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Laboratoire d’ Informatique pour la Mécanique et les Sciences de l’Ingénieur
LE FROID SOLAIRE
M. Pons
CNRS-LIMSI , Rue J. von Neumann, BP133, 91403 Orsay Cedex
http://perso.limsi.fr/mpons/
Master 2 OMEBA
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Laboratoire d’ Informatique pour la Mécanique et les Sciences de l’Ingénieur
LE FROID SOLAIRE
M. Pons
CNRS-LIMSI , Rue J. von Neumann, BP133, 91403 Orsay Cedex
http://perso.limsi.fr/mpons/
Master 2 OMEBA
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Une application de l’énergie solaire bien adaptée
• On a plutôt besoin de réfrigération(conservation aliments, climatisation)
quand et là où
il y a du soleil
• A priori, bonne adéquationdans le temps et dans l’espace entre les besoins de froid et l’énergie disponible
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Ensoleillement journalier de janvier à décembre (Odeillo)
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Le froid solaire est-il paradoxal ? Peut-on « faire du froid avec du chaud » ?
• On sait que spontanément la chaleur se transmet du « chaud » vers le « froid »
et que ce flux de chaleur tend à uniformiser la température(c’est donc le contraire de la réfrigération).
• On sait qu’il faut brancher un réfrigérateur (congélateur / climatiseur, etc.) pour qu’il fonctionne,
il faut lui fournir de l’énergie.
• Utiliser la thermodynamique pour expliquer comment de l’énergie thermique peut être convertie
en production de froid.
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Plan de ce premier cours
• PRINCIPES GÉNÉRAUX DE LA RÉFRIGÉRATION, RAPPELS
• RÉFRIGÉRATION SOLAIRE : PRINCIPES GÉNÉRAUX, CAPTEURS SOLAIRES
• CYCLES ET MACHINES À SORPTION
Deux équilibres liquide-vapeur
Cycle à absorption liquide
Performances et intégration au bâtiment : calcul, dépendancesexercices
• SUITE EN JANVIER
• ANNEXES
Master 2 OMEBA
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Rappel sur les phénomènes endothermiques
• Principaux phénomènes endothermiques
• - les changements d’état : solide -> liquide -> vapeur(liquéfaction, vaporisation, sublimation)
(p.ex. fusion glace – ébullition eau - neige carbonique)
• - la détente d’un gaz(ou extension de corps élastique)
avec ou sans production de travail ;
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Therm… + Endo… = chaleur + à l’intérieur =
Le flux de chaleur est dirigé vers l’intérieur =
le système considéré refroidit son extérieur
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Autres phénomènes endothermiques
• - le passage d’un courant électrique à travers la soudure de deux métaux différents (effet Peltier)
• - la dissolution d’un solide, liquide ou gaz dans un autre corps
• - la désaimantation (adiabatique) de substances paramagnétiques,
• - …
• Suite du cours : changement d’état [liquide – vapeur] !
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Rappels sur la réfrigération par compression • Très familière
Gamme Température : climatiseurs, réfrigérateurs, ou congélateurs ; Gamme Taille : ménagers, commerciaux ou industriels.
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Principe :1. Faire s’évaporer un fluide à
« basse » pression
2. Comprimer la vapeur
3. Faire se condenser la vapeur à « haute » pression
4. Dépressuriser le liquide.
basse pression = basse température = production de froid,
compresseur = apport d’énergie mécaniqueou électrique,
= rejets de chaleur à une température T > Tambiante,
Diaphragme, vanne de détente (adiabatique).
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réfrigération par compression : composants, bilan d’énergie
• Composants :Un évaporateur +un compresseur + un condenseur + un détendeur + un fluide frigorigène.Qevap
Tfroid
TambQcond
Wcomp
Énergie motrice mécanique = apport d’énergie au compresseur
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Condenseur
Compresseur
Evaporateur
Détendeur
Condenseur
Compresseur
Evaporateur
Détendeur
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Cycle thermodynamique à compression
• Chauffage (->) ou refroidissement (<-) isobare
• Compression, sans échange de chaleur (adiabatique) ou avec (refroidissement ou chauffage).
• Détente sans échange d’énergie avec l’extérieur (adiabatique).
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Condenseur
Compresseur
Evaporateur
Détendeur
1
2
3
4
1
2
3
4Tfroid
Tamb
Qevap
Qcond
Wcomp
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Bilan d’énergie, performance et conséquence
• Critère de performance : Coefficient Of Performance COP, = rapport du froid produit sur l’énergie mécanique apportée.
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Condenseur
Compresseur
Evaporateur
Détendeur
(1 1/ )cond evap comp evapQ Q W Q COP • Conséquence sur les rejets de chaleur à l’ambiante
Chaleur rejetée = froid produit + énergie mécanique apportée
Bilan d’énergie en fonctionnement périodique :
0evap comp condQ W Q
evap
comp
QCOP
W
• COP typiques de l’ordre de 3 pour les machines à compression
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Comment produire du froid avec de la chaleur ?
• 1°) En couplant une production d’électricité à partir de chaleur
avec un cycle frigorifique à compression : transfert d’énergie électrique.
• Question : Quel est le COP de l’ensemble ?(froid produit / chaleur fournie)
• Et à partir d’énergie solaire ?
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Condenseur
Compresseur
Evaporateur
Détendeur
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Photovoltaïque +cycle à compression
• Panneaux photovoltaïques = production d’électricité, plans (direct + diffus) ou avec concentration (direct)Rendement de conversion 0,10 en moyenne,
• Stockage électricité sur batteriesplus onduleur éventuel (pour produire du courant alternatif),
• Production de froid : machine à compression classiqueCOP 2-2,5 en moyenne
• COPsol 0.2 (Démarrages, charges partielles, etc. pris en compte).
• Possibilité stock froid ; souplesse vis-à-vis apport électrique.
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Comment produire du froid avec de la chaleur ?
• 1°) En couplant une production d’électricité à partir de chaleur
avec un cycle frigorifique à compression : transfert d’énergie électrique.
• Question : Quel est le COP de l’ensemble ?(froid produit / chaleur fournie)
• 2°) En associant les deux cycles (moteur et réfrigérateur)
au sein d’une même machine, avec transfert d’énergie
sous une forme ou sous une autredu cycle moteur vers le cycle frigo.
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Condenseur
Compresseur
Evaporateur
Détendeur
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• PRINCIPES GÉNÉRAUX DE LA RÉFRIGÉRATION, RAPPELS
• RÉFRIGÉRATION SOLAIRE : PRINCIPES GÉNÉRAUX, CAPTEURS SOLAIRES
• CYCLES ET MACHINES À SORPTION
Deux équilibres liquide-vapeur
Cycle à absorption liquide
Performances et intégration au bâtiment : calcul, dépendancesexercices
• SUITE EN JANVIER
• ANNEXES
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Produire du froid directement à partir du soleil ?
• À ma connaissance, il n’existe pas de moyen de transformer directement du rayonnement visible en production de froid.
• Il est donc nécessaire de mettre en jeu une forme d’énergie intermédiaire.
