l’association série de deux machines, on additionne les débits pour une même hauteurmanométriquetotale :65Courbes caractéristiques de pompes en parallèlepompe 1 seulepompe 2 seulecouplage parallèle4HMT en mCE32100 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5Débit Q en m 3 .h −1En plaçant plusieurs points,par décalage horizontal, il est possible de déterminergraphiquement la courbe résultant de l’association de deux machines en parallèle.L’association parallèle de deux machines augmente le débit pour une même hauteur manométrique.IUT d’Evry - Brétigny - Juvisy GTE 2007-2008

COURS 3. POMPES ET VENTILATEURS 99IV.Courbes de réseauIV.1. ModélisationOn modélise la courbe de réseau de la manière suivante : ∆P reseau = ∆P 0 + Z.Q 2Le terme modèle est à prendre au sens que lui a donné J.BRETTE membre du départementde mathématiques du Palais de la Découverte :✭✭ Modèle : schéma simplifié et symbolique permettantde rendre compte économiquement d’une réalité quelconque✮✮Dans la modélisation proposée, à savoir ∆P reseau = ∆P 0 + Z.Q 2 les différents termes sont :• ∆P 0 : variation de pression entre la sortie etl’entrée du réseau à débit nul• Z : coefficient caractéristique du réseauL’origine de ∆P 0 se situe dans l’effet thermosiphon et les différences de niveau.L’origine du coefficient Z se situe dans les pertes par frottement internedans les fluides qui se traduisent par une perte d’énergie et une variation depression (les deux étants liés). On appelle pertes de charge, l’ensemble Z.Q 2 , quel’on note généralementJ .On a alors la relation suivante : ∆P reseau = ∆P 0 + JNote : suivant cette modélisation la connaissance de deux points différents sur la courbe permet dedéterminer entièrement la courbe (cf exercice).IV.2. ∆P 0On a ∆P 0 = ρg∆z s’il n’y a pas d’effet thermosiphon :∆Psortie∆zρg∆zentréeQIUT d’Evry - Brétigny - Juvisy GTE 2007-2008

100 COURS 3. POMPES ET VENTILATEURSIV.3. Réseaux en sérieOn connait en général les caractéristiques des réseaux par sous-réseau. Il faut rassembler les caractéristiquesdes sous-réseaux pour en déduire la caractéristique globale.En série, on obtient∆P t = ∆P 1 + ∆P 2 et Q 1 = Q 2 = Q.On a donc ∆P Ot = ∆P 01 + ∆P O2 et Z t = Z 1 + Z 2Soit :sortie∆z 1∆z 2∆z tentréeOn a ∆z 1 = 5m et ∆z 2 = −2m ce qui donne ∆z t = 3m. De plus on donne les valeursdes coefficients Z : Z 1 = 1.3mCE.m −6 .h 2 et Z 2 = 0.6mCE.m −6 .h 2 ce qui donne Z t =1.9mCE.m −6 .h 2 . On en déduit le graphique :3025réseau 1réseau 2réseau totalCourbes caractéristiques de réseaux en série20HMT en mCE151050-50 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5Débit Q en m 3 .h −1IUT d’Evry - Brétigny - Juvisy GTE 2007-2008

COURS 3. POMPES ET VENTILATEURS 101IV.4. Réseaux en parallèleEn parallèle on a ∆P 1 = ∆P 2 = ∆P t , ∆P 01 = ∆P 02 = ∆P 0tQ t = Q 1 + Q 2On a donc1√ = √ 1 + √ 1 . En effet : Q 1 =Zt Z1 Z2Q t = Q 1 + Q 2 =soit√∆PtZ t√ √∆Pt ∆Pt, Q 2 =Z 1 Z 2etetsortie∆zentréeOn a ∆P 0∧= 2.5mCE, les valeurs des coefficients Z sont Z1 = 1.3mCE.m −6 .h 2 et Z 2 = 0.6mCE.m −6 .h 2ce qui donne Z t = 0.21mCE.m −6 .h 2 . On en déduit le graphique :108réseau 1réseau 2réseau totalCourbes caractéristiques de réseaux en sérieHMT en mCE64200 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5Débit Q en m 3 .h −1Remarque : il est possible de tracer graphiquement la courbeéquivalente à deux réseaux en série ou en parallèle (comme pour les courbes de machines)IUT d’Evry - Brétigny - Juvisy GTE 2007-2008

102 COURS 3. POMPES ET VENTILATEURSV. Effet d’une vanneV.1. Le coefficient K v : définition et intérêtUne vanne est un élément de réseau qui possède son propre coefficient Z vanne .La majorité des vannes permettent une fermeture complète de la vanne. Ce qui se traduit parZ vanne ∈ [Z min , ∞] ce qui n’est absolument pas pratique.C’est pourquoi pour les vannes, on préfère utiliser le K v .K v est définit par la relation suivante : ∆P vanne =( QK v) 2.On a ainsiZ vanne = 1 K 2 vEn page 61, se trouve la représentation d’une vanne dite de réglage. On trouve dans la documentationde la vanne la valeur du K v en fonction de la position de la vanne. Ainsi la vanne deréglage permet derégler et dedéterminer (pour autant que l’on puisse mesurer la pressiondifférentielle aux prises de pression) le débit.Note :• K v en parallèle : K vt = K v1 + K v2• K v en série : K vt =K v1.K v2√K2v1 + Kv22V.2. L’autorité hydraulique d’une vanneOn désire régler le débit d’un réseau par une vanne. La question est la suivante :La vanne doit-elle être petite ou grosse ?Nous allons formuler un début de réponse à cette question.Soit le sous-réseau suivant :Q∆POn considère que notre sous-réseau est négligeable devant le reste du réseau. Cette hypothèsese traduit par : ∆P est constanteLa différence de pression ∆P entre l’entrée et la sortie du sous-réseau est la somme de la perte decharge de la tuyauterie ∆P t et de la perte de charge de la vanne ∆P v :∆P = ∆P t + ∆P v (3.1)IUT d’Evry - Brétigny - Juvisy GTE 2007-2008

COURS 3. POMPES ET VENTILATEURS 103Par définition du K v (et du K t ), on a :∆P t =( QK t) 2(3.2)∆P v =( QK v) 2(3.3)K t est constant, par contre K v peut varier. K v est minimal (nul) vanne fermée et maximalvanne ouverte. On note K v100 sa valeur lorsque la vanne est ouverte à 100% et on suppose unerelation linéaire entre l’ouverture de la vanne φ et le K v soit :K v = K v100 ∗ φ (3.4)L’autorité (nominale) de la vanne est définie par la relation suivante :a n =∆P v100∆P v100 + ∆P t100(3.5)a n peut varier entre 0 et 1 :• a n = 0 si la vanne est très✭✭ grosse ✮✮ par rapport au réseau.• a n = 1 si la vanne est très✭✭ petite ✮✮ par rapport au réseau.On désire donc déterminer l’influence de l’autorité nominale de lavanne sur la possibilité de régler le réseau.On écrit 3.5 en utilisant 3.2 et 3.3 :a n =(Q100K v100) 2(Q100K v100) 2+(Q100K t) 2(3.6)On simplifie Q 100 :1a n =1K 2 v100K 2 v100+ 1K 2 t(3.7)Que l’on peut aussi écrire :a n =1( ) 2(3.8)Kv1001 +K tD’où :Soit :( ) 2 Kv1001 + = 1(3.9)K t a n(Kv100K t) 2= 1a n− 1 (3.10)IUT d’Evry - Brétigny - Juvisy GTE 2007-2008

104 COURS 3. POMPES ET VENTILATEURSOn va maintenant travailler à partir de la relation entre ∆P et Q, on écrit 3.1 en tenantcompte de 3.2 et de 3.3 :( 1∆P =K 2 v+ 1 )Kt2 Q 2 (3.11)On a aussi(par définition) :( 1∆P 100 =K 2 v100+ 1 )Kt2 Q 2 100 (3.12)Or on suppose que notre sous-réseau est ✭ petit ✮ ∆P est alors supposé constant, d’où :∆P 100 = ∆P (3.13)En ✭ divisant ✮ 3.11 par 3.12, on obtient que le débit (sous forme adimensionnée) ˜qvérifie :1( ) 2 Q˜q 2 K= =2 + 1v100 Kt2Q 1001Kv2 + 1(3.14)Kt2Soit en tenant compte de 3.7 :˜q 2 =1 1a n Kv10021Kv2 + 1Kt2(3.15)D’où :˜q 2 =a n K 2 v1001( 1K 2 v1+ 1 ) = ( (Kv100 ) ) 2Kt2 a n + 1 (3.16)K t φ 2On peut simplifier 3.16 grâce à 3.10 et obtenir l’expression finale suivante :˜q =1√1 − a n + a (3.17)nφ 2IUT d’Evry - Brétigny - Juvisy GTE 2007-2008

COURS 3. POMPES ET VENTILATEURS 105On peut tracer un graphique de la relation 3.17 :Influence de l’autorité nominale sur le réglage du sous-réseau10.90.8Débit adimensionné ˜q0.70.60.50.40.30.20.100 0.2 0.4 0.6 0.8 1Ouverture de la vanne φa n = 1a n = 0.5a n = 0.1a n = 0.01Cette analyse montre qu’il faut choisir une vanne petite par rapport au réseau si l’on veutpouvoir régler facilement le débit dans le réseau. En pratique a n = 0.5 est un bonchoix.V.3. Effet global d’une vanne : le diagramme à quatre cadrantsOn se place dans la situation suivante :∆P cstLa vanne sert donc à régler la puissance d’émission du radiateur. Il existe une démarche graphiquepermettant de déterminer l’influence de la vanne sur la puissance d’émission, c’est lediagramme à quatre cadrants.IUT d’Evry - Brétigny - Juvisy GTE 2007-2008

106 COURS 3. POMPES ET VENTILATEURSPP max4 11qq max13 211K vK v100φAvec :• 1 : l’influence de la vanne sur la puissance d’émission. Cettecourbe est tracée point par point• 2 : la relation entre l’ouverture φ de la vanne et son ˜K v• 3 : l’influence de la vanne sur le débit du sous-réseau considéré• 4 : la relation entre le débit traversantl’émetteur de chaleur etsa puissance d’émission (voir p43)IUT d’Evry - Brétigny - Juvisy GTE 2007-2008

