Cours Froid Solaire MPons Part 1 2

1Laboratoire d Informatique pour la Mcanique et les Sciences de lIngnieur

LE FROID SOLAIRE

M. Pons

CNRS-LIMSI , Rue J. von Neumann, BP133, 91403 Orsay Cedex

http://perso.limsi.fr/mpons/

Master 2 OMEBA

1


LE FROID SOLAIRE

M. Pons

CNRS-LIMSI , Rue J. von Neumann, BP133, 91403 Orsay Cedex

http://perso.limsi.fr/mpons/

Master 2 OMEBA

1

Laboratoire d Informatique pour la Mcanique et les Sciences de lIngnieur

Une application de lnergie solaire bien adapte

On a plutt besoin de rfrigration(conservation aliments, climatisation)

quand et l o

il y a du soleil

A priori, bonne adquationdans le temps et dans lespace entre les besoins de froid et lnergie disponible

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2

Ensoleillement journalier de janvier dcembre (Odeillo)


Le froid solaire est-il paradoxal ? Peut-on faire du froid avec du chaud ?

On sait que spontanment la chaleur se transmet du chaud vers le froid

et que ce flux de chaleur tend uniformiser la temprature(cest donc le contraire de la rfrigration).

On sait quil faut brancher un rfrigrateur (conglateur / climatiseur, etc.) pour quil fonctionne,

il faut lui fournir de lnergie.

Utiliser la thermodynamique pour expliquer comment de lnergie thermique peut tre convertie

en production de froid.

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3


Plan de ce premier cours

PRINCIPES GNRAUX DE LA RFRIGRATION, RAPPELS

RFRIGRATION SOLAIRE : PRINCIPES GNRAUX, CAPTEURS SOLAIRES

CYCLES ET MACHINES SORPTION

Deux quilibres liquide-vapeur Cycle absorption liquide

Performances et intgration au btiment : calcul, dpendancesexercices

SUITE EN JANVIER

ANNEXES

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4


Rappel sur les phnomnes endothermiques

Principaux phnomnes endothermiques

- les changements dtat : solide -> liquide -> vapeur(liqufaction, vaporisation, sublimation)

(p.ex. fusion glace bullition eau - neige carbonique)

- la dtente dun gaz(ou extension de corps lastique)

avec ou sans production de travail ;

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5

Therm + Endo = chaleur + lintrieur =

Le flux de chaleur est dirig vers lintrieur =

le systme considr refroidit son extrieur


Autres phnomnes endothermiques

- le passage dun courant lectrique travers la soudure de deux mtaux diffrents (effet Peltier)

- la dissolution dun solide, liquide ou gaz dans un autre corps

- la dsaimantation (adiabatique) de substances paramagntiques,

-

Suite du cours : changement dtat [liquide vapeur] !

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6


Rappels sur la rfrigration par compression Trs familire

Gamme Temprature : climatiseurs, rfrigrateurs, ou conglateurs ; Gamme Taille : mnagers, commerciaux ou industriels.

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7

Principe :1. Faire svaporer un fluide

basse pression

2. Comprimer la vapeur

3. Faire se condenser la vapeur haute pression

4. Dpressuriser le liquide.

basse pression = basse temprature = production de froid,

compresseur = apport dnergie mcaniqueou lectrique,

= rejets de chaleur une temprature T > Tambiante,

Diaphragme, vanne de dtente (adiabatique).


rfrigration par compression : composants, bilan dnergie

Composants :Un vaporateur +un compresseur + un condenseur + un dtendeur + un fluide frigorigne.Qevap

Tfroid

TambQcond

Wcomp

nergie motrice mcanique = apport dnergie au compresseur

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8

Condenseur

Compresseur

Evaporateur

Dtendeur

Condenseur

Compresseur

Evaporateur

Dtendeur


Cycle thermodynamique compression

Chauffage (->) ou refroidissement (


Comment produire du froid avec de la chaleur ?

1) En couplant une production dlectricit partir de chaleur

avec un cycle frigorifique compression : transfert dnergie lectrique.

Question : Quel est le COP de lensemble ?(froid produit / chaleur fournie)

Et partir dnergie solaire ?

