Module 2.3

1. Module 2.3 Systèmes thermiques Franck Lucas SUPPORTS de COURS LP ERME

2. Objectifs pédagogiques

3. Sommaire Chapitre 1 : Rappel théorique de thermique/Thermodynamique de base : • Systèmes d’unités pour l’énergétique • Thermodynamique • Transferts de chaleur Chapitre 2: Production d’ECS dans les bâtiments • Généralités sur les systèmes de production individuels / collectifs • Systèmes ECS solaires Chapitre 3 : Systèmes de climatisation • Généralité sur les systèmes • Conception des installations • Evaluation des performances Chapitre 4 : Biomasse / combustion • Production de la biomasse • Utilisation de la biomasse / notions de combustion

4. Chapitre 1 : Rappel théorique de thermique/Thermodynamique de base : • Systèmes d’unités pour l’énergétique • Thermodynamique • chaleur latente /sensible • 1er principe Thermodynamique • 2ieme principe Thermodynamique • Transferts de chaleur • Conduction • Rayonnement • convection

5. Systèmes d’unités • « Système International d’Unités » ( SI) • adoptés en 1960. • 7 unités de base et des unités dérivées

6. Systèmes d’unités • Energie : • Symbole en thermique : Q • Définitions : • Equivalence chaleur/travail = énergie (Démontré par Joule) • Énergie/travail=force [N] x distance [m] • Force =masse [kg] x accélération [m/s2] • Unité SI : Le Joule [J] • Autres unités • Wh : 1 W délivré pendant 1h • kWh : 1 kW délivré pendant 1 h • Btu : British Thermal Unit • Conversion : 1 Btu = 1055 J

7. Systèmes d’unités Puissance : • Symbole en thermique : P, • Expression : Avec : t le temps en secondes [s] • Unité SI : Watt [W] • Autres Unités : Btu/h Rmq: Attention aux petites puissances sur des durées longues Btu/h

8. Thermodynamique • Chaleur sensible : elle se manifeste par une élévation de température du corps • m : masse du corps [kg] • c : chaleur massique du corps [J/kg/K] • T : Température initiale ou finale du corps [K] ou [°C]  Chaleur latente : elle se manifeste par un changement d’état du corps : • L : Chaleur latente de changement d’état [J/kg] Q Q

9. Thermodynamique • Puissance sensible : Chaleur sensible rapportée à l’unité de temps: • :débit massique [kg/s] • Puissance latente : Chaleur latente rapportée à l’unité de temps • L : Chaleur latente de changement d’état [J/kg]

10. Thermodynamique : • Chaleur sensible /latente: exemple de l’eau : • Condensation /Vaporisation • Fusion/solidification • Evolution à Patm

11. Thermodynamique • Les changements d’état : • Point de changement d’état : exemple de l’eau

12. Thermodynamique Point de changement d’état : exemple de l’eau Diagramme température-pression pour la vapeur saturée

13. Thermodynamique Equilibre thermique de deux corps : Principe zéro de la thermodynamique Principe : lorsque deux corps à des températures différentes sont mis en contacts, ces corps échangent de la chaleur et se mettent en équilibre thermique a une température appelée température d’équilibre définie par…. Autres formes : Deux corps, mis en contact prolongé, se mettent en équilibre thermique. Deux corps en équilibre thermique avec un troisième, se trouvent en équilibre thermique entre eux.

14. Thermodynamique Flux entrant Système Frontière Flux sortant Définition 1: La thermodynamiquepermet de décrire l’état d’équilibre d’un système. Définition 2 : un système est généralement un ensemble matériel (donc constitué de molécules) bien défini. La définition d’un système amène à définir une frontière délimitant le système du milieu extérieur • Définition 3 : On définira l’état d’un système par les valeurs numériques que prendront certaines grandeurs physiques caractéristiques de ce système (T, P, V, n …) • L’état d’un système est susceptible de changer si on modifie une ou plusieurs grandeurs caractéristiques. Cette modification est obtenue par échange avec le milieu extérieur à travers la frontière. • Echange de travail (compression, dilatation) noté W. • Echange de chaleur (conduction, rayonnement, convection) noté Q. • Echange de masse.

15. Thermodynamique Transformation de systèmes et fonctions d’état • La variation DX d'une grandeur X dépendgénéralement du chemin suivi pour aller de l'état 1 à l'état 2. • Mais, pour certaines fonctions F, les variations DF lors d'une transformation sont indépendantes du chemin suivi. Elles sont dites fonctions d'état. • Conséquence : • la différentielle dF est une différentielle exacte.

