Le document présente une étude approfondie sur le fonctionnement et les performances des pompes à chaleur, incluant leur cycle thermodynamique et leur manipulation expérimentale. Il décrit également les différents types de pompes à chaleur et leur capacité à valoriser la chaleur présente dans l'environnement, en mettant en avant l'importance du coefficient de performance. Enfin, le document aborde les caractéristiques techniques des installations frigorifiques et les démarches de recherche dans le domaine du génie frigorifique.

1. TP N°3: LA POMPE A CHALEUR
Compte-rendu
2015-2016
JEBALI HATEM –HAMDI HATEM-NAFTI HOUCINE-OUNISI BORHEN
Iset Rades

2. 1 | P a g e
Table des Matiéres
Introduction :........................................................................................................................................... 2
DESCRIPTION DU DISPOSITIF EXPÉRIMENTAL :....................................................................................... 2
Légende : ................................................................................................................................................. 2
Exemple réel :.......................................................................................................................................... 3
ÉTUDE D'UNE POMPE A CHALEUR : ........................................................................................................ 3
1. FONCTIONNEMENT THÉORIQUE..................................................................................................... 3
1.1. Schéma de principe ...................................................................................................................... 4
1.2. Description du cycle ..................................................................................................................... 4
Manipulation........................................................................................................................................... 4
.tableau des deux températures et les deux pressions mesurées :................................................ 4
Courbe................................................................................................................................................. 5
Calcule de ɛ...................................................................................................................................... 5
RECHERCHE ............................................................................................................................................. 6
-qu’est-ce-que une Pompe à Chaleur ?.............................................................................................. 6
-« Le BOOM commercial » :................................................................................................................ 6
Types de pompes à chaleur :.............................................................................................................. 7
Les principaux types de PAC............................................................................................................... 8
Principe de fonctionnement d'une pompe à chaleur........................................................................ 9
Quelques références et caractéristiques des pompes à chaleurs..................................................... 9

3. 2 | P a g e
Introduction :
Une pompe à chaleur est une machine thermique à deux sources fonctionnant en cycle
inverse. Etant donné une source chaude à la température T1 et une source froide à la
températureT2 (T2 < T1), on fait décrire à un fluide frigorigène (fréon R-134a) un cycle
fermé au cours duquel il soutire à la source froide une quantité de chaleur Q2 puis cède
à la source chaude une quantité de chaleur Q1. Le but de ce TP est d’étudier les
performances d’une pompe à chaleur, de déterminer les quantités de chaleur et de froid
produites et de déduire le rendement thermodynamique de ce système.
DESCRIPTION DU DISPOSITIF EXPÉRIMENTAL :
Légende :
1. Compresseur.
2. Support pivotant du réservoir rouge d'eau de la source chaude.
3. Condenseur.
4. Épurateur : Filtre le fréon liquide des bulles de gaz qu'il contient.
5. Détendeur.
6. Capteur de température du détendeur avec isolation thermique.
7. Évaporateur.
8. Support pivotant du réservoir bleu d'eau de la source froide.
9. Serpentin qui empêche la transmission des vibrations du compresseur à l'ensemble du montage.
10. Pressostat : Arrête le compresseur quand la pression côté condenseur dépasse 16 bars.

4. 3 | P a g e
11. Capteurs de température au niveau des tuyaux en cuivre du circuit.
12. Manomètre côté basse pression. Graduation intérieure pour la mesure des pressions (relatives)
de - 1 à +10 bars. Graduation extérieure de -60 à +45°C avec température du point de rosée du fréon
R12 (les deux graduations centrales sont des échelles prévues pour d'autres fluides).
13. Manomètre côté haute pression. Graduation intérieure pour la mesure des pressions (relatives)
de - 1 à +30 bars. Graduation extérieure de -70 à +95°C avec température du point de rosée du fréon
R12 (les deux graduations centrales sont des échelles prévues pour d'autres fluides).
Exemple réel :
ÉTUDE D'UNE POMPE A CHALEUR :
1. FONCTIONNEMENT THÉORIQUE
Une pompe à chaleur est une machine thermique dans laquelle le fluide qui subit une transformation
cyclique est du fréon R12 (CF2Cl2).

5. 4 | P a g e
1.1. Schéma de principe
1.2. Description du cycle
 Le fluide caloporteur sort à l'état gazeux du serpentin de l'évaporateur E (pression Pd et
température Tf de la source froide) (6).
 Il passe alors dans le compresseur (1) qui le comprime à la pression pc. Cette compression
rapide est isentropique (adiabatique) : le fréon gazeux s’échauffe (2).
 Quand le fréon gazeux arrive dans le serpentin du condenseur C, il se refroidit jusqu'à la
température TC de la source chaude et se liquéfie sous la pression Pc(3).
 Il passe alors dans une vanne de détente (capillaire) (4) qui le ramène à la pression Pd (5). La
détente est isenthalpique.
 A l'arrivée dans le serpentin de l'évaporateur E, le fluide se vaporise sous la pression Pd et à
la température TF de la source froide (6).
Manipulation
.tableau des deux températures et les deux pressions mesurées :
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
𝑃1(bar) 1.4 1.2 1.4 1.6 1.8 1.9 2 2.1 2.2 2.3 2.38
𝑇1(°c) 16.4 16.5 16.5 16.5 16.6 16.5 16.5 16.5 16.5 16.5 16.5
𝑃2(bar) 1 3.2 3.29 4.3 4.4 4.8 4.9 5 5 5.01 5.02
𝑇2(°c) 17.7 17.8 17.9 18.2 18.8 19.8 20.4 21.1 22 22.3 23.8

