🌡️ Pompe à chaleur et réfrigérateur : compression de vapeur
Comment une pompe à chaleur peut-elle rendre 3 ou 4 kWh de chaleur pour 1 kWh d'électricité ? Elle ne fabrique pas la chaleur : elle la pompe dehors, même quand il gèle, grâce à un fluide qui s'évapore puis se condense. Règle les températures, passe en mode climatiseur et regarde le cycle se dessiner dans le diagramme des frigoristes.
🧪 Mode d'emploi : règle les curseurs (à droite, ou sous l'animation sur téléphone), lance avec ▶, observe les mesures et relève les 🎯 défis. Le bouton ⛶ agrandit l'animation, idéal sur téléphone à l'horizontale.
Ce que tu vois
- Dans l'évaporateur, le fluide bout à basse pression et à basse température : il prend de la chaleur à l'air extérieur, même par temps de neige.
- Le compresseur aspire de la vapeur et la refoule chaude, à haute pression : c'est le seul organe qui consomme de l'électricité.
- Dans le condenseur, la vapeur se liquéfie en cédant sa chaleur à la maison ; le détendeur fait ensuite chuter la pression et la température (laminage isenthalpique : une verticale du diagramme).
- Dans le diagramme (log P, h), les énergies échangées se lisent comme des écarts d'enthalpie horizontaux : qc = qf + w.
- Plus l'écart entre Tévap et Tcond est grand, plus le compresseur travaille et plus le COP baisse, tout comme celui de Carnot.
Expériences à faire
- Garde Tcond = 50 °C et fais descendre Tévap de +20 °C à −40 °C : comment évolue le COP ? Pourquoi une pompe à chaleur peine-t-elle par grand froid ?
- Compare un plancher chauffant (Tcond ≈ 40 °C) et de vieux radiateurs (Tcond ≈ 60 °C) : lequel convient le mieux à une pompe à chaleur ?
- Passe en mode climatiseur sans changer les températures : vérifie que COPPAC = COPfroid + 1.
- Ajoute du sous-refroidissement : que devient le titre x4 après le détendeur ? Et le froid produit qf ?
- Pourquoi les frigoristes imposent-ils toujours un peu de surchauffe avant le compresseur ?
La physique derrière l'animation
- Premier principe en système ouvert, organe par organe : w = h2 − h1 (compresseur), qc = h2 − h3 (condenseur), h4 = h3 (détendeur, laminage isenthalpique), qf = h1 − h4 (évaporateur).
- Coefficients de performance : COPPAC = qc/w et COPfroid = qf/w, avec COPPAC = COPfroid + 1 puisque qc = qf + w.
- Bornes de Carnot : COPPAC ≤ Tc/(Tc − Tf) et COPfroid ≤ Tf/(Tc − Tf), températures en kelvins (ici celles de condensation et d'évaporation).
- Compression réelle : h2 = h1 + (h2s − h1)/ηs. La surchauffe protège le compresseur des gouttes de liquide ; le sous-refroidissement augmente le froid produit par kilogramme de fluide.
- Fluide R-134a : table de saturation (NIST, référence IIR : h = 200 kJ/kg et s = 1 kJ/(kg·K) pour le liquide saturé à 0 °C) et vapeur surchauffée par l'équation de Peng-Robinson recalée sur les tables (écart < 1 %). Pertes de charge négligées ; on impose Tcond − Tévap ≥ 10 K + surchauffe + sous-refroidissement.
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