[PDF] Etude du fonctionnement dune machine frigorifique à adsorption

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U.F.R.Sciences etTechniques

de laMatièreet desProcédés (STMP)

THÉORIQUEETAPPLIQUÉE

LEMTA École DoctoralePROMEN(ProcédésetMécaniqueEnergétique)

DépartementdeFormationMécanique

Enerqétique

THESE présentéepourl'obtentiondugradede Par

MouadDINY

ETUDEDUFONCTIONNEMENTD'UNEMACHINE

FRIGORIFIQUEAADSORPTIONMODELISATIONDES

DUFONCTIONNEMENTDELAMACHINE

Soutenuepubliquementle 16Décembre1996devantlacommissiond'examen:

Président:

G.PIAR

Rapporteurs:

R.JADOT

G.PIAR

Examinateurs:

R.BOUSSEHAIN

M. FEIDT

L. LUO

ProfesseuràPARIS VII

Professeur

àlaFacultéPolythechniquede MONS

Professeur

àPARIS VII

Maîtrede Conférences

àl'ENSAIS

Professeur

àl'UHP,NANCY-I

Maîtrede Conférences

àl'ENSIC

REMERCIEMENTS

3

Introductiongénérale

SOMMAIREGENERAL

7 CHAP1 :Synthèsesurlessystèmesfrigorifiques10

CHAPModélisationthermodynamiquede lasorption28

CHAPIV:Dispositifexpérimental87

CHAPV :Résultatsexpérimentauxetnumériques105 trithermes126

Conclusiongénéraleetperspectives

Annexes

159
161
5

Introductiongénérale

INTRODUCTIONGENERALE

Lestechniquesd'application duphénomèned'adsorptionseretrouventdans plusieurs processusindustriels. Les systèmes utilisants desadsorbantssolides tels que lescharbonsactifs les aluminosilicatescontribuentlargement dans lesprocessusdeséparation,de purification, du séchage, de déshumidification et detraitementd'air. Lescontraintesenvironnementalesimposéespourla limitation de l'utilisation desfrigorigènes

CFC et HCFC ontcontribuéà l'émergence des systèmes utilisant l'énergie calorifique comme

sourceprimaire telles que les machines frigorifiques

àadsorption,objet de laprésentethèse.

Cetteétude,entreprisesuite au travail de thèse deL.LUO[1], apourobjectifs: - lacaractérisationdesperformancesde l'installation frigorifique en vue del'optimisationde sonfonctionnement - lamodélisationdestransfertsde chaleur et de masse, entransitoire,dans un grainconsidéré bidispersé et

àl'échelle dugénérateurde la machine

-l'optimisationthéorique àcontraintede puissance calorifique,pourdégagerdes critères dimensionnels deconceptiondeséchangeursde la machine.

Après

avoirdressé dans lechapitreI une synthèsebibliographiquesur les systèmes frigorifiques, nousconsacronslechapitreII

àdes rappelsfondamentauxde la physique

d'adsorptionet

àlamodélisationdesisothermesde sorption.

DanslechapitreIII, la modélisation destransfertsdechaleuret de masse dans un gram bidisperséet dans legénérateurest effectuée. [1]L.LUO,"Etudethermodynamiqueet thermique de machineàcycle inverseàadsorption", Thèse de 7

Doctorat

INPL,Nancy, (1991).

Introductiongénérale

LeschapitresIV et V,présententledispositifexpérimentalet lesrésultatsexpérimentaux d'évolutionen temps réel destempératures,des pressions, des massessorbéesdans le générateurainsi que lesconductancesthermiquesdescomposants.

Ilsprésententaussi, quelques résultats numériques demodélisationdestransfertsdans le grain

et dans legénérateur.Et enfin, les bilans calorifiques et les coefficients deperformancede l'installation. LechapitreVI, expose les résultatsd'optimisationdufonctionnementd'une machinetritherme, par laméthode"Thermodynamiqueen temps fini ", àcontraintede puissance. Suite

àquoi, il estprocédéà la conclusion du présent travail etévoquélesperspectivesfutures

enprolongementde celui-ci. [1]L.LUO,"Etudethermodynamiqueet thermique demachineàcycle inverseàadsorption", Thèse de 8

DoctoratINPL, Nancy, (1991).

