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Etude et conception d'un systeme de climatisation utilisant le rayonnement solaire

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par Guillaume Deguy LUMPUNGU MABEYA
Université de Lubumbashi - Ingenieur Civil Electromecanicien 2004
  

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PARTIE I : PARTIE THEORIQUE

CHAPITRE I : GENERALITES

Dans ce chapitre, nous parlerons essentiellement de deux principaux points à savoir :

 

· Les principes de base de la climatisation;

· L'énergie solaire.

Le premier point comprendra :

· Le fonctionnement d'un système de climatisation ;

· L'étude du circuit frigorifique et sa représentation sur le diagramme entropique (T, s) ;

· Les techniques de climatisation.

Le second point abordera surtout l'aspect énergétique du gisement solaire.

I.1.PRINCIPES DE BASE DE LA CLIMATISATION [Cf. Bibliographie:1, 9,10]

I.1.1. Définition et principe de fonctionnement d'un système de climatisation

1. Définition

Climatiser un local, au sens le plus large et général, consiste à maîtriser de façon volontaire, les caractéristiques physico-chimiques de l'atmosphère qui y règne afin de rendre celle-ci plus agréable aux occupants ou plus adaptée aux travaux qui y sont effectués.

Ainsi la climatisation peut consister à réchauffer ou à refroidir l'air, à en augmenter ou diminuer l'hygrométrie, à le dépoussiérer...

Le but donc d'un système de climatisation est de traiter l'air dans une pièce afin de contrôler simultanément sa température, son taux d'humidité, sa pureté ainsi que sa distribution optimale.

2. Principes de fonctionnement d'un système de climatisation

a). Principe de base

La climatisation est basée sur le transport de la chaleur 
d'un endroit vers un autre.

Pour cela, que faut-il ?
Un appareil intérieur, un appareil extérieur, un circuit fermé de tuyauteries en cuivre qui relie les unités intérieures et extérieures entre elles et dans lequel circule le réfrigérant. C'est ce réfrigérant qui va transporter l'énergie produite d'un local vers un autre local

b). Fonctionnement en mode froid

La figure 1 donne le fonctionnement en mode froid


 

Figure 1: Fonctionnement en mode froid

1 Unité intérieure
Un ventilateur souffle l'air intérieur chaud vers un échangeur de chaleur dans lequel un réfrigérant froid circule. Le réfrigérant froid absorbe la chaleur de l'air et l'air ainsi rafraîchit est renvoyé dans le local.

2 Tuyauteries en cuivre
Le réfrigérant transporte la chaleur récupérée via des tuyauteries en cuivre depuis l'unité intérieure vers l'unité extérieure.

3 Unité extérieure

Par cet apport de chaleur un changement s'opère sur le réfrigérant. D'un état liquide, il se transforme en état gazeux, comme de l'eau qui se transforme en vapeur lorsqu'elle bout. De la même façon que la vapeur retrouve sa forme liquide lorsqu'elle refroidit, le réfrigérant redevient liquide grâce à la chaleur rendue par l'unité extérieure.

4 Réfrigérant
Le réfrigérant liquide retourne vers l'unité intérieure.

5 Unité intérieure
De retour dans l'unité intérieure, le réfrigérant libère la fraîcheur et recommence le circuit en boucle jusqu'à obtention de la température désirée. 

I.1.2 Etude du circuit frigorifique

Un climatiseur fonctionne de façon similaire qu'un réfrigérateur. Pendant que le réfrigérant circule à travers le système, il subit un grand nombre de changements d'état. Il y a quatre processus fondamentaux qui forment le 'cycle frigorifique'

La figure 2 montre le cycle frigorifique.

.

Figure 2 : Cycle frigorifique

1. La compression

Par l'action du compresseur, la vapeur résultant de l'évaporation est aspirée de l'évaporateur par la ligne d'aspiration jusqu'à l'entrée du compresseur. Dans le compresseur, la pression et la température de la vapeur augmentent considérablement grâce à la compression, puis la vapeur à haute température et à haute pression est rejetée par la ligne de refoulement.

