TG-LL
Systèmes à absorption (ammoniac/eau)
Description des installations de climatisation solaire
Introduction
Climatiser un local, au sens le plus large et général, consiste à maîtriser de façon volontaire, les caractéristiques physico-chimiques de l’atmosphère qui y règne afin de rendre celle-ci plus agréable aux occupants ou plus adaptée aux travaux qui y sont effectués.
Donc le but de La climatisation consiste à traiter l’air afin d’avoir une agréable température ainsi qu’un taux d’humidité optimal, et d’assurer une bonne circulation d’air purifié, et essentiellement de satisfaire le confort thermique des utilisateurs.
Procédé de refroidir [17]
La chaleur ne peut passer spontanément d’un corps froid vers un corps chaud. C’est l’énoncé de Clausius du second principe de la thermodynamique.
Si l’on veut effectuer le transfert de chaleur, dans le sens antinaturel, d’un milieu froid vers un milieu chaud, il faut, nécessairement, d’un part, imaginer et mettre en ouvre un système thermique particulier mis en ouvre est susceptible de transférer effectivement de la chaleur d’un milieu à température inférieur ou la chaleur est prélevée (source froid) vers un milieu à température supérieure ou la chaleur est rejetée (puits chaud).
Lorsque le but recherché est l’extraction de chaleur à un corps, ou à un milieu, pour le refroidir ou le maintenir à une température inférieur à celle de l’ambiance, c’est-à-dire lorsqu’il s’agit de produire du froid, le système thermodynamique qui effectue cette opération prend naturellement le nom machine frigorifique
Figure II.1: Les principes de la climatisation solaire.
Les systèmes à compression mécanique
Les machines frigorifiques à compression mécanique sont les plus répandues
Ils sont constitués des éléments suivants (Figure II.2).
Figure II.2: Schéma de principe d’une machine à compression mécanique mono-étagée.
On utilisant le capteur photovoltaïque, on peut produire l’électricité qui alimente le moteur électrique, ce dernier perme de fonctionner la machine à compression de vapeur pour produire le froid.
Machine frigorifique à compression de vapeur mono étagé
Diagramme de Mollier [18]
Le diagramme de Mollier du fluide considéré a pour axes la pression P et l’enthalpie H (par unité de passe). Sur ce diagramme, des séries de courbes sont déjà tracées : isotherme, isentropiques, isochores ainsi que la courbe de saturation limitant le domaine de coexistence de deux phases (liquide et gaz). Le diagramme de Mollier permet de schématiser ce cycle en fonction des paramètres mesurés et d’en déduire les autres variables d’état en tout point de cycle.
Figure II.3: Diagramme de Mollier du fluide R134a [18].
Les réfrigérateurs à compression utilisent le cycle de Hirn qui comprend 2 transformations isobares, une transformation adiabatique et une transformation isenthalpique. Un tel cycle représenté de façon très simple dans un diagramme de Mollier.
Cycle frigorifique élémentaire [11]
Le cycle frigorifique d’une machine frigorifique est habituellement représenté dans le diagramme thermodynamique enthalpie (h)-pression (p) appelé diagramme enthalpique ou diagramme de Mollier des frigoristes.
Le cycle est fermé, le fluide frigorifique évolue sous l’action du compresseur dans les quatre éléments constituant la machine frigorifique.
Figure II.4: Schéma d’une machine frigorifique à compression de vapeur mono étagé [11].
Suivant le schéma de la machine frigorifique de la figure II.4, le fluide frigorigène circulant dans le circuit frigorifique suit les évolutions suivantes :
Entre 1 et 2 : compression des vapeurs de fluide frigorigène qui passent d’un niveau de basse pression (BP) à un niveau de haute pression (HP).
Entre 2 et 3 : désurchauffe des vapeurs de fluide frigorigène haute pression.
Entre 3 et 4 : condensation des vapeurs de fluide frigorigène haute pression.
Entre 4 et 5 : sous refroidissement du fluide frigorigène liquide HP.