Chapitre!Synthèsesur les systèmesfrigorifiques

Nomenclatureduchapitre1

COP e: coefficientdeperformancecôtéchaud :MFmachinefrigorifique

MT:moteurthermique

PAC:pompeàchaleur

Pc:pressionhaute[hPa]

Pr:pressionbasse[hPa]

parkilogrammed'adsorbantpourchaufferle fluide de TaàTg[I/kg] QA: quantitédechaleurproduite parlephénomèned'adsorption[I/kg] o..quantitédechaleurfourniepourdésorberl'unité demassede l'adsorbat[I/kg] QE: o..quantitédechaleurà lasourcefroid[I/kg] Qg: quantitédechaleurapportéeà ladésorptionaugénérateur[I/kg] Qi:quantitédechaleurà lasourceintermédiaire[I/kg] o..quantitédechaleursensible del'unitéde masse del'adsorbant, fournieentreTaà Tg[I/kg]

Ta:températurede find'adsorption[K]

Te:températured'évaporation[K]

r.:températureinférieure[K]

Tg:températurede fin dedésorption[K]

Ti:températureintermédiaire[K]

Tj:températureseuil[K]

r..températuredesaturation[K]

W:énergiemécanique[W]

11

Chapitrel

1.1-Introduction

Synthèsesur lessystèmesfrigorifiques

Pourmieux détailler les caractéristiques des machines frigorifiques à adsorption, objet du présent travail de recherche,l'étudebibliographique suivante donne une synthèse des processus deproductionde froid et des systèmes frigorifiques couramment utilisés.

1.2-Classificationdes systèmes frigofiques

La classification des systèmes frigorifiques est habituellement faite par type de source d'énergieabsorbée, de processus physico-chimique intervenant dans le système ou par type d'utilisation.

1.2.1.1- Systèmes

àchangementd'étatdufrigorigène

Les machines frigorifiques les plus utilisées sont celles qui font intervenir deux chaleurs latentes du changement de phase du frigorigène. La chaleur latente de vaporisation, chaleur endothermique permettant de produire l'effet utile frigorifique dansl'évaporateur,et la chaleur latente de condensation, exothermique, utilisée pour produirel'effetutile calorifique dans le condenseurd'unepompe à chaleur. Dans une moindre mesure, des chaleurs de fusion et de sublimation de solides sont utilisées pour laproductiondes effets utiles frigorifiques. Exemples : chaleur latente de fusion de la glace et chaleur de sublimation de la neige carbonique.

1.2.1.2- Systèmes à gazpermanent

Les chaleursd'échauffementet de refroidissement résultant respectivement de la compression et la détented'ungaz sont utilisées dans un processus deproductionde froid. Exemple:productiond'azoteoud'airliquides dans un cycle de

STIRLINGinversé

(machine

PHILIPS)

12

Chapitre ISynthèse

Les puissances frigorifiques développées par ces systèmes sont modestes et leur utilisation est restreinte.

Exemple:modules

àeffetPELTIER[1].

1.2.1.4-Systèmesàsorptionde gaz ou devapeur

Ces systèmes sontàabsorption (humide ou sèche) etàadsorption. Les effets calorifiques mis en jeu sont les chaleurs exothermiques de sorption et les chaleurs endothermiques de désorption.

1.2.2-

Tfvers un niveau detempératuresupérieurTi.Ils sont donc au moins dithermes. D'aprèsle second principe de la thermodynamique, ils doivent nécessairement consommer de l'énergiepour effectuer cette opération. Lorsquele système est ditherme, consommant une énergie mécanique, ou équivalente, W, en absorbant une quantité de chaleur Qfdans la source froideàlatempératureTfet en cédant une quantité de chaleur Qi au puits chaud àlatempératureTi, le coefficient de performance du système est, dans ce cas de :

1-Productiondu froid ( machinefrigorifique)

dans le cas idéal, réversible (1)

2-Productionde la chaleur ( pompeàchaleur)

COP e

IQII( ) _Ti

1l et COPeid -dans le cas idéal, réversible

QI -QFTi - Tf

(2) 13 Chapitre 1Synthèsesur lessystèmesfrigorifiques Les coefficients deperformancedes systèmes réels les plus efficaces sontcomprisentre

50 et 70

%de ceux des systèmes idéauxfonctionnantentre les mêmestempératures,ceci dans le domaine destempératuresusuelles.

1.2.2.2-Systèmesfrigorifiques

consommantdel'énergiecalorifique Le principe defonctionnementde ces systèmesconsiste

àextraireoufournir

unequantitéde chaleur enconsommantdel'énergiecalorifique. Ils sontconstitués d'aumoins troissourcesde chaleur : *sourcefroide,àlatempératureTf *sourceintermédiaireou puits de rejetthermiqueàlatempératureTi *sourcefournissant de lachaleur"motrice"àlatempératureTcquotesdbs_dbs14.pdfusesText_20

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