cours production froid sor ption

La production de froid par sorption

(absorption liquide)

Licence Professionnelle Génie Civil et Construction option Génie Climatique ; Qualité Environnementale

Institut Universitaire de Technologie

IUT A - Lyon 1 Département Génie Civil

2007-2008

Michel PONS CNRS-LIMSI

BP 133 91403 Orsay Cedex

1

17-18 janvier 2008

IUT A, Département Génie Civil, Villeurbanne

1

Laboratoire d’ Informatique pour la Mécanique et les Sciences de l’ Ingénieur



M. Pons

CNRS-LIMSI, BP133, 91403 Orsay Cedexwww.limsi.fr/Individu/mpons

2

17-18 janvier 2008

IUT A, Département Génie Civil, Villeurbanne

1




M. Pons

CNRS-LIMSI, BP133, 91403 Orsay Cedexwww.limsi.fr/Individu/mpons

IUT A, Département Génie Civil, Villeurbanne 2/49


Réfrigération par sorption

• Vous connaissez la réfrigération par compression(climatiseurs, réfrigérateurs, ou congélateurs, x ménagers, commerciaux ou industriels).

• Compression compresseur apport d’énergie mécanique (moteur électrique).

• Il est possible de produire du froid sans cet apport d’énergie mécanique, en utilisant les procédés à sorption.

3



De la réfrigération par compression

à la réfrigération par sorption

4



Rappel sur la réfrigération par compression

• Un évaporateur +un compresseur + un condenseur + un détendeur + un fluide frigorigène.

Condenseur

Compresseur

Evaporateur

Détendeur

Qevap

Tfroid

Tamb

Qcond

Wcomp + Énergie mécanique

+ Chaleur rejetée à l’ambiante

= Froid produit àbasse température.



Remarque 1

• Une partie du circuit est à « haute »pression, l’autre est à« basse » pression.

Condenseur

Compresseur

Evaporateur

Qevap

Tfroid

Tamb

Qcond

Wcomp

« Haute » pression

« Basse » pression

• Les mots « haute » et « basse » sont relatifs ; les valeurs absolues de ces pressions dépendent du fluide frigorigène et des températures.

5



Remarque 2

• Dans une partie du circuit le frigorigène est à l’état liquide, dans une autre partie il est gazeux (vapeur).

Condenseur

Compresseur

Evaporateur

Qevap

Tfroid

Tamb

Qcond

Wcomp

Liq

uid

e

Vap

eu

r• Dans le condenseur et l’évaporateur,

les deux phases coexistent, bien-sûr.



Critères d’efficacité

• Pour la production de froid, le critère est :

Condenseur

Compresseur

Evaporateur

Qevap

Tfroid

Tamb

Qcond

Wcomp

evap

comp

QCOP

W=

froidCarnot

amb froid

TCOP

T T=

−

• Rendement : ηII = COP / COPCarnot .

• La borne maximaledu COP est le COP de Carnot (cycle réversible):

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Produire du froid sans énergie mécanique (électricité)

• On garde condenseur, évaporateur, détendeur.

• Il « suffit » de trouver un système qui puisse

Condenseur

Compresseur

Evaporateur

Vapeur àhaute pression

Vapeur àbasse pression

fournir de la vapeur à« haute » pression au condenseur ;retirer de la vapeur à« basse » pression àl’évaporateur.



Solution : la sorption

• Il existe différents principes qui permettent de produire de la vapeur ou bien d’en extraire,

au choix selon les conditions imposées :Solutions binaires (mélange liquide, ex. NH3+H2O)

ABsorption liquide (H2O+LiBr)ABsorption solide - Thermochimie (NH3+BaCl2)

ADsorption (gaz+solide : H2O+Gel de silice, H2O+zéolite, NH3+Charbon Actif …)

Hydruration (H2+LaNi5)

Note : chaque couple est ici noté « X+Y », où X est le corps qui forme la phase vapeur, le frigorigène donc, et Y est le sorbant.

7



Introduction à la

réfrigération par sorption

8



• En portant un sorbant à« haute » températuregrâce à un apport de chaleur, le sorbantrejette de la vapeur.

• C’est la génération (de vapeur), la régénération(du sorbant), la désorp-tion, la séparation.

Condenseur

Evaporateur

Sorbant

Qh (à Th)

Qcond (à Tamb)

• La vapeur va se condenser (Qcond),le réfrigérant devient liquide.

Principe de base de la sorption (1)



Principe de base de la sorption (2)• En ramenant le sorbant à « moyenne »

température (il y a donc rejet de chaleur), le sorbant attire la vapeur.

• C’est l’absorption ou l’adsorption (de vapeur), le mélangeage, la synthèse.

Condenseur

Evaporateur

Sorbant

Qr (à Tr)

• Le réfrigérant s’est évaporé (Qevap).

