Tp Chauffe-eau

EP5-ED                Novembre 2020

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de ROTALIER Guirec

OLIVEIRA de FREITAS Matheus

AKIN Aytac

COMPTE-RENDU DE TP #6 

Chauffe-eau thermodynamique

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Encadrant de TP : M. CACERES

TABLE DES MATIERES

TABLE DES MATIERES        2

Résumé        3

Questions préliminaires        4

INTRODUCTION        6

1.        Installation        7

2.        Mode Opératoire        8

3.        Exploitation, comparaison et discussion des résultats        9

3.1.        Formules et méthodes utilisées        9

3.2.        Débit au niveau de l’iris        10

3.3.        Débit au niveau du cône        10

3.4.        Débit lors de la mesure avec les tubes de Pitot        10

3.5.        Débits lors de la mesure avec les fils chauds        12

3.6.        Comparaison des 2 normes via le Guide CETIAT        13

3.7.        Résumé des résultats obtenues et détermination de la méthode de mesure la plus fiable        14

CONCLUSION GENERALE        15

ANNEXES        16

SOURCES        18

Résumé

Dans ce TP, nous avons étudié des paramètres (rendement, débit de vapeur d’eau, débit d’eau liquide) permettant de maximiser la condensation de la vapeur au sein d’un échangeur contre-courant afin de valoriser le transfert d’énergie pour produire de l’eau chaude sanitaire. Voici les résultats probants de notre étude :

• Ordre de grandeur d’un rendement d’échangeur contre-courant : 95%

• Plage de rendement pour obtenir une condensation optimale pour une température de production d’eau chaude sanitaire de 60°C : [97% - 100%]

• Plage de rendement pour obtenir une condensation optimale pour une température de production d’eau chaude sanitaire de 80°C : [90% - 100%]

INTRODUCTION

Le chauffe-eau thermodynamique est un système permettant la production d’eau chaude sanitaire (ECS). Son implantation dans le domaine résidentiel majoritairement, est de plus en plus recommandé du fait qu’il permet une production plus écologique et plus économique en comparaison avec un chauffe-eau classique. En effet, par rapport à ce dernier, le chauffe-eau thermodynamique n’utilise aucune énergie fossile polluante mais l’air extérieur dont il tire la chaleur (les calories) afin de chauffer l’eau. Par définition, l’air étant une ressource inépuisable (énergies renouvelables) et non-payante, l’utilisation d’un chauffe-eau thermodynamique est ainsi beaucoup moins couteuse qu’un chauffe-eau classique en plus d’être bon pour la planète.

Ainsi, ils permettent aux particuliers d’être moins énergivores. En effet, il a été montré qu’un chauffe-eau thermodynamique est environ 75% plus économes en énergie qu’un chauffe-eau classique.

L’objectif de ce TP est donc de calculer différents COP dont le COP global afin de déterminer la performance du système.

C’est pourquoi, dans un premier temps, nous décrirons l’installation et détaillerons le mode opératoire ; puis nous exposerons la partie théorique afin dans un dernier temps, d’exploiter nos résultats et de conclure sur la performance du chauffe-eau thermodynamique.

1. Installation

1. Schéma et description

Le banc d’essai consiste en un ballon d’eau chaude thermodynamique de la marque ATLANTIC.

Nous allons, pour commencer, décrire le fonctionnement de l’installation.

Etudions d’abord le fonctionnement d’un chauffe-eau électrique classique dont le fonctionnement est majoritairement repris pour un chauffe-eau thermodynamique.

Ainsi, dans les 2 technologies, le ballon se rempli d’eau froide à pression élevée de manière à compenser les besoins en eau chaude sanitaire, extraite dans le haut du ballon. Le processus de chauffage de l’eau froide est assuré par une résistance électrique disposé en serpentin dans le ballon et qui va, en plus de chauffer l’eau, la faire remonter vers le haut du ballon. Ce phénomène d’ascension est dû à la densité de l’eau chaude, plus faible que celle de l’eau froide, qui entraine l’élévation de l’eau dans le ballon. Ce phénomène physique est communément appelé stratification.

Du fait de la demande non linéaire par les consommateurs, le ballon a également le rôle de maintenir l’eau chaude à température constante pour ainsi éviter de réchauffer et donc de consommer trop d’énergie. Ainsi, le ballon est isolé généralement grâce à de la mousse de polyuréthane par exemple.