COURS 3. POMPES ET VENTILATEURS 107VI.ExercicesVI.1. Sélection d’un gicleur de F.O.DLemarquage (page 38) d’un gicleur donne le débit de fioul en kg.h −1 sousune pressionde 10bar, soit le graphique suivant pour la série des gicleurs OD de la société Danfoss :10bar relPression d’entrée du gicleur (bar relatif)252423222120191817161514131211109876543210Courbes de gicleurs suivant le calibre0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 6.5 7 7.5 8 8.5 9 9.5 10Débit massique Q (kg.h −1 )Calibre du gicleurLes calibres sont : 1.46, 1.66, 1.87, 2.11, 2.37, 2.67, 2.94, 3.31, 3.72, 4.24, 4.45, 4.71, 5.17, 5.84 , 6.08,6.55.On a ∆P = P gicleur − P atm = P gicleur/atm : il s’agit de la pression relative (par rapport àl’atmosphère). De plus P gicleur/atm = 10( ) 2 Q.CalibreOn désire sélectionner un gicleur pour une chaudière de 80kW, de rendement global 0,9. La pompeà fioul étant limitée à 16bar.On a P = η m ◦ PCI d’où m=◦ PηPCI . Le PCI du fioul est de 12kWh.kg−1 . Soit7.4kg.h −1 .◦m= 800, 9.12 =Le gicleur de calibre 5.84 semble critique, on choisira celui de calibre 6.08, on aura alorsune pression d’entrée gicleur de 15bar rel.IUT d’Evry - Brétigny - Juvisy GTE 2007-2008

108 COURS 3. POMPES ET VENTILATEURSOn réglera cette pression, lorsque le fioul circule (électrovanne ouverte) :Pression en bar relatif20191817161514131211109876543210Pompe à fioul et gicleur de calibre 6.08entrée gicleursortie pompe0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 6.5 7 7.5 8 8.5 9 9.5 10Débit massique Q (kg.h −1 )Note : La courbe d’une pompe à fioul est très proche d’une droite horizontale, la technologieparticulière de ce type de pompe régulantla pression de sortie.VI.2. Connaissance d’un réseau à partir de deux pointsOn connaît les deux points (∆P 1 , Q 1 ) et (∆P 2 , Q 2 ), quelle est la valeur de ∆P 0 et du coefficient Z ?∆P 0 et Z vérifient les relations :(1) : ∆P 1 = ∆P 0 + Z.Q 2 1(2) : ∆P 2 = ∆P 0 + Z.Q 2 2Par différence :∆P 2 − ∆P 1 = Z.(Q 2 2 − Q 2 1)IUT d’Evry - Brétigny - Juvisy GTE 2007-2008

COURS 3. POMPES ET VENTILATEURS 109D’où :Z = ∆P 2 − ∆P 1Q 2 2 − Q2 1Et ainsi :∆P 0 = ∆P 1 − ∆P 2 − ∆P 1Q 2 2 − Q 2Q2 11VI.3. Mesure du débit par un diaphragmeLa perte de charge d’un diaphragme est de 10mmCE pour un débit de 1000l.h −1 . On mesure une∆P de 40mmCE, quel est le débit?Le coefficient Z du diaphramme est :Z = ∆PQ 2 = 10mmCE(1000l.h −1 ) 2D’où le débit pour 40 mmCE :Q =√ √∆P 40 ∗ 1000 ∗ 1000Z = 10= 2000l.h −1IUT d’Evry - Brétigny - Juvisy GTE 2007-2008

110 COURS 3. POMPES ET VENTILATEURSExemples de questions d’examen :1) A quoi correspond l’opération de dégommage d’une pompe?2) Tracez l’allure caractéristique d’une pompe (∆P − Q).3) Tracez l’allure de la caractéristique d’un réseau simple.4) Qu’est-ce que le point de fonctionnement d’une pompe et d’un réseau?5) Donnez la relation d’équivalence entre mètres de colonne d’eau et :• Pascal• Bar6) Définisez le K v d’une vanne.7) Qu’est-ce que le coefficient Z?8) Sélectionnez un gicleur pour une chaudière de 25kW, la pression étant limitée à 12bar. Avecjustification. (avec le graphique de la page 89)9) Comment déterminer graphiquement la courbe caractéristique de deux pompes identiques fonctionnanten série à partir de la courbe d’une pompe seule?10) idem en parallèle.11) La perte de charge d’un diaphragme est de 10mmCE pour un débit de 1000l.h −1 . Quelle sera saperte de charge pour un débit de 2000l.h −1 ?12) Quelle autorité nominale faut-il choisir par défaut pour une vanne de réglage?IUT d’Evry - Brétigny - Juvisy GTE 2007-2008

Cours 4CompresseursContenu du coursI. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112II. Installation d’air comprimé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113II.1. Vue d’ensemble . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113II.2. Schéma de principe d’une installation standard . . . . . . . . . . . . . . . . 114II.3. Petit compresseur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114II.4. Compreseur de taille moyenne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115II.5. Evaluation de la condensation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116II.6. Sécheur d’air . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118II.7. Déshuileur pour condensats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119III. Les différentes technologies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120III.1. Compresseur à piston de réfrigérateur ménager . . . . . . . . . . . . . . . . 120III.2. Compresseur à piston de machine frigorifique . . . . . . . . . . . . . . . . . 121III.3. Compresseur à lobes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125III.4. Compresseur à engrenage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127III.5. Compresseur à vis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128III.6. Compresseur scroll . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131III.7. Compresseur mono-vis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133IV. Compléments sur le compresseur à piston . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134IV.1. Clapets discus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134IV.2. Description géométrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135IV.3. Tracé de principe du cycle dans le diagramme P − V chambre . . . . . . . . . 136IV.4. Etude de la compression 1 → 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139IV.5. Cas à deux étages de compression . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140IV.6. Courbe caractéristique d’un compresseur à piston . . . . . . . . . . . . . . . 140

112 COURS 4. COMPRESSEURSI. IntroductionUn compresseur sert à mettre un fluidecompressible sous pression. On utilisedes compresseurs pour :• la production d’air comprimé• la propulsion : turboréacteurs• la production de froid par compression• les process industriels• ...Vue du turboréacteur Trent 1000 de Rolls-Royce :On repère facilement dans l’ordre :• la soufflante• le compresseur BP (basse pression)• le compresseur HP (haute pression)• la chambre de combustion annulaire• la turbine HP• la turbine BPL’étude détaillée du turboréacteur fait l’objet d’un cours spécifique en deuxième annéeIUT d’Evry - Brétigny - Juvisy GTE 2007-2008

COURS 4. COMPRESSEURS 113II.Installation d’air compriméII.1. Vue d’ensembleL’air comprimé :• automatismepneumatique : sécuritéanti-explosion quasimenttotale, rapport puissance/volume très important, grande flexibilité,...• pulvérisation : production de sprays pour l’humidification, lapeinture ...• création de vide (peu poussé) par effet Venturi• force motrice : vérins pneumatiques, moteurs à air comprimé,...• soufflettes d’atelier• gonflage de pneumatiquesL’air dans les conditions ambiantes est unfluide compressible humide (quelquesgramme de vapeur d’eau par kilogramme d’air) se comportant en première approximation comme ungaz parfait.Une installation d’air comprimé est caractérisée par :• la(les) pression(s)délivrée(s)• son débit• sa capacité de stockage• ses variations de pression/débit• le taux d’huile dans l’air comprimé• l’humidité de l’air comprimé• le prix de l’air compriméOn trouve dans le commerce des dispositifs de :• 2 à 80bar (éventuellement plus mais ça devient très marginal)• 10 à 20000m 3 .h −1 (même remarque)• sans huile, avec déshuileur, avec huileur• sans/avecsécheur d’air• refroidi à l’air sans/avec ventilateur, à l’eau, avec un fluide frigorigène• capacité de stockage de quelques litres à 1000m 3• avecséparateur d’azote (compresseur GN d’ATLAS COPCO parexemple) pour gonflage de pneumatiques• qualité médicale pour réseaux spécifiques où la propreté de l’aircomprimé est essentielleIUT d’Evry - Brétigny - Juvisy GTE 2007-2008

114 COURS 4. COMPRESSEURSII.2. Schéma de principe d’une installation standardvannefiltreséparateurd’eaucompresseur refroidisseurII.3. Petit compresseurVue d’un petit compresseur Atlas Copco :sécheurfiltreréservoir destockageIl s’agit du compresseurdomestique type : unréservoir de petite taille,un moteur de quelques kW avec une transmission par courroie vers un compresseurà 2 pistons. La roue de la courroie sert aussi de ventilateur pourrefroidir le bloccylindre. Un manomètre indique la pression de l’air contenu dans le réservoir.IUT d’Evry - Brétigny - Juvisy GTE 2007-2008

COURS 4. COMPRESSEURS 115II.4. Compreseur de taille moyenneSchéma d’un compresseur à vis de taille moyenne (Atlas Copco) :air compriméhuilefluide de refroidissementIUT d’Evry - Brétigny - Juvisy GTE 2007-2008

116 COURS 4. COMPRESSEURSIl s’agit d’un compresseur utilisé pour de petits besoins dans l’industrie : garage automobile,petit atelier de peinture, ... La technologie de ce compresseur est singulièrement différente :• le filtre/silencieux d’entrée est relativement grand• lubrification soignée par un circuit dédié• la pompe à huile est une pompe à engrenage intérieur• présence d’un filtre à huile• l’huile est refroidie par un échangeur de chaleur• un circuit de refroidissement à fluide dédié(eau, fluide frigorigène)est présent• un silencieux est présent à la sortie du compresseur• liaison souple pour ne pas transmettre les vibrationsII.5. Evaluation de la condensationOn rappelle que la pressiontotale de l’airhumide (mélange d’air et de vapeur d’eau) estégale à la somme des pressions partielles de l’air sec (p a ) et de la vapeur d’eau p v ,soit p = p a + p v .On note p vs,θ la pression partielle desaturation de la vapeur d’eau dans l’air à la températureθ. CADIERGUES du COSTIC 1 a proposé la relation suivante : p vs,θ = 10 ( 7625θ241+θ +2.7877) . On obtientgraphiquement :Pression de saturation en PaCourbe de saturation de l’air humide130001200011000100009000800070006000500040003000200010000-10 -5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50Température en ◦ C1 COmité Scientifique et Technique des Industries ClimatiquesIUT d’Evry - Brétigny - Juvisy GTE 2007-2008