6. 5 | P a g e
Courbe
Calcule de ɛ
On a ɛ=
𝑚∗𝑐∗𝛥𝑇2
𝑃∗𝛥𝑇
AN : ɛ=
4∗4,185∗(25−17,7)
(98,27−99,17)∗3600
= 0.34<1, avec ɛ sans unité.
0
5
10
15
20
25
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60
températur/pression
Temps en mn
Evolution de T /P
P1 T1 P2 T2

7. 6 | P a g e
RECHERCHE
-qu’est-ce-que une Pompe à Chaleur ?
Une pompe à chaleur (PAC) est une machine dont le but est de valoriser la chaleur gratuite
présente dans l’environnement : celle présente dans l’air extérieur, les rivières, le sol. En effet,
tout corps, même "froid" contient une quantité importante d’énergie qui peut être récupérée.
Pratiquement, grâce à un fluide décrivant un cycle thermodynamique, la pompe à chaleur retire
de la chaleur à une source dite "froide" et la rejette dans une source dite "chaude". Ce transfert
fait appel à un processus forcé, puisque chacun sait que la chaleur se déplace de façon naturelle
d'une zone chaude vers une zone froide. C'est pourquoi, la PAC doit être entraînée par un
compresseur qui lui amènera l'énergie nécessaire à son fonctionnement.
Il est important de préciser que l'on parle ici d'appareils réalisant un transfert, et non une création
de chaleur. L'objectif visé- le coefficient de performance - se situe autour de 3 unités de chaleur
fournies à la source chaude par unité injectée au compresseur. Cela signifie que pour un kWh
consommé et payé, on en reçoit 3 gratuitement
Mais la PAC est un producteur de chaleur "dynamique" : contrairement à une chaudière, une
PAC voit ses performances varier selon les conditions d'utilisation. Elle aura ainsi de très bonnes
performances de chauffage ... en été alors que ce n'est pas en cette période que le besoin de
chauffage est présent ! La tâche la plus difficile pour le projeteur, consiste à prendre en
considération ce comportement dynamique et à équiper l'installation de telle manière que les
conditions limites de fonctionnement ne soient pas dépassées.
-« Le BOOM commercial » :
Il s'agit d'une technologie qui bénéficie d'un fort regain d'intérêt ces dernières années après un
premier boom (et une déception...) lors de la crise pétrolière des années 70. Le marché est en
pleine expansion :

8. 7 | P a g e
Types de pompes à chaleur :
Les pompes à chaleur sont désignées en fonction des fluides caloporteurs dans
lesquels baignent les échangeurs de chaleur de l'évaporateur et du condenseur. Attention, il
s'agit bien du fluide caloporteur au niveau de l'évaporateur et du condenseur et qui n'est pas
toujours équivalent au type de source chaude ou froide (l'air, l'eau ou le sol). En effet, on peut
trouver intercalé, entre le condenseur et la source chaude, ou entre l'évaporateur et la source
froide, un circuit intermédiaire. Prenons à titre d'exemple, les PAC Saumure/eau. On trouve du
côté évaporateur de l'eau glycolée, eau glycolée dans un circuit qui parcourt ensuite le sol afin
d'en extraire la chaleur. Du coté condenseur, on trouve un circuit d'eau qui, par exemple,
alimente un circuit de chauffage par le sol pour se décharger de son énergie.

9. 8 | P a g e
Les principaux types de PAC
Désignation Évaporateur Condenseur
Boucle
intermédiaire :
source
froide/évaporateur
Boucle
intermédiaire :
condenseur/source
chaude
PAC Eau/
Eau
Eau Eau Non Oui
PAC Air/
Eau
Air Eau Non Oui
PAC
Saumure/
Eau
Saumure Eau Oui Oui
PAC Air/ Air Air Air Non Non
PAC
Sol/Sol
Sol Sol Non Non
Exemple de désignation abrégée :
Type : Eau/ Eau
Température entrée évaporateur : 10 °C
Température sortie condenseur : 45 °C
Désignation abrégée : W10/W45
L'expression W10/W45 signifie que la source froide est une eau à 10 °C et
la source chaude une eau à 45 °C. C'est sous cette forme que les
fournisseurs désignent leurs produits. Une source de chaleur telle une
nappe phréatique ou une eau de surface sera désignée par "eau", l'air
atmosphérique ou des rejets gazeux par "air", un mélange eau-glycol qui
circule dans le circuit fermé entre une source de chaleur et l'évaporateur
par "saumure". De ce fait, les pompes à chaleur puisant l'énergie du sol
seront parfois désignées sous le terme de "saumure".
Les systèmes les plus répandus sont les systèmes Air/Eau puis Saumure/Eau dont la source de
chaleur est souterraine. Les pompes à chaleur Eau/Eau sont souvent soumises à autorisation et
sont donc moins courantes en Belgique.