Entre 5 et 6 : détente du fluide frigorigène liquide HP qui devient un mélange de liquide BP et d’une faible quantité de vapeurs BP.
Entre 6 et 7 : évaporation du fluide frigorigène liquide BP qui devient des vapeurs de fluide frigorigène basse pression.
Entre 7 et 1 : surchauffe des vapeurs de fluide frigorigène BP.
Les différentes évolutions du fluide frigorigène de la machine frigorifique sont représentées sur le diagramme enthalpique, il s’agit du cycle frigorifique de la machine communément appelée cycle de référence ou cycle pratique par les frigoristes.
Figure II.5: Diagramme enthalpique du cycle frigorifique [11].
Le cycle frigorifique de référence est un compromis qui permet d’effectuer l’étude et le dimensionnement des machines frigorifiques avec une précision acceptable.
Bilan thermique de cycle [11]
A partir du premier principe de la thermodynamique, il y a une conservation de l’énergie : c’est-à-dire que la quantité de chaleur rejetée au fluide froid dans le condenseur Qc par le fluide frigorigène doit être égale à la somme de la chaleur absorbée à l’évaporateur Q0 pour produire le froid et plus le travail Wth consommé ou bien l’énergie reçue pour faire fonctionner le compresseur voir la figure II.5.
Le choix d’échelle en abscisse (enthalpie h en [kj/kg]) est très pratique pour l’exploitation quantitative du diagramme de Mollier, car il permet de lire directement des énergies hi aux différents points i (1, 2, 3, 4, 5, 6,7) du cycle de la machine.
On vérifie ainsi le premier principe sur l’échelle en abscisse, car on constate que : Le travail dépensé au compresseur :
Dans les machines frigorifique, on remplace le terme rendement de la machine par son coefficient de performance COP, car se dernier sa ce peut supérieur à l’unité.
Le coefficient de performance de l’installation de réfrigération est défini par la relation
Suivante:
Éléments de la machine frigorifique [11]
La machine frigorifique est basée sur la propriété des fluides frigorigènes de s’évaporer et de se condenser à des températures différentes en fonction de la pression.
Pour expliquer le fonctionnement de la machine frigorifique, nous prendrons les caractéristiques du R22 parce que c’est le fluide le plus couramment utilisé en climatisation. Mais ce n’est plus celui que l’on choisira dans les installations nouvelles.
A la pression atmosphérique [11]
Le R22 est liquide à -45°C et se met à « bouillir » aux alentours de -40°C.
Si du fluide R22 à -45°C circule dans un serpentin et que l’air à 20°C passe autour de ce tuyau, l’air se refroidira : il cédera sa chaleur au fluide qui lui s’évaporera. C’est le rôle de l’évaporateur de la machine frigorifique.
A la pression 13 bars [11]
Si la vapeur de fluide à 13 bars et à 65°C circule dans un serpentin et que de l’air à 20°C passe autour de ce tuyau, le fluide frigorigène se refroidira et à partir de 33°C, il se liquéfiera, il se condensera, En se condensera, En se condensant, il va libérer énormément de chaleur.
C’est le rôle du condenseur de la machine frigorifique.
Il est important de préciser qu’un cycle de réfrigération à compression de vapeur comprend quatre éléments principaux qui sont :
• Le compresseur, l’évaporateur, le condenseur, le détendeur c. Le compresseur [11]
Le compresseur va tout d’abord aspirer le gaz frigorigène à basse pression et à basse température (1). L’énergie mécanique apportée par le compresseur va permettre d’élever la pression et la température du gaz frigorigène. Une augmentation d’enthalpie en résultera.
L’entraînement du compresseur est généralement assuré par un moteur électrique.
Figure II.6: Fonctionnement de compresseur [11].
L’évaporateur [11]
Le fluide frigorigène liquide entre en ébullition et s’évapore en absorbant la chaleur du fluide extérieur. Dans un deuxième temps, le gaz formé est encore légèrement réchauffé par le fluide extérieur, c’est ce qu’on appelle la phase de surchauffe (entre 7 et 1).