COURS 4. COMPRESSEURS 117Ainsi la pression partielle de saturation de la vapeur d’eau dans l’air augmenterapidementavec la température.On définit l’humidité spécifique commme étant le rapport de la masse de vapeurd’eau contenue dans un volume d’air humide à la masse d’air sec contenue dans le même volume :r s = m vm a= d p vp − p vavec d la densité de la vapeur d’eau par rapport à l’air : d = 0.622On définit l’humidité relative comme étant le rapport entre la pression partielle dela vapeur d’eau dans l’air et la pression de saturation p vs,θ à la température de l’air :Ψ = p vp vs,θDès lors :r s = d Ψp v s,θp − Ψp vs,θApplication : On comprime de l’air initialement à p atm , d’humidité relative 40% à 8 bar absolu.Question : en supposant que la température finale et initiale sont toutes deux de 20 ◦ C, quelle est lamasse d’eau en g.kg −1air secqui va se condenser?A l’instant initial :r1 s 0.4 ∗ 2400= 0.622100000 − 0.4 ∗ 2400 = 0.006kg eau.kg −1A l’instant final :rsat s 1 ∗ 2400= 0.622800000 − 1 ∗ 2400 = 0.0019kg eau.kg −1Ainsi il se condenser s 1 − r s sat = 0.0041kg eau .kg −1air secair sec .air sec .On suppose de plus que le débit Q est de 10m 3 .h −1 , quelle masse d’eau a condensée au bout d’uneheure de fonctionnement?Il a circulé une masse ρ air ∗ Q ∗ ∆t = 1.2 ∗ 10 ∗ 1 = 12kg air , onnéglige ici la différence de masse volumique entre l’air sec et l’air humide.Soitm condensats = (r s 1 − r s sat) ∗ ρ air ∗ Q ∗ ∆t = 0.0041 ∗12 = 0.0492kg eau , donc environ 5cL de condensats seront produits en une heure defonctionnement.IUT d’Evry - Brétigny - Juvisy GTE 2007-2008

118 COURS 4. COMPRESSEURSII.6. Sécheur d’airSchéma de fonctionnement d’un sécheur d’air Quasar de marque Hiross :sortie air compriméentréeaircomprimépurge descondensatsévacuation de la chaleursur un réseau secondaireUn sécheur d’air de ce type est essentiellement constitué d’unemachine frigorifique.Le sécheur comporte un échangeur de chaleur qui sert a refroidir l’air compriméentrant à l’aide de l’air comprimé sortant, ce quiréchauffe l’air comprimésortant. On réalise ainsi deséconomies d’énergie. Le fonctionnementde la partie frigorifique sera étudié dans le prochain cours.IUT d’Evry - Brétigny - Juvisy GTE 2007-2008

COURS 4. COMPRESSEURS 119II.7. Déshuileur pour condensatsLes condensats récupérés par le sécheur d’air comportent de l’huile utilisée pour lalubrification du compresseur. La loi sur l’eau impose des niveau d’huile résiduelstrès faibles, il est donc nécessaire de séparerl’eau et l’huile dans les condensats.Vue d’un déshuileur de marque Air Comprimé Energie :Du fluide chargé en condensats pénètre au niveau du repère 1, l’air s’il y en aressort en partie supérieure après avoir perdu lesgoutellettes de condensats qu’ilpossédait.Les condensats se séparent de manière gravimétrique dans le bac numéro 2 : l’eauplus dense que l’huile se situe en bas.L’huile lorsqu’elle atteint le niveau supérieur s’écoule dans le tuyau de trop pleinnuméroté 3.L’eau remonte dans untube séparé (numéro 4), elle est évacuée par un tuyau de trop pleinlorsque son niveau le permet.Ce déshuileur a donc un fonctionnement très simple qui nécessite peu d’entretien.Il faut cependant veiller à vider régulièrement le bac collecteur d’huile.IUT d’Evry - Brétigny - Juvisy GTE 2007-2008

120 COURS 4. COMPRESSEURSIII.Les différentes technologiesIII.1. Compresseur à piston de réfrigérateur ménagerLe compresseur d’un réfrigérateurménager est qualifié demoto-compresseurhermétique. En effet dans un réfrigérateur le moteur estintégré dans le compresseurau sein d’une enveloppe métallique hermétique.Vue en coupe d’un compresseur hermétique de marque Danfoss :silencieuxentrée dufluidefrigorigène❅❅❅❅❅❅sortie dufluidefrigorigèneressort desuspensionpompe à huileIUT d’Evry - Brétigny - Juvisy GTE 2007-2008

COURS 4. COMPRESSEURS 121On remarque que lefluide frigorigène arrivant depuis l’extérieur passe parle moteur,ce qui permet de le refroidir. Une fois comprimé le fluide frigorigène passe par le silencieuxde refoulement, puis passe dans leréchauffeur d’huile : onfluidifie l’huile en la réchauffant, d’où une amélioration de la lubrification. L’arbremécanique estpercé, le passage ainsi créé sert decircuit d’huile de lubrification.Le moteur est montéverticalement en appui sur desressorts, le compresseur étantlui-même sur des appuis en polymèrevisco-élastique. Ces dispositions permettent d’absorberl’essentiel desvibrations du moteur, et ainsi de réduire de manière significative lebruitdu moteur.III.2. Compresseur à piston de machine frigorifiqueVue éclatée d’un compresseur à pistons de marque Bitzer :Les éléments essentiels sont :• le vilbrequin (arbre manivelle) pour lesquels deux technologies sont possibles• les pistons• la plaque à clapets• la pompe et le filtre à huile pour la lubrification• les vannes de serviceIUT d’Evry - Brétigny - Juvisy GTE 2007-2008

122 COURS 4. COMPRESSEURSIl existe deux technologies de vilbrequins qui sont associées à deux types de bielles :On note :• la présence de segments. Il existe en effet un écart fonctionnel entre lepiston et sa chemise, l’étanchéité est obtenue par le biais des segments.• les bielles sont suivant le type de vilbrequin soit monobloc, soit endeux parties liées entre elles par le biais de deux vis.• les vilbrequins sont munis d’un circuit de lubrification.IUT d’Evry - Brétigny - Juvisy GTE 2007-2008

COURS 4. COMPRESSEURS 123Le circuit de lubrification est usiné parperçage et est bouché par des bouchons vissés :On remarque les bielles sont percées, ce qui permet delubrifier l’axe des pistons.La pompe à huile est du type engrenage intérieur, l’huile est accumulée dans lecarter et est pompée au travers du filtre à huile :IUT d’Evry - Brétigny - Juvisy GTE 2007-2008

124 COURS 4. COMPRESSEURSLa plaque à clapets fait l’objet d’une attention particulière chez les fabricants, puisque ses caractéristiquesinfluencent directement le rendement du compresseur.Les clapets visibles sont les clapets de refoulement, ils sont fixés à la plaque à clapets parl’intermédiaire d’une tige filtée et d’un écrou.La vanne de service permet :• l’isolement du compresseur pour cela il faut tourner lecarré de manoeuvre situé sous le capuchon en plastique• le remplissage en fluide frigorigène de l’installation, ainsi que letirage au vide. Ceci par l’intermédiaire de la valve Schraeder protégéepar un capuchon métallique.• leraccordement au reste de l’installation. Ici par un raccord à souder,qui est lui-même vissé sur la vanne de service.• la valve Schraeder peut aussi servir à la mesure ponctuelle des pressionsd’entrée/sortie du compresseur.IUT d’Evry - Brétigny - Juvisy GTE 2007-2008

COURS 4. COMPRESSEURS 125III.3. Compresseur à lobesLes compresseurs à lobes possèdent plusieurs types de lobes : lobes classiques (2 ou 3) ou non. Leslobes non classiques (parfois appellés ✭ dents ✮) sont apparus avec l’amélioration des moyens de calculset d’usinage (usinage sur commande numérique).Coupe d’un compresseur à lobes (3) classiques :On note la présence depièces d’usure (en cuivre, plastique). Il existe en effet unfrottementimportant entre les lobes et le bâti. Attention le contact entre les lobes est normalementdu type contact sans glissement, comme pour des engrenagesà développante de cercle.IUT d’Evry - Brétigny - Juvisy GTE 2007-2008

126 COURS 4. COMPRESSEURSVue des ✭ lobes ✮ (non classiques) d’un compresseur Atlas Copco :On remarque que le profil est absolument non trivial.IUT d’Evry - Brétigny - Juvisy GTE 2007-2008

COURS 4. COMPRESSEURS 127III.4. Compresseur à engrenageCoupe d’un compresseur à engrenages :Ce type de compresseur est surtout utilisé en hydraulique de puissance.IUT d’Evry - Brétigny - Juvisy GTE 2007-2008

128 COURS 4. COMPRESSEURSIII.5. Compresseur à visIII.5..1 Forme des visVue des vis d’un compresseur à vis frigorifique de marque Bitzer :On retiendra que le profil des vis n’est absolument pas triangulaire.IUT d’Evry - Brétigny - Juvisy GTE 2007-2008

COURS 4. COMPRESSEURS 129III.5..2 Carter et tiroirVue du carter et du tiroir de régulation :On remarque l’emplacement réservé aux vis et celui du tiroir de régulationIUT d’Evry - Brétigny - Juvisy GTE 2007-2008

