Machines frigorifiques à absorption

Machines frigorifiques à absorption

Machine de réfrigération à absorption

La technologie retenue pour la production de froid est basée sur le principe de l’absorption.
Ce principe n’est pas nouveau : il a été découvert au XVIII ème siècle et un Français a construit la première machine à absorption vers 1850 . Le grand public connaît d’ailleurs cette technique qui est exploitée depuis longtemps sur le marché des loisirs : réfrigérateurs pour voilier et caravanes, par exemple. Sur le plan industriel, l’absorption a connu un large développement après la seconde Guerre mondiale. Elle est utilisée en particulier aux EtatsUnis et au Japon où le pourcentage atteint 60 % en grand tertiaire. La technologie n’est donc pas récente et elle a fait ses preuves dans bien d’autres pays.
Les couples les plus utilisés sont par ordre d’importance : NH3/H2O et H2O/LiBr En effet, pour des températures d’évaporation inférieures à 0°C, il y a un risque d’obstruction des circuits de la machine par cristallisation du sorbant.
Vu l’importance de la gamme de température à couvrir (-10 °C à –30 °C), le premier couple est le plus important, mais les pressions résultantes sont élevées (10 à 20 bar). Tandis que pour le deuxième et le troisième couple, la température se situe vers +5 °C, donc l’utilisation des machines correspondantes est limitée dans les applications de conditionnement d’air.
Généralement, le rendement dans le cas d’une machine à absorption est plus faible que celui des machines à compression mécanique. En effet, dans le cas d’une machine à compression, le coefficient de performance thermique d’une telle machine peut atteindre la valeur de 3, voire plus. Tandis que, dans le cas d’une machine à absorption, ce coefficient tourne autour de 0.7, pour les installations a simple effet jusqu’à 1.4 pour les installations a double effet. Le fait que les machines à absorption fonctionnent à l’aide d’un apport de chaleur, elles deviennent plus compétitives dans certaines applications. Actuellement, elles font l’objet de recherches soit dans le but d’améliorer le rendement soit dans le but de les adapter à de nouvelles sources d’énergie à basses températures.

Principe de fonctionnement

Une installation à absorption liquide comporte les différents éléments représentés  et pour expliquer leurs fonctionnements, nous prendrons l’exemple d’une machine à absorption fonctionnant avec le couple ammoniac /eau . La machine à absorption est constituée d’un évaporateur, un condenseur, un absorbeur, un générateur et une pompe de solution. Dans un système à compression, le froid est produit dans Détendeur Pompe Détendeur
l’évaporateur où le fluide frigorigène s’évapore et la chaleur est rejetée dans le condenseur où le frigorigène se condense.
L’énergie qui permet d’élever la température et la pression du fluide frigorigène est fournie par l’énergie mécanique produite par le compresseur.
Dans un système à absorption, la compression de la vapeur du frigorigène est réalisée par l’absorbeur en combinaison avec une pompe de solution et le générateur, au lieu d’un compresseur mécanique de vapeur. La vapeur générée par l’évaporateur est absorbée dans un liquide (l’absorbant) qui se trouve dans l’absorbeur. L’absorbant qui a absorbé la vapeur du frigorigène est pompé vers le générateur où le réfrigérant est relâché sous forme de vapeur qui est dégagée à son tour puis condensée dans le condenseur. L’absorbant concentré ou régénéré est alors reconduit jusqu’à l’absorbeur pour absorber de nouveau la vapeur du frigorigène. La vapeur est fournie au générateur à haute température et rejetée de l’absorbeur à basse température.

