Optimisation énergétique et environnementale de l’intégration des matériaux de stockage dans les systèmes de réfrigération

En raison des émissions de gaz à effet de serre (GES) qui entraînent d’importants changements climatiques, il a été estimé que la température moyenne de notre planète pourrait augmenter de 4°C d’ici 2100 si ces émissions étaient maintenues à leur niveau actuel. Les GES responsables de ce réchauffement planétaire sont le CO2, le méthane, le protoxyde d’azote (N2O) et les gaz fluorés. Ces derniers ne représentent que 2% des émissions directes mais leur utilisation est en constante augmentation.

Les gaz fluorés sont principalement les ChloroFluoroCarbures (CFC), les HydroChloroFluoroCarbures (HCFC) et les HydroFluoroCarbures (HFC). Le protocole de Montreal a interdit l’utilisation des CFC et des HCFC en 1987 en raison de leur impact sur la couche d’ozone. Depuis, seuls les HFC et les fluides «naturels» (CO2, NH3, …) peuvent être utilisés ; cependant les HFC sont soumis à des réglementations qui tendent à réduire leur utilisation (règlement européen F-Gas). Ce contexte favorise le développement des innovations technologiques pour obtenir des systèmes de réfrigération plus sûrs, efficaces et respectueux de l’environnement dans un domaine où la production de froid représente déjà 17% de la consommation électrique des pays industrialisés (selon les données de l’IIR – International Institut of Refrigeration). De plus, en raison de l’augmentation des critères de confort dans le domaine de l’habitation, ce chiffre est en croissance constante.

La limitation de l’usage et des émissions de HFC peut être obtenue grâce à la réfrigération secondaire. Ce procédé consiste à confiner le fluide frigorigène dans un circuit primaire de faible dimension et à acheminer le froid via un fluide frigoporteur, neutre du point de vue environnemental, contenu dans une boucle secondaire. Néanmoins, l’ajout d’un échangeur de chaleur supplémentaire et de pompe de circulation peut diminuer l’efficacité des systèmes frigorifiques.

Ces systèmes peuvent être améliorés par l’utilisation de fluide frigoporteur diphasique (FFD). Les FFD bénéficient du changement de phase des particules qu’ils transportent pour augmenter leur densité énergétique. En effet, le processus de changement de phase permet d’emmagasiner de grandes quantités d’énergie sous forme de chaleur latente. En règle générale, les changements de phase solide liquide, sont préférés en raison d’une faible variation de volume entre les deux phases. Le mélange entre une phase porteuse liquide et les particules solides est appelé coulis (en anglais: « slurry »). L’avantage de l’utilisation de tels fluides est qu’ils permettent de diminuer la taille des canalisations, qu’ils possèdent généralement de bonnes propriétés de transfert de chaleur et leur forte densité énergétique permet de diminuer la puissance de pompage de l’installation (Wang, Eisele et al. 2010). A ce jour de nombreux types de coulis ont été étudiés dans la littérature comme les coulis de glace (Ayel, Lottin et al. 2003), les émulsions (Huang, Noeres et al. 2010), les fluides microencapsulés (Zeng, Wang et al. 2009).

Un autre vecteur d’amélioration de la réfrigération secondaire envisageable est le stockage thermique. En effet, l’utilisation d’un dispositif de stockage peut augmenter l’efficacité des systèmes de génération de froid en décalant la production aux moments les plus avantageux, comme par exemple durant la nuit où la température extérieure est plus basse, améliorant ainsi le coefficient de performance de la machine frigorifique. Un autre avantage à ce décalage est qu’il permet de répondre à une partie de la demande aux heures de pointe (principe du « peak shaving »), en complément de la machine de production de froid, ce qui améliore par ailleurs son dimensionnement. Enfin, la flexibilité apportée par les systèmes de stockage peut contribuer à l’effacement des réseaux électriques durant les pics de consommation et donc diminuer les coûts de production électriques.

A l’instar de la réfrigération secondaire, le stockage thermique peut être réalisé par chaleur sensible, en changeant la température d’un matériau, ou bien par chaleur latente, en faisant changer de phase un matériau. Le stockage latent permet d’emmagasiner une plus grande  quantité d’énergie. Parmi les modes de stockage de chaleur latente, il existe le stockage sous forme de fluide diphasique, où le matériau à changement de phase (MCP) est mélangé à une phase porteuse circulant dans tout le système, ou bien sous forme de capsules de MCP stockées dans un réservoir. Chacun de ces modes apporte des avantages différents : le stockage sous forme de fluide diphasique permet d’offrir une meilleure stabilité en température le long du réseau mais génère plus de pertes de charge, tandis que quand le matériau de stockage est isolé dans le réservoir, les pertes de charge sont inférieures mais le fluide de transport est moins dense énergétiquement. Dans un cas comme dans l’autre, l’ajout d’un dispositif de stockage modifie le fonctionnement global des systèmes de réfrigération et influence donc le rendement du système.

