La production de froid par sorption. (absorption liquide)

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1 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 Génie Civil Michel PONS CNRS-LIMSI BP Orsay Cedex

2 1 La production de froid par sorption (absorption liquide) M. Pons CNRS-LIMSI, BP133, Orsay Cedex janvier

3 1 La production de froid par sorption (absorption liquide) M. Pons CNRS-LIMSI, BP133, Orsay Cedex janvier 2008 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. 2/49 2

4 De la réfrigération par compression à la réfrigération par sorption 3/49 3

5 Rappel sur la réfrigération par compression Détendeur T amb Q cond Wcomp Un évaporateur + un compresseur + un condenseur + un détendeur + un fluide frigorigène. Q evap T froid Compresseur + Énergie mécanique + Chaleur rejetée àl ambiante = Froid produit à basse température. 4/49 «Haute»pression T amb Q cond W comp Remarque 1 Une partie du circuit est à «haute» pression, l autre est à «basse» pression. Compresseur Q evap T froid «Basse»pression Les mots «haute» et «basse» sont relatifs ; les valeurs absolues de ces pressions dépendent du fluide frigorigène et des températures. 5/49 4

6 Liquide Q evap T froid T amb Vapeur Q cond W comp Compresseur Remarque 2 Dans une partie du circuit le frigorigène est àl état liquide, dans une autre partie il est gazeux (vapeur). Dans le condenseur et l évaporateur, les deux phases coexistent, bien-sûr. 6/49 Critères d efficacité Q evap T froid T amb Q cond Wcomp Compresseur Pour la production de froid, le critère est : Qevap COP = W comp La borne maximale du COP est le COP de Carnot (cycle réversible): Tfroid COPCarnot = T T amb froid Rendement : η II = COP / COP Carnot. 7/49 5

7 Produire du froid sans énergie mécanique (électricité) Vapeur à On garde condenseur, évaporateur, détendeur. haute pression Il «suffit» de trouver un système qui puisse Compresseur Vapeur à basse pression fournir de la vapeur à «haute» pression au condenseur ; retirer de la vapeur à «basse» pression à l évaporateur. 8/49 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. NH 3 +H 2 O) ABsorption liquide (H 2 O+LiBr) ABsorption solide - Thermochimie (NH 3 +BaCl 2 ) ADsorption (gaz+solide : H 2 O+Gel de silice, H 2 O+zéolite, NH 3 +Charbon Actif ) Hydruration (H 2 +LaNi 5 ) 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. 9/49 6

8 Introduction à la réfrigération par sorption 10/49 7

9 Principe de base de la sorption (1) En portant un sorbant à Q h (à T h ) «haute» température grâce à un apport de Sorbant chaleur, le sorbant rejette de la vapeur. C est la génération (de Q vapeur), la régénération cond (à T amb ) (du sorbant), la désorption, la séparation. La vapeur va se condenser (Q cond ), le réfrigérant devient liquide. 11/49 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. Q evap (à T froid ) Q r (à T r ) Sorbant Le réfrigérant s est évaporé (Q evap ). 12/49 8

10 Cycles alternatifs (intermittents) I Sorbant Dans un cycle alternatif les deux opérations ont lieu en alternance II la production de Sorbant froid n a lieu que pendant une phase sur deux. 13/49 Un cycle alternatif peut fonctionner avec un seul «sorbeur». Sorbant L ad/ab-sorbeur est alternativement relié, 1/ au condenseur et à la source chaude, 2/ à l évaporateur et à la source à température intermédiaire. Sorbants solides (adsorbants, hydrures, sels). 14/49 9

11 10 Cycles continus Absorbeur Deux «sorbeurs» : et Absorbeur. Circulation du sorbant en solution liquide (besoin d une pompe de solution et d un détendeur). Absorption liquide (NH 3 +H 2 O, H 2 O+LiBr) 15/49 État de l art Les machines utilisant l absorption liquide (NH 3 +H 2 O, H 2 O+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 H 2 O+LiBr. 16/49

12 Fonctionnement des réfrigérateurs à absorption liquide Eau+LiBr 17/49 11

13 12 Diagramme de Oldham : Ln(P) vs. -1/T. Ici pour H 2 O+LiBr. Limites : équilibre liquide-vapeur eau pure et cristallisation du LiBr. Courbes à concentration constante (x LiBr ) 18/49 Un point dans ce diagramme (1) Température Pression Système divariant : fixer p. ex. la température, et la pression. absorption de vapeur désorption génération de vapeur 19/49

14 13 Un point dans ce diagramme (2) On fixe la température, et la pression. Saturation liquide-vapeur Température Pression T cond ou T evap Cristallisation S en déduisent la limite de cristallisation et les conditions (P, T) de l équilibre liquide-vapeur correspondant. 20/49 Éléments de cycle (1 : désorption) La température ambiante fixe celle du condenseur, ce qui fixe la pression de désorption [=P sat (T cond )]. + La température de source chaude détermine le point générateur. 21/49

15 Éléments de cycle (2 : absorption) Évaporateur Absorbeur La même approche avec la température de l évaporateur, donne la pression [P=P sat (T evap )], + la température de la source intermédiaire donne le point absorbeur. 22/49 Tracé du cycle Réfrigérant Évaporateur Absorbeur Absorbant Absorbeur : température des échangeurs I : température des sources La machine cède de la chaleur à la source à température intermédiaire, en reçoit de celles à haute et basse températures. 23/49 14