Composantes de base d’une machine à absorption

 Le bouilleur ou désorbeur : la solution riche en frigorigène xab (le titre du frigorigène dans l’absorbeur en %) (Au point 5) y reçoit la quantité de chaleur Qg (énergie thermique générateur) à une température Tg ce qui provoque la vaporisation d’une partie du frigorigène dissout dans la solution, on parle alors de désorption. En sortie de désorbeur, on obtient donc de la vapeur de frigorigène (au point 8) et une solution appauvrie xge en frigorigène . Cet organe effectue donc une séparation. En général, la vapeur d’ammoniac passe dans un rectificateur où elle se débarrasse de la vapeur d’eau entraînée.
 Le condenseur : la vapeur d’ammoniac chaude arrive dans le condenseur, où elle dégage de la chaleur et revient à l’état liquide. Ce composant est analogue à celui des machines à compression de vapeur. C’est la température 𝑇0 du fluide caloporteur alimentant le condenseur qui fixe la température de condensation et donc la pression dans l’ensemble désorbeur /condenseur. La condensation du frigorigène nécessite le rejet de la chaleur de condensation 𝑄𝑐 à la température 𝑇𝑐
 L’évaporateur : à la sortie du condenseur (au point 1), le liquide subit un laminage à travers le détendeur (au point 2), puis s’évapore en prenant la chaleur 𝑄𝑒 au fluide ou à l’enceinte à refroidir. En effet, l’ammoniac liquide arrive dans l’évaporateur, où il absorbe de la chaleur environnante en produisant du froid et retrouve sa forme gazeuse avant de retourner à l’absorbeur. La température d’évaporation et par suite la pression  dans l’ensemble évaporateur/absorbeur est fixée par la température de la source froide 𝑇𝑒.
 L’absorbeur : La vapeur issue de l’évaporateur (au point 3) est admise dans un absorbeur contenant une solution dite “pauvre”, provenant du désorbeur (au point 7). Elle se dissout dans cette solution, provoquant l’enrichissement de la solution. On parle alors d’absorption. Cette absorption s’accompagne d’une production de chaleur qui doit être éliminée. La chaleur 𝑄𝑎 dégagée par cette transformation exothermique est évacuée par un fluide caloporteur à la température 𝑇𝑎 (dans la plupart des cas 𝑇𝑎 = 𝑇𝑐 ). En sortie d’absorbeur (au point 4), on obtient ainsi une solution enrichie en frigorigène. Ce composant effectue donc une opération de mélangeage .
Le mélange ammoniac-eau est de nouveau pompé de l’absorbeur dans le générateur, et le circuit recommence. La différence de pression entre l’ensemble absorbeur/évaporateur (B.P) et désorbeur/condenseur (H.P) nécessite en outre :
 La présence d’une pompe sur le circuit de la solution riche (en frigorigène),
 La présence d’un détendeur sur le circuit de la solution pauvre (en frigorigène).
Notons que le travail effectué par la pompe est nettement inférieur à celui d’un compresseur. En effet, dans les deux cas, il s’agit de faire passer la pression d’un fluide de 𝑃𝑒 à 𝑃𝑐 .

Systèmes de rejet de chaleur

Les échangeurs de chaleur sont des appareils permettant de transférer de la chaleur entre deux fluides à des températures différentes. Dans la plupart des cas, les deux fluides ne sont pas en contact, et le transfert s’effectue à travers une surface d’échange. Au sein de la paroi séparatrice, le mécanisme de transmission de la chaleur est la conduction, et, sur chacune des deux surfaces de contact avec les fluides, ce sont presque toujours les phénomènes de convection qui prédominent.
Dans de nombreux cas, les fluides restent monophasiques, qu’ils soient gazeux ou liquides. Il existe toutefois trois grandes catégories d’échangeurs dans lesquelles surviennent des changements de phase : les vaporiseurs ou évaporateurs où l’on vaporise un liquide, les condenseurs où une vapeur est liquéfiée, et les vapocondenseurs dans lesquels les deux fluides changent de phase.
Un échangeur de chaleur a, comme son nom l’indique, pour fonction de transférer de la chaleur d’un milieu fluide vers un autre. Ce sont des éléments couramment rencontrés autour de nous dans le bâtiment (radiateur) mais aussi dans un grand nombre d’applications industrielles. Chaque fois que l’on veut évacuer de la chaleur pour diminuer le risque (radiateur automobile, composants électroniques, centrales nucléaire) ou récupérer de la chaleur pour l’utiliser (radiateur…) il est fait appel à un échangeur de chaleur.
Généralement pour assurer efficacement cet échange de chaleur au moins un des fluides est mis en mouvement (pompe, ventilateur). Pour augmenter cet échange, et donc le transfert d’énergie, il peut être fait appel au changement de phase (condenseurs, évaporateurs, bouilleurs…) système utilisé couramment dans les machines thermiques ou les caloducs ; nous ne traiterons pas ici cet aspect.

Classification des échangeurs

Classement technologique

Les principaux types d’échangeurs rencontrés sont les suivants :
 A tubes : monotubes, coaxiaux ou multitubulaires.
 A plaques : à surface primaire ou à surface secondaire.
 Autres types : contact direct, à caloducs ou à lit fluidisé.

Classement suivant le mode de transfert de chaleur

Les trois modes de transfert de chaleur (conduction, convection, rayonnement) sont couplés dans la plupart des applications (chambre de combustion, récupération sur les fumées, etc.) ; il y a souvent un mode de transfert prédominant. Pour tout échangeur avec transfert de chaleur à travers une paroi, la conduction intervient.

Classement suivant le procédé de transfert de chaleur

Suivant qu’il y a ou non du stockage de chaleur, on définit un fonctionnement en récupérateur ou en régénérateur de chaleur :
 Transfert sans stockage, donc en récupérateur, avec 2 ou n passages et un écoulement en général continu.
 Transfert avec stockage, donc en régénérateur, avec un seul passage et un écoulement intermittent, la matrice de stockage étant statique ou dynamique.