Qevap (à Tfroid)

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Cycles alternatifs (intermittents)

… les deux opérations ont lieu en alternance …

Condenseur

Evaporateur

Sorbant

Sorbant

I

II … la production de froid n’a lieu que pendant une phase sur deux.

• Dans un cycle alternatif …



Un cycle alternatif peut fonctionner avec un seul « sorbeur ».

• L’ad/ab-sorbeur est alternativement relié, 1/ au condenseur et à la source chaude,

•

2/ à l’évaporateur et à la source à tempé-rature intermédiaire.

Condenseur

Evaporateur

Sorbant

• Sorbants solides (adsorbants, hydrures, sels).

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Cycles continus

• Deux « sorbeurs » : Générateur et

Absorbeur.

• Circulation du sorbanten solution liquide(besoin d’une pompe de solution et d’un détendeur).

Absorbeur

Condenseur

Evaporateur

Générateur

• Absorption liquide(NH3+H2O, H2O+LiBr)



État de l’art

• Les machines utilisant l’absorption liquide(NH3+H2O, H2O+LiBr)

sont développées industriellement et commercialisées(Trane, York, Carrier, Soffimat, Entropie, Yazaki,

Dunham-Bush, McQuay, Sanyo, Broad, Robur, Colibri BV).

• À part les climatiseurs à roue dessicante (Munters), les machines à sorption solide sont rares

ou bien restent expérimentales.

• La suite du cours n’est consacrée qu’à l’absorption liquide H2O+LiBr.

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Fonctionnement des

réfrigérateurs à absorption

liquide Eau+LiBr

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Diagramme de Oldham : Ln(P) vs. -1/T.

Ici pour H2O+LiBr.

Limites : équilibre

liquide-vapeur eau pure et

cristallisation du LiBr.

Courbes àconcentration

constante (xLiBr)



Un point dans ce diagramme (1)

Système divariant :

fixer p. ex. la température,

Température

désorption –génération de vapeur

Pressionet la pression.

absorption de vapeur

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Un point dans ce diagramme (2)

Saturation

liquide-vapeur

TempératurePression

Cristallisation

Tcond ou Tevap

On fixe la température, et la pression.

S’en déduisent la limite de

cristallisationet

les conditions (P, T) de l’équilibre

liquide-vapeur correspondant.



Éléments de cycle (1 : désorption)

Condenseur Générateur

La température ambiante fixe celle du condenseur,

ce qui fixe la pression de désorption

[=Psat(Tcond)].+

La température de source chaude

détermine le point générateur.

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Éléments de cycle (2 : absorption)

Évaporateur

La même approche avec la température de l’évaporateur,

donne la pression [P=Psat(Tevap)],

+la température de la source intermé-

diaire donne le point absorbeur.

Absorbeur

GénérateurCondenseur



Tracé du cycle

Évaporateur

La machine cède de la chaleur à la source à température intermédiaire, en reçoit de celles à haute et basse

températures.

Absorbeur


Absorbeur

Condenseur

Evaporateur

Générateur

• : température des échangeursI : température des sources

Absorb

antRéf

rigéra

nt

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Structure d’une machine

Absorbeur

Condenseur

Evaporateur

Générateur

1

2 3 4

4’

5

5sat

8sat

6

7

8

• Pression : haute dans générateur et condenseur ; basse dans absorbeur et évaporateur.

• Fluides : eau pure dans condenseur et évaporateur ; solution Eau+LiBr dans générateur et absorbeur.

• 6 et 8 : solution riche en LiBr ;

4 et 4’ : solution pauvreen LiBr.

• 7 et 3 : vapeur d’eau pure• 1 : eau liquide saturée



1

34

5sat 6

Déroulé analytique du cycle (1)À partir du point 4(sortie d’absorbeur) :

1/ compression,

2/ chauffage isostérique* 4-5sat

3/ chauffage avec désorption 5sat-6

(la vapeur désorbée est condensée en 1, l’eau liquide est détendue, puis évaporée en 3)

…* isostérique = à composition x constante.

16



1

34

5sat

8sat

6

Déroulé analytique du cycle (2)

À partir du point 6(sortie de générateur)

4/ détente,

5/ refroidissement isostérique* 6-8sat,

6/ refroidissement avec absorption

8sat-4(la vapeur absorbée

provient de l’évaporateur 3).

* isostérique = à composition x constante.



Performances

• Puissance frigorifique de la machine (kW)les machines à Eau+LiBr occupent la gamme 100-5000 kWfroid.

• Coefficient de performance COP :evap

h

QCOP

Q=

Absorbeur

Condenseur

Evaporateur

Générateur

Qcond

Qevap

Qr

Qh

• Ici aussi, le COP doit être comparé au

COPCarnot.

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COPCarnot (1)

• Seules les températures des sources de chaleur interviennent dans l’expression du COPCarnot.

Absorbeur

Condenseur

Evaporateur

Générateur

Qcond

Qevap

Qr

Qh • Le COPCarnot est celui du cycle tri-therme :- froid produit pour utilisation àTfroid ; - chaleur motrice apportée à Th ; - rejets (condenseur, absorbeur) à Tamb .



