ETUDE EXPERIMENTALE D UNE MACHINE FRIGORIFIQUE A ABSORPTION/DIFFUSION FONCTIONNANT AUX HYDROCARBURES (C4/C8)

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1 ETUDE EXPERIMENTALE D UNE MACHINE FRIGORIFIQUE A ABSORPTION/DIFFUSION FONCTIONNANT AUX HYDROCARBURES (C4/C8) Wallada MBAREK 1, Ahmed BELLAGI 2 Adresse 1 : Unité de Recherche Energie, Environnement et Géophysique à l INSAT Adresse 2 : Unité de Recherche Thermique et Thermodynamique des Procédés Industriels à l ENIM wallada.mbarek@yahoo.fr Résumé : Une étude des machines frigorifiques à absorption-diffusion opérant suivant le cycle de Platen et Munters est faite dans ce travail expérimentalement. Essentiellement, on a concentré notre attention à la conception, la fabrication et l exploitation expérimentale de ce type de machines, dans un objectif final de les coupler à une source d énergie solaire. Une modélisation numérique est établie pour valider les différents résultats obtenus par mesures. Mots-clés : machines frigorifiques, Platen et Munters, froid solaire, cycle mono-pression. 1. Contexte Vu l appauvrissement des ressources naturelles d énergie, on a recours à l exploitation des ressources des énergies renouvelables. Dans ce cadre, l Unité de Recherche Thermique et Thermodynamique des Procédés Industriels consacre une grande partie du travail pour le thème du froid solaire. En fait, c est un projet international. Dans ce cadre, un prototype de la machine frigorifique à absorption/diffusion fonctionnant aux hydrocarbures légers, conçu et réalisé, va être étudié dans un but final de couplage à l énergie solaire thermique comme une source de chaleur motrice. 2. Objectifs Le premier objectif de ce travail est de faire une étude expérimentale détaillée d une machine frigorifique à absorption/diffusion de COP de l ordre de 0.3 afin de bien connaître ce type de 1

2 machines. Aussi, on veut se familiariser avec la conception, le dimensionnement, la réalisation et la manipulation expérimentale avec ce type de machines frigorifiques. 3. Description du projet et résultats obtenus Durant la réalisation de ce projet, les principaux objectifs à atteindre sont : 1. Recherche bibliographique sur les machines frigorifiques à absorption/diffusion opérant suivant le cycle de Platen et Munters (voir figure 1), Figure 1. Cycle d une machine frigorifique à absorption-diffusion 2. Revue dans la littérature sur la pompe à bulles qui est le moteur de ce type de machines frigorifiques, 3. Conception et réalisation du prototype (voir schéma de la maquette : figure 2) : Après une conception de cette machine et le traçage de prototype à l aide du logiciel SolidWorks, une estimation des différentes liaisons existantes, on a fabriqué cette maquette en cuivre : 2

3 Figure 2. Dispositif expérimental 4. Étude expérimentale du prototype en passant par les étapes suivantes : 4.1. Test d étanchéité 4.2. Charge de la maquette avec les hydrocarbures légers (butane comme réfrigérant, octane comme absorbant et hélium comme égaliseur de pression) 4.3. Prise des mesures de la température aux différents points de l installation. Titre 5. Exploitation des résultats expérimentaux : En suivant le fonctionnement de cette machine frigorifique, on a bien observé qu elle est fonctionnelle avec une production du froid au niveau de l évaporateur. Comme premiers résultats, c était très suffisant. Mais, en attendant des améliorations, on va essayer d augmenter le COP. 6. Modélisation du fonctionnement de ce cycle frigorifique afin de faire une validation entre ce qui est expérimental et théorique. 7. Comparaison entre résultats théoriques et résultats expérimentaux 4. Résultats et interprétations : Comme paramètre de contrôle du fonctionnement de cette machine frigorifique à absorptiondiffusion, on a fait la variation de la puissance de chauffage au niveau de la pompe à bulles : 3

