la production de froid par sorption (absorption liquide)
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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
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17-18 janvier 2008
IUT A, Département Génie Civil, Villeurbanne
1
Laboratoire d’ Informatique pour la Mécanique et les Sciences de l’ Ingénieur
La production de froid par sorption
(absorption liquide)
M. Pons
CNRS-LIMSI, BP133, 91403 Orsay Cedexwww.limsi.fr/Individu/mpons
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17-18 janvier 2008
IUT A, Département Génie Civil, Villeurbanne
1
Laboratoire d’ Informatique pour la Mécanique et les Sciences de l’ Ingénieur
La production de froid par sorption
(absorption liquide)
M. Pons
CNRS-LIMSI, BP133, 91403 Orsay Cedexwww.limsi.fr/Individu/mpons
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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.
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De la réfrigération par compression
à la réfrigération par sorption
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Introduction à la
réfrigération par sorption
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• 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)
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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 …
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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)
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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)
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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.
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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
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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
GénérateurCondenseur
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
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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.
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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.
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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 .
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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
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TD sur cycle frigorifique
à absorption liquide Eau+LiBr
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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
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Amélioration des cycles frigorifiques
à absorption liquide Eau+LiBr
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Évaporateur
La solution (chaude) sortant du générateur cède de sa chaleur sensible à
la solution (tiède) sortant de l’absorbeur.
Absorbeur
GénérateurCondenseur
Absorbeur
Condenseur
Evaporateur
Générateur
Échangeur Échangeur de chaleur
Récupération interne de chaleur sur la solution
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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.
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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).
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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
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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
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Millenium York (photo)
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Millenium York (schéma)
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Trane-Classic (photo)
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Carrier et Broad (photos)
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Ce à quoi vous avez échappé :
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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.
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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.
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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.