• Rayonnement solaire --> Électricité --> Réfrigérationcellules photovoltaïques cycle à compression
• Soleil --> Chaleur --> Réfrigérationcapteurs thermiques cycle à sorption
• Les aspects « solaire » et « machine frigorifique »sont relativement découplés.
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Evaporateur
Condenseur
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• Le Soleil, source d’énergie forcément instationnaire,
aléatoire, mais aussi assez répétitive.
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Nécessité d’un stockage
• Le Froid, une demande assez impérative :
- Congélation : Tproduits < -20°C !!!! (–30°C),- Réfrigération : +2°C < Tproduits < 6-8°C !!, (denrées alimentaires, vaccins)
- Climatisation : Tair < 25°C ou normes confort adaptatif.
• Entre l’aléatoire et l’impératif, il faut UN STOCKAGE …
… soit sous la forme d’énergie intermédiaire (électricité ou chaleur),… soit un stockage de froid,
… soit les deux.
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Schéma général d’un réfrigérateur solaire
• Apport solaire
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Qamb (<0)
Apports électriques pour
auxiliaires :circulation fluides
caloporteurs, évacuation Qamb, contrôle, mesures
Waux
Qfroid
0sol froid amb auxQ Q Q W En fonctionnement périodique :
Qsol
• Rejets à l’ambiante • Production de froid
Capteurs solaires
Stock chaud Unité
frigorifique
Stock froid
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Critère de performance thermodynamique No 1
• Critère No 1 :le COP solaire
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Qamb (<0)
Waux froidsol
sol
QCOP
Q
COPsol = produit [rendement moyen de captation (capteur)] x [COP moyen de la machine (COPmachine)].
Qfroid
Qsol
Avec Qfroid et Qsol intégrés sur un temps suffisamment long pour être
représentatif (démarrages matins, arrêts soirs, nuages, mauvais jours, pannes, maintenance, …)
Rendementcapteur COPmachine .Qsol --------------------------> Eintermédiaire ----------------------> Qfroid.
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Critère de performance thermodynamique No 2
• Critère No 2 :
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Froid produit par unité d’énergie fournie aux auxiliaires.
froidel
aux
QCOP
W
Et où Waux doit être intégrée sur le TOUT le temps de fonctionnement.
Qamb (<0)
Waux
Qfroid
Qsol
à comparer au COP électrique (COPel) d’une machine à compression (qui vaut de l’ordre de 3 en nominal).
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Autres critères de performance,rapportés au kWh de froid produit
• Consommation d’eau : (dessiccant ou tour humide)
• Poids total de l’ensemble : (tenue du toit ?)
• Volume total de l’ensemble : (occupation d’espace)
• Surface occupée au sol : (terrain = €uros)
et• Pourcentage du temps où la demande est satisfaite• Pourcentage des heures de production de froid effectives
(proportion du temps où « ça ne marche pas » à cause de la météo).
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Les capteurs solaires
• Principes généraux
• Les capteurs solaires
• Les cycles à sorption
• Intégration dans une machine solaire
• Un peu d’histoire
• Le stockage, toujours imparfait
• Un problème inattendu
• L’avenir ?
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• Plans
• CPC
• Cylindro-paraboliques
• …
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• Revêtement sélective(absorbant dans visible mais pas dans infra-rouge)
• Isolation thermique• Un ou plusieurs vitrages
• Aussi tubes sous vide• Température relativement limitée (100-120°C).
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Sourcewww.ekopedia
Les capteurs solaires 1. Les capteurs plans
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Les capteurs solaires 2. Les CPC
• Concentrateur Parabolique Composé :concentration, mais sans focalisation.
• Concentration limitée, mais l’ensemble peut rester fixe !(pas de mécanisme de suivi)
• Tube récepteur éventuellement sous vide (réduction des dissipations thermiques).
• Température > 200°C• Rendement de captation ?
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Les capteurs solaires 3. cylindro-paraboliques• Suivi du soleil autour d’un seul axe
(horizontal)
• Concentration moyenne (100)
• La température du fluide peut monter jusqu’à 200-250°C.
• Rendement de captation 0.5
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Capteurs cylindro-paraboliques de la centrale Nevada Solar One
crédit : Schott AG www.ecosources.info
• Plus fortes concentrationsnon-considérées ici.
Machine Stirling montée sur concentrateur parabolique à Odeillo crédit : CNRS-PROMES,
www.ecosources.info
Centrale solaire à concentration pour exploitation commerciale Espagne. Crédit : Solucar, www.ecosources.info
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• PRINCIPES GÉNÉRAUX DE LA RÉFRIGÉRATION, RAPPELS
• RÉFRIGÉRATION SOLAIRE : PRINCIPES GÉNÉRAUX, CAPTEURS SOLAIRES
• CYCLES ET MACHINES À SORPTION
Deux équilibres liquide-vapeur
Cycle à absorption liquide
Performances et intégration au bâtiment : calcul, dépendancesexercices
• SUITE EN JANVIER
• ANNEXES
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Changements d’état [liquide – vapeur](pour l’eau)
Master 2 OMEBA
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( )satP P T
• Diagramme enthalpique (P-H) ; H vaporisation.
• Eau = Corps pur => équilibre liq.-vap. monovariant.• En présence simultanée de liquide et
de vapeur d’eau, pression et température(de l’interface) sont en relation biunivoque :
• Domaines des phases liquide (L), vapeur (V), et (L+V).
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Quelques cas d’équilibre liquide-vapeur
• Phase liquide en deux volumes séparés, l’un à T1, l’autre à T2 ;Phase vapeur connexe en contact avec les deux volumes liquides.
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T1 T2liquide
vapeur
liquide
• À l’équilibre : que peut-on dire des températures T1 et T2 ?Des niveaux de liquide en 1 et en 2 ?Comment cela se représente-t-il dans le diagramme [P, T] ?
• Que se passe-t-il si on force T2 à être supérieure à T1 ?Comment cela se représente-t-il dans le diagramme [P, T] ?
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L’effet caloduc
• Volume fermé rempli d’un mélange liquide – vapeur, corps pur avec deux échangeurs de chaleur.
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Calo… + Duc… = chaleur + conduire
Qout
Qin
• Apport de chaleur Qin
• [Liquide ?-? Vapeur]
• Où va la vapeur ?• Type de chaleur
échangée ?(quel T équivalent ?)
• Chaleur extraite Qout
• [Liquide ?-? Vapeur]
T1 T2
liquide
vapeur
liquide
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En résumé sur les caloducs
• Tendre à engendrer un écart de pression induit un transfert de masse sous forme vapeur.
• Il y a donc changement d’état [liquide->vapeur] d’un côté (là où le flux de chaleur est entrant >0)
et changement d’état [vapeur->liquide] de l’autre côté(là où le flux de chaleur est sortant <0).
Master 2 OMEBA
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Eau liquide + sel (NaCl)
• Que dire sur l’eau salée (solution saline) ?
• Sur la proportion NaCl / H2O (composition) ?• Sur comment changer cette composition
(diluer ? concentrer ?)
• Règle des phases de Gibbs pour équilibre eau salée + vapeur d’eau ?
• Comment situer P ?P > Psat(T) ? Ou P < Psat(T) ?