Système frigorifique

Cycle frigorifique

Les machines frigorifiques ont été conçues afin d’inverser les cycles thermodynamiques naturels. Elles permettent d’effectuer le transfert des flux de chaleur d’une source froide vers une source chaude en utilisant le changement de température subi par un gaz lorsqu’il est comprimé ou détendu. Elles sont composées de quatre composants :
– Compresseur
– Condenseur
– Détendeur
– Evaporateur
Un fluide frigorigène circule dans ces quatre composants afin d’absorber ou résorber de la chaleur au sein de différents milieux. La chaleur est absorbée au niveau de l’évaporateur où le fluide frigorigène se trouve à basse pression et à une température inférieure à celle du milieu extérieur. En entrée de l’évaporateur le fluide est sous la forme d’un mélange liquide vapeur. Ensuite en parcourant l’évaporateur il s’évapore, phénomène endothermique, en absorbant de la chaleur au milieu extérieur. L’avantage d’utiliser un fluide frigorigène qui va s’évaporer pour refroidir le milieu est que le changement de phase se fait à une température constante ce qui permet d’avoir une température fixe le long de l’évaporateur. Ces propriétés améliorent les transferts thermiques par rapport à un fluide dont la température augmenterait, réduisant alors l’écart de température entre les fluides. En sortie d’évaporateur le fluide sous forme vapeur entre dans le compresseur où il subit une compression qui va l’amener à haute pression et à haute température pour qu’il puisse relâcher la chaleur accumulée lors du passage dans l’évaporateur. Cette restitution d’énergie se fait dans le condenseur où le fluide sous forme vapeur va se condenser, phénomène exothermique, en réchauffant le milieu extérieur. En sortie du condenseur le fluide sous forme liquide passe par un détendeur où il subit une détente isenthalpique qui le ramène à des conditions de basse pression et température finissant ainsi le cycle thermodynamique.

Coefficient de performance d’une machine frigorifique

Le coefficient de performance d’une machine correspond au rapport entre la chaleur produite ou extraite d’un système et l’énergie mécanique fournie. Dans le cas d’une machine frigorifique (ou une pompe à chaleur) c’est le rapport entre la chaleur prise à la source froide (ou la chaleur fournie à la source chaude) sur l’énergie mécanique du compresseur. Pour un cycle idéal de Carnot, le COP de la machine frigorifique s’exprime de la façon suivante : COP_carnot = Q_ev/W = (T_ev)/((T_chaud – T_ev))

Fluides réfrigérants 

L’utilisation de machine frigorifique demande l’emploi de fluide frigorigène. En théorie tout type de fluide pourrait être utilisé étant donné qu’une variation de pression entraine une variation de température. Néanmoins la pratique requiert des fluides répondant aux critères suivants :
– Bonne capacité d’absorption de la chaleur, en d’autres termes leur température de changement de phase doit être en accord avec l’utilisation (favoriser l’utilisation du changement de phase afin de réduire la taille des installations).
– Non nocif pour l’environnement et pour l’homme.
– Ininflammable.
– Leur pression d’utilisation doit être accessible à des compresseurs et tuyauterie de taille raisonnable.
– Faible prix

A l’origine les fluides utilisés dans les machines frigorifiques étaient le dioxyde de soufre, le chlorométhane et l’ammoniac. Ces fluides, bien qu’ayant une bonne capacité d’absorption et des pressions de fonctionnement raisonnables, étaient à la fois nocifs pour l’homme et l’environnement et étaient source d’accident du fait de leur caractère inflammable. Ils furent remplacés par des gaz fluorés synthétiques qui bien qu’étant nocifs pour l’environnement répondaient aux autres critères. Les chlorofluorocarbures (CFC) furent inventés à la fin du XIXème siècle et mis sur le marché à la fin des années 1920. Leur faible température d’ébullition, leur caractère ininflammable et leur non toxicité en font de très bons frigorigènes. Les hydrochlorofluorocarbures (HCFC) sont de la même famille que les CFC mais avec des atomes d’hydrogènes.

Réfrigération secondaire

Afin de limiter les risques de fuite de gaz dans l’atmosphère les systèmes de réfrigération secondaire confinent les fluides frigorigènes dans une boucle de faible dimension appelée boucle primaire. Le froid produit dans cette boucle primaire est transmis à une boucle secondaire qui l’achemine vers la zone d’utilisation via un fluide frigoporteur, neutre pour l’environnement.