Figure II.7: Fonctionnement de l’évaporateur [11].
Le condenseur [11]
Le gaz chaud provenant du compresseur va céder sa chaleur au fluide extérieur. Les vapeurs de fluide frigorigène se refroidissent (« désurchauffe »), avant l’apparition de la première goutte de liquide (point 3). Puis la condensation s’effectue jusqu’à la disparition de la dernière bulle de vapeur (point 4). Le fluide liquide peut alors se refroidir de quelques degrés (sous-refroidissement) avant de quitter le condenseur.
Figure II.8: Fonctionnement du détendeur [11].
Les équipements annexes [19]
1. Accumulateurs :
C’est un équipement de sécurité à l’aspiration du compresseur pour éviter les coups de liquide.
2. Collecteur :
C’est un équipement de stockage du fluide frigorigène à la sortie du condenseur.
3. Tuyauterie :
Une installation frigorigène présente trois tuyauteries principale qui sont la tuyauterie d’aspiration au compresseur, la tuyauterie de refoulement et le tuyauterie du liquide à l’évaporateur.
Ces conduites doivent en général :
• Permettre une circulation aisée du fluide,
• Ne pas présenter de charge excessive qui augmente inutilement la charge du compresseur,
• Rester d’un prix raisonnable.
Les réfrigérants [20]
La méthode de production de froid avec compression de vapeur fait appel à une substance que l’on appelle réfrigérants. C’est une substance chimique dont la température d’ébullition à la pression atmosphérique est inférieure à la température ambiante. Aujourd’hui l’utilisation des réfrigérants est remise en question, à cause de leur effet sur la couche d’ozone. Certains seront retirés du marché pour être remplacés par de nouveaux composés moins agressifs vis-à-vis de la couche d’ozone.
Le tableau II.1, donne les principaux réfrigérants et leurs températures d’ébullition à la pression atmosphérique.
Machine à absorption [11]
Le principe base du fonctionnement d’une machine frigorifique à absorption reste le même que celui d’une machine à compression mécanique (Figure II.9) :
• Circulation d’un fluide frigorigène
• Évaporation du fluide avec production de froid
• Compression du fluide demandant un apport d’énergie
• Condensation du fluide avec production de chaleur La différence réside dans :
• Le moyen de comprimer le fluide :
o Mécanique dans le cas d’une machine traditionnelle
o Thermochimique dans le cas d’une machine à absorption
• L’énergie utilisé pour cette compression :
o Electrique dans le cas d’une machine traditionnelle o Calorifique dans le cas de la machine à absorption
Description de cycle à absorption Eau/LiBr
On trouve les machines à absorption utilisant le couple H2O/LiBr, réservées pour les températures positive, c’est-à-dire la climatisation, et celles utilisant le couple NH3/H2O qui ont la possibilité de fournir les températures négatives.
• Dans l’évaporateur, le réfrigérant (ici de l’eau) est pulvérisé dans une ambiance à très faible pression (vide poussé = 7 mb). L’évaporateur est parcouru par un circuit à eau. En s’évaporant, le réfrigérant soustrait sa chaleur à cette eau qui ainsi refroidie et peut ensuite alimenter des ventilo-convecteurs, une batterie froide de centrale de traitement d’air ou un plafond rayonnant …
• La vapeur d’eau crée dans l’évaporateur est amenée à l’absorbeur. Il contient la solution absorbante (LiBr) qui est continuellement pompée dans le fond du récipient pour y être pulvérisée. Le LiBr absorbe la vapeur d’eau hors de l’évaporateur et y maintient ainsi la basse pression nécessaire à la vaporisation du réfrigérant. la solution est donc régénérée ou un brûleur de gaz (environ 85°C) et une partie de l’eau s’évapore. La solution régénérée retourne à l’absorbeur.