4 I 1=0,51A; U 1=220V; P 1=112,2W I 2=0,81A; U 2=220V; P2=178,2W I 3=1A; U 3=220V; P 3=220W I 4=1,23A; U 4=220V; P 4=270,6W Figure 3 : Variation de la température en des différents points du cycle On remarque bien que la première valeur de la puissance (P 1 =112,2W) est insuffisante pour le démarrage de l installation. Malgré que le temps de chauffage supérieur à une heure et demi, d après les mesures (voir figure 3), on remarque qu il n y a ni pompage au niveau de la pompe à bulles, ni diminution de la température au niveau de l évaporateur et sa valeur reste autour de la valeur de 15 C. Pour la deuxième valeur de la puissance (P2=178,2W) et d après les allures des différentes températures, on remarque qu à partir de cette valeur, il y a commencement du démarrage de la maquette. La fréquence de pompage est presque constante. La température au niveau de la pompe augmente jusqu à une valeur maximale de l ordre de 147,67 C et par la suite elle commence à diminuer jusqu à une valeur de 115 C et elle augmente de nouveau jusqu à une valeur au voisinage de 140 C. Et par la suite, elle continue à osciller. En augmentant la valeur de la puissance de chauffage à 220W et en observant l allure des courbes de la solution pompée vers l échangeur de chaleur et celle de la vapeur à l entrée du condenseur, on remarque qu elles ont la même allure que celle mesurée à la paroi du tube de la pompe à bulles sauf que les températures atteintes sont moins importantes et ne dépassent pas 80 C. Pour bien mettre en valeur, la qualité de production du froid, on doit quantifier la valeur de température atteinte au niveau de l évaporateur. Elle est de l ordre de 4,84 C. 4

5 Pour cette valeur de la puissance, on remarque bien que la température au niveau de l évaporateur diminue encore en bas au dessous de la valeur présidente jusqu à atteindre une valeur de l ordre de 1,7 C (voir figure 3). D après ces mesures, on observe qu on a obtenu les résultats optimums pour le fonctionnement du prototype. La température maximale aussi subit les mêmes transformations : elle augmente jusqu à une valeur maximale. Ensuite, elle oscille avec une fréquence de pompage plus importante que celle de la mesure présidente. Pour une valeur de puissance de 270,6W, on remarque que le pompage de la solution riche dans le tube de la pompe à bulles se continue avec une fréquence moins importante. Mais en contre partie, la température au niveau de l évaporateur diminue jusqu à une valeur de l ordre de 10 C et elle continue constante. 5. Conclusions et perspectives Comme premier objectif de ce travail, on a voulu faire une étude expérimentale d.une machine frigori.que à absorption-diffusion. Le prototype de cette machine est construit, mis au point et expérimenté au sein de notre Unité de Recherche Thermique et Thermodynamique des Procédés Industriels. Le cycle de base du fonctionnement de la maquette est celui de Platen et Munters modifié. Le couple de travail est le n-butane/octane (le n-butane comme réfrigérant et l octane comme absorbant) avec un gaz inerte : l hélium. Ces fluides sont de la famille des hydrocarbures, on a validé qu ils peuvent être un bon choix de fluides frigorigènes. Comme perspectives de ce projet, on va essayer de concevoir des machines de capacité plus importante tout en essayant surtout de dépasser les problèmes rencontrés durant cette étude expérimentale (par exemple : le dimensionnement des différents organes...). Par la suite, une étude exégétique du cycle sera nécessaire pour vérifier le second principe. De plus, ce projet va nous mener à un couplage solaire de cette maquette sous un sujet de froid solaire pour optimiser son fonctionnement à l aide d une telle source d énergie. Nomenclature : Q : flux de chaleur [W] COP : coefficient de performance I : intensité [A] U : tension [V] P : puissance électrique [W] T : température [ C] Indice : Evap : évaporateur 5

6 Cond : condenseur Abs : absorbeur Pmp : pompe Bouill : bouilleur Rect : rectifieur solpompée : solution pompée max : maximale vap : vapeur Novembre, 2010, Sousse,Tunisie Bibliographie : [1] U. Jacob, Investigations into solar powered diffusion/absorption cooling machines. PhD [2] J.Chen, K.J.Kin, Performance enhancement of a diffusion-absorption refrigerator, International Journal of Refrigeration 19 (3) (1996) [3] R. Saravanan, M.P. Maiya, M. Srinivasa, Studies on bubble pump for water-lithium bromide vapor absorption refrigeration. International Journal of Refrigeration 21 (6) (1998) [4] A.D. Delano, Analysis of the Einstein Refrigeration cycle. M.Sc Thesis, Geogia Institue of Technology [5] A.D. Delano. Design Analysis of the Einstein Refrigeration cycle. PhD Dissertation, Geogia Institue of Technology, [6] S.J.White, Bubble pump design and performance. M. Sc Thesis, Geogia Institue of Technology, [7] A. Kayfman, M. Jelinek, A. Levy, I. Borde, Experimental study on bubble pump performance for diffusion absorption refrigeration system with organic working fluids, Proceedings of the Second International Heat Powered Cycles Conference, Paris, [8] A.Nenes, Simulation of Airlift Pumps for Deep Water Wells. Department of Chemical Engineering University of Ottawa, Ontario K1N 6N5, Canada. [10] N.Ben Issa, Etude expérimentale et modélisation d.une machine frigorifique à diffusion. Mastère en génie énergétique 2004 ENIM. [11] Y.Guizani, Etude et simulation thermodynamique du cycle d Einstein. Mastère en génie énergétique 2003 ENIM. 6