[PDF] Etude du fonctionnement dune machine frigorifique à adsorption

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LIENS Code de la Propriété Intellectuelle. articles L 122. 4 Code de la Propriété Intellectuelle. articles L 335.2- L 335.10

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"àlatempératureTc Parmi ces systèmestrithermes,onpeutdistinguerdeux cas suivant le niveau de latempérature Tc: 1 er

CAS(3)

Le système enquestion(figure 1) absorbe de lachaleurmotriceà lasourcedetempérature

ème

CAS(6)

Danscesconditions,le système (figure 2)rejettenécessairementde la chaleuràlasourcede bassetempérature

Tfqui est alors un " puits froid ".

Parcontrele systèmecédede la chaleur (effet utile Qi) au puitsthermiquedetempératureTi. 14

Chapitre

La figure 3représenteschèmatiquementle systèmetrithermepar un systèmedissociable composé d'unmoteurthermique(MT)entraînantune machine frigorifique (MF) ouunepompe

àchaleur(PAC) ; dans les deux cas

(Tc>Ti >Tf)et(Ti>Tc>Tf) : Tc Qc IMT: w MFI Ti Qil Qi2Qf tQc2 Qcl wPAC1 Qf Tf 2

ème

CAS(Ti>Tc >Tf)

Figure3

Chapitre

Latransformationsuivantecorrespondà unrefroidissementisobarepuis à lacondensationdu fluide dans lecondenseur(transformationl - 3). Le liquideproduitestrécupéréalorsdans une bouteilleaccumulatriceoù le cyclereprend. puitsdechaleur T 1

Compresseur

Détendeur

3 Tc 0 2 Tf 4

Isentropique

S sourcefroide

Figure3.1-a:Schéma

d'unemachine frigorifique -45°Cet 60°C, avec unrapportdepressions( qr,quicorrespondà laquantitéedechaleur prélevéeà lasourcefroideparunité de masse du fluidefrigorigènecyclé, est ladifférenced'enthalpie (figure3.1-a). importantdans ledomainedesapplicationsdomestiques(Pompe

àchaleuret machineàfroid)

et dans ledomaineindustriels. 17 Chapitre1Synthèsesur lessystèmesfrigorifiques Cependant,ces machines nécessitent l'utilisationd'uneénergie motrice noble etposentdes problèmesd'altérationde lacouched'ozonedue aux frigorigènes CFC etHCFC)[4].

Dans ce qui suit, nous nousintéressons

àl'analysedefonctionnementdes systèmesintégrés; particulièrementles machines à sorption.

20-LiBr

et le plus ancien est le couple NH

3-H20.

Cescouplessont les mieux

connus et les plusétudiés[5] [6]. Tableau 1 couples utilisés pour les systèmes

àabsorption

Frigorigène

Absorbants

Ammoniac NH

3 Eau

Méthylamine

Eau Eau

LiBr(Bromurede Lithium)

MéthanolLiBr

18

Chapitre ISynthèsesur lessystèmes

1.3.2.1

Chapitre!Synthèsesur les systèmesfrigorifiques 3 4 source dechaleur haute tem Ti ) 7

Détendeur

8

Evaporateur

source dechaleur( Tf)

DétendeurEchangeurde

chaleur w

Absorbeur

puits dechaleur (Ti)

Figure3.2- a : Schémad'unemachinefrigorifique

InP,-liT)

20 ChapitretSynthèsesur lessystèmesfrigorifiques Les systèmes à absorption sèche présentent unestructuretrès similaire à celle des

systèmes à absorption humide,l'absorbantici est un solide consolidé ou non, mais la réaction

de sorption esttoujoursde nature chimique. Les sorbants les plus utilisés sont le chlorure de calcium Chapitre]Synthèsesur les systèmesfrigorifiques

Systèmesilcompression

Avantages

*trèsboncoefficientdeperformance *simplicité du cycle et de machine *bonnesécuritéd'emploi,mais avec les frigorigènesactuelsqui sont mis enaccusation *variationdepuissancefrigorifique facile à mettreenoeuvre

Inconvénients

coûteuse *utilisationd'unemachinetournante polluants,dont laproductionest bannie par le protocoledeMontréal.Systèmes ilabsorption

Avantages

*consommeessentiellementdel'énergie calorifiquequipeutêtrerécuperée d'unautre système *nenécessiteque peu demachinestournantes *peu demaintenanceetgrandelongétivitédu matériel

Inconvénients

*coefficientsdeperformancemodestes *unegrandepuissancethermiqueestà

évacuerversl'extérieur

*étanchéitéde la machinepouréviter l'intrusiondegazincondensables 1 Les solidespulvérulentsouporeuxont lapropriétéde retenir, à leursurface,les moléculesdesphasesgazeuseou liquide encontactavec eux;cephénomènephysico-chimique est appeléadsorption.Le solide est ditadsorbantet le gaz ou le liquideadsorbat.

