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Machines frigorifiques à absorption
Historique des machines frigorifique à absorption
La première machine frigorifique a été conçue en 1877 par Narine qui a utilisé le mélange eau-acide sulfurique dans une installation de laboratoire fonctionnant en continu. Ceci a marqué le début des recherches dans le domaine de la production du froid, bien que l’utilisation de ce mélange ait cessé à partir de 1920 pour des raisons de corrosion et de toxicité .
L’idée de produire du froid à l’aide de systèmes à absorption est née durant les années 1859-1860 grâce à Ferdinand Carré qui a déposé le brevet de la première machine frigorifique à absorption fonctionnant avec le couple ammoniaque (frigorigène), eau (absorbant). En utilisant la découverte de Joseph Priestley qui avait constaté en 1784 la grande affinité de ces deux fluides l’un pour l’autre. Le brevet de Carré prévoyait deux types de machines pour la production de la glace : une à faible puissance et à fonctionnement intermittent et une autre plus puissante à cycle continu.
A partir de 1880, Linde « Linde’s Ice Machine Company » a mis au point en Europe la première installation à compression de vapeur au détriment de la machine à absorption qui commença alors à perdre de son importance. Une véritable renaissance a été enregistrée au début des années 20, toujours avec le mélange eau- ammoniac grâce aux améliorations proposées par Altenkich, Merkele, Bosniakovic et Niebergall sur l’aspect pratique et théorique.
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 Etats-Unis 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.
Principe de fonctionnement
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 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 %) 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 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 , le liquide subit un laminage à travers le détendeur , 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 est admise dans un absorbeur contenant une solution dite “pauvre”, provenant du désorbeur . 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 ), on obtient ainsi une solution enrichie en frigorigène. Ce composant effectue donc une opération de mélangeage .
Cycles frigorifiques à plusieurs effets
L’objectif du cycle frigorifique à plusieurs effets est d’augmenter la performance du système à absorption, ou accroître leur domaine d’utilisation possible, en faisant usage de systèmes à étages, ou effets multiples. Les variantes possibles sont nombreuses surtout si l’intérêt porte sur la production simultanée de froid et de la chaleur (thermo frigo pompes à titre d’exemple). Le cycle frigorifique à absorption à double effet a été introduit durant la période allant de 1956 à 1958 . Cependant la chaleur rejetée est utilisée pour produire une vapeur supplémentaire du réfrigérant à partir de la solution provenant du générateur à premier effet. (La chaleur issue de la condensation de la vapeur du réfrigérant est utilisée dans le générateur II).
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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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