130 COURS 4. COMPRESSEURSIII.5..3 Economiseur et tiroirUn des avantages du compresseur à vis est sa capacité à fonctionner àcharge partielle.Un autre avantage est la possibilité d’obtenir une pseudo-machinebi-étagée en froid par le biaisde l’économiseur :Entrée dufluide frigorigèneEconomiseurSortiedu fluide frigorigèneEntrée de l’huilede lubrificationEn plus du mécanisme classique de commande du tiroir par l’huile de lubrification,on note la présence d’une arrivée de fluide frigorigène supplémentaire auniveau du tiroir. L’introduction de fluide frigorigène diphasique (avec des gouttes de liquide) permet derefroidir le gaz à comprimer et d’augmenter le rendement du compresseur.IUT d’Evry - Brétigny - Juvisy GTE 2007-2008

COURS 4. COMPRESSEURS 131III.6. Compresseur scrollIl s’agit d’un compresseur surtout utilisé pour lesmachines frigorifiques. Un scrollest constitué de deux spirales mobiles :Leprincipe du compresseur scroll date du début des années 1900. Cependantles difficultés de réalisation nécessitant des machines à commande numérique ont considérablementretardé l’apparition sur le marché du compresseur scroll.IUT d’Evry - Brétigny - Juvisy GTE 2007-2008

132 COURS 4. COMPRESSEURSLa compression s’effectue en trois étapes :• le gaz est aspiré• la poche de gaz est comprimée entre les spirales• le gaz comprimé est refouléIUT d’Evry - Brétigny - Juvisy GTE 2007-2008

COURS 4. COMPRESSEURS 133III.7. Compresseur mono-visVue d’une coupe d’un compresseur mono-vis de marque Compair :IUT d’Evry - Brétigny - Juvisy GTE 2007-2008

134 COURS 4. COMPRESSEURSIV.Compléments sur le compresseur à pistonIV.1. Clapets discusIl existetoujours un volume mort dans un compresseur à piston, il est essentielde leréduire au maximum. Une technologie développée par certains fabricants pourréduirele volume mort est la technologie✭✭ discus ✮✮.Soit un compresseur de type discus :Ici le piston s’éloigne de la plaque à clapet, le clapet d’admission est ouvert.On trouve, dans un compresseur à piston de type discus :• une plaque à clapets adaptée• un clapet annulaire d’aspiration• un clapet derefoulement rigide qui se déplace en translation dontla mise en position est assurée par un ressort (lame souple).• un passage assurant lalibre transmission de la pression derrière leclapet de refoulement.IUT d’Evry - Brétigny - Juvisy GTE 2007-2008

COURS 4. COMPRESSEURS 135IV.2. Description géométriqueLe piston varie entre le PMB et le PMH :• PMB : Point Mort Bas : position du piston pour laquellele volume de la chambre de compressionest maximal.• PMH :Point Mort Haut : position du piston pour laquelle le volumede la chambre de compression est minimal.Le diamètre du cylindre est appellé alésage, la distance PMB-PMH est appelléecourse. La cylindrée d’un cylindre est égal au volume parcouru par le piston :Cylindrée = Course π.Alésage24On appellevolume mort le volume qui n’est jamais parcouru par le piston, soit le volumede la chambre au PMH.On appelle débit théorique le volume balayé par le piston pendant une unitéde temps. Si la vitesse de rotation est N(tr.s −1 ) alors on a la relation suivante :Q théorique = Cylindrée.NOn définit le rendement volumétrique η v comme étant le rapport entre ledébit réel et le débit théorique :η v =Q réelQ théoriqueIUT d’Evry - Brétigny - Juvisy GTE 2007-2008

136 COURS 4. COMPRESSEURSIV.3. Tracé de principe du cycle dans le diagramme P − V chambreLe cycle d’un compresseur à piston est le suivant :• 1 → 2 compression• 2 → 3 refoulement à pression constante• 3 → 4 détente du gaz contenu dans l’espace mort• 4 → 1 aspirationIl n’y a pas d’échange de matière (système fermé) lors des étapes1 → 2 et 2 → 3, contrairement aux deux autres étapes. Comme toutes les étapes ne sont pas en systèmefermé, on ne considère pas le volume du gaz mais celui de la chambre de compression.On distingue quatre types de compresseur :idéal, théorique simplifié, théorique,réel.Le compresseur idéal :• pas de pertes d’entrée-sortie• volume mort nul• compression suivant une loi simpleOn obtient le diagramme P − V chambre suivant :PHP32BP 14PMHPMBV chambreCe compresseur esttrès éloigné de la réalité en premier lieu à cause du fait qu’ilexistetoujours un volume mort. Le gaz contenu dans le volume mort se détent lors de3 → 4. Ce qui conduit à une diminution importantedu rendement volumétrique.Le deuxième modèle de compresseur est le compresseur théorique simplifié• pas de pertes d’entrée-sortie• volume mort pris en compte• compression et détente suivant des lois simplesIUT d’Evry - Brétigny - Juvisy GTE 2007-2008

COURS 4. COMPRESSEURS 137Dans le diagramme P − V chambre on obtient :PHP32BP 14PMHPMBV chambreLe rendement volumétrique est pour ce compresseur :η v = V 1−V 4V 1 −V 3On voit donc graphiquementl’influence très importante de l’espace mort surle rendement volumétrique.Note : Le travail sur un cycle est donné par l’aire du cycle. Ce modèle relativement simple donne uneidée réaliste du travail. Par contre le rendement volumétrique donné par ce modèle n’est pas réaliste. Ilfaut donc modifier ce modèle.Le troisième modèle de compresseur est le compresseur théorique• pertes d’entrée-sortie constantes• volume mort pris en compte• compression et détente suivant des lois simplesDans le diagramme P − V chambre on obtient :PHP32BPPMH44’1’1PMBV chambreLe rendement volumétrique devient :η v ≈ V 1 ′ − V 4 ′V 1 − V 3Remarque : la précédente formule n’est pas tout à fait exacte, en effet le cylindre et le piston sontchauds. Le gaz aspiré étant réchauffé lors de l’aspiration, le rendement volumétrique est légèrement plusfaible que ce que donnerait la formule donnée.IUT d’Evry - Brétigny - Juvisy GTE 2007-2008

138 COURS 4. COMPRESSEURSCe modèle donne une valeur tout à fait acceptable du travail et du rendement volumétrique. Il estcependant assez lourd dans les calculs.Enfin pour le compresseur réel, le diagramme P − V chambre est :PHP32BPPMH4’1’14 V chambrePMBIl apparaît des oscillations de clapet qui conduisent à des pertes d’entrée sortie non constantes. L’airede ce cycle donne le travail réel que l’on nomme travail indiqué (par le diagramme).Toute la difficulté de la thermodynamique des compresseurs à piston est liée aux points suivants :• instationnarité• système ouvert• compressions et détente non idéales• échanges de chaleur complexes• ...Complément : démonstation relative au travail du piston. En thermodynamique, il est possible detraiter ✭ facilement ✮ les systèmes dits fermés. Pour les systèmes ouverts, il n’est possible de donner deséléments que quand le système est stationnaire, ... Ce qui est le cas pour les turbines à vapeur, turboréacteurs...Dans le cas des compresseurs à piston l’instationnarité pénalise toute approche théoriquesimple.Dans le cas où l’on dispose du diagramme P − V chambre on a le droit d’écrire que le travail du piston(pour un cycle) est donné par la formule suivante :∮W piston = −PdV chambreEn effet δW piston = −→ F fluide/piston .d −→ x piston = −PSdx piston = −PdV chambreAinsi on supprime une difficultée liée au système (fluide) ouvert en effectuant non pas le bilan sur lefluide mais sur le piston.IUT d’Evry - Brétigny - Juvisy GTE 2007-2008

COURS 4. COMPRESSEURS 139IV.4. Etude de la compression 1 → 2La compression 1 → 2 se déroule ensystème fermé, il n’y a pasd’échange demasse.La compression d’un compresseur parfaitementisolé (+ hyposthèse de réversibilité) estisentropique.A l’inverse la compression d’un compresseur parfaitement refroidi estisotherme.Entre ces deux extrèmes on modélise souvent l’évolution par des compressionspolytropiquespour lesquelles PV k = constante avec k le coefficient polytropique de la compression.Le coefficient k prend les valeurs suivantes :• k = 1 : compression isotherme• k ∈]1, γ[ : compression polytropique de coefficient k• k = γ : compression isentropique (adiabatique réversible)Les évolutions sont les suivantes :1098isothermepolytropique : k=1.2isentropiquePression en bar absolu765432100 0.025 0.05 0.075 0.1 0.125 0.15 0.175V chambre en LDans ce graphique le point commun est le suivant : P = 1bar et V = 0.167LLe travail est donc nettement plus faible lorsque la compression est isotherme.Le travail du piston est le suivant : W 1→2 = − PdV chambre = P 2V 2 − P 1 V 1si la compression1k − 1 ( )V1n’est pas isotherme. Pour une compression isotherme le travail est W 1→2 = P 1 V 1 lnV 2∫ 2IUT d’Evry - Brétigny - Juvisy GTE 2007-2008

140 COURS 4. COMPRESSEURSIV.5. Cas à deux étages de compressionLa compression est bi-étagée sur la plupart des compresseurs :RefroidisseurEntréeCompresseur BPCompresseur HPSortieCette disposition permet :• d’augmenter le rendement en se rapporchant de la compressionisotherme• d’augmenter le taux de compression (il existe unelimite de taux de compression par étage)• ...La pressionintermédiaire est en général la suivante (résultat d’une optimisation énergétique) :P i = √ HP.BP.Le débit masse étant le même à chaque étage, le débit volume est plus faible à l’étageHP qu’à l’étage BP ainsi la cylindrée HP est plus faible que la cylindrée BP.IV.6. Courbe caractéristique d’un compresseur à pistonEn pratique le compresseur à piston est quasi-volumétrique (par rapport à unemachine centrifuge de type pompe). On obtient la courbe caractéristique de fonctionnement suivante :τ1QQ thAvec τ le taux de compression défini par :τ = HPBPExpérimentalement on vérifie que l’on a la relation suivante : η v = a − b ∗ τ avec avariant entre 0.6 et 1, b variant entre 0.02 et 0.07.IUT d’Evry - Brétigny - Juvisy GTE 2007-2008