Classement fonctionnel

Le passage des fluides dans l’échangeur peut s’effectuer avec ou sans changement de phase, suivant le cas, on dit que l’on a un écoulement monophasique ou diphasique. On rencontre alors les différents cas suivants :
 Les deux fluides ont un écoulement monophasique.
 Un seul fluide à un écoulement avec changement de phase, cas des évaporateurs ou des condenseurs.
 Les deux fluides ont un écoulement avec changement de phase, cas des évapocondenseurs.

Classement suivant la nature du matériau de la paroi d’échange

On retiendra deux types de paroi :
 Les échangeurs métalliques en acier, cuivre, aluminium ou matériaux spéciaux : superalliages, métaux ou alliages réfractaires ;
 Les échangeurs non métalliques en plastique, céramique, graphite, verre, etc.
Tous les différents types des échangeurs cités sont des échangeurs à contact indirect. La partie qui suit est consacrée pour les échangeurs à contact direct.

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Table des matières

Chapitre I : Machines frigorifiques à absorption
I.1. Introduction
I.2. Historique des machines frigorifique à absorption
I.3. Machine de réfrigération à absorption
I.4. Principe de fonctionnement
I.5. Composantes de base d’une machine à absorption
I.6. Amélioration d’une machine à absorption
I.6.1. Système à absorption à simple effet
I.6.2. Cycles frigorifiques à plusieurs effets
I.6.3. Cycle combiné éjecteur-absorption
I.7. Fluides de travail
I.8. Digramme utile dans les systèmes à absorption
I.8.1. Digramme d’Oldham
I.8.2. Digramme Merkel
I.8.3. Diagramme de réfrigérant
I.9. Comparaison entre les couples Eau/LiBr et Eau/ NH3
I.9.1. Les avantages et les inconvénients de couple H2O/LiBr
a. Avantages de cycle (H2O/LiBr)
b. Inconvénients de cycle (H2O /LiBr)
I.9.2. Les avantages et les inconvénients de couple NH3/H2O
a. Les avantages de cycle (NH3/H2O)
b. Les inconvénients de cycle (NH3/H2O)
I.10. Conclusion
Chapitre II : Systèmes de rejet de chaleur
II.1. Introduction
II.2. Définition
II.3. Les types des échangeurs de chaleur
II.3.1. Les échangeurs tubulaires
II.3.1.1. Échangeur monotube
II.3.1.2. Échangeur coaxial
II.3.1.3. Échangeur multitubulaire
a. Échangeur à tubes séparés
b. Échangeur à tubes rapprochés
c. Échangeur à tubes ailettes
II.3.2. Echangeur à tube et calendre
II.3.2.1. Echangeur de chaleur à tête flottante
II.3.2.2. Echangeur à plaque tubulaires fixes
II.3.2.3. Echangeur à tubes en U
II.3.3. Echangeur à plaque
II.3.3.1. Échangeurs à surface primaire
II.3.3.2. Échangeurs à plaques et joints
II.3.4. Echangeur à spirales
II.4. Classification des échangeurs
II.4.1. Classement technologique
II.4.2. Classement suivant le mode de transfert de chaleur
II.4.3. Classement suivant le procédé de transfert de chaleur
II.4.4. Classement fonctionnel
II.4.5. Classement suivant la nature du matériau de la paroi d’échange
II.5. Tours de refroidissement
II.5.1. Types de tour de refroidissement
II.5.1.1. Les systèmes de refroidissement par voie humide
II.5.2. Les systèmes de refroidissement par voie sèche et humide
II.5.2.1. Les systèmes de refroidissement utilisant l’air sec
II.5.2.2. Classification selon leur mode de tirage (circulation de l’air)
II.5.3. Description des composants d’une tour de refroidissement
II.6. Conclusion
Chapitre III : Modélisation et simulation d’une tour de refroidissement
III.1. Introduction
III.2. Présentation de modèle
III.3. Hypothèses
III.4. Modèle mathématique
III.4.1. Tour de refroidissement
1. Variation de l’humidité absolue
2. Variation de la masse de l’eau
3. Variation de la température de l’eau
4. Variation de l’enthalpie de l’eau
III.4.2. Machine à absorption
III.4.3. Propriétés du fluide de travail
a) L’eau pure
b) La solution (H2O/ LiBr)
c) L’air humide
III.5. Résultats et discussions
a) Validation du maillage
b) Validation des résultats
c) Résultats obtenus
III.6. Conclusion
Conclusion générale

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