L'adsorptionest unphénomènetrèsgénéral;elle seproduitavec plus ou moinsd'intensitésur

à peu prèstoutesles surfacesséparantdeux milieux différents, lesadsorbantspeuventêtre solides ou liquides, et lesadsorbatsgazeux, liquides, ensolutionou même ensuspension.

1.3.3.1-Descriptionsommairede

Chapitre1Synthèsesur lessystèmesfrigorifiques L'adsorptionest un phénomène de surface, où le gaz peut recouvrir les surfaces inter et intraparticulaire du solide poreux.

Le système

àadsorptionpeut être assimiléàceluiàabsorption avec cependant deuxcaractères spécifiques : L'adsorbant est un solide poreux, et le cyclepeut être intermittent ou semi-continu. Le schémareprésentatifet le cycle thermodynamique de fonctionnement du système sont présentés sur les figures (3.3-a et 3.3-b). Le fonctionnement d'une machinefrigorifique àadsorptionse décompose en deuxphases: - phase de régénération - condensation. - phased'adsorption- évaporation. V3V3 iQE(Te)

Evaporateur

Condenseur

Générateur

VI

Désorption-Condensation

VI

Adsorption-Evaporation

Figure3.3 -a

23

Chapitre 1

ln

Synthèsesur lessystèmes

frigorigène pur

Figure3.3-b

m(T g) -r/r Le système fonctionne en régimetransitoireet secompose: - d'ungénérateur-adsorbeurdans lequel est placé l'adsorbant. - d'uncondenseuroù seproduitlacondensationde lavapeurprovenantdugénérateur. - d'unéchangeur,qui permet larécupérationpar un fluidecaloporteurdes calories mises enjeuaucoursde lacondensation,etd'unévaporateur. Pendantlapremièrephase du cycle, legénérateurGcontenantlecoupled'adsorbantet d'adsorbatest chauffé jusqu'àunetempératurelimite dedésorptionTg.L'adsorbats'évapore et secondensedans lecondenseurC à latempérature

Tccorrespondantà lapressionde

saturationdel'adsorbat. Danslasecondephase du cycle,l'adsorbatest mis encommunicationavecl'évaporateurE et l'adsorbeur A,maintenu à unetempératureTa.Uneévaporationpartielle de l\ latempératurede celui-ci deTcàTe,puisl'évaporationsepoursuitsousl'effetconjuguéde la chaleurextraiteàl'évaporateuret del'adsorptiondesvapeursparl'adsorbeur.

1.3.3.2-Descriptionthéoriquedu

ChapitreISynthèsesur lessystèmesfrigorifiques

Transformation1-2 :chauffageisostèrique

Le cycle defonctionnementdébute au point 1 oùl'adsorbantestsupposésaturédesorbat. Legénérateurest soumis à un flux dechaleurfournit par lasourcechaude; lecouplesubit alors unetransformationisostériquerepresentéepar 1-2. Les vannes e- Lapressiondans legénérateuraugmentejusqu'àsa plushautevaleurPc. Au point 2, latempératureseuil Tsestatteinteet lacondensationcommence.

Transformation2-3 :

Lechauffagedugénérateuret ladésorptiondesvapeurscontinuent,ce quipermetla condensation.Cettecondensationentraîne la dimunitition dutauxderemplissagede l'adsorbant,la vanne V 3

étantouverte.

Le chauffage estarrêtélorsquelecharbonactifatteintlatempératuremaximale T max. Laphase dedésorption-condensationsetermineau point 3. Celui-ciétantun pointd'équilibre déterminépar T maxet par la pressionPcducondenseur.

Transformation3-4 :refroidissementisostérique

Une fois lechauffagearrêté, la vanne decommunicationentre legénérateuret lecondenseur, V3,est fermée, lerefroidissementdugénérateuraveccharbonactifcommence.

Cerefroidissementpeut se faire par air, comme dansnotrecas où les essais ont été menés par

convectionnaturelleet parécoulementpulsé. Lapressiondans legénérateurdiminue sousl'effetdurefroidissementisostériquejusqu'àsa valeur

Ps,égale à celle del'évaporateur.

Transformation4-1 :

Legénérateurcontinued'êtrerefroidi, lesvannesVIet V2 sontouvertes,uneévaporation partielle de lavapeurabaisse satempératurede

TcàTe,puisl'évaporationsepoursuitsous les

effetsconjuguésde la chaleur prélevée dansl'évaporateuret del'adsorptiondesvapeursdans legénérateur. La phased'adsorption-évaporationse termine àl'équilibreau point 1,déterminépar

TaetP;

25
Chapitre 1Synthèsesur les systèmesfrigorifiques et où

1.3.3.3-

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