Master 2 OMEBA
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2c v
T
P
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Deux équilibres : H2O liquide <–> H2O vapeur <–> Solution saline
Master 2 OMEBA
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T T
H2O +NaCl
vapeur
H2O
P1 P2
• Deux équilibres à la même température séparés (vanne fermée) :
• Que dire de la pression de chaque équilibre ? P1 > P2 ? Ou bien P2 > P1 ?
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Co-existence des deux équilibres : H2O liquide <–> H2O vapeur <–> Solution saline
• Même pression• Que dire de la pression de chaque
équilibre ? Et de la température ?• T1 > T2 ? Ou bien T2 > T1 ?• Que se passe-t-il lorsqu’on chauffe ou refroidit
l’un ou l’autre des « réacteurs » ?
Master 2 OMEBA
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T1 T2
H2O +NaCl
vapeur
H2O
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Co-existence des deux équilibres : H2O liquide <–> H2O vapeur <–> Solution saline
Que se passe-t-il lorsqu’on chauffe ou refroidit
l’un ou l’autre des réacteurs ?
Master 2 OMEBA
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T1 T2H2O +NaCl
vapeur
H2O
Q+ Q-
T1 T2H2O +NaCl
vapeur
H2O
Q+Q-
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Résumé sur ces changements d’état liquide-vapeur
• En présence d’un équilibre liquide-vapeur, un écart de pression induit un transfert de masse sous forme vapeur.
• Changement d’état : [liquide->vapeur] quand flux de chaleur entrant (>0) [vapeur->liquide] quand flux de chaleur sortant (<0).
• En présence des deux équilibres (liquide <–> vapeur <–> solution),
des flux de chaleur (adaptés) induisent des écarts de pression, c.à.d. une force motrice, et des flux de vapeur.
Master 2 OMEBA
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Condenseur
Evaporateur
Détendeur
Supprimer le compresseur d’une machine frigorifique …• … en gardant
l’évaporateur (à « basse » pression), le condenseur (à « haute » pression),le détendeur et
• un fluide, qui change d’état liquide-vapeur dans ces deux échangeurs : c’est le réfrigérant, ou le fluide frigorigène.
Qevap
Tfroid
Qcond
Tamb
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Compres-seur
• Pour fermer le cycle : porter la vapeur de réfrigérant
sortant de l’évaporateur à « haute » pression où elle sera condensée.
• Possible avec un équilibre solution <-> vapeur
Flux de chaleur au condenseur
et à l’évaporateur
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Évaporation + absorption• La solution refroidie à « moyenne » température
tend à attirer la vapeur (avec rejet de chaleur).
• En s’évaporant le réfrigérant produit du froid (Qevap>0)comme pour les cycles à compression
Condenseur
Evaporateur
Soution
Master 2 OMEBA
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Qevap
Tfroid
Qr à Tr
• Absorption de vapeur + évaporation
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Laboratoire d’ Informatique pour la Mécanique et les Sciences de l’Ingénieur
• Chauffée à « haute » température(apport de chaleur p.ex. solaire),
la solution tend à rejeter la vapeur Condenseur
Evaporateur
Solution
Qcond(à Tamb)
Condensation + désorption
Master 2 OMEBA
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• La vapeur se condense
(le réfrigérant devient liquide)avec rejet de chaleur
(Qcond).
Qh (à Th)
• Désorption(de vapeur),
régénération(de la solution),
génération, séparation :la vapeur du fluide
frigorigène est extraite de la
solution.
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Les couples d’absorption liquide les plus utilisés
H2O+NH3 : Solution binaire (mélange liquide)
LiBr+H2O : Solution saline (sel dissout)
Note : chaque couple est ici noté « X+Y », où X est le sorbant et Y est le frigorigène
Master 2 OMEBA
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Laboratoire d’ Informatique pour la Mécanique et les Sciences de l’Ingénieur
• PRINCIPES GÉNÉRAUX DE LA RÉFRIGÉRATION, RAPPELS
• RÉFRIGÉRATION SOLAIRE : PRINCIPES GÉNÉRAUX, CAPTEURS SOLAIRES
• CYCLES ET MACHINES À SORPTION
Deux équilibres liquide-vapeur
Cycle à absorption liquide
Performances et intégration au bâtiment : calcul, dépendancesexercices
• SUITE EN JANVIER
• ANNEXES
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Diagramme de Clapeyron [Log(P) vs. -1/T]pour LiBr+H2O.
• Diagramme Pression –Température pour H2O (corps pur)
• Courbe de saturation (équilibre liquide-vapeur).
• Deux domaines Liquide et Vapeur
• La solution (en équilibre avec la vapeur d’eau) contient plus ou
moins de sel : la concentration dépend de T et P.
Master 2 OMEBA
40
L
V
• Les points (T, P) correspondant à une même concentration xforment une Courbe isostérique P=Fx(T).
• L’ensemble des isostères forme la loi d’état du système solution + vapeur.
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Laboratoire d’ Informatique pour la Mécanique et les Sciences de l’Ingénieur
Diagramme Log(P) vs. -1/T (« de Clapeyron ») 2
• Chaleur latente du changement de phase vapeur -> liquide :
Formule de Clapeyron :Ln
0(1/ ) x
PH R
T
Master 2 OMEBA
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L V
Les divers systèmes divariants(absorption liquide, adsorption de vapeur pure) ont un diagramme de Clapeyron qui a la même allure générale.
• Elle exprime la relation entre 1. les chaleurs latentes de
condensation ou d’absorptionet 2. les pentes des
courbes de saturation Liq/Vapou des courbes isostères.
• Pour liquide-vapeur : L = -H
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Diagramme de Clapeyron pour LiBr+H2O.
Chaque point (T, P) correspond à une composition de la solution : x g de LiBr + 1-x g de H2O(total = 1 g ; exemple : x = 0.50).
Master 2 OMEBA
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Limites : - Équilibre liquide-vapeur eau pure
- Cristallisation du LiBr.
Courbes isostèriques : équilibre solution LiBr +
vapeur avec concentration x constante
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Laboratoire d’ Informatique pour la Mécanique et les Sciences de l’Ingénieur
1.a. La phase évaporation+absorption
Évaporation
La « qualité » de froid voulue fixe la
température de l’évaporateur,
d’où la pression d’évaporation-
absorption,[Psat(Tevap)],
l’absorbeur est à une température un
peu supérieure à l’ambiante
(exemple xA=0.52)
Absorption
Master 2 OMEBA
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Laboratoire d’ Informatique pour la Mécanique et les Sciences de l’Ingénieur
1.b. La phase désorption-condensation
Condensation
Désorption
La température ambiante fixe celle du condenseur,
d’où la pression de désorption-conden-sation [Psat(Tcond)].
+Il suffit que la source
chaude soit à une température assez
haute pour que xD>xA, ce qui
détermine le point de désorption
(exemple xD=0.62).
Master 2 OMEBA
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Laboratoire d’ Informatique pour la Mécanique et les Sciences de l’Ingénieur
Principe du cycle à LiBr + H2O absorption liquide
1. Chauffage (de la solution)+ séparation désorption :
Le chauffage à haute pression de la solution en extrait de la vapeur.