COURS 4. COMPRESSEURS 141Exemples de questions d’examen :1) Qu’est-ce qu’un compresseur bi-étagé?2) Définissez une compression polytropique.3) Qu’est-ce qu’un compresseur à vis ?4) Quelle est la source des condensats dans une installation d’air comprimé?5) Comment fonctionne un déshuileur gravimétrique?6) Décrivez un compresseur de réfrigérateur ménager.7) En quoi consiste la technologie ✭ discus ✮ ?8) Qu’est-ce qu’un compresseur scroll?9) Pour augmenter le rendement d’un compresseur, il faut le refroidir ou l’isoler? pourquoi?10) Quels sont, en plus du compresseur, les éléments standard d’une installation d’air comprimé?11) Quel est l’ordre de grandeur de la masse d’eau par m 3 d’air dans les conditions atmosphériques?IUT d’Evry - Brétigny - Juvisy GTE 2007-2008

142 COURS 4. COMPRESSEURSIUT d’Evry - Brétigny - Juvisy GTE 2007-2008

Cours 5Machines FrigorifiquesContenu du coursI. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144II. Une machine connue : le réfrigérateur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145III. Le cycle frigorifique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146III.1. Présentation du cycle frigorifique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146III.2. Le diagramme des frigoristes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147III.3. Le cycle frigorifique dans le diagramme des frigoristes . . . . . . . . . . . . . 151III.4. Exercice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154IV. Régulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161IV.1. Vue d’ensemble . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161IV.2. Détenteurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162IV.3. Pressostats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167V. Autres organes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168V.1. Vanne solénoide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168V.2. Voyant liquide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168V.3. Filtre dessicant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169V.4. Bouteille anti-coup de liquide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169VI. Une machine frigorifique particulière : la pompe à chaleur . . . . . . . . . . . . . . . 170VI.1. Principe de la pompe à chaleur (PAC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170VI.2. La PAC réversible . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170

144 COURS 5. MACHINES FRIGORIFIQUESI. IntroductionProduire du froid, pourquoi?• conservation des aliments classiques : le froid réduit l’activité biologique(bactéries, virus, ...) et permet ainsi de conserver les aliments classiques.• nouveaux aliments : le froid a permis le développement de nouveauxproduits : glaces et sorbets.• climatisation : en distribuant de l’eau glacée (en régime 7/12 ◦ C), onpeut maintenir la température des locaux à 19 ◦ C quelque soit les températuresextérieures.• découpe des caoutchouc : il est extrèmement difficile dedécouper même grossièrement les caoutchouc à température ambiante. Cependantà faible température (−50 ◦ C et moins) les caoutchouc durcissent et leur découpeest alors possible.• cryochirurgie : la glace est moins dense que l’eau liquide, l’eau descellules en cristallisant augmente de volume et conduit à la mort des cellules suiteà l’explosion des membranes cellulaires.• liquéfaction des gaz : l’azote et l’oxygène ne sont liquéfiables qu’àtrès basse température.• thermographie infrarouge : la moitié des caméras infrarougessont refroidies à basse température afin de limiter le bruit (dans les mesures)d’origine thermique.• ...IUT d’Evry - Brétigny - Juvisy GTE 2007-2008

COURS 5. MACHINES FRIGORIFIQUES 145II.Une machine connue : le réfrigérateurLe réfrigérateur ménager est la machine frigorifique la plus simple et la plusrépandue.Un fluide frigorigène via ses changements d’états (gaz/liquide) permet defaire passer la chaleur de la sourcefroide (zone àbasse température) vers la sourcechaude(zone à haute température).Une vue schématique est la suivante :3Grille noire2Compresseur4Freezer1Le cycle frigorifique est le suivant :• 1→2 : le fluide gazeux est comprimé dans le compresseur.• 2→3 : le fluide va passer progressivement de l’état gazeux à l’état liquide dans lecondenseur (la grille noire). Le fluide frigorigène doit transmettre pourcela la chaleur liée au changement de phase à l’air de la pièce.• 3→4 : la pression du fluide diminue dans undétendeur capillaire(tube de petit diamètre)• 4→1 : le fluide s’évapore (ie passe de liquide à gaz) dansl’évaporateur(le ✭ freezer ✮) et absorbe la chaleur de l’air du réfrigérateur et des aliments.De manière générale, on préfère remplacer ledétendeur capillaire par un(vrai)détendeur, c’est-à-dire un composant qui détend le fluide frigorigène et quirégule la bassepression.IUT d’Evry - Brétigny - Juvisy GTE 2007-2008

146 COURS 5. MACHINES FRIGORIFIQUESIII.Le cycle frigorifiqueIII.1. Présentation du cycle frigorifiqueUne machine frigorifique de base comporte les éléments suivants :• un compresseur (vis, mono-vis, piston, scroll, ...)• un condenseur• un détendeur• un évaporateurLa disposition physique d’une machine frigorifique est la suivante :3Condenseur2DétendeurCompresseurHP : Haute PressionBP : Basse Pression4Evaporateur1Passage progressif du fluide de : liquide à gazUn (vrai) détendeur a besoin d’une information sur l’état du fluide à lasortie de l’évaporateur (entrée du compresseur) pour pouvoir réguler l’installation. Pour cela ledétendeur est muni d’un bulbe :Détendeurtube de liaisonEvaporateurLe bulbe contient du fluide frigorigène dont la température est celle de laconduite du fluide frigorigène de l’évaporateur, ce qui détermine lapression dans le bulbe.Le détendeur se sert de cette pression pour réguler la détente du fluide frigorigène.IUT d’Evry - Brétigny - Juvisy GTE 2007-2008

COURS 5. MACHINES FRIGORIFIQUES 147III.2. Le diagramme des frigoristesLes frigoristes utilisent de manière courante le diagramme log(P)-h :log(P)courbe de saturationliquidegazliquide + gazhOn peut tracer un ensemble de courbes caractéristiques dans ce diagramme, la première étant lacourbe d’isotempérature dénommée✭✭ isotherme ✮✮ :log(P)isothermehIUT d’Evry - Brétigny - Juvisy GTE 2007-2008

148 COURS 5. MACHINES FRIGORIFIQUESL’isotherme est verticale dans la zone liquide, horizontale dans le mélangeliquide+gaz, une courbe descendante dans la zone gaz.Remarque : l’isotherme n’est horizontale (pour le mélange liquide-vapeur) que pour lesfluides frigorigènes se comportant comme des gaz purs. On qualifie ces fluides frigorigènesd’azéotropiques. Le cas des fluides zéotropiques dépasse l’objectif de ce cours et sera traitédans le cadre du cours de machines frigorifiques en deuxième année.zéotrope ou zéotropique : (du grec zeîn (bouillir) et tropos (action de tourner))se dit d’un mélange liquide qui bout à températurevariable en perdant sa composition fixe.La deuxième courbe caractéristique est l’isentrope ou courbe de même entropie :log(P)isentropeisentrope✂ ✂✂✂✂✂✂✂✂✂✂✂✂✂✂ ✂ ✂✂✂✂✂✂✂✂✂✂✂ ✂✂✂ ✂✂✂✂✂✂✂✂✂✂✂✂ ✂✂✂✂✂✂✂✂✂✂✂✂✂✂ hLes isentropes sont des courbes inclinées vers la droite. On rappel que la notation classique del’entropie est ✭ s ✮.IUT d’Evry - Brétigny - Juvisy GTE 2007-2008

COURS 5. MACHINES FRIGORIFIQUES 149La troisième courbe est la courbe caractérisant le poucentage de vapeur (en masse) dans le mélange.On définit le titre que l’on note x :x =masse de la vapeur dans le mélangemasse totale du mélangeCes courbes sont appellées isotitres :log(P)isotitrehOn trouve en général les isotitres pour x= 0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,0.6,0.7,0.8,0.9. La courbe desaturation coté liquide correspond bien entendu à x=0 et la courbe de saturation coté gazà x=1.IUT d’Evry - Brétigny - Juvisy GTE 2007-2008

150 COURS 5. MACHINES FRIGORIFIQUESOn trouve ensuite les courbes d’isovolume (massique) ou isochores :log(P)isochorehBilan :log(P)isothermeisotitreisentrope✂ ✂✂✂✂✂✂✂✂✂✂✂✂✂ ✂ ✂✂✂✂✂✂✂✂✂✂✂✂ ✂isentropeisochore✂ ✂✂✂✂✂✂✂✂✂✂✂✂✂ ✂ ✂✂✂✂✂✂✂✂✂✂✂✂ ✂hIUT d’Evry - Brétigny - Juvisy GTE 2007-2008

COURS 5. MACHINES FRIGORIFIQUES 151III.3. Le cycle frigorifique dans le diagramme des frigoristesSoit la machine suivante :3Condenseur2DétendeurCompresseurHP : Haute PressionBP : Basse Pression4Evaporateur1Passage progressif du fluide de : liquide à gazLes évolutions thermodynamiques sont :• 1 → 2 : proche d’une évolution isentropique• 2 → 3 : à pression constante• 3 → 4 : à enthalpie constante• 4 → 1 : à pression constanteLe cycle dans le diagramme des frigoristes est donc :HPlog(P)sous-refroidissement àla sortie ducondenseur :5 à 8K32BP41surchauffe àl’aspiration : 5 à 8KhLe trait discontinu correspond à l’isentrope passant par le point 1.IUT d’Evry - Brétigny - Juvisy GTE 2007-2008

152 COURS 5. MACHINES FRIGORIFIQUESLe diagramme des frigoristes permettant d’obtenir l’enthapie du fluide frigorigène, on peut effectuerquelques calculs, le débit massique du fluide frigorigène est noté ◦ m :• la puissance frigorique est : ◦ Q f = ◦ m (h1 − h4)• la puissance fournie au fluide frigorigène par le compresseur est :◦W= ◦ m (h2 − h1)• la puissance calorifique à évacuer au condenseur est : ◦ Q c = ◦ m (h3 − h2)• le COP (Coefficient Of Performance) est :◦Q f◦COP = = h 1 − h 4hW 2 − h 1On peut facilement exprimer le COP de carnot : COP carnot :• le bilan énergétique donne :W + Q f + Q c = 0Q f• pour une machine réversible : + Q c= 0T f T c[On en déduit : W = −Q f 1 + Q ]cet Q c= − T cQ f Q f T fSoitCOP carnot = Q fW = T c − T fATTENTION : dans cette formule il faut exprimer Ten K (Kelvin)Rappel : T(K) = 273.16 + θ( ◦ C)On définit :COPT f• le rendement : η =COP carnot• le taux de compression : τ = HPBPLe COP carnot est donc très élevé lorsque la température de condensation est proche de latempératured’évaporation, et diminue rapidement lorsquel’écart de températureaugmente. Les figures de la page suivante illustrent cette évolution.IUT d’Evry - Brétigny - Juvisy GTE 2007-2008