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11

Condenseur

Compresseur

Evaporateur

Dtendeur


Photovoltaque +cycle compression

Panneaux photovoltaques = production dlectricit, plans (direct + diffus) ou avec concentration (direct)Rendement de conversion 0,10 en moyenne,

Stockage lectricit sur batteriesplus onduleur ventuel (pour produire du courant alternatif),

Production de froid : machine compression classiqueCOP 2-2,5 en moyenne

COPsol 0.2 (Dmarrages, charges partielles, etc. pris en compte).

Possibilit stock froid ; souplesse vis--vis apport lectrique.

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12

1


Comment produire du froid avec de la chaleur ?

1) En couplant une production dlectricit partir de chaleur

avec un cycle frigorifique compression : transfert dnergie lectrique.

Question : Quel est le COP de lensemble ?(froid produit / chaleur fournie)

2) En associant les deux cycles (moteur et rfrigrateur)

au sein dune mme machine, avec transfert dnergie

sous une forme ou sous une autredu cycle moteur vers le cycle frigo.

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13

Condenseur

Compresseur

Evaporateur

Dtendeur







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ANNEXES

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14


Produire du froid directement partir du soleil ?

ma connaissance, il nexiste pas de moyen de transformer directement du rayonnement visible en production de froid.

Il est donc ncessaire de mettre en jeu une forme dnergie intermdiaire.

Rayonnement solaire --> lectricit --> Rfrigrationcellules photovoltaques cycle compression

Soleil --> Chaleur --> Rfrigrationcapteurs thermiques cycle sorption

Les aspects solaire et machine frigorifique sont relativement dcoupls.

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15

Evaporateur

Condenseur


Le Soleil, source dnergie forcment instationnaire,

alatoire, mais aussi assez rptitive.

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16

Ncessit dun stockage

Le Froid, une demande assez imprative :

- Conglation : Tproduits < -20C !!!! (30C),- Rfrigration : +2C < Tproduits < 6-8C !!, (denres alimentaires, vaccins)

- Climatisation : Tair < 25C ou normes confort adaptatif.

Entre lalatoire et limpratif, il faut UN STOCKAGE

soit sous la forme dnergie intermdiaire (lectricit ou chaleur), soit un stockage de froid,

soit les deux.


Schma gnral dun rfrigrateur solaire

Apport solaire

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17

Qamb ( Qfroid.

10


Critre de performance thermodynamique No 2

Critre No 2 :

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19

Froid produit par unit dnergie fournie aux auxiliaires.

froidel

aux

QCOP

W

Et o Waux doit tre intgre sur le TOUT le temps de fonctionnement.

Qamb (

11


Les capteurs solaires

Principes gnraux

Les capteurs solaires

Les cycles sorption

Intgration dans une machine solaire

Un peu dhistoire

Le stockage, toujours imparfait

Un problme inattendu

Lavenir ?

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21

Plans

CPC

Cylindro-paraboliques


Revtement slective(absorbant dans visible mais pas dans infra-rouge)

Isolation thermique Un ou plusieurs vitrages

Aussi tubes sous vide Temprature relativement limite (100-120C).

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22

Sourcewww.ekopedia

Les capteurs solaires 1. Les capteurs plans

12


Les capteurs solaires 2. Les CPC

Concentrateur Parabolique Compos :concentration, mais sans focalisation.

Concentration limite, mais lensemble peut rester fixe !(pas de mcanisme de suivi)

Tube rcepteur ventuellement sous vide (rduction des dissipations thermiques).

Temprature > 200C Rendement de captation ?

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23


Les capteurs solaires 3. cylindro-paraboliques Suivi du soleil autour dun seul axe

(horizontal)

Concentration moyenne (100)

La temprature du fluide peut monter jusqu 200-250C.

Rendement de captation 0.5

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24

Capteurs cylindro-paraboliques de la centrale Nevada Solar One

crdit : Schott AG www.ecosources.info

Plus fortes concentrationsnon-considres ici.

Machine Stirling monte sur concentrateur parabolique Odeillo crdit : CNRS-PROMES,

www.ecosources.info

Centrale solaire concentration pour exploitation commerciale Espagne. Crdit : Solucar, www.ecosources.info

13







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ANNEXES

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25


Changements dtat [liquide vapeur](pour leau)

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26

( )satP P T

Diagramme enthalpique (P-H) ; H vaporisation.

