3.La relation pression/température

lundi 10 février 2014
par  EcoEnergieTech
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Dans la zone liquide et/ou vapeur, pour une pression donnée, la température du liquide peut varier :
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Et inversement, pour une température donnée (isotherme), la pression du liquide peut varier.
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Par contre, dans la zone de mélange liquide + vapeur, la température et la pression sont liées (relation Pression / Température). A chaque température correspond une pression, et vice-versa. Dans les autres zones (liquide ou gaz), pression et température ne sont pas liées.

Explications :

- Comportement du fluide dans une bouteille et forces mises en jeu :

BOUTEILLE FERMÉE :
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Dans une bouteille de R22, la surface du fluide frigorigène est soumise à l’action de deux forces :

Fe = force externe exercée par la vapeur de fluide frigorigène sur la surface du liquide.
Fi = force interne exercée par le liquide sur sa surface.

Le fluide frigorigène essaie de maintenir, naturellement Fe = Fi (équilibre statique des forces).

La bouteille étant fermée, la quantité de vapeurs contenue dans celle-ci engendre une force Fe qui compense celle interne au liquide... Rien ne se passe dans la bouteille (la résultante des forces est nulle Fe - Fi = 0).

BOUTEILLE OUVERTE :
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En ouvrant la vanne de la bouteille, des vapeurs s’échappent. La pression exercée par ces vapeurs sur la surface du liquide diminue, la force Fe diminue (Fe < Fi).

Le fluide frigorigène va se mettre à bouillir afin de fournir des vapeurs pour rétablir l’équilibre naturel. Malheureusement, comme les vapeurs s’échappent de la bouteille, l’ébullition du liquide ne permet pas de rétablir l’équilibre... Ainsi, nous pouvons conclure que le fluide frigorigène bout si Fe devient inférieur à Fi.

- La relation pression température :

BOUTEILLE FERMÉE + AUGMENTATION DE TEMPÉRATURE :
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Si la température augmente de 10°C, l’agitation moléculaire va augmenter dans le liquide (énergie emmagasinée par le fluide).

La force interne Fi deviendra supérieure à la force externe Fe.

Le fluide frigorigène va donc essayer de rétablir l’équilibre entre son liquide et sa vapeur. Pour cela, une faible quantité de liquide va s’évaporer pour fournir des vapeurs.

Cette quantité de vapeurs supplémentaire permet à Fe de croître. Grâce à l’évaporation de la faible quantité de liquide, le fluide frigorigène va réussir à rétablir l’équilibre entre la force exercée par sa vapeur et celle exercée par son liquide (Pression Fixée). On retrouve alors Fe=Fi. Comme on retrouve + de vapeurs, la pression augmente.

Il suffit d’une goutte de liquide pour que la relation pression-température soit applicable.

Chaque fluide possède sa propre relation pression/température. Ainsi, un mélange liquide-gaz de R22 à 20°C aura une pression de 8,1bar qui est différente de celle du mélange liquide-gaz de R134a.

Le graphique ci dessous illustre la relation pression/température :
Relation pression température
(Attention, l’échelle des pressions est graduée en bar absolus).
Exemple : sur le graphique 20 °C donne (pour le R22), 9,1 bar absolus, c’est-à-dire 8,1 bar au manomètre.

Plus on augmente la température et plus la pression va augmenter. Connaissant la température d’un mélange liquide-gaz d’un fluide, on peut connaître sa pression et vis-versa. C’est pourquoi sur les manomètres utilisés par les frigoristes, il y a une échelle de pression et des échelles de température pour des fluides donnés.

- Vapeurs surchauffées :
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Si nous plaçons une bouteille avec une goutte de fluide à 30°C dans une ambiance à + 40°C. L’agitation moléculaire augmente dans la goutte de liquide et cette dernière va s’évaporer. Malheureusement, elle ne fournit plus suffisamment de vapeurs pour faire augmenter la pression. Celle-ci reste égale à 6,6 bar. La force exercée par la pression de vapeur Fe ne peut donc plus augmenter. L’élévation de la température ambiante à 40°C à fait évaporer tout le liquide. Il n’y a donc plus relation pression-température (on est à l’extrême droite de la cloche sur le diagramme de Mollier).

On obtient donc des vapeurs à 40°C (changement d’état + énergie supplémentaire).
Elles sont donc surchauffées de 40°C - 30°C= 10°C.

- En résumé :

A chaque fois que la température augmente, il se produit une évaporation partielle du fluide. Ceci entraîne une augmentation de la quantité de vapeur au-dessus du liquide, et par conséquent une augmentation de la pression. Si la température du liquide se stabilise, la pression fait de même et prend une valeur telle qu’elle empêche l’évaporation du liquide.

De la même manière, une diminution de la température du liquide entraîne la condensation d’une partie de la vapeur. De ce fait, celle-ci entraîne une diminution de la pression et crée donc un équilibre à une valeur plus basse.

Cependant, s’il ne reste plus qu’une seule goutte de liquide (et que l’on continue à augmenter la température de la bouteille) une fois cette dernière goutte évaporée, il ne reste plus de liquide pour fournir de la vapeur, et la pression ne peut plus continuer à monter. Ainsi, la relation pression/température n’est vraie que s’il reste au moins une molécule de liquide. Chaque fluide a sa relation pression/température.