10. 9 | P a g e
Principe de fonctionnement d'une pompe à chaleur
Le principe de fonctionnement est le même que celui de la machine frigorifique mais l'application
travaille en sens inverse.
Cette fois, l'objectif consiste à extraire la chaleur gratuite d'un milieu extérieur : l'eau d'une rivière,
l'air extérieur, l'eau d'une nappe souterraine, ... (On parle de "source froide"). Physiquement, l'air
extérieur à 0 °C contient beaucoup d'énergie puisque sur l'échelle des températures absolues,
l'air se situe en réalité à 273 K !
Schéma du principe de fonctionnement d'une pompe à chaleur.
L'évaporateur est à l'extérieur et la température du fluide frigorigène sera environ 5 à 8 °C
inférieure à la température de la source froide. L'énergie thermique captée sera "remontée" à un
niveau de température utilisable (pour le chauffage d'une maison, par exemple) via le
compresseur : le condenseur est donc à l'intérieur.
Bien sûr, on choisira un émetteur de chaleur à une température la plus basse possible (par
exemple, chauffage à air chaud, chauffage à eau chaude par serpentin dans le sol, ...). L'écart de
température entre l'entrée et la sortie du compresseur doit être en effet le plus faible possible
pour limiter le travail du compresseur.
Exemple.
Refroidir l'eau d'une rivière initialement à 10 °C pour assurer le chauffage
d'une habitation par de l'air à 35 °C. Le fluide frigorigène passera à 6 °C
dans la rivière et à 40 °C dans l'échangeur de chauffage de l'air du
bâtiment.
Quelques références et caractéristiques des pompes à chaleurs

11. 10 | P a g e
Contenu didactique / Essais - bases d'un circuit frigorifique à compression - composants
principaux d'une installation frigorifique * compresseur, évaporateur, condenseur, élément
d'expansion - rapport entre pression et point d'ébullition d'un liquide - fonction d'une
installation frigorifique/pompe à chaleur - développer une compréhension de base du cycle
thermodynamique - bilan énergétique simple Les grandes lignes * Introduction au génie
frigorifique1 * Modèle d'une installation frigorifique à compression/pompe à chaleur1 *
Refroidissement et réchauffement des échangeurs thermiques directement tangible.
Caractéristiques techniques Compresseur - puissance absorbée: 104W à 5/40°C - puissance
frigorifique: 278W à 5/40°C - cylindrée: 2,72cm³ Manomètre avec échelle de température
pour R134a - côté aspiration (basse pression) pression: -1...12,5bar température: -50...40°C -
côté pression (haute pression) pression: -1...25bar température: -40...80°C Thermomètre: 2x
-10...50°C Réservoir: 4x 1700mL
Dimensions et poids Lxlxh: 750x360x690mm Poids: env. 30kg
Nécessaire au fonctionnement 230V, 50/60Hz, 1 phase ou 120V, 60Hz/CSA, 1 phase

12. 11 | P a g e
Contenu didactique / Essais - structure et fonction d'une pompe à chaleur air-eau -
représentation du cycle thermodynamique sur le diagramme log p,h - bilans énergétiques -
détermination des grandeurs caractéristiques importantes * rapport de pression du
compresseur * coefficient de performance idéal * coefficient de performance réel -
dépendance du coefficient de performance réel de la différence de température (air-eau) -
comportement en service sous charge Les grandes lignes * Utilisation de la chaleur ambiante
pour un réchauffement d'eau1 * Affichage de toutes les valeurs pertinentes sur le lieu de la
mesure
Caractéristiques techniques Compresseur - puissance: 372W à 7,2/32°C Echangeur de
chaleur à serpentin (condenseur) - contenu agent réfrigérant: 0,55L - contenu eau: 0,3L
Evaporateur à tubes à ailettes - surface de transfert: env. 0,175m² Pompe - débit de
refoulement max.: 1,9m³/h - hauteur de refoulement max.: 1,4m Volume du réservoir d'eau
chaude: env. 4,5L Plages de mesure - pression: 2x -1...15bar - température: 4x 0...100°C, 2x -
100...100°C - puissance: 1x 0...6000W - débit (eau): 1x 0...108L/h - débit (eau de
refroidissement): 1x 10...160L/h
Dimensions et poids Lxlxh: 1620x790x1910mm Poids: env. 192kg
Nécessaire au fonctionnement 230V, 50/60Hz, 1 phase ou 120V, 60Hz, 1 phase Raccord
d'eau, drain
(Les exemples sont prisent de http://www.systemes-didactiques.fr)