Génie chimique - Série 2 - TP1


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ECHANGEUR - GROUPE FROID

 

Remarques :

- Le débit d'eau dans le groupe froid doit être supérieur à 0,8 L.min-1 avant la mise en marche du groupe froid.

- Les calculs demandés seront effectués au fur et à mesure du déroulement des opérations ; ne pas hésiter à refaire une mesure qui semble douteuse.

 

1. LE GROUPE FROID

a) Étude du circuit

A l'aide du schéma simplifié, repérer sur le pilote le circuit du fluide frigorigène.

Compléter le schéma simplifié, en particulier :

- positionner les sondes de température et de pression,
- repérer, dans chaque partie du circuit, l'état physique du fluide.

b) Réalisation d'un bilan thermique sur l'évaporateur

Régler le débit d'eau à 1 L.min-1 puis mettre le compresseur en marche.

Laisser l'ensemble se stabiliser durant 15 minutes et relever les valeurs de température, de pression et de débit nécessaires à l'établissement d'un bilan thermique au niveau de l'évaporateur.

Arrêter le compresseur tout en laissant circuler l'eau pendant une dizaine de minutes avant l'arrêt total.

c) Exploitation

Établir l'expression du flux de chaleur cédé par l'eau et le calculer en W.

A partir de la valeur de la pression du fluide frigorigène et à l'aide du tableau de correspondance, déterminer sa température de vaporisation (utiliser les valeurs du tableau les plus proches des valeurs expérimentales).

En déduire les différentes transformations que subit le fluide frigorigène dans l'évaporateur (on supposera que le fluide entre dans l'évaporateur à une température égale à sa température d'ébullition).

Établir alors l'expression du flux de chaleur reçu par le fluide frigorigène et le calculer en W.

En déduire les pertes thermiques ainsi que le pourcentage de pertes.

 

2. LES éCHANGEURS

La pompe centrifuge du groupe chaud se démarre vanne de refoulement fermée que l’on ouvre doucement quand la pompe est démarrée.

a) Étude de l'échangeur inox

Établir le circuit permettant une circulation à co-courant dans l'échangeur.

Régler les débits des fluides chaud et froid à 2 m3.h-1.

Attendre la stabilisation des températures et relever les indications de températures et de débits.

Réaliser la même étude, mais avec une circulation à contre-courant.

Exploitation :

Pour chaque étude :

- Calculer le flux reçu par le fluide froid et le flux cédé par le fluide chaud,
- Calculer le coefficient global d’échange K expérimental, en prenant en compte le flux de chaleur échangé le plus grand des deux et en utilisant la moyenne logarithmique pour le calcul de l'écart moyen des températures.

Les résultats obtenus permettent-ils de vérifier la théorie sur la performance d'un échangeur selon qu'il fonctionne à co ou contre-courant ?

b) Étude de la condensation de la vapeur sur l’échangeur tubulaire verre

Arrêter complètement le groupe chaud et vidanger l'échangeur verre de son eau chaude.

Régler le débit d'eau de refroidissement à 1 m3.h-1 et alimenter l'échangeur en vapeur (demander l'aide d'un professeur durant ces opérations) : ouvrir dans un premier temps la vanne de vapeur située sur le pilote et ensuite ouvrir lentement celle située contre le mur en vérifiant au manomètre la pression d'alimentation.

Régler alors, à l'aide de la vanne d'évacuation des condensats, le niveau de condensats dans l'échangeur de sorte qu'il reste constant.

Déterminer, par empotage, le débit de condensats sortant de l'échangeur.

Relever les températures d'entrée et de sortie des fluides, le débit d'eau ainsi que la pression d'entrée de la vapeur.

c) Remise en état du poste

Remplir l’échangeur en eau chaude à la fin de la manipulation. Refermer toutes les vannes et faire vérifier par le professeur.

d) Exploitation

Réaliser un bilan thermique permettant de déterminer la chaleur latente de condensation de la vapeur à la température de l'expérience.

A partir des relations empiriques et de la valeur de la pression d'entrée de la vapeur, calculer la chaleur latente de condensation théorique de la vapeur.

Les résultats sont-ils voisins ?

 

3. DONNéES

Échangeurs

Surface d'échange de l'échangeur inox : 0,57 m2

Pour le fluide chaud (eau déminéralisée) :

Cp = 4,18 kJ.kg-1.K-1 et densité = 1

Pour le fluide froid (eau glycolée) :

Cp = 3,70 kJ.kg-1.K-1 et densité = 1,04

Relation en pression et température d'ébullition :      

   

P en bars et t en °C

Chaleur latente de vaporisation de l'eau :         

Lvap = 2535 – 2,9 x qéb en kJ.kg-1 avec qéb en °C

 

Groupe froid

Eau brute :

Cp = 4,18 kJ.kg-1.K-1 et densité = 1

Fluide frigorigène

à l'état liquide :

Cp = 1,118 kJ.kg-1.K-1 et rliq : voir tableau

à l'état gazeux :

Cp = 0,874 kJ.kg-1.K-1 et rgaz : voir tableau
Chaleur latente de vaporisation : voir tableau

 

Moyenne logarithmique

 

Groupe froid à compresseur

 

Schéma du circuit simplifié du pilote “groupe froid” et tableau de valeurs.

 

 

CARACTERISTIQUES THERMODYNAMIQUES DU R 134a

(Tétrafluoroéthane : CH2F-CF3)

 

Teb

 (°C)

Pabs

(bar)

rliq

(kg.m-3)

rgaz

(kg.m-3)

Lv

(kJ.kg-1)

60

18,8

1053,9

87,5

138,9

58

16,0

1064,3

82,8

141,5

56

15,3

1074,4

78,4

144,0

54

14,5

1084,2

74,2

146,4

52

13,8

1093,8

70,3

148,8

50

13,2

1103,2

66,5

151,2

48

12,5

1112,5

62,9

153,5

46

11,9

1121,5

59,5

155,7

44

11,3

1130,3

56,3

157,9

42

10,7

1139,0

53,2

160,0

40

10,2

1147,5

50,3

162,1

38

9,6

1155,9

47,6

164,2

36

9,1

1164,2

44,9

166,2

34

8,6

1172,3

42,4

168,2

32

8,1

1180,2

40,0

170,1

30

7,7

1188,1

37,7

172,0

28

7,3

1195,9

35,6

173,9

26

6,8

1203,5

33,5

175,8

24

6,4

1211,1

31,6

177,6

22

6,1

1218,5

29,7

179,4

20

5,7

1225,9

27,9

181,1

18

5,4

1233,2

26,3

182,8

16

5,0

1240,4

24,7

184,5

14

4,7

1247,5

23,1

186,2

12

4,4

1254,5

21,7

187,6

10

4,1

1261,5

20,3

189,5

8

3,9

1268,3

19,0

191,1

6

3,6

1275,1

17,8

192,6

4

3,4

1281,9

16,7

194,2

2

3,1

1288,6

15,5

195,7

0

2,9

1295,2

14,5

197,2

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