COURS 5. MACHINES FRIGORIFIQUES 153On peut tracer l’évolution du COP carnot pour T f = 5 ◦ C :30COP carnot pour T f = 5 ◦ C272421COPcarnot18151296305 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60T c en ◦ COn peut tracer l’évolution du COP carnot pour T c = 35 ◦ C :30COP carnot pour T c = 35 ◦ C272421COPcarnot1815129630-50 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 30 35T f en ◦ CIUT d’Evry - Brétigny - Juvisy GTE 2007-2008

154 COURS 5. MACHINES FRIGORIFIQUESIII.4. ExerciceOn considère une machine :• fluide frigorigène : R134a• température d’évaporation : T f = 0 ◦ C• température de condensation : T c = 50 ◦ C• surchauffe : SC = 12K• sous-refroidissement : SR = 12K• température en fin de compression : T 2 = 70 ◦ COn va tracer pas à pas le cycle dans le diagramme log(P)-h suivant :Note : ce diagramme a été tracé par le logiciel ✭ coolpack ✮ qui est gratuit et disponible sur internet.On désire aussi déterminer :• le COP carnot de ce cycle• l’enthalpie au point 1,2,3 et 4• la HP et la BP• le taux de compression• le COP du cycle• le rendement du cycleIUT d’Evry - Brétigny - Juvisy GTE 2007-2008

COURS 5. MACHINES FRIGORIFIQUES 155On connait les températures de condensation et d’évaporation, on peut donc calculer le COP carnot :COP carnot =T f= 273.16 + 0T c − T f 50 − 0= 5.46La première étape du tracé consiste à tracer les iso-pressions du condenseur et del’évaporateur. Pour cela, on utilise la connaissance de la température de condensation etde la température d’évaporation. De plus le R134a est un fluide azéotropique, ainsiil y a une correspondance univoque entre la pression et la température sous la courbe desaturation. Dès lors :HPBPLa BP est donc voisine de 3bar. La HP est comprise entre 10 et 20 bar. L’échelleétant logarithmique, sa lecture n’est pas triviale.On a : Log a (20) − Log a (2) ∧ = 5.9cm et Log a (HP) − Log a (2) ∧ = 4.8cmD’où HP = 2 ∗ ( ) 4.8 !20 5.92= 13bar d’après 5.7Le taux de compression est donc :τ = HPBP = 4.3IUT d’Evry - Brétigny - Juvisy GTE 2007-2008

156 COURS 5. MACHINES FRIGORIFIQUESLire une échelle logarithmiqueOn se place en base a (a supérieur strictement à 1,a=e (2.7183...) ou 10 par exemple).L P1−P incL P1−P 2log a (P)log a (P 1 ) log a (P inc ) log a (P 2 )Les valeurs P 1 et P 2 sont connues et on désire connaître la valeur de P inc .On a les relations :L P1−P inc= k (log a (P inc ) − log a (P 1 )) (5.1)L P1−P 2= k (log a (P 2 ) − log a (P 1 )) (5.2)k étant un coefficient du tracé graphiqueOn peut écrire 1 kde deux manières différentes d’où :1k = log a (P inc ) − log a (P 1 )L P1−P inc= log a (P 2 ) − log a (P 1 )L P1−P 2(5.3))Orlog a (x) − log a (y) = log a( xy, ainsi :D’où :( )Pinclog a = L ( )P 1−P inc P2log aP 1 L P1−P 2P 1P inc = P 1 ∗ exp a[LP1−P incL P1−P 2log a(P2P 1)](5.4)(5.5)Et comme exp a (xy) = (exp a (x)) y :[ ( )])P inc = P 1 ∗(exp „ «L P1 −P incP2 L P1 −P 2a log aP 1(5.6)Et finalement, la formule utilisée en page précédante :P inc = P 1 ∗( ) ( )L P1 −P incP2L P1 −P 2P 1(5.7)Le résultat est indépendant dela base a choisie pour le logarithme etdu coefficientk du tracé graphique.IUT d’Evry - Brétigny - Juvisy GTE 2007-2008

COURS 5. MACHINES FRIGORIFIQUES 157Ensuite on place le point 1 en utilisant la valeur de la surchauffe à savoir 12K, par décalage graphiquede l’isotherme 10 ◦ C :log(P)isotherme T f + SCBPhHPBPOn en déduit l’enthalpie au point 1 :h 1 = 410kJ.kg −1h 1IUT d’Evry - Brétigny - Juvisy GTE 2007-2008

158 COURS 5. MACHINES FRIGORIFIQUESOn procède de même pour placer le point 2 (T 2 = 70 ◦ C) :log(P)HPBPHPD’où l’enthalpie au point 2 :h 2 = 446kJ.kg −1 .isotherme T 2hh 1 h 2IUT d’Evry - Brétigny - Juvisy GTE 2007-2008

COURS 5. MACHINES FRIGORIFIQUES 159Et encore de même pour le point 3 (SR = 12K), le point 4 sera déduit en traçant la verticale passantpar le point 3 :log(P)HPhHPBPh 3isotherme T c − SRh 1 h 2D’où l’enthalpie au point 3 et 4 :h 3 = h 4 = 250kJ.kg −1IUT d’Evry - Brétigny - Juvisy GTE 2007-2008

160 COURS 5. MACHINES FRIGORIFIQUESEnfin on supprime les traits inutiles, pour ne laisser que le cycle :Et on a :• le COP :COP = h 1−h 4h 2 −h 1= 4.4• le rendement :η =COPCOP carnot= 0.8IUT d’Evry - Brétigny - Juvisy GTE 2007-2008

COURS 5. MACHINES FRIGORIFIQUES 161IV.RégulationIV.1. Vue d’ensemblesonde de températuredétendeur àégalisationexternepressostats :✏ ✏✏ BPHPbulbe du détendeurprise de pressiondu détendeurfiltre d’aspirationbouteilleanti-coupde liquidevannesolénoidevoyant liquidefiltredeshydrateurrégulateurde vitessevannemanuelleréservoirde liquidepressostat différentielséparateur d’huileIUT d’Evry - Brétigny - Juvisy GTE 2007-2008

162 COURS 5. MACHINES FRIGORIFIQUESIV.2. DétenteursIl existe 5 types de détendeurs :• détendeur (à tube) capillaire• détendeur thermostatique à égalisation interne• détendeur thermostatique à égalisation externe• détendeur électronique à impulsions• détendeur électronique proportionnelIV.2..1 Détendeur capillaireLe détendeur capillaire est le détendeur le plus simple, il s’agit en fait d’un tube de petitdiamètre qui provoque une forte perte de charge. Ce détendeur ne régulepas l’installation.Il existe plusieurs fabricants/distributeurs de tubes capillaires. Refco (par exemple) commercialiseles tubes suivants (en bobines de 30m) :φ int en mm 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.25 1.3 1.4 1.5 1.6 1.8 1.9 2.0 2.3φ ext en mm 1.9 2.0 2.1 2.2 2.3 2.45 2.5 2.6 2.7 2.8 3.0 3.1 3.2 3.5Les diamètres étantfaibles, il existe des outils pour vérifierfacilement les dimensionsdes tubes capillaires (documentation Refco) :IUT d’Evry - Brétigny - Juvisy GTE 2007-2008

COURS 5. MACHINES FRIGORIFIQUES 163IV.2..2 Détendeurs thermostatiquesLes détendeurs thermostatiques sont desvannes commandées de manière automatique enouverture/fermeturede manière continue. Le détendeur thermostatique cherche à obtenirune surchauffe à la sortie de l’évaporateur fixe :log(P)1surchauffe àl’aspiration : 5 à 8KhLaposition de la vanne estcommandée par la différence entre la pression du fluidefrigorigène qui règne dans le bulbe et la pression• à l’entrée de l’évaporateur : égalisation interne• à la sortie de l’évaporateur : égalisation externeLe détendeur à égalisation interne est utilisable si la perte de charge de l’évaporateur estfaible (moins de 0,4bar), dans le cas contraire il faut utiliser un détendeur à égalisation externe.IUT d’Evry - Brétigny - Juvisy GTE 2007-2008

164 COURS 5. MACHINES FRIGORIFIQUESSoit un détendeur thermostatique à égalisation interne :tube de liaisonDétendeurEvaporateurLe bulbe contient un fluide frigorigène à l’état demélange, le fluide qu’il contient est azéotropique.Ainsi la température du bulbe impose la pression dans le bulbe :log(P)P bulbe1isothermehIUT d’Evry - Brétigny - Juvisy GTE 2007-2008

COURS 5. MACHINES FRIGORIFIQUES 165Coupe d’un détendeur thermostatique à égalisation interne de marque Emerson :capillaire de liaisonsoufflet✬✩✫✪❆❆❆❆❆❆❆ vis de réglagepointeau solidaire de la tige de commandeLa position du souflet est imposée par les forces exercées par :trou d’équilibragebulbe• la pression dans le bulbe (liée à la température à la sortie de l’évaporateur)• la pression à l’entrée de l’évaporateur• la force exercée par le ressortLa vis de réglage sert à réglerla valeur de la surchauffe à atteindre.Le détendeur peut être :• trop petit : la puissance frigorifiquene sera pas atteinte du faitd’un débit de fluide frigorigène insuffisant• adapté : tout se passe bien• trop gros : le pompage (variation du débit) est très importantIUT d’Evry - Brétigny - Juvisy GTE 2007-2008