2. Refroidissement(de la solution)
+ absorption : Le refroidissement à basse pression de la
solution lui fait re-absorber la vapeur
précédemment extraite.
Master 2 OMEBA
45
Evaporateur
Condenseur
Détendeur
Evaporateur
Condenseur
• La séparation crée une énergie potentielle qui est l’énergie
motrice de l’effet frigorifique.
Laboratoire d’ Informatique pour la Mécanique et les Sciences de l’Ingénieur
Lien avec le Cycle thermodynamique
• Remplacement du compresseur par l’ensemble Absorbeur + Désorbeur
Master 2 OMEBA
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Condenseur
Compresseur
Evaporateur
Détendeur
1
2
3
4
1
2
3
4Tfroid
Tamb
Qevap
Qcond
Wcomp
Absorption
Désorption
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D
Master 2 OMEBA
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Frigorigène
A
Solution saline
absorbante
B
F
Description du cycle à absorption liquide
ABD : Chauffage (Qh) de la solution LiBr+H2O, d’abord pour la pressuriser (isostère AB) puis pour désorber la vapeur (BD);
C
E
Qr
QhABDFA :
Cycle de la solution saline.
[BD]CE[AF]AB : Cycle du
frigorigène
DFA : Refroidissement (Qr) de la solution, d’abord pour la dépressuriser (isostère DF) puis pour absorber la vapeur (FA);
AB : solution LiBr+H2O
riche en eau, pauvre en sel
DF : solution LiBr+H2O
pauvre en eau, riche en sel
Pompe de circulation
condensation en C.
évaporation en E.
Laboratoire d’ Informatique pour la Mécanique et les Sciences de l’IngénieurMaster 2 OMEBA
48
Comment fonctionne le cycle à absorption liquide ? cycle, schéma, machine
Absorption
Evaporateur
Condenseur
Désorption
E
A
DB
F
C
-1/T
LnP
Quatre fonctions essentielles : Désorption de la vapeur, Condensation, Évaporation, Absorption de la vapeur plus Chauffage et Refroidissement de la solution LiBr+H2O.
E
A
D
C
25
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Dans une machine (1)
EA
DB
F
C
-1/T
LnP
Ici avec récupération de chaleur sur le circuit solution saline.
A
La solution saline diluée en sortie d’absorbeur (A), est pressurisée (pompe de circulation), préchauffée (échangeur solution – solution),et injectée dans le générateur de vapeur (brumisée).
Laboratoire d’ Informatique pour la Mécanique et les Sciences de l’IngénieurMaster 2 OMEBA
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Dans une machine (2)
EA
DB
F
C
-1/T
LnP
Ici avec récupération de chaleur sur le circuit solution saline.
A
D
C
SéparationDésorption : Sous l’effet du chauffage à haute température, de la vapeur d’eau est séparée de la solution,Condensation : La vapeur se condense sur un échangeur (exothermique), l’eau liquide coule sur un plateauoù elle est collectée.
26
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51
Dans une machine (3)
EA
DB
F
C
-1/T
LnP
Ici avec récupération de chaleur sur le circuit solution saline.
A
D
C
La solution saline concentrée en sortie de générateur (D), est dépressurisée (pincement), et prérefroidie (échangeur solution –solution),et injectée dans l’absorbeur (A) (brumisée).
Laboratoire d’ Informatique pour la Mécanique et les Sciences de l’IngénieurMaster 2 OMEBA
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Dans une machine (4)
EA
DB
F
C
-1/T
LnP
Ici avec récupération de chaleur sur le circuit solution saline.
E
A
D
C
Re-absorptionL’eau condensée est transférée dans l’évaporateur, coule en film sur l’échangeur à basse température où elle se vaporise (E) : production de froid.
La vapeur d’eau est absorbée par la solution concentrée en cédant sa chaleur à un échangeur refroidi. La solution diluée (A) ferme la boucle.
27
Laboratoire d’ Informatique pour la Mécanique et les Sciences de l’IngénieurMaster 2 OMEBA
53
Dans une machine (5)
EA
DB
F
C
-1/T
LnP
Ici avec récupération de chaleur sur le circuit solution saline.
E
A
D
C
1.Noter que l’absorbeur et le condenseur sont refroidis en série ;
2. Noter aussi la boucle de recirculation d’eau liquide à évaporer
Laboratoire d’ Informatique pour la Mécanique et les Sciences de l’Ingénieur
État de l’art
• Les machines utilisant l’absorption liquide (H2O+NH3, LiBr+H2O)
sont développées industriellement et commercialisées Trane, York, EAW, Carrier, Soffimat, Entropie, Yazaki, SolarNext,
Dunham-Bush, McQuay, Sanyo, Broad, Robur, Colibri BV, etc.
• Gammes de puissance : supérieures à (5-)10 kWplutôt pour installations collectives que pour maisons individuelles.
Master 2 OMEBA
54
28
Laboratoire d’ Informatique pour la Mécanique et les Sciences de l’IngénieurMaster 2 OMEBA
55
Une technologie aux aspects multiples
1. Analyse des transferts internes
2. Intégration dans un bâtiment
Efficacité énergétique
Laboratoire d’ Informatique pour la Mécanique et les Sciences de l’Ingénieur
• PRINCIPES GÉNÉRAUX DE LA RÉFRIGÉRATION, RAPPELS
• RÉFRIGÉRATION SOLAIRE : PRINCIPES GÉNÉRAUX, CAPTEURS SOLAIRES
• CYCLES ET MACHINES À SORPTION
Deux équilibres liquide-vapeur
Cycle à absorption liquide
Performances et intégration au bâtiment : calcul, dépendancesexercices
• SUITE EN JANVIER
• ANNEXES
Master 2 OMEBA
56
29
Laboratoire d’ Informatique pour la Mécanique et les Sciences de l’Ingénieur
Analyse des transferts internes, Efficacité énergétique
• Quel est le critère d’efficacité énergétique d’un cycle frigorifique ?
• Comment le définit-on ?
Master 2 OMEBA
57
Laboratoire d’ Informatique pour la Mécanique et les Sciences de l’Ingénieur
D
Master 2 OMEBA
58
A
B
F
Le cycle à absorption liquide :bilan de masse 1 : Question
C
E
Composition de la solution(en masse) …
en A : 50% LiBr+ 50% H2O
en D : 61% LiBr+ 39% H2O
Question : Quelle est la quantité d’eau cyclée au condenseur C et à l’évaporateur E ?
x
30
Laboratoire d’ Informatique pour la Mécanique et les Sciences de l’Ingénieur
D
A
B
F
C
E
Le cycle à absorption liquide : bilan de masse 2
59
Master 2 OMEBA
Conséquence : Le débit de LiBr traversant est le même
en chaque point du cycle ABDF.
Le LiBr seul ne s’accumule nulle part.
P.ex. débit LiBr en A = débit LiBr en D.
C’est la masse de LiBr(seul) qui est prise comme référence :Les quantités d’eau sont rapportées à la masse unitaire de LiBr,
d’où la définition de la concentration via la Masse d’eau par unité de masse de sel (LiBr), notée w [en kg_H2O par kg_LiBr] :
Avec x = Concentration en LiBr (masse LiBr / masse solution),
(1 ) /w x x
Laboratoire d’ Informatique pour la Mécanique et les Sciences de l’Ingénieur
D
A
B
F
C
E
Le cycle à absorption liquide : bilan de masse 3
60
Quelques exemples :
x = 50 % ; w = ?
x = 0,60 ; w = ?