16. Thermodynamique Définition et comportement des gaz parfaits (GP). • Définition : • Les chocs entre les particules sont dits élastiques. • L’énergie des particules est purement cinétique : pas de force d’interaction (attraction / répulsion). Le gaz est un gaz parfait Exemples : gaz monoatomiques, gaz diatomiques. Equation d’état des gaz parfaits Forme générale différentielle : Forme courante: P : pression en Pa V : volume en m3 T : température en K n : nombre de moles en mol R : constante des gaz parfaits : R = 8,314 J.K-1 .mol-1

17. Thermodynamique Energie Interne d’un système Conservation de l’énergie du système : Prise en compte des frottements : le palet fini par s’immobiliser sur la rampe horizontale U : Énergie interne du système (J)

18. Thermodynamique Energie Interne d’un système Modélisation de l’énergie interne Définition : L’énergie interne notée U d’un système représente à l’échelle macroscopique l’énergie cinétique et potentielle des particules. L’énergie interne est une fonction d’état: Application au GP Pour un gaz parfait on montre que l’énergie interne est directement liée à la température absolue et on calcule la variation d’énergie interne dU de la manière suivante: Avec : m : Masse de gaz (kg): cv : Chaleur massique à volume constant (J.kg-1.K-1) T : Température absolue du système.

19. Thermodynamique Premier principe de la thermodynamique: • Mise en évidence • Enoncé : La variation d’énergie interne du système entre deux états d’équilibre est égale à la somme algébrique des quantités d’énergie mécanique W (travaux des forces extérieures) et calorifiques Q échangées avec le milieu extérieur. • Mise en équation : • Pour une transformation fini • Pour une transformation infinitésimale • Pour un cycle

20. Thermodynamique dS Premier principe de la thermodynamique: S • Travail des forces de pression : avec • Soit : • Pour une transformation finie isobare de l’état i à l’état f : M M’

21. Thermodynamique Premier principe de la thermodynamique: Enthalpie: Evolution à pression constante • Pour une transformation à P=cte le 1er principe s’écrit : • Comme : alors : • Soit : et finalement • Définition : l’enthalpie est la quantité de chaleur (sensible ou latente) échangée par un système évoluant à pression constante • Symbole et unité :H en J, ou h en J/kg

22. Thermodynamique Premier principe de la thermodynamique: • Application à la transformation de GP: Q et W échangés • Evolution à P=cte : • Variation d’enthalpie pour un GP : avec : cpchaleur massique à pression constante (J.kg-1.K-1) • Evolution a V=cte : • Evolution à T=cte

23. Thermodynamique Premier principe de la thermodynamique: • Application à la transformation de GP: Evolution adiabatique (Q=0) : • Relation caractéristique des transformations adiabatiques

24. Thermodynamique Premier principe de la thermodynamique: Synthèse Pour les transformations adiabatiques De plus on admettra :

25. Thermodynamique Deuxième principe de la thermodynamique Objectif : prévoir le sens d’évolution des systèmes et étude des cycles Exemple 1 : détente d’un gaz Exemple 2 :

26. Thermodynamique Deuxième principe de la thermodynamique • Enoncé de Carnot (moteur) Si une machine fournit du travail au cours d’un cycle, elle échange nécessairement de la chaleur avec 2 sources de températures différentes. • Enoncé de Clausius (machine thermique) On ne peut construire de machine qui, au bout d’un cycle, ne ferait que transférer une quantité de chaleur d’une source froide à une source chaude. Conclusion « simpliste » : • Pour produire du travail il faut une source chaude et une source froide • Pour produire du froid il faut du travail

27. Thermodynamique Source, T1 Source, T2 Q1 Q2 Système W Deuxième principe de la thermodynamique Cycles moteur dithermes Premier principe : ΔU=W+Q2+Q1=0 W< 0, Q2 >0, Q1<0 Rendement du cycle :

28. Thermodynamique Cycles dithermes de machine thermique Source, T1 Source, T2 Premier principe ΔU=W+Q2+Q1=0 W > 0, Q2 <0, Q1>0 Performance du cycle : Q1 Q2 Système Machine frigorifique Pompe à chaleur (PAC) W

29. Transferts de chaleur • Principe zéro de la Thermo Lorsque deux corps à des températures différentes sont mis « en contacts », ces corps échangent de la chaleur et se mettent en équilibre thermique a une température appelée température d’équilibre…. • Définition des moyens d’échange • Conduction : avec support matériel, sans transfert de masse • Convection : avec support matériel, avec transfert de masse • Rayonnement: sans support matériel.