166 COURS 5. MACHINES FRIGORIFIQUESDans le cas où la perte de charge de l’évaporateur est importante, ilfaut utiliser un détendeur à égalisation externe. La pression n’est plus prise à l’entréede l’évaporateur mais à la sortie de l’évaporateur, pour cela il faut rajouter uneprise de pression externe :tubes de liaisonDétendeurEvaporateurOn rajoute donc un tube depetit diamètre dans le but de transmettre audétendeurla valeur de la pression à la sortie de l’évaporateur.IV.2..3 Détendeurs électroniquesHistoriquement pour les fortes puissances, on installait des vannes commandées par despilotes...Cette technologie est en train de disparaître au profit des détendeurs électroniques.Les détendeurs électroniques sont des vannes commandées par :• un électro-aimant : détendeur électronique à impulsions.La régulation s’effectue par variation du rapport cyclique. Le détendeurs’ouvre et se ferme régulièrement, on fait varier le rapport du temps d’ouverturesur le temps du cycle (ouverture-fermeture).• un moteur pas à pas : détendeur électronique proportionnel.La régulation s’effectue par ouverture/fermeture progressive de lavanne.IUT d’Evry - Brétigny - Juvisy GTE 2007-2008

COURS 5. MACHINES FRIGORIFIQUES 167IV.3. PressostatsLes pressostats servent à :• la conduite de l’installation : pressostat différentiel d’huile ...• la protection de l’installation : pressostat de sécurité HP ...Schéma de principe d’un pressostat de marque Danfoss :Vis de réglagecontact HPcontact BPcontact commun❳ ❳❳❳ ❳ ❳souffletLe fluide frigorigène exerce un effort surle soufflet, ce qui déplace latige de commande.La tige de commande est liée avec le contact électrique mobile. Onnote la présence d’unréglage (du niveau de pression de déclenchement) par molette enpartiesupérieure.Il existe une multitude de pressostats :• à réarmement manuel/automatique• HP/BP/différentiel• pour fluide frigorigène/huile• mécanique/électronique• ....IUT d’Evry - Brétigny - Juvisy GTE 2007-2008

168 COURS 5. MACHINES FRIGORIFIQUESV. Autres organesV.1. Vanne solénoideUne vanne solénoide comporte un électro-aimant qui agit sur un pointeau/membranepour ouvrir ou fermer la vanne.Coupe d’une vanne solénoide de marque Sporlan :V.2. Voyant liquideUn voyant liquide s’installe aprèsle condenseur. Il permet de contrôler l’état du fluide :présence ou absence de gaz. Les voyants liquides donnent en général uneindicationsur l’humidité du fluide frigorigène par l’intermédiaire d’une substance qui changede couleur en fonction de sa teneur en eau.IUT d’Evry - Brétigny - Juvisy GTE 2007-2008

COURS 5. MACHINES FRIGORIFIQUES 169V.3. Filtre dessicantUn filtre dessicant fixe l’eau contenue dans le fluide frigorigène. L’eau est préjudiciable àplusieurs titres :• formation de glace aux points froids qui empêche le passage dufluide frigorigène• réaction chimique avec l’huile de lubrification entrainant la formationd’acides• corrosion• ...Il existe des filtres dessicants de tailles très diverses, la masse du matériau absorbantl’humidité allant de quelques grammes pour un réfrigérateur ménager à plusieurs kilogrammespour une installation de taille moyenne.V.4. Bouteille anti-coup de liquideSi la surchauffe est insuffisante (voire négative) à l’aspiration du compresseur, alors lecompresseur peut aspirer desgouttes de liquide. Il est possible que le compresseur aspireun lot de gouttes voir même un bouchon de liquide, dans ce cas le compresseur seraendommagé. Afin de supprimer ce risque, il est possible d’installer une bouteille anti-coup deliquide :sortie entreegazliquideIUT d’Evry - Brétigny - Juvisy GTE 2007-2008

170 COURS 5. MACHINES FRIGORIFIQUESVI.Une machine frigorifique particulière : la pompe à chaleurVI.1. Principe de la pompe à chaleur (PAC)Une pompe à chaleur est une machine frigorifique inversée, on ne s’intéresse plus aufroid produità l’évaporateur mais à la chaleur produite au condenseur.VI.2. La PAC réversibleUn cas particulier de PAC est la PAC réversible (d’après une documentation Carrier) :murextérieurintérieur: cas étémurextérieurintérieur: cas hiverIUT d’Evry - Brétigny - Juvisy GTE 2007-2008

COURS 5. MACHINES FRIGORIFIQUES 171Dans une pompe à chaleur réversible le fluide circule toujours dans lemême sens pourle compresseur. L’inversion du sens de circulation pour les condenseurs/évaporateurs sefait par une vanne dédiée dite vanne 4 voies d’inversion de cycle.La vanne 4 voies d’inversion de cycle est pilotée par une électrovanne externe.L’électrovanne commande par l’intermédaire du fluide frigorigène la position d’un tiroirdans la vanne 4 voies, dont le mouvement se traduit par une inversion de cycle.EV13 4• EV : électrovanne de la vanne pilote• 1 : refoulement du compresseur• 2 : aspiration du compresseur• 3 et 4 : entrées-sorties des condenseurs-évaporateursIUT d’Evry - Brétigny - Juvisy GTE 2007-20082

Exemples de questions d’examen :1) Quel est le schéma de principe d’une machine frigorifique élémentaire?2) Qu’est-ce que le bulbe d’un détendeur? A quoi sert-il?3) Tracez-un diagramme log(P)-h élémentaire? Quelle est la signification des différentes courbes?4) Soit COP carnot = T fT c − T f, complétez le tableau suivant :T c ( ◦ C) T f ( ◦ C) COP carnot40 10 9.4340 540 050 1050 550 05) Qu’est-ce qu’un filtre dessicant?6) Définissez le COP d’une machine frigorifique.7) Quelle relation existe-t-il entre l’enthalpie en entrée/sortie de l’évaporateur et la puissance frigorifique?8) Qu’est-ce que la surchauffe?9) Que régule un détendeur thermostatique?10) Quels sont les différents types de détendeurs électronique?11) Quel est le nom du composant permettant l’inversion de cycle dans une PAC réversible?12) Qu’est-ce qu’une PAC?

Cours 6ComplémentsContenu du coursI. Chaudières et brûleurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174I.1. Capacité gaz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174I.2. Production de l’eau chaude sanitaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175I.3. Evolution du rendement des chaudières . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176II. Réseaux de fluides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178II.1. Bouteille de découplage hydraulique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178III. Pompes et ventilateurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179III.1. Caractéristiques de vannes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179IV. Compresseurs et machines frigorifiques : economiseur . . . . . . . . . . . . . . . . . 184

174 COURS 6. COMPLÉMENTSI. Chaudières et brûleursI.1. Capacité gazLa capacité gaz est installée entre le détendeur et le brûleur. Elle sert àcréer un volume tampon à la pression d’alimentation, ce qui améliore la stabilité de lapression d’alimentation en gaz.arrivéede gazdétente capacité gaz brûleur et chaudièreLe volume de la capacité (en L) estégal au millième du débit de gaz en m 3 .h −1Exemple : Soit une chaudière gaz de puissance 72kW pour laquelle le rendement global est de 90%,quel est le volume de la capacité gaz à installer?On utilise le PCI du gaz naturel (10.4kWh.m −3 (n)) pour déterminer le débit degaz en fonctionnement nominal :Q =PηPCI = 720.9 ∗ 10.4 = 7.7m3 .h −1Le volume de la capacité gaz est donc de 7.7LLa capacité gaz est souvent constituée par unecanalisation de fort diamètre.On désire que la capacité gaz soit taillée dans un tube de longueur 1.3m, quel doit être son diamètre?Le volume V d’un cylindre de diamètre D et de longueur L estV = πD2 L4Dès lors le diamètre intérieur de la canalisation doit être supérieur à :D =√ √4V 4 ∗ 0.0077πL = π ∗ 1.3= 0.0869 = 8.7cmIUT d’Evry - Brétigny - Juvisy GTE 2007-2008

COURS 6.COMPLÉMENTS 175I.2. Production de l’eau chaude sanitaireIl existedeux modes principaux de production de l’ECS(Eau ChaudeSanitaire) : production instantannée ou production à accumulationEn production instantannée, la température de l’eau chaude varie fortement. Tandisque le volume d’eau tampon en accumulation garanti une température à peu prèsconstante aux points de puissage.Dans une installation à accumulation, la préparation de l’ECS et son stockage se fait dans un BECS(Ballon Eau Chaude Sanitaire) :isolationsur toutela périphériedépart ECSanodetrou pour sondede températurearrivée chaudièredépart chaudièrearrivée EFSIl n’y a pas de contact direct entre l’eau du circuit de chauffage et l’ECS. L’échangede chaleur entre les deux fluides se fait au travers de la paroi métallique duserpentin.L’anode sacrificielle en magnésium va se dissoudre au cours du temps, en protégant lereste du BECS de la corrosion.IUT d’Evry - Brétigny - Juvisy GTE 2007-2008

176 COURS 6. COMPLÉMENTSI.3. Evolution du rendement des chaudièresLe rendement est : η =P utileP absorbeeOn a :P absorbee = P utile + P perdueD’où : η =P utileP absorbee= P absorbee − P perdueP absorbee= 1 − P perdueP absorbeeLa puissance absorbée d’une chaudière est l’énergiefournie par le combustible.Il existe deux sources de pertes :• les pertes de chaleur au travers des parois vers la chaufferie• les pertespar les fumées qui n’ont pas été refroidies jusqu’à latempératurede l’air de la chaufferiePour une chaudière très ancienne, la répartition est la suivante :pertes par les fuméesénergie utilepertes par les paroisLe rendementtrès faible (ici 50%) était la conséquence d’une absence d’isolationpériphérique et d’un rejet de fumées à haute température.Pour une chaudière récente, la répartition est la suivante :pertes par les fuméespertes par les paroisénergie utileLe rendement est alors élevé (94%). Pour atteindre un niveau aussi faible de pertes par lesfumées, il faut :• une température des fumées en sortie de chaudière faible (moins de 120 ◦ C).• supprimer l’effet de cheminée à l’arrêt du brûleurA l’arrêt du brûleur, la paroi intérieur de la chaudière est chaude. La colonne d’airchaud dans la cheminée étantplus légère que la colonne d’air àl’extérieur dubâtiment, il existe une circulation parasite d’air à l’arrêt du brûleur. Cettecirculation diminue le rendement de la chaudière en augmentant les pertes par les fumées.IUT d’Evry - Brétigny - Juvisy GTE 2007-2008