1 xw
x
A Dw w w
Dans l’exemple ci-dessus, w=0.92-0.61=0.31 [kg_H2O.(kg_LiBr)-1]
D’où la masse d’eau cyclée [par kg de LiBr circulant]dans le condenseur C et l’évaporateur E : …………… A Dw w w
Dans l’exemple de la figure : w = 1. - 0.64 = 0.36 kg_H2O.(kg_LiBr)-1.Soit 1g.s-1 de LiBr à l’absorbeur. Quels sont les débits massiques …
1. à l’absorbeur A ? 2. à l’évaporateur E ? 3. au générateur D ?
Master 2 OMEBA
31
Laboratoire d’ Informatique pour la Mécanique et les Sciences de l’Ingénieur
D
A
B
F
C
E
Le cycle à absorption liquide : bilan de masse 4
61
Dans le fonctionnement d’une machine à absorption, c’est le débit de solution extrait de l’absorbeur A
qui est fixé.
Attention : débit de solution (indice sol) ≠ débit de LiBr (indice s).
Débit d’eau à l’évaporateur et …… :
Débit de solution extrait du générateur :
Master 2 OMEBA
,sol Am , .s sol A Am m x
,sol Am
1 xw
x
A
D
x
xA
D
w
w
A Dw w w
, .w E sm m w
, , ,/sol D s D sol A w Em m x m m
Laboratoire d’ Informatique pour la Mécanique et les Sciences de l’Ingénieur
Le cycle à absorption liquide : bilans de chaleur1. Froid produit (flux de chaleur extrait par l’évaporateur)
Master 2 OMEBA
62
Connaissant le débit d’eau aux condenseur & évaporateur, , calcul de la puissance frigorifique produite à l’évaporateur
Réfrigérant : Quel état initial à sortie du condenseur = ?Quel état final à sortie de l’évaporateur = ?
Quelle méthode pour le calcul énergétique ??{enthalpie = fonction d’état}, donc deux étapes :
1. Refroidissement de l’eau liquide de Tc à Te (chaleur sensible) : …
2. Évaporation à Te : ……………………
. . . ; 0lwce s p e cq m w c T T
( ). . ; 0eTe s evapq m w L
Total =
C D
EA
B
F -1/T
LnP
.sm w
; 0E ce eq q q
32
Laboratoire d’ Informatique pour la Mécanique et les Sciences de l’Ingénieur
Le cycle à absorption liquide : bilans de chaleur2. Chaleur fournie par la source chaude (1)
Master 2 OMEBA
63
Connaissant le débit de solution sortant de l’absorbeur et les points A, D, C, E, calcul de la puissance thermique fournie par la source chaude(reçue par la solution entre ? et ?)
1. Phase isostérique -> compositions x et w constantes, pas de changement de phase, débit de solution constant. La chaleur reçue se transforme uniquement en chaleur sensible (augmentation de température).
C D
EA
B
F -1/T
LnP
Deux étapes : ? -> ? et ? -> ?,_ _ _/ .(1 )sol s sm m x m w
_ _
1 ( , )_ _
.d .(1 ). .d .(1 ). .( )sol A solABh sol s A p w T s A p B Aq m h m w c T m w c T T
Laboratoire d’ Informatique pour la Mécanique et les Sciences de l’Ingénieur
Le cycle à absorption liquide : bilans de chaleur2. Chaleur fournie par la source chaude (2)
Master 2 OMEBA
64
Connaissant le débit de solution sortant de l’absorbeur et les points A, D, C, E, calcul de la puissance thermique fournie par la source chaude (reçue par la solution entre ? et ?)
1.2. Phase isobare -> Augmentation de température,
Compositions : x croît, w décroît, de l’eau est désorbée ; le débit de solution décroît : chaleur sensible ET chaleur latente (cf. pl 44).
3. -> Addition :
_ _ _
2 ( , )_ _ _
2
. .d .d .(1 ). .d .d[ .(1 )]
.(1 ). .( ) . .( )
sol solBD
solBD
h sol p w T sol s p s
h s BD p D B s D B
q m c T H m m w c T H m w
q m w c T T H m w w
Deux étapes : ? -> ? et ? -> ?
C D
EA
B
F -1/T
LnP
.( ) 0D BH w w
1 2H h hq q q EH
qCOP q
33
Laboratoire d’ Informatique pour la Mécanique et les Sciences de l’Ingénieur
Le cycle à absorption liquide : bilans de chaleur3. Chaleur échangée par le condenseur (1)
Master 2 OMEBA
65
Connaissant le débit de solution sortant de l’absorbeur et les points A, D, C, E, calcul de la puissance thermique échangée au condenseur.
• Reçue ou rejetée ?
• Quelle(s) transformation(s) entre la désorption et la sortie du condenseur ?
C D
EA
B
F -1/T
LnP
Cq
Laboratoire d’ Informatique pour la Mécanique et les Sciences de l’Ingénieur
Le cycle à absorption liquide : bilans de chaleur4. Chaleur rejetée à la source froide (1)
Master 2 OMEBA
66
• Reçue ou rejetée ?
• Quelle(s) transformation(s) ?
C D
EA
B
F -1/T
LnPConnaissant le débit de solution sortant de l’absorbeur et les points A, D, C, E, calcul de la puissance thermique rejetée à la source froide
Aq
34
Laboratoire d’ Informatique pour la Mécanique et les Sciences de l’Ingénieur
Bilan d’énergieen régime stationnaire
• Bilan premier principe en tenant compte de l’énergie mécanique apportée par le circulateur de solution :
Master 2 OMEBA
67
0E H C A pq q q q w • wp (consommation du circulateur de solution)
est nettement plus faible que les différents flux de chaleur qj, en particulier quand le réfrigérant est de l’eau.
/E HCOP q q
Laboratoire d’ Informatique pour la Mécanique et les Sciences de l’IngénieurMaster 2 OMEBA
68
Quelques exemples de COP
Sources de chaleur à 85, 35 et 5°C• COP cycle simple-effet sans récupération : 0,67• COP cycle simple-effet avec récupération : 0,8
Sources de chaleur à 60, 25 et 5°C• COP cycle simple effet avec récupération : 0,87
Sources de chaleur à 100, 30 et 5°C• COP cycle simple effet avec récupération : 0,86
35
Laboratoire d’ Informatique pour la Mécanique et les Sciences de l’Ingénieur
Schéma machine Yazaki
35-100 kWfd• -
Master 2 OMEBA
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Laboratoire d’ Informatique pour la Mécanique et les Sciences de l’Ingénieur
Schéma machine Yazaki 35-100 kWfd
• GE : Générateur• A : Absorbeur• CO : Condenseur• E : Évaporateur• SP : Pompe de solution• H : Échangeur de chaleur
• RV : vanne de réfrigérant• SV : vanne électromagnétique
Master 2 OMEBA
70
36
Laboratoire d’ Informatique pour la Mécanique et les Sciences de l’Ingénieur
Performances d’une machine réellePuissance froid de la machine Yazaki WFC-SC (10)en fonction de la température d’entrée eau chaude.
