Cours en ligne et simulateur de thermodynamique appliquée

Pompes à chaleur

Principe et architecture de la pompe à chaleur

Considérons une situation où l'on dispose simultanément de besoins thermiques à moyenne température (par exemple 50 °C), et d'une source de chaleur « gratuite » à une température légèrement inférieure à celle des besoins (par exemple 10 °C).

Le principe (figure ci-dessous) consiste à évaporer un fluide frigorigène à basse pression (et donc basse température), dans un échangeur en contact avec la source froide. Pour cela, il faut que la température Tevap du fluide frigorigène soit inférieure à celle Tsf de la source froide. Le fluide est ensuite comprimé à une pression telle que sa température de condensation Tcond soit supérieure à la température des besoins Tb. Il est alors possible de refroidir le fluide par échange thermique avec ces besoins, jusqu'à ce qu'il devienne liquide. Le liquide est ensuite détendu par laminage isenthalpique jusqu'à la basse pression, et dirigé dans l'évaporateur. Le cycle est ainsi refermé.

La figure ci-dessous illustre les transferts enthalpiques qui prennent place dans l'installation. Les petites flèches dirigées vers le bas représentent les échanges thermiques, qui, comme on le voit, respectent bien le second principe de la thermodynamique : la chaleur s'écoule des zones chaudes vers les zones plus froides.

La longue flèche ascendante représente l'apport enthalpique au compresseur, qui permet de relever le niveau de température du fluide (attention : les quantités de chaleur ne sont pas proportionnelles à la longueur des flèches).

L'efficacité d'un tel cycle est définie selon la règle générale, comme le rapport de l'énergie utile à l'énergie payante. C'est donc le rapport de la chaleur au condenseur au travail de compression. Étant donné que sa valeur est généralement supérieure à 1, on préfère parler de COefficient de Performance ou COP.

On notera que le COP d'une pompe à chaleur (COPc) est plus élevé que celui d'une machine de réfrigération fonctionnant avec le même écart de température (COPf), étant donné que la chaleur rejetée au condenseur est égale, en valeur absolue, à celle extraite à l'évaporateur plus le travail de compression. On a donc COPc = COPf + 1.

Les pompes à chaleur permettent ainsi de rehausser le niveau de température d'une source froide avec un excellent rendement, dans la mesure où l'écart de température n'est pas trop important.

On appelle pompe à chaleur (PAC) ou thermopompe une telle machine, dont le cycle est très semblable à ceux utilisés en réfrigération. Il en diffère simplement par les niveaux de température, et donc par le fluide de travail. Dans un cycle frigorifique en revanche, l'effet utile est l'extraction de chaleur à l'évaporateur.

Ce mode de chauffage est très séduisant si l'on dispose d'une source de chaleur gratuite à un niveau de température suffisant. Pour le chauffage des locaux, il présente cependant un inconvénient : le COP baisse au fur et à mesure que les besoins de chauffage augmentent, car l'écart de température entre la source froide et le chauffage croît simultanément.

Les pompes à chaleur sont utilisées non seulement pour le chauffage des locaux mais aussi pour différentes applications industrielles. D'autres usages comme le refroidissement d'une patinoire couplé au chauffage d'une piscine municipale permettent de valoriser aussi bien la fonction réfrigération que la fonction chauffage.

 Composants

Sur le plan thermodynamique, une pompe à chaleur est composée de quatre éléments. Les explications données ci-dessous concernent plus particulièrement celles qui sont utilisées pour le chauffage des locaux.

  • l’évaporateur qui extrait de la chaleur de la source froide. Il peut être réalisé de différentes façons en fonction de la source froide utilisée. S'il s'agit de l'air extérieur, c'est souvent une batterie de tubes à ailettes parcourus à l'intérieur par le fluide thermodynamique, et à l'extérieur par l'air. S'il s'agit d'un cours d'eau, cela peut être un échangeur à plaques, à tubes et calandre, ou simplement un serpentin co-axial. Cet évaporateur est relié au reste de la machine par deux canalisations qui traversent les murs du logement. L'une d'entre elles est reliée à l'aspiration du compresseur, l'autre au détendeur ;

  • le condenseur est l'échangeur de chaleur qui permet de transférer au système de chauffage la chaleur extraite à l'environnement. Il peut lui aussi être un échangeur à plaques, à tubes et calandre, ou bien un serpentin co-axial. Il est relié à la sortie du compresseur et au détendeur ;

  • le compresseur généralement volumétrique ou centrifuge. Le plus souvent, il n'est pas directement visible car il est contenu dans un bloc métallique monté sur des coussins en caoutchouc, pour éviter les vibrations, d'où sortent un fil électrique et deux tuyaux d'entrée et sortie du fluide. Il s'agit d'un compresseur dit hermétique, à piston, qui présente l'avantage que le moteur est directement refroidi et lubrifié par le fluide thermodynamique, ce qui permet de se passer d'huile ;

  • le détendeur qui peut être constitué d’un simple tube capillaire, ou bienthermostatique. Avant d’entrer dans le détendeur, le liquide est légèrement sous-refroidi ; cela permet de s’assurer que cet organe n’est pas alimenté avec de la vapeur, et cela augmente les performances de la machine.

Applications industrielles

Les domaines d'utilisation des pompes à chaleur dans l'industrie sont les suivants, Te et Tc étant respectivement les températures d'évaporation et de condensation :

  • Te < 20 °C, Tc < 80 °C : ce sont des pompes à chaleur classiques standard, commercialisées et disponibles sur catalogue ;

  • 20 °C < Te < 80 °C, Tc < 130 °C : il s'agit ici de pompes à chaleur spécifiques, quoique dérivées du matériel frigorifique, mais adaptées à des températures de fonctionnement plus élevées ;

  • pour des températures plus élevées, ce type de matériel ne convient plus. La compression mécanique de vapeur peut être une solution, si la source froide se présente sous forme de vapeur.

Les compresseurs utilisés en pratique sont de trois types : à piston (P < 200 kW), à vis (100 kW < P < 1 MW), ou centrifuges (P > 800 kW).

Actuellement, les principaux débouchés des pompes à chaleur dans l'industrie concernent le séchage des produits thermosensibles ou à migration d'humidité lente, et la récupération d'énergie dans les usines où existent des besoins simultanés et comparables de chaud et de froid.

Fluides frigorigènes

Ce point très important est présenté dans la fiche thématique sur les installations de réfrigération, à laquelle nous vous prions de vous référer.

Séances Diapason disponibles

Les séances Diapason les plus directement intéressantes pour étudier les pompes à chaleur sont celles qui traitent des cycles de réfrigération, données dans le tableau ci-dessous. La séance S30 est plus particulièrement dédiée à la technologie, alors que les autres permettent de construire dans Thermoptim des modèles de cycles de réfrigération variés : dans la séance S31, on fait étudie les cycles simples. La séance S32 permet d'établir le bilan exergétique de la machine. La séance S33 permet d'étudier le cycle d'une pompe à chaleur et de dimensionner son évaporateur.

Exercices et activités personnelles

La page de ce portail dédiée aux activités de la filière STI propose différentes ressources sur les pompes à chaleur.

Par ailleurs, une fois que l'on dispose d'un modèle de pompe à chaleur réalisé dans Thermoptim, l'une des difficultés est de savoir comment le reparamétrer quand la température extérieure varie. Une page du portail explique comment le faire.

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