30. Transferts de chaleur Conduction Transfert par excitation de proche en proche des molécules. • Paroi monocouche homogène • Densité de flux traversant la paroi • Flux total traversant la paroi e

31. Transferts de chaleur Conduction Transfert par excitation de proche en proche des molécules. • Paroi monocouche homogène • Densité de flux conductif traversant la paroi e

32. Transferts de chaleur Conduction Transfert par excitation de proche en proche des molécules. • Analogie électrique • Paroi multicouche homogène

33. Transferts de chaleur Conduction Propriétés des matériaux: valeur de conductivité

34. Transferts de chaleur Rayonnement Transferts par ondes électromagnétiques. • Emittance totale d’un corps gris • M : densité de flux énergétique émise par une surface dans toutes les directions du ½ espace et dans toutes les longueurs d’ondes avec

35. Transferts de chaleur Rayonnement Réception de rayonnement: Emission de rayonnement

36. Transferts de chaleur Rayonnement • Flux net émis entre deux surfaces infinies: Formule brute Formule linéarisée pour une surface S1 dans des conditions ambiantes Valable pour DT<100K

37. Transferts de chaleur Convection Transfert avec support matériel et avec transfert de masse : entre un solide et un fluide Densité du flux échangé : h : coefficient d’échange convectif h : évalué par valeurs forfaitaires, corrélations de nombres adimensionnels, ou abaques. h : dépend du fluide h : dépend du type de convection établie : naturelle ou forcée

38. Transferts de chaleur Convection Types de convection • Convection naturelle : mise en mouvement des particules sous l’action de la poussée d’Archimède. • Convection forcée : mouvement des particules du à « moteur » extérieur. v

39. Transferts de chaleur Convection • Convection naturelle : • mise en mouvement des particules sous l’action de la poussée d’Archimède. • Nombres adimensionnels : Corrélations :

40. Transferts de chaleur Convection • Convection naturelle : • mise en mouvement des particules sous l’action de la poussée d’Archimède. • Méthode de calcul • Calculer Pr, Gr • Choisir la corrélation • Calculer Nu • Déduire h de Nu

41. Transferts de chaleur Convection • Convection naturelle : mise en mouvement des particules sous l’action de la poussée d’Archimède. Tableaux de valeurs de h (W/m²/K):

42. Transferts de chaleur Convection Convection forcée Corrélation nombres adimensionnels • Écoulement laminaire sur une plaque (Re< 2000) • Ecoulement turbulent sur une plaque (Re >3000) • Corrélation simplifiée V: vitesse du vent [m/s]

43. Chapitre 2: Production d’ECS dans les bâtiments • Généralités sur les systèmes de production individuels / collectifs • Systèmes ECS solaires • Principes généraux • Dimensionnement des installations

44. Généralités sur les systèmes • Fonctions essentielles d'une installation de production d'ECS : • la production proprement dite, • la distribution, • la fourniture • Evaluation des besoins • Les besoins augmentent : l’hygiène corporelle, les exigences des clients, les offres des constructeurs, le niveau d’équipement des logements …. • Les besoins diminuent : le coût du m3 d’eau froide, le lave-vaisselle, le nombre de personnes dans un logement, plus de douche, moins de bains. • Les grandeurs à déterminer pour le calcul de dimensionnement: • La puissance thermique à installer : elle tient compte de la puissance nécessaire pour chauffer l'eau et pour maintenir en température la boucle de recyclage ou du réseau de distribution. • le volume de stockage • les débits maximaux dans chaque tronçon de tuyauterie, pour le calcul du réseau de distribution

45. Généralités sur les systèmes Règles de l’art : Les documents techniques ci-dessous précisent les règles à observer pour l’obtention d’une installation d’ECS de qualité. • DT 60.1 : Travaux de plomberie sanitaire pour bâtiment à usage d’habitation • DTU 60.5 : Canalisations en cuivre. Distribution d’ECS et d’EFS. • DTU 65.3 : Installations de sous station d’échange à eau chaude sous pression • DTU 65.9 : Installation de transport de chaleur ou de froid et d’ECS entre production et bâtiments. • DTU 65-10 : Règles générales de mise en œuvre : Canalisations d’ECS et d’EFS sous pression.

46. Généralités sur les systèmes Classification des systèmes: Production individuelle : • Électrique, semi-instantanée, • Électrique à accumulation, • Chauffe-eau thermodynamique, • Au gaz, instantanée, • Au gaz à accumulation, • Solaire • Par chaudièreindividuelle à gaz double usage, instantanée, • Par chaudièreindividuelle à gaz double usage, semi-instantanée, • A combustible solideouliquide avec chaudière et production d’ECSintégréeouséparée (pavillonnaire) Production collective : • Instantanéeélectrique, • Instantanée à combustible • A semi-instantanéeélectrique • Semi-instantanée à combustible • A accumulation à combustible • A accumulation électrique • Solaire • Par PAC avec récupération de chaleur

47. Généralités sur les systèmes Exemples de systèmes Production instannée par fluide primaire et à gaz Système à accumulation par fluide primaire et éléctrique

48. ECS solaire Principes généraux Données climatiques Données climatiques générales

49. ECS solaire Principes généraux Données climatiques Données climatiques générales h : hauteur a : azimut(h)

50. ECS solaire Principes généraux Données climatiques nationales : carte d’ensoleillement en kWh/m².j