Néanmoins, la présence d’un échangeur de chaleur et d’une pompe de circulation supplémentaire diminue l’efficacité d’un système indirect par rapport à celle d’un système direct. L’utilisation d’un échangeur supplémentaire oblige généralement la machine frigorifique à fonctionner à une température plus basse de 5 °C par rapport à un système direct pour produire le froid nécessaire chez l’utilisateur, diminuant ainsi le COP de la machine.

Cependant, l’efficacité de ces systèmes peut être améliorée en utilisant des fluides frigoporteurs dont la densité énergétique est augmentée grâce à l’utilisation de matériaux à changement de phase présents dans le fluide comme montré par Wang et al. (2010). Les matériaux utilisés peuvent être soit des particules rigides en suspension ou bien des cristaux. La restitution de l’énergie se fera alors grâce au changement de phase du matériau dans le fluide. L’emploi de ces fluides permet à la fois d’améliorer l’efficacité des échangeurs de chaleur et de transporter plus d’énergie.

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Table des matières

INTRODUCTION
1 BIBLIOGRAPHIE
1.1 SYSTEME FRIGORIFIQUE
1.1.1 Cycle frigorifique
1.1.2 Coefficient de performance d’une machine frigorifique
1.1.3 Fluides réfrigérants
1.1.4 Réfrigération secondaire
1.2 STOCKAGE THERMIQUE
1.2.1 Intérêt du stockage thermique
1.2.2 Méthode de stockage thermique
1.2.3 Type et mise en forme des MCP
1.3 APPLICATIONS ET MISE EN ŒUVRE DU STOCKAGE THERMIQUE
1.3.2 Méthodes de génération de coulis
1.4 CARACTERISATION DES FLUIDES DIPHASIQUES : RHEOLOGIE ET TRANSFERT THERMIQUE
1.4.1 Propriétés utiles
1.4.2 Introduction à la rhéologie
1.4.3 Mesure des propriétés rhéologiques
1.4.4 Etat de l’art sur la rhéologie des coulis
1.4.5 Transfert thermique
2 ETUDE EXPERIMENTALE DU STOCKAGE PAR COULIS D’HYDRATES
2.1 MONTAGE EXPERIMENTAL
2.1.1 Réacteur agité pour le stockage
2.1.2 Boucle de circulation
2.1.3 Instrumentation de la boucle
2.2 CYCLE THERMODYNAMIQUE ET PROTOCOLE EXPERIMENTAL
2.2.1 Cycle de formation et dissociation des hydrates
2.2.2 Protocole de formation d’hydrates
2.2.3 Caractérisation de la dynamique de charge d’un réacteur de stockage
2.2.4 Restitution de l’énergie dans un échangeur de chaleur
3 MODELISATION
3.1 PRODUCTION DE FROID
3.1.1 Etude bibliographique de modélisation de la machine frigorifique
3.1.2 Méthodologie mise en place
3.2 STOCKAGE THERMIQUE
3.2.1 Modélisation du changement de phase
3.2.2 Modélisation du dispositif expérimental de stockage par coulis d’hydrates CO2
3.2.3 Stockage par paraffine
3.3 RESTITUTION D’ENERGIE
3.3.1 Modélisation de l’échangeur utilisé dans l’expérimentation
3.3.2 Hypothèses
3.3.3 Résolution
3.4 DISTRIBUTION – CALCUL DES PERTES DE CHARGE
3.5 MODELISATION DU RESEAU DE DISTRIBUTION DE FROID AVEC STOCKAGE
3.5.1 Echelle laboratoire
3.5.2 Echelle industrielle
3.5.3 Dimensionnement du réseau
3.5.4 Couplage des blocs
3.6 OPTIMISATION
3.6.1 Présentation de méthode d’optimisation
3.6.2 Présentation des composants à optimiser : modèles simplifiés
3.6.3 Présentation des configurations étudiées
3.7 EXERGY
4 RESULTATS ET DISCUSSION
4.1 STOCKAGE D’ENERGIE THERMIQUE
4.1.1 Stockage dans le dispositif expérimental
4.1.2 Stockage par paraffine
4.1.3 Stockage glace
4.2 DISTRIBUTION – CALCUL DE PERTES DE CHARGE
4.2.1 Données expérimentales et validation
4.2.2 Application & Optimisation
4.3 ECHANGEUR DE CHALEUR
4.3.1 Validation du modèle d’échangeur
4.3.2 Etude expérimentale – Impact de la fraction/pression initiale
4.3.3 Etude numérique – Optimisation
4.3.4 Analyse exergétique dans un échangeur de chaleur
4.4 SYSTEME GLOBAL
4.4.1 Validation du couplage des modules stockage/déstockage
4.4.2 Simulation d’un réseau industriel de distribution de froid
4.4.3 Réseau système simplifié
CONCLUSIONS

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