• Enfin, la vapeur d’eau extraite du concentrateur est amenée dans le condenseur, ou elle est refroidie par une circulation d’eau froide. L’eau condensée retourne à l’évaporateur et le cycle frigorifique peut recommencer. Le fluide chaud sortant du désorbeur qui retourne à l’absorbeur préchauffe le fluide qui va vers ke concetrateur grâce à l’échangeur de chaleur, économisant ainsi une partie de l’énergie nécessaire pour chauffer le fluide à régénérée
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Table des matières
CHAPITRE I : Etude bibliographique
I.1 Introduction
I.2 Historique
I.3 Le froid dans une planète en réchauffement
I.3.1 Évolution des températures
I.3.2 La consommation d’énergie
I.3.3 Pourquoi le rafraîchissement solaire
I.3.4 Avantage de la climatisation solaire
I.4 La climatisation solaire
I.5 Le marché mondial de la climatisation traditionnel
I.6 État de l’art dans le domaine
I.6.1 Vue d’ensemble des technologies de production de froid solaire
I.6.2 Description des technologies de climatisation solaire
I.6.2.1 Techniques basées sur l’emploi de l’électricité
I.6.2.2 Technique basée sur un processus thermomécanique
Technique basée sur la sorption d’un gaz
A. La machine à absorption
B. La machine à adsorption
Le desiccant cooling
I.6.2.3 Trigeneration Thermo-solaire
I.6.3 Description du système solaire
I.6.3.1 Les capteurs solaires
I.6.4 Différentes gestions de l’appoint et du stockage
I.6.5 Installations actuelles en Europe
I.6.6 Comparaison des techniques de climatisation solaire commerciales
I.6.7 Avantages et inconvénients qualitatifs
I.7 Recherche et développement à propos de la climatisation solaire
I.7.1 Systèmes à absorption (ammoniac/eau)
I.7.1.1 Introduction
I.7.1.2 Recherches souhaitées
I.7.2 Nouvelles avancées en technologies d’absorption (Eau/LiBr)
I.7.2.2 Travaux futurs
I.7.2.1 Technologie d’absorption adiabatique à feuilles plates
a. Démarches de développement
I.7.3 Réfrigérateurs d’adsorption
I.7.3.1 État de l’art de la recherche et développement
a. Transfert de La chaleur et de masse
I.7.3.2 Les couples binaires modérés
I.7.4 Systèmes à dessiccation
I.7.4.1 Développement des matériaux
I.7.4.2 Futures recherches et développements
I.8 Étude technico-économique
I.8.1 Méthodologie de l’évaluation comparative
I.8.2 Évaluation technique des systèmes de climatisation solaire
I.8.2.1. Capteurs solaires photovoltaïques
a. Évaluation des performances des différents capteurs
b. Evaluation des performances des cellules photovoltaïques
I.8.3 Équipement de refroidissement
I.8.3.1 L’énergie auxiliaire de la machine
I.8.4 Évaluation comparative des technologies de réfrigération solaire
I.9 Conclusion
CHAPITRE II : Description des installations de climatisation solaire
II.1 Introduction
II.2. Procédé de refroidir
II.3 Les systèmes à compression mécanique
II.3.1. Machine frigorifique à compression de vapeur mono étagé
a) Diagramme de Mollier
b) Cycle frigorifique élémentaire
c) Bilan thermique de cycle
Calcule de coefficient de performance
II.3.2 Éléments de la machine frigorifique
a. Le compresseur
b. A la pression 13 bars
c. A la pression atmosphérique
d. L’évaporateur
e. Le condenseur
f. Les équipements annexes
1. Accumulateurs
2. Collecteur
3. Tuyauterie
II.3.3 Les réfrigérants
II.4 Machine à absorption
II.4.1 Description de cycle à absorption Eau/LiBr
II.4.2 L’efficacité énergétique
II.4.3 Diagramme d’Oldham
II.5 Machine à adsorption
II.5.1 Description du cycle à Adsorption
II.5.2 Diagramme de Oldham