COURS 6.COMPLÉMENTS 177Pour supprimer la circulation d’air à l’arrêt, il est possible d’installer un volet d’air àressort :En position ouverte, une vis de réglage bloque le volet d’air (qui pivotepar rapport à son axe) dans la position désirée (celle pour laquelle le débitd’air est idéal).A l’arrêt un ressort (non représenté) maintient le volet d’air de manière àbloquer le circuitd’air.IUT d’Evry - Brétigny - Juvisy GTE 2007-2008

178 COURS 6. COMPLÉMENTSII.Réseaux de fluidesII.1. Bouteille de découplage hydrauliqueOn utilise unebouteille de découplage hydraulique lorsque l’on désireséparer les circuits hydraulique de la production de chaleur (chaudière) et de la distribution (pour lesradiateurs ...).Les bouteilles de découplage hydraulique se rencontrent en général pour desinstallations comportant plusieurs chaudières et plusieurs circuits de distribution :purgeur d’air à flotteurdépartsretoursévacuation des bouesIUT d’Evry - Brétigny - Juvisy GTE 2007-2008

COURS 6.COMPLÉMENTS 179III.Pompes et ventilateursIII.1. Caractéristiques de vannesOn reprend l’exemple de la page 105 :∆P cstLa vanne sert donc à régler la puissance d’émission du radiateur. Le diagramme àquatre cadrants permet de déterminer l’influence de la vanne sur la puissance d’émission.Dans le cas d’une vanne à caractéristiquelinéaire (K v = K v100 ∗ φ), on a :PP max4 11qq max13 211K vK v100φAvec :• 1 : l’influence de la vanne sur la puissance d’émission. Cettecourbe est tracée point par point• 2 : la relation entre l’ouverture φ de la vanne et son ˜K v• 3 : l’influence de la vanne sur le débit du sous-réseau considéré• 4 : la relation entre le débit traversantl’émetteur de chaleur etsa puissance d’émission (voir p43)IUT d’Evry - Brétigny - Juvisy GTE 2007-2008

180 COURS 6. COMPLÉMENTSLa puissance d’émission n’est donc pas linéaire en fonction de l’ouverture de lavanne (à caractéristique linéaire). On peut se servir du diagramme quatre cadrants pour rechercher lacaractéristique de la vanne idéale (celle qui donne une puissance d’émissionproportionnelle à l’ouverture).On connait :PP max1qq max111K vK v100φOn recherche les points les uns à la suite des autres :PP max1qq max111K vK v100φIUT d’Evry - Brétigny - Juvisy GTE 2007-2008

COURS 6.COMPLÉMENTS 181On trace la courbe qui passe par les différents points :PP max1qq max111K vK v100φOn supprime les traits inutiles :PP max1qq max111K vK v100φIUT d’Evry - Brétigny - Juvisy GTE 2007-2008

182 COURS 6. COMPLÉMENTSLa caractéristique de la vanne recherchée est donc une caractéristique très éloignée de lacaractéristique linéaire :K vK v10011φCette caractéristique est comparable à celle d’une vanne papillon :Kv en m 3 .s −1 .Pa − 1 2200180160140120100806040200Caractéristique d’une vanne papillonKv0 1 2 3 4 5 6 7 8 9Ouverture en toursCe type de vanne est idéalisé (pour les calculs) par le modèle de la vanne àcaractéristiqueexponentielle. On a alors : K v = K v100 ∗exp(n ∗(φ −1)) avec n un coefficient caractéristiquede la vanne. n est en général proche de 3.4.Le graphique de la page suivante explique pourquoi n = 3.4 est un bon compromis :• Si n est inférieur à 3 alors le K v à ouverture nul est élévé• Si n est supérieur à 4 alors le K v à ouverture nul est très faible, mais parcontre la caractéristique est trop raideIUT d’Evry - Brétigny - Juvisy GTE 2007-2008

COURS 6.COMPLÉMENTS 183Kv adimensionné : ˜Kv10.90.80.70.60.50.40.30.20.10Caractéristique d’une vanne exponentielle˜K v pour n = 1˜K v pour n = 2˜K v pour n = 3˜K v pour n = 3.4˜K v pour n = 4˜K v pour n = 5˜K v pour n = 60 0.2 0.4 0.6 0.8 1Ouverture de la vanne φPour n=3.4, l’effet de l’autorité nominale (pour une ∆P constant) est :Influence de l’autorité nominale sur le réglage du sous-réseau10.90.8Débit adimensionné ˜q0.70.60.50.40.30.20.100 0.2 0.4 0.6 0.8 1Ouverture de la vanne φa n = 1a n = 0.5a n = 0.3a n = 0.1IUT d’Evry - Brétigny - Juvisy GTE 2007-2008

184 COURS 6. COMPLÉMENTSIV.Compresseurs et machines frigorifiques : economiseurEn page 130 se trouve une illustration d’un compresseur à vis et il apparaît le termeéconomiseur.Le schéma de principe d’une machine frigorifique comportant un compresseur à visavec économiseur est le suivant :3’2Echangeur dechaleur35”4’Compresseur avecéconomiseur41log(P)33’22se5”4’ 5’ 541hIUT d’Evry - Brétigny - Juvisy GTE 2007-2008

TD 1Machines frigorifiquesContenu du coursI. Tracé de cycles frigorifiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186I.1. Questions : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186I.2. Réponses : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186

186 TD 1. MACHINES FRIGORIFIQUESI. Tracé de cycles frigorifiquesOn considère une machine frigorifique qui fonctionne dans les conditions suivantes :• température d’évaporation : T f = 0 ◦ C• température de condensation : T c = 50 ◦ C• surchauffe : SC = 12K• sur-refroidissement : SR = 12K• la compression est isentropiqueI.1. Questions :1) Déterminez le coefficient de performance de la machine de Carnot correspondant à cette machine :COP carnot2) Pour chacun des fluides azéotropiques R21/R22/R23/R717, à l’aide leur diagramme enthalpique,déterminez :• les hautes et basses pressions : HP et BP• le taux de compression : τ• l’enthalpie à l’entrée du compresseur : h 1• l’enthalpie à la sortie du compresseur : h 2• l’enthalpie à la sortie du condenseur : h 3• le coefficient de performance de la machine : COP• le rendement de la machine : η• la température en fin de compression : T 2I.2. Réponses :1) Le COP carnot ne dépend que des températures, on a :COP carnot =T f 273, 16 + 0= = 5.46T c − T f 50 − 02) La démarche à suivre est exposée dans les pages 154 à 160.On obtient le tableau suivant :Fluide HP BP τ h 1 h 2 h 3 COP η T 2Bar Bar - kJ.kg −1 kJ.kg −1 kJ.kg −1 - - ◦ CR21 4 0.7 5.71 452 496 240 4.81 0.88 90R22 20 5 4 416 453 246 4.59 0.84 88R23 - - - - - - - - -R717 20 4 5 1500 1740 370 4.71 0.86 130Rappel : le coefficient de performance de la machine est donné par :COP = h 1 − h 4h 2 − h 1De plus la détente est isenthalpe d’où h 4 = h 3 et ainsi :COP = h 1 − h 3h 2 − h 1IUT d’Evry - Brétigny - Juvisy GTE 2007-2008

TD 1. MACHINES FRIGORIFIQUES 187Remarques :• le R23 ne convient pas pour ces conditions de fonctionnement• la haute pression du R22 est très élevée, il faudra éviter d’utiliser ce fluide.• la température de fin de compression du R717 est élevée, attention au craquagede l’huile frigorifique.IUT d’Evry - Brétigny - Juvisy GTE 2007-2008

188 TD 1. MACHINES FRIGORIFIQUESIUT d’Evry - Brétigny - Juvisy GTE 2007-2008

TD 2HydrauliqueContenu du coursI. Débit dans une boucle simple . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190II. Débit dans une boucle ouverte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191III. Exercice complémentaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192

190 TD 2. HYDRAULIQUEI. Débit dans une boucle simpleOn considère une boucle simple :On donne les courbes suivantes :54GVMVPVHMT en mCE32100 0.5 1 1.5 2Débit Q en m 3 .h −1On demande de tracer les courbes de réseau des 5 cas du tableau et de compléter le tableau :cas PV MV GV1 Q = 1.5m 3 .h −12 Q = 0.5m 3 .h −13 Q = 1m 3 .h −14 Q = 1m 3 .h −15 Q = 0.8m 3 .h −1IUT d’Evry - Brétigny - Juvisy GTE 2007-2008

TD 2. HYDRAULIQUE 191II.Débit dans une boucle ouverteOn considère un réseau ouvert :La différence de niveau entre les surfaces libres est de 1m.On donne les courbes suivantes :54GVMVPVHMT en mCE32100 0.5 1 1.5 2Débit Q en m 3 .h −1IUT d’Evry - Brétigny - Juvisy GTE 2007-2008

192 TD 2. HYDRAULIQUEOn demande de tracer les courbes de réseau des 5 cas du tableau et de compléter le tableau :cas PV MV GV1 Q = 1.5m 3 .h −12 Q = 0.5m 3 .h −13 Q = 1m 3 .h −14 Q = 1m 3 .h −15 Q = 0.8m 3 .h −1III.Exercice complémentaireOn considère un réseau ouvert à deux branches :12On a les relations suivantes (pour les réseaux isolés) :∆P 1 = 1 + 8Q 2 1Quelle est la relation entre ∆P et Q ?∆P 2 = 0.5 + 4Q 2 2IUT d’Evry - Brétigny - Juvisy GTE 2007-2008

TD 2. HYDRAULIQUE 193Graphiquement, on obtient :54HMT en mCE32100 0.5 1 1.5 2Débit Q en m 3 .h −1réseau 1 seulréseau 2 seulréseau 1 + réseau 2Ce résultat est-il correct?IUT d’Evry - Brétigny - Juvisy GTE 2007-2008