COPCarnot (2)

• On écrit le premier principe :

etle second principe :

on remplace Qcond+Qr, on remarqueque Wpomp est négligeable, on pose ΔiS=0 (le cycle de Carnot est réversible), et on obtient :

1 1

1 1amb h

Carnot

froid amb

T TCOP

T T

−=

−

0evap h cond r pompQ Q Q Q W+ + + + =

0evap h cond ri

froid h amb

Q Q Q Q ST T T

++ + + Δ =

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Rendement second-principe (exergétique)

• Le rendement second principe (dit aussi rendement exergétique)

est le rapport du COP au COPCarnot :

ηII = COP / COPCarnot .

• Ce rendement est forcément inférieur à 1

[ηII = 1 pour cycle réversible (idéal, non-réel)]

[ηII proche de 0,5 pour les technologies « avancées »qui ont déjà fait l’objet d’une optimisation].

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TD sur cycle frigorifique

à absorption liquide Eau+LiBr

20



TD sur cycle frigorifique




La source àtempérature intermédiaire reçoit de la

chaleur, celles à haute et à

bassetempératures

en fournissent.

1

3

4

5sat

8sat

6

Tracé du cycle

21



Amélioration des cycles frigorifiques


22



Évaporateur

La solution (chaude) sortant du générateur cède de sa chaleur sensible à

la solution (tiède) sortant de l’absorbeur.

Absorbeur


Absorbeur

Condenseur

Evaporateur

Générateur

Échangeur Échangeur de chaleur

Récupération interne de chaleur sur la solution



Cycle à double-effet

AVERTISSEMENT ! Dans les pages suivantes, le cycle double-effet

est présenté dans le diagramme de Oldham avec des niveaux de température et pression

tout-à-fait irréalistes.

Le principe et le schéma du cycle double-effetsont, eux, tout-à-fait corrects.

Mon propos est d’exposer ce principe et ce schéma, en conservant le même diagramme

qui vous est maintenant familier.

233



Cycle à double-effet

Absorbeur

Générateur MP

Absorbeur

Condenseur

Evaporateur

Générateur

Générateur HP

Condenseur HP

Absorbeur

Condenseur MP

Evaporateur

Générateur MP

Générateur HP

Condenseur HP

Évaporateur

Condenseur MP

En ajoutant un générateur et un condenseur haute pression (HP), la chaleur dégagée par ce dernier fait fonctionner « gratuitement » le générateur moyenne

pression (MP).



Cycle à double-effet avec récupération chaleur interne

En plus du double-effet, toutes les récupérations internes de chaleur sensibles peuvent aussi être faites

(ici deux échangeurs solution / solution)

Absorbeur

Générateur MP

Générateur HP

Condenseur HP

Absorbeur

Condenseur MP

Evaporateur

Générateur MP

Générateur HP

Condenseur HP

Échangeur

Échangeur

Évaporateur

Condenseur MP

Échangeur de chaleur

Échangeur de chaleur

24



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

Combinaison des deux derniers• COP cycle double effet avec récupération : 1,52

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Quelques vues de

machines Eau+LiBr industrielles

26



Millenium York (photo)



Millenium York (schéma)

27



Trane-Classic (photo)



Carrier et Broad (photos)

28



Ce à quoi vous avez échappé :

29



Les cycles et machines NH3+H2O

• Au générateur, de la vapeur d’eau part avec la vapeur d’ammoniac :

il faut un rectifieur pour les séparer.

Absorbeur

Condenseur

Evaporateur

Générateur

Échangeur

Échangeur

• Pour températures < 0°C, pour cycles avancés (GAX).

• Souvent avec échangeur de chaleur entre NH3 liquide sortie condenseur et vapeur sortie évaporateur.

• Construites à l’unité.



Les cycles triple-effet

• Ils consistent à rajouter un troisième effet

au cycle double effet (!).

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Les cycles GAX(Generator-Absorber heat-eXchanger)

• Les cycles à sorption liquide les plus avancés, les plus efficaces.

Absorbeur

Condenseur

Evaporateur

Générateur

Échangeur

Échangeur

• Un fluide caloporteur supplémentaire assure des échanges à contre-courant de l’absorbeur vers le générateur.



et …

• Les aspects économiques,• La maintenance, • Les sources d’énergie,• etc…

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Remerciements …

à vous, tout d’abord, pour votre attention,

et aussi à Jean Castaing-Lasvignottes(Maître de Conférences à l’Université de Pau et

des Pays de l’Adour, UPPA, Pau) pour son cours très complet sur

les systèmes à absorption liquide : http://jc.castaing.free.fr/ens/abs/abscours.pdf.

Autre lien : http://neveu.pierre.free.fr/enseignement/abs_liquide/cours.html.

cours production froid sor ption

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