II.5.3 Couples fluide frigorigène/adsorbant
II.5.4 L’utilisation de l’énergie solaire dans une machine à Adsorption
II.5.5 Avantage de l’adsorption
II.5.6 Inconvénients de l’adsorption
II.5.7 L’efficacité énergétique ou COPfroid
II.6 Le dessiccation
II.6.1 La roue dessicatrice
II.7 Les capteurs solaires
II.7.1 Type des capteurs solaires
II.7.2 Efficacités des différents capteurs solaires
II.8 Comparaison technico-économique
II.8.1 Remarque
II.9 Conclusion
CHAPITRE III : Eléments de calcul d’une installation de climatisation à absorption solaire
III.1 Introduction
III.2 Principe de fonctionnement de la machine à absorption
III.3 Performance de la machine à absorption
III.4 Choix des fluides de travail
III.4.1 Le mélange eau/ammoniac (H2O/NH3)
III.4.2 Le mélange bromure de lithium/eau (LiBr/ H2O)
III.5. Analyse thermodynamique
III.5.1 Introduction
III.5.2 Cycle standard sans échangeur interne
III.5.2.1 Équation d’état des fluides de travail
a. L’enthalpie de l’eau dans le condenseur
b. L’enthalpie de la vapeur saturée quittant l’évaporateur
c. L’enthalpie de la vapeur d’eau surchauffé
d. La chaleur massique d’une solution de LiBr
e. L’enthalpie d’une solution de LiBr
f. La concentration en LiBr
Remarque
g. La courbe caractéristique de l’eau donne
h. Le taux de circulation
III.5.2.2 Bilans enthalpique
a. La puissance thermique du condenseur
b. Le bilan thermique de l’absorbeur
c. Le bilan thermique du bouilleur
d. La puissance thermique de l’évaporateur
e. La pompe de solution
III.5.2.3 Cycle de la machine à absorption
a. Pression de fonctionnement
b. Titre et température de la solution à l’entrée de l’absorbeur
c. Titre et température de la solution à l’entré du désorbeur
III.5.2.4 Estimation de coefficient de performance
III.5.3 Cycle standard a échangeur interne
III.5.3.1 Bilan thermique d’échangeur de solution
Bilan enthalpique effectué sur l’échangeur
III.6 Capteurs solaires thermique sous vide
III.6.1 Calcul du rendement d’un capteur solaire sous vide par la méthode Française
III.6.2 Calcul de coefficient de performance du système solaire capteur sous vide machine à absorption
III.7 Conclusion
CHAPITRE IV : Modélisation dynamique du tunnel de test des voitures de la SNTF
IV.1 Introduction
IV.2 Description du logiciel
IV.2.1 Les entrées « inputs »
IV.2.2 Traitement des données
IV.2.3 Les sorties « outputs »
IV.3 Utilisation du logiciel TRNSYS
IV.3.1 METENORM
IV.3.2 TRNSYS Simulation Studio
IV.3.3 TRNBuild
IV.4 Avantages du logiciel
IV.5 Inconvénients de logiciel
IV.6 Conditionnement du tunnel de test des voitures de voyageurs de la SNTF
IV.6.1 Voiture de voyageurs de la SNTF
IV6.1.1 Histoire
IV.6.1.2 Le parc roulant
IV.6.1.3 Fiche technique du réseau de la SNTF
IV.6.2 Système de conditionnement d’air des voiture de la SNTF
IV.6.2.1 Description de l’installation de conditionnement d’air
IV.6.3 Dimensionnement et paramètre de tunnel
IV.7 Approche de modélisation
IV.7.1 Configuration et addition des composants
IV.7.1.1 Conditions météorologiques
IV.7.1.2 Machine à absorption
IV.7.1.3 Système solaire
IV.7.1.4 Construction de tunnel
IV.7.1.5 Composant d’affichage
IV.8 Résultats et interprétations
a. Interprétations
IV.8.1 Simulation des conditions de test en hiver
a. Raccordement des composants
b. Résultats
c. Interprétations
IV 8.2 Simulation des conditions de test en été
a. Raccordement des composants
b. Résultats
c. Interprétation
IV.9 Conclusion
V. Conclusion générale
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