16 1 2 3 Structure d une machine sat 5 5 sat Absorbeur 6 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 pauvre en LiBr. 7 et 3 : vapeur d eau pure 1 : eau liquide saturée 24/49 3 Déroulé analytique du cycle (1) À partir du point 4 (sortie d absorbeur) : sat 6 1/ compression, 2/ chauffage isostérique * 4-5 sat 3/ chauffage avec désorption 5 sat -6 * isostérique = à composition x constante. (la vapeur désorbée est condensée en 1, l eau liquide est détendue, puis évaporée en 3) 25/49 15

17 3 * isostérique = à composition x constante. Déroulé analytique du cycle (2) sat 5 sat 6 À partir du point 6 (sortie de générateur) 4/ détente, 5/ refroidissement isostérique * 6-8 sat, 6/ refroidissement avec absorption 8 sat -4 (la vapeur absorbée provient de l évaporateur 3). 26/49 Performances Puissance frigorifique de la machine (kw) les machines à Eau+LiBr occupent la gamme kw froid. Coefficient de performance COP : Q evap Q cond Q h Absorbeur Q r Q COP = Q evap Ici aussi, le COP doit être comparé au COP Carnot. h 27/49 16

18 COP Carnot (1) Seules les températures des sources de chaleur interviennent dans l expression du COP Carnot. Q cond Q evap Q h Absorbeur Q r Le COP Carnot est celui du cycle tri-therme : - froid produit pour utilisation à T froid ; - chaleur motrice apportée à T h ; - rejets (condenseur, absorbeur) à T amb. 28/49 COP Carnot (2) On écrit le premier principe : Qevap + Qh + Qcond + Qr + Wpomp = 0 et Qevap Q le second principe : h Qcond + Qr + + +Δ is = 0 T T T on remplace Q cond +Q r, on remarque que W pomp est négligeable, on pose Δ i S=0 (le cycle de Carnot est réversible), et on obtient : COP froid h amb Carnot 1 1 Tamb T = h 1 1 T T froid amb 29/49 17

19 Rendement second-principe (exergétique) Le rendement second principe (dit aussi rendement exergétique) est le rapport du COP au COP Carnot : η II = COP / COP Carnot. Ce rendement est forcément inférieur à 1 [η II = 1 pour cycle réversible (idéal, non-réel)] [η II proche de 0,5 pour les technologies «avancées» qui ont déjà fait l objet d une optimisation]. 30/49 18

20 TD sur cycle frigorifique à absorption liquide Eau+LiBr 31/49 19

21 20 TD sur cycle frigorifique à absorption liquide Eau+LiBr 31/49 Tracé du cycle sat 5 sat 6 La source à température intermédiaire reçoit de la chaleur, celles àhauteet à basse températures en fournissent. 32/49

22 Amélioration des cycles frigorifiques à absorption liquide Eau+LiBr 33/49 21

23 22 Récupération interne de chaleur sur la solution Échangeur de chaleur Échangeur Absorbeur Évaporateur Absorbeur La solution (chaude) sortant du générateur cède de sa chaleur sensible à la solution (tiède) sortant de l absorbeur. 34/49 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-effet sont, 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. 35/49

24 233 Cycle à double-effet HP HP HP MP HP MP MP MP Absorbeur Absorbeur Évaporateur En ajoutant un générateur et un condenseur haute pression (HP), la chaleur dégagée par ce dernier fait fonctionner «gratuitement» le générateur moyenne pression (MP). 36/49 Cycle à double-effet avec récupération chaleur interne HP HP HP MP Échangeur de chaleur MP HP Échangeur MP Échangeur de chaleur MP Échangeur Absorbeur Absorbeur Évaporateur Laboratoire En plus d Informatique du double-effet, pour la Mécanique toutes et les les Sciences récupérations de l Ingénieur internes de chaleur sensibles peuvent aussi être faites (ici deux échangeurs solution / solution) 37/49

25 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 38/49

26 Quelques vues de machines Eau+LiBr industrielles 39/49 25

27 26 Millenium York (photo) 40/49 Millenium York (schéma) 41/49

28 27 Trane-Classic (photo) 42/49 Carrier et Broad (photos) 43/49

29 Ce à quoi vous avez échappé : 44/49 28

30 29 Les cycles et machines NH 3 +H 2 O Au générateur, de la vapeur d eau part avec la vapeur d ammoniac : il faut un rectifieur pour les séparer. Pour températures < 0 C, pour cycles avancés (GAX). Souvent avec échangeur de chaleur entre NH 3 liquide sortie condenseur et vapeur sortie évaporateur. Construites à l unité. Échangeur Échangeur Absorbeur 45/49 Les cycles triple-effet Ils consistent à rajouter un troisième effet au cycle double effet (!). 46/49

31 30 Les cycles GAX (Generator-Absorber heat-exchanger) Les cycles à sorption liquide les plus avancés, les plus efficaces. Un fluide caloporteur supplémentaire assure des échanges à contrecourant de l absorbeur vers le générateur. Échangeur Échangeur Absorbeur 47/49 et Les aspects économiques, La maintenance, Les sources d énergie, etc 48/49

32 31 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 : Autre lien : 49/49