2. La condensation

La vapeur traverse la ligne de refoulement vers le condenseur où elle libère la chaleur vers l'air extérieur. Dès que la vapeur a relâché sa chaleur additionnelle, sa température s'abaisse jusqu'à sa nouvelle température de saturation correspondant à sa nouvelle pression.
En libérant sa chaleur, la vapeur se condense entièrement et est ensuite sous-refroidie. Le liquide sous-refroidi arrive au détendeur et est prêt pour un nouveau cycle

3. La détente

Le cycle de la détente s'opère entre le condenseur et l'évaporateur, en effet le réfrigérant liquide sort du condenseur à haute pression et haute température, et se dirige vers l'évaporateur via le détendeur.
La pression du liquide est réduite à la pression d'évaporation quand le liquide traverse le détendeur, ainsi la température de saturation du réfrigérant entrant dans l'évaporateur sera en dessous de celle de l'espace à rafraîchir. Une partie du liquide se vaporise dès qu'il traverse le détendeur dans le but d'abaisser la température du réfrigérant à la température d'évaporation. 

4. L'évaporation

Dans l'évaporateur, le liquide se vaporise à pression et à température constante grâce à la chaleur latente fournie par l'espace au réfrigérant traversant l'évaporateur.
Tout le réfrigérant est complètement vaporisé dans l'évaporateur, et surchauffé à la fin de l'évaporateur.
Bien que la température de la vapeur augmente quelque peu à la fin de l'évaporateur à cause de la surchauffe, la pression reste constante.
Bien que la vapeur absorbe la chaleur de l'air entourant la ligne d'aspiration, augmentant sa température et diminuant légèrement sa pression à cause des pertes de charges dues au frottement dans la ligne d'aspiration, ces détails sont négligés lorsqu'on explique le fonctionnement d'un cycle frigorifique normal.

· Représentation sur le diagramme entropique (T,s)

N

0°abs

s

Q1

Q2

A

B

D

C

T1 1

T2

0°c

P1

P2

T

M

Figure 3 : Diagramme entropique

Sur le diagramme entropique ci-dessus,le fonctionnement théorique est représenté par le cycle de Carnot ABCD,évoluant entre les isothermes T1et T2 et les adiabatiques AD et BC,et sur lequel on peut lire:

· Q1:Chaleur évacuée au condenseur = Aire AMNB

· Q2:Chaleur absorbée à l'évaporateur = Aire DMNC

· Q3:Equivalent calorifique du travail consommé par la machine = Aire ADCB

Ce qui nous permet de calculer le coefficient d'effet frigorifique:

å = Q 2/Q 3 = Q 2/ (Q1-Q2) = T2/ (T1-T2)

Le cycle pratique figuré dans le diagramme entropique est le suivant:

P2

T2

6

1

2

3

4

5

s

0°C

T

T1

P1

Figure 4: Cycle pratique.

Légende:

· 1, admission dans le cylindre de vapeur saturée sèche;

· 1-2, compression adiabatique de p2 à p1;

· 2-3-4-5, refroidissement, condensation et sous refroidissement à pression constante p1 dans le condenseur;

· 5-6, détente et laminage à travers le régleur;

· 6-1, évaporation à pression constante p2 dans l'évaporateur

Ce cycle est encore modifié dans sa réalisation, principalement du fait qu'il existe toujours une certaine surchauffe des vapeur à l'aspiration et du fait que la compression ne s'effectue pas exactement suivant adiabatique en raison du refroidissement obtenu par des ailettes ou par circulation d'eau, et qui a pour effet d'abaisser la température en fin de compression.

I.1.3. Les techniques de climatisation

Dans ce paragraphe nous aborderons les principes généraux, sans entrer en détails sur la

climatisation classique notamment celle par sorption et dessiccation/évaporation.

Pour comprendre la suite du présent travail, les différentes installations seront d'une technologie adaptable aux équipements solaires.

Les systèmes de rafraîchissement les mieux adaptés utilisant le solaire thermique pour produire du froid, peuvent être classés en deux grande familles:

"Systèmes fermés et ouverts":

· Systèmes fermés

Un groupe de production de froid à sorption produit de l'eau glacée utilisable dans une centrale de traitement d'air (refroidissement et déshumidification).

· Systèmes ouverts

Dans ces systèmes l'air est directement traité (refroidissement, déshumidification) en fonction des conditions de confort souhaitées.

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"Un démenti, si pauvre qu'il soit, rassure les sots et déroute les incrédules"   Talleyrand