        Maintenant que les principes de bases sont posés, passons à l’analyse d’un chauffe-eau thermodynamique dont voici un schéma général ci-dessous :

[pic 3]

Ainsi, la principale différence par rapport à un chauffe-eau classique est la présence d’une pompe à chaleur air-eau (PAC) afin, comme dit en introduction, de récupérer la chaleur de l’air ambiant afin de chauffer l’eau du ballon. De cette manière, la résistance électrique est désormais reléguée au rang d’appoint dans le cas par exemple d’une température extérieure trop basse ne permettant pas de répondre aux besoins.

Etudions désormais plus en détail la configuration de cette pompe à chaleur au sein de l’installation.

Dans notre cas, la pompe à chaleur est directement reliée aux ballons et l’air extérieur est amené via des conduite. Cependant, dans une maison domestique, la pompe est placée à l’extérieur de celle-ci et le ballon à l’intérieur. Il est important de noter que l’eau dans le ballon ne doit pas excéder 60-65 degrés afin d’éviter la formation de légionelles, bactéries très mauvaises pour la santé de l’homme. Cela permet également d’éviter des brulures trop graves.

La pompe à chaleur air-eau est constituée d’un compresseur, d’un condenseur, d’un détendeur et de 2 évaporateurs en parallèles ; principaux organes permettant le phénomène physique de chauffage de l’eau. Des organes de sécurité et de régulations sont également présent : on a donc 2 bouteilles anti-coups de liquides placés en séries juste avant l’entrée dans le compresseur. Nous le redirons plus loin mais il est indispensable que le compresseur ne soit pas traversé par un fluide sous forme liquide d’où l’utilité de ces bouteilles. Nous disposons également d’une électrovanne située entre l’entrée du condensateur et l’entrée des évaporateurs. Son rôle est d’injecter si besoin, du liquide chaud provenant de l’entrée du condensateur au niveau de l’entrée des évaporateurs afin d’éviter que ceux-ci ne givrent.

Dans tous les cas, et comme l’on peut le voir sur le schéma-ci-dessous, le fluide frigorigène circulant dans la pompe est comprimé et est donc échauffée, ceci afin de céder sa chaleur à l’eau froide au niveau du condensateur situé en bas du ballon. Ainsi, sur le schéma, entre le condensateur et le détendeur, la canalisation devrait être orange au lieu de rouge car la chaleur a déjà été cédé à l’eau. Le détendeur va permettre de faire repasser le fluide frigorigène en phase totalement liquide. Cela permet ainsi au fluide frigorigène de pouvoir capter les calories de l’air entrant qui va venir réchauffer le fluide frigorigène sous forme liquide et lui permettre de changer de phase de nouveau en le faisant repasser sous forme vapeur avant l’entrée dans le compresseur pour recommencer un cycle. Il est indispensable que le fluide frigorigène soit totalement sous forme gazeuse avant son entrée dans le compresseur pour éviter tout dommage sur celui-ci.

La chaleur de l’air permettant le changement de phase du fluide frigorigène, l’air ressort froid comme on peut le voir sur le schéma.

Voici un schéma simplifié de la pompe à chaleur air-eau réalisé sous AUTOCAD afin de mieux situer les différents composants de la PAC et préciser l’explication ci-dessus :

[pic 4] 

Pour résumer, voici les 4 phases de la transformation :

1. Le fluide frigorigène en phase liquide capte les calories de l’air ambiant entrant ce qui lui permet de changer de phase (phase gazeuse) avant l’entrée dans le compresseur au niveau des évaporateurs G1 et G2.
2. Le fluide frigorigène en phase gazeuse est comprimé dans le compresseur (qui est alimenté électriquement) afin de monter encore plus en température
3. Le fluide frigorigène traverse le condensateur et repasse en phase liquide en cédant sa chaleur à l’eau froide du ballon
4. Le détendeur permet de faire chuter la pression du fluide frigorigène en phase liquide et le met en condition pour son évaporation grâce à l’air chaud entrant.

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1. Mode Opératoire

Pour commencer, nous avons mis l’installation en mode boost afin de faire grimper la température de l’eau rapidement. Ceci afin de réaliser l’objectif suivant : mesurer le volume d’eau mitigée V40. Expliquons plus en détail la signification de cette dernière notation. Dans le ballon de 200 L, l’eau après le boost est à 60°C. Afin d’atteindre une température de 40°C, il faut ainsi mélanger l’eau du ballon avec de l’eau froide (on dépasse ainsi les 200L).