Master 2 OMEBA
71
Expliquer le comportement,
par exemple quand la température chaude passe de88 à 93 °C.
Laboratoire d’ Informatique pour la Mécanique et les Sciences de l’Ingénieur
Intégration dans un bâtiment
• Froid distribué dans circuit de ventilo-convecteurs
• Refroidissement de l’unité assuré par tour de refroidissement
• Apport de chaleur par capteurs solaires
• Possibilité de stockages
Master 2 OMEBA
72
37
Laboratoire d’ Informatique pour la Mécanique et les Sciences de l’Ingénieur
Fonctionnement nominal (constructeur) et variations.
Master 2 OMEBA
73
30°C en entrée absorbeur
• Températures de référence :
11, 30 et 90°C.
• Puissance frigorifique nominale : 30 kW.
90°C en entrée générateur
11°C en SORTIE évaporateur
Laboratoire d’ Informatique pour la Mécanique et les Sciences de l’Ingénieur
Cycle nominal [11out, 30in, 90in°C, 30 kW]
Master 2 OMEBA
74
38
Laboratoire d’ Informatique pour la Mécanique et les Sciences de l’Ingénieur
Effet de la température évaporateur
• Cycle nominal : 11°C, 30°C, 90°C.• Puissance de refroidissement en fonction de
température sortie échangeur évaporateur.
Master 2 OMEBA
75
Laboratoire d’ Informatique pour la Mécanique et les Sciences de l’Ingénieur
Représentation dans diagramme de Clapeyron
Master 2 OMEBA
76
Effet d’une augmentation de la
température évaporateursur le débit d’eau cyclée
et donc sur la puissance de refroidissement
39
Laboratoire d’ Informatique pour la Mécanique et les Sciences de l’Ingénieur
Effet de la température de source chaude
• Cycle nominal : 11°C, 30°C, 90°C.• Puissance de refroidissement en fonction de
température entrée échangeur générateur.
Master 2 OMEBA
77
Laboratoire d’ Informatique pour la Mécanique et les Sciences de l’Ingénieur
Représentation dans diagramme de Clapeyron
Master 2 OMEBA
78
Effet d’une augmentation de la
température générateursur le débit d’eau cyclée
et donc sur la puissance de refroidissement
40
Laboratoire d’ Informatique pour la Mécanique et les Sciences de l’Ingénieur
Effet de la température des rejets de chaleur
• Cycle nominal : 11°C, 30°C, 90°C.• Puissance de refroidissement en fonction de
température entrée échangeur absorbeur.
Master 2 OMEBA
79
Laboratoire d’ Informatique pour la Mécanique et les Sciences de l’Ingénieur
Représentation dans diagramme de Clapeyron
Master 2 OMEBA
80
Effet d’une augmentation de la
température évaporateursur le débit d’eau cyclée
et donc sur la puissance de refroidissement
41
Laboratoire d’ Informatique pour la Mécanique et les Sciences de l’Ingénieur
Question : Comment compenser …
• … une augmentation de +4°C de la température extérieure en gardant la même puissance de refroidissement …
1. … soit en variant la température de l’évaporateur (de combien à combien ?)
2. … soit en variant la température du générateur(de combien à combien ?)
• Avec ce que vous savez de l’énergétique des bâtiments, cette compensation sera-t-elle suffisante ?
Master 2 OMEBA
81
Laboratoire d’ Informatique pour la Mécanique et les Sciences de l’Ingénieur
• PRINCIPES GÉNÉRAUX DE LA RÉFRIGÉRATION, RAPPELS
• RÉFRIGÉRATION SOLAIRE : PRINCIPES GÉNÉRAUX, CAPTEURS SOLAIRES
• CYCLES ET MACHINES À SORPTION
Deux équilibres liquide-vapeur
Cycle à absorption liquide
Performances et intégration au bâtiment : calcul, dépendancesexercices
• SUITE EN JANVIER
• ANNEXES
Master 2 OMEBA
82
42
Laboratoire d’ Informatique pour la Mécanique et les Sciences de l’Ingénieur
Les deux types de cycle à sorption(ab- ou ad-)
• Les cycles intermittents
Master 2 OMEBA
83
• Les cycles continus
Laboratoire d’ Informatique pour la Mécanique et les Sciences de l’Ingénieur
Cycles intermittents (alternatifs)
II
I
• Dans un cycle alternatif …
Master 2 OMEBA
84
… les deux phases ont lieuen alternance et chacuneest subie par toute lamasse de sorbant dansson ensemble …
… la production de froid n’alieu que pendant unephase sur deux.
Condenseur
Evaporateur
Détendeur
AbsorbeurGénérateur
43
Laboratoire d’ Informatique pour la Mécanique et les Sciences de l’Ingénieur
Cycles continus• Générateur et Absorbeur =deux appareils différents …
• plus circulation du sorbantentre les deux
(besoin d’un circulateur et d’un détendeur spécifiques).
• Les quatre fonctions(désorption, condensation, évaporation, absorption)
coexistent en permanence.
Master 2 OMEBA
85
Evaporateur
Condenseur
Générateur
Absorbeur
• La machine ne peut être active que quand elle reçoit de la chaleur (stockage nécessaire pour fonctionner la nuit).
Laboratoire d’ Informatique pour la Mécanique et les Sciences de l’Ingénieur
Avantages, inconvénients
• Les cycles intermittents
• Avantage :le sorbant ne circule pas
(un seul « réacteur » assure désorption et absorption).
• Inconvénient :le « réacteur » qui contient le
sorbant (métal, fluide caloporteur …)doit aussi être cyclé en
températurecoût thermique : qh
par chaleur sensible dqh=MCpdTet COP .
Master 2 OMEBA
86
•Les cycles continus
•Avantage :chaque composant reste à une
température constante.
• Inconvénient :il faut faire circuler le sorbant
(coût en énergie mécanique).
44
Laboratoire d’ Informatique pour la Mécanique et les Sciences de l’Ingénieur
La notion de température seuil
• Les cycles intermittents
• Tout le sorbant doit dépasser le point B (seuil), sinon
pas de froid produit.
• Processus accumulatif
Master 2 OMEBA
87
•Les cycles continus
•La puissance doit toujours être suffisante pour que la
température dépasse TB(seuil).
A
B
F
D
Laboratoire d’ Informatique pour la Mécanique et les Sciences de l’Ingénieur
Adsorption versus
absorption
2. Adsorption (solide)
• L’adsorption c’est l’adhésion de molécules d’un fluide sur une paroi solide
(forces électrostatiques).
• L’adsorption est exothermique
Adsorption = Dégagement de chaleur (idem condensation) à évacuer.Désorption = Extraction de chaleur (idem évaporation) à apporter.
Adsorption = Pas de changement de
volume du solide.
Master 2 OMEBA
88
45
Laboratoire d’ Informatique pour la Mécanique et les Sciences de l’Ingénieur
• Poudre grains microporeux d’une dizaine de µm env.agglomérés en grains ou billes de qq mm par un liant : argile macroporeuse (pores > 0,1 µm).
Quelques adsorbants : a. les zéolites …
• À l’origine : « zéolithes » (pierre qui bout)• Naturelles ou synthétiques• Alumino-silicates en réseau cristallin• Présence de « cages » de taille(s) très bien
définie(s) -de 0,3 à qq dizaines de nanomètres- reliées entre elles
Master 2 OMEBA
89
Laboratoire d’ Informatique pour la Mécanique et les Sciences de l’Ingénieur
… b. les charbons actifs …
• Fabriqués à partir de bois et coques naturels ou de fibres synthétiques,
• Les plans graphitiques délimitent entre eux un réseau de pores, qui peuvent être des micropores (< 2 nm ; noix de coco), mais aussi des macropores (> 50 nm).
• Poudre de grains microporeux agglomérés en grains ou billes de qq mm par un liant : brou macroporeux.
Master 2 OMEBA
90
46
Laboratoire d’ Informatique pour la Mécanique et les Sciences de l’Ingénieur
• La taille des pores dépend du procédé de fabrication, elle va des micropores aux macropores.
• Polymère d'acide silicique Si(OH)4 obtenu à partir de silicate de sodium.
… c. les gels de silice
• Poudre ou grains millimétriques sans liant.
Master 2 OMEBA
91
Laboratoire d’ Informatique pour la Mécanique et les Sciences de l’Ingénieur
Système divariantDiagramme de Clapeyron
Master 2 OMEBA
92
• Presque tout ce qui a été dit sur les cycles à absorption liquide s’applique aussi aux cycles à adsorption.
• Ici, w en kg_fluide par kg_solide seul.
47
Laboratoire d’ Informatique pour la Mécanique et les Sciences de l’Ingénieur
Cycle – 1 : pressurisation - désorptionÀ partir du point A
(fin d’ad/absorption) :
1/ pressurisation par chauffage isostérique*
A-B
2/ chauffage avec désorption B-D
(la vapeur désorbée est condensée en C,
l’eau liquide est transférée en E)
…* isostérique = à composition x constante.
Master 2 OMEBA
93
C
E
A
DB Qh
Laboratoire d’ Informatique pour la Mécanique et les Sciences de l’Ingénieur
C
E
A
DB
F
Cycle – 2 : dépressurisation - adsorptionÀ partir du point D(fin de désorption)
3/ dépressurisation par refroidissement isostérique* D-F,
4/ refroidissement avec ad/absorption
F-A
(la vapeur ad/absorbée vient
de l’évaporateur E).
Master 2 OMEBA
94
Qr
48
Laboratoire d’ Informatique pour la Mécanique et les Sciences de l’Ingénieur
Idem absorption liquide :
• Les quatre fonctions essentielles.• Le chauffage et le refroidissement.
• Les bilans de chaleur (chaleur latente + chaleurs sensibles).• La notion de température seuil.
• La possibilité de faire des cycles intermittentsou des cycles continus(1),
• Différence avec l’absorption liquide : un solide ne coule pas, il n’est pas facile de réaliser des échanges de chaleur à
contre-courant.
(1) Il n’est pas facile de faire circuler des granulés solides (peu résistants en outre), d’où la mise en forme de roue, et l’utilisation d’un gaz porteur (air). C’est alors la pression partielle qui compte. Voir cycles à dessiccant.
Master 2 OMEBA
95
Laboratoire d’ Informatique pour la Mécanique et les Sciences de l’Ingénieur
Annexes
Quelques autres procédés de réfrigération solaireExpressions des énergies mises en jeu
Un peu de bibliographie
Master 2 OMEBA
96
49
Laboratoire d’ Informatique pour la Mécanique et les Sciences de l’Ingénieur
Éjection - 1
• La détente de vapeur motrice (de 300 à 5 kPa) permet d’aspirer de la vapeur (de 1 à 5 kPa).
• L’évaporation de vapeur à basse pression produit du froid.
• Fonctionnement en continu.
Master 2 OMEBA
97
Source : EERE Information Center – US DOE (Energy Efficiency & Renewable Energy) www.eere.energy.gov
Géné-rateur
de vapeur
Con-den-seur
Évapo-rateur
Système de distribution du froid
Laboratoire d’ Informatique pour la Mécanique et les Sciences de l’Ingénieur
Éjection - 2 • Capteurs cylindro-
paraboliques (140°C) : production de vapeur(3 bars).
• Quel COP de cycle ?
• Quel COP solaire intégré sur la journée ?
Master 2 OMEBA
98
1 : capteur, 2 : éjecteur, 3 : évaporateur, 4 : ballonde vapeur, 5 : condenseur, 6 : aéro-réfrigérant.
Pollerberg et al., Apllied Thermal Engng (Elsevier), 2009.
50
Laboratoire d’ Informatique pour la Mécanique et les Sciences de l’Ingénieur
Thermo-acoustique
• Un gradient de température dans un stackgénère une onde acoustique (énergie mécanique générée par source chaude solaire) ;
• Une onde acoustique dans un stack génère un gradient de température :
pompage de chaleur = réfrigération.
• Rendement ?
Master 2 OMEBA
99
• Thermo-électrique, ou encore d’autres ?
Wheatley, Swift, & al.: Beer cooler
Laboratoire d’ Informatique pour la Mécanique et les Sciences de l’Ingénieur
D
A
B
F
C
E
Le cycle à absorption liquide : bilan de masse 2
100
Le LiBr seulne s’accumule nulle part.
Conséquence :
Dans l’exemple ci-dessus, w=0.92-0.61=0.31 [kg_H2O.(kg_LiBr)-1]
Master 2 OMEBA
Le débit de LiBr traversant est le même en chaque point du cycle
ABDF. P.ex. débit LiBr en A = débit LiBr en D.
C’est la masse de LiBr(seul) qui est prise comme référence :Les quantités d’eau sont rapportées à la masse unitaire de LiBr, d’où la définition de la concentration via la Masse d’eau par unité de masse de sel (LiBr), notée w [en kg_H2O par kg_LiBr] :
Avec x = Concentration en LiBr (masse LiBr / masse solution),
1 xw
x
51
Laboratoire d’ Informatique pour la Mécanique et les Sciences de l’Ingénieur
D
A
B
F
C
E
Le cycle à absorption liquide : bilan de masse 4
101
Calcul de la masse d’eau cyclée [par kg de LiBr circulant] dans le condenseur C et l’évaporateur E :
Dans le fonctionnement d’une machine à absorption, c’est le débit de solution extrait de l’absorbeur A qui est fixé.
Attention : débit de solution (indice sol) ≠ débit de LiBr (indice s).
Débit d’eau à l’évaporateur et …… :
Débit de solution extrait du générateur :
Master 2 OMEBA
,sol Am , .s sol A Am m x
,sol Am
1 xw
x
A
D
x
xA
D
w
w
A Dw w w
, .w E sm m w
, , ,/sol D s D sol A w Em m x m m
A Dw w w
Laboratoire d’ Informatique pour la Mécanique et les Sciences de l’Ingénieur
Le cycle à absorption liquide : bilans de chaleur1. Froid produit (flux de chaleur extrait par l’évaporateur)
Master 2 OMEBA
102
Débit d’eau aux condenseur & évaporateur :calcul de la puissance frigorifique produite à l’évaporateur
Utilisant l’enthalpie et sa propriété de fonction d’état.Décomposition en deux étapes :1. Refroidissement de l’eau liquide
de Tc à Te (chaleur sensible) : …2. Évaporation à Te : ……………………
. . . ; 0lwce s p e cq m w c T T
( ). . ; 0eTe s evapq m w L
Total =
C D
EA
B
F -1/T
LnP
.sm w
; 0E ce eq q q
52
Laboratoire d’ Informatique pour la Mécanique et les Sciences de l’Ingénieur
Le cycle à absorption liquide : bilans de chaleur2. Chaleur fournie par la source chaude (1)
Master 2 OMEBA
103
Calcul de la puissance thermique fournie par la source chaude
Phase isostérique AB : compositions x et wconstantes, pas de changement de phase, débit de solution constant. La chaleur reçue se transforme en chaleur sensible.
C D
EA
B
F -1/T
LnP
_ _
1 ( , )_ _
.d .(1 ). .d .(1 ). .( )sol A solABh sol s A p w T s A p B Aq m h m w c T m w c T T
Phase isobare BD : Augmentation de température. Pour les compositions : x croît, w décroît, de l’eau est désorbée ; le débit de solution décroît : chaleur sensible ET chaleur latente (cf. pl 44).
-> Bilan global :
_ _ _
2 ( , )_ _ _
2
. .d .d .(1 ). .d .d[ .(1 )]
.(1 ). .( ) . .( )
sol solBD
solBD
h sol p w T sol s p s
h s BD p D B s D B
q m c T H m m w c T H m w
q m w c T T H m w w
.( ) 0D BH w w
1 2H h hq q q
Laboratoire d’ Informatique pour la Mécanique et les Sciences de l’Ingénieur
Le cycle à absorption liquide : bilans de chaleur3. Chaleur échangée par le condenseur (1)
Master 2 OMEBA
104
Connaissant le débit de solution sortant de l’absorbeur et les points A, D, C, E, calcul de la puissance thermique échangée au condenseur.
Reçue ou rejetée ?
• Lorsque la température de la solution passe de Tdes à Tdes+dTdes (TB<Tdes<TD)Débit élémentaire de vapeur désorbé :
• Quelle(s) transformation(s) entre désorption à Tdes, et sortie condenseur ?
C D
EA
B
F -1/T
LnP
d d . d d . .d
d d . . +d .
c c
vap
des des
vap
T T
C vap vap p condT T
C vap p c des vap cond
q m h m c T H
q m c T T m H
[ .(1 )] . . .vap sol s s s desP
wdm dm d m w m dw m dT
T
53
Laboratoire d’ Informatique pour la Mécanique et les Sciences de l’Ingénieur
Le cycle à absorption liquide : bilans de chaleur3. Chaleur échangée par le condenseur (2)
Master 2 OMEBA
105
Connaissant le débit de solution sortant de l’absorbeur et les points A, D, C, E, calcul de la
puissance thermique échangée au condenseur.Désurchauffe de la vapeur depuis sa
température de désorption, Tdes, jusqu’à Tc, puis condensation à Tc .
• Intégration sur toute la désorption, de TB à TD :• Masse de vapeur cyclée (avec notation Pl. 60) :
• Chaleur échangée au condenseur :
C D
EA
B
F -1/T
LnP
. . + .d
. . . .d . . d
D
vap
B
D D
vap
B B
T
C s p c des cond desPT
T T
C s p c des des s cond desP PT T
wq m c T T H T
T
w wq m c T T T m H T
T T
d .D
B
T
vap vap sT
m m m w
dD
B
T
C CT
q q
Laboratoire d’ Informatique pour la Mécanique et les Sciences de l’Ingénieur
Le cycle à absorption liquide : bilans de chaleur3. Chaleur échangée par le condenseur (3)
Master 2 OMEBA
106
Connaissant le débit de solution sortant de l’absorbeur et les points A, D, C, E, calcul de la
puissance thermique échangée au condenseur.Désurchauffe de la vapeur depuis sa température de désorption, Tdes, jusqu’à Tc, puis condensation à Tc .
•
C D
EA
B
F -1/T
LnP
( )
( )
. . . .d . . d
. . .( ) .[ ].( )
. . .
D D
vap
B B
vap
vap
T T
C s p c des des s cond desP PT T
C s p c des s Tc
C s p des c Tc
w wq m c T T T m H T
T T
q m c T T w m L w
q m w c T T L
. .( )vap s s A Dm m w m w w
54
Laboratoire d’ Informatique pour la Mécanique et les Sciences de l’Ingénieur
Le cycle à absorption liquide : bilans de chaleur4. Chaleur rejetée à la source froide (1)
Master 2 OMEBA
107
1. Phase isostérique DF -> compositions x et w constantes, pas de changement de phase, débit de solution constant.
_
1_
.d .(1 ). .d .(1 ). .( )sol solDF
F
a sol s D p s D p F DD
q m h m w c T m w c T T
C D
EA
B
F -1/T
LnPConnaissant le débit de solution sortant de l’absorbeur et les points A, D, C, E, calcul de la puissance thermique rejetée à la source froide
Deux étapes : D -> F et F -> A
Laboratoire d’ Informatique pour la Mécanique et les Sciences de l’Ingénieur
Le cycle à absorption liquide : bilans de chaleur4. Chaleur rejetée à la source froide (2)
Master 2 OMEBA
108
2. Phase isobare : idem désorption sauf que la vapeur venant de l’évaporateur doit être chauffée.
2
2
2
.(1 ). .d .d[ .(1 )] . . . .d
.(1 ). .( ) . .( ) . . .( )
.(1 ). .( ) .( ).[
solFA vap
solFA vap
solFA
A A A
a s p s p e sPF F F
a s FA p A F s A F p abs e s A F
a s FA p A F s A F
wq m w c T H m w c T T m T
T
q m w c T T H m w w c T T m w w
q m w c T T m w w
. . ]vapp abs eH c T T
C D
EA
B
F -1/T
LnP
1 2A a aq q q
( , )
2
. .d .d
. .dsol
vap
A sol p w T sola
p e solF
m c T H mq
c T T m
55
Laboratoire d’ Informatique pour la Mécanique et les Sciences de l’Ingénieur
Fragments bibliographiques
Exell, www.appropedia.org (?) [cite de nombreux articles H2O+NH3].
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1970.Worsøe-Schmidt, Int. J. Refrig., 1979.Worsøe-Schmidt, Int. J. Ambient
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Master 2 OMEBA
109
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Grenier & al., J. Solar Energy Eng. ASME, 1988.
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Lemmini & al., Int. J. Refrig., 1992a,b.Crozat, Balat & al., INTERSOL 1985.Kodama & al., Int. J. Energy Res.,
2000a,b. Adsorption 2005.Bourdoukan & al., Solar Energy 2009,
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Engng, 2009.
Laboratoire d’ Informatique pour la Mécanique et les Sciences de l’Ingénieur
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2009.
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110
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Et aussi : www.limsi.fr/Individu/mpons/pubsol.htm