Eau = Corps pur => quilibre liq.-vap. monovariant. En prsence simultane de liquide et

de vapeur deau, pression et temprature(de linterface) sont en relation biunivoque :

Domaines des phases liquide (L), vapeur (V), et (L+V).

14


Quelques cas dquilibre liquide-vapeur

Phase liquide en deux volumes spars, lun T1, lautre T2 ;Phase vapeur connexe en contact avec les deux volumes liquides.

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27

T1 T2liquide

vapeur

liquide

lquilibre : que peut-on dire des tempratures T1 et T2 ?Des niveaux de liquide en 1 et en 2 ?Comment cela se reprsente-t-il dans le diagramme [P, T] ?

Que se passe-t-il si on force T2 tre suprieure T1 ?Comment cela se reprsente-t-il dans le diagramme [P, T] ?


Leffet caloduc

Volume ferm rempli dun mlange liquide vapeur, corps pur avec deux changeurs de chaleur.

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28

Calo + Duc = chaleur + conduire

Qout

Qin

Apport de chaleur Qin

[Liquide ?-? Vapeur]

O va la vapeur ? Type de chaleur

change ?(quel T quivalent ?)

Chaleur extraite Qout

[Liquide ?-? Vapeur]

T1 T2

liquide

vapeur

liquide

15


En rsum sur les caloducs

Tendre engendrer un cart de pression induit un transfert de masse sous forme vapeur.

Il y a donc changement dtat [liquide->vapeur] dun ct (l o le flux de chaleur est entrant >0)

et changement dtat [vapeur->liquide] de lautre ct(l o le flux de chaleur est sortant Psat(T) ? Ou P < Psat(T) ?

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30

2c v

T

P

16


Deux quilibres : H2O liquide H2O vapeur Solution saline

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31

T T

H2O +NaCl

vapeur

H2O

P1 P2

Deux quilibres la mme temprature spars (vanne ferme) :

Que dire de la pression de chaque quilibre ? P1 > P2 ? Ou bien P2 > P1 ?


Co-existence des deux quilibres : H2O liquide H2O vapeur Solution saline

Mme pression Que dire de la pression de chaque

quilibre ? Et de la temprature ? T1 > T2 ? Ou bien T2 > T1 ? Que se passe-t-il lorsquon chauffe ou refroidit

lun ou lautre des racteurs ?

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32

T1 T2

H2O +NaCl

vapeur

H2O

17


Co-existence des deux quilibres : H2O liquide H2O vapeur Solution saline

Que se passe-t-il lorsquon chauffe ou refroidit

lun ou lautre des racteurs ?

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33

T1 T2H2O +NaCl

vapeur

H2O

Q+ Q-

T1 T2H2O +NaCl

vapeur

H2O

Q+Q-


Rsum sur ces changements dtat liquide-vapeur

En prsence dun quilibre liquide-vapeur, un cart de pression induit un transfert de masse sous forme vapeur.

Changement dtat : [liquide->vapeur] quand flux de chaleur entrant (>0) [vapeur->liquide] quand flux de chaleur sortant (

18


Condenseur

Evaporateur

Dtendeur

Supprimer le compresseur dune machine frigorifique en gardant

lvaporateur ( basse pression), le condenseur ( haute pression),le dtendeur et

un fluide, qui change dtat liquide-vapeur dans ces deux changeurs : cest le rfrigrant, ou le fluide frigorigne.

QevapTfroid

Qcond

Tamb

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35

Compres-seur

Pour fermer le cycle : porter la vapeur de rfrigrant

sortant de lvaporateur haute pression o elle sera condense.

Possible avec un quilibre solution vapeur

Flux de chaleur au condenseur

et lvaporateur


vaporation + absorption La solution refroidie moyenne temprature

tend attirer la vapeur (avec rejet de chaleur).

En svaporant le rfrigrant produit du froid (Qevap>0)comme pour les cycles compression

Condenseur

Evaporateur

Soution

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36

QevapTfroid

Qr Tr

Absorption de vapeur + vaporation

19


Chauffe haute temprature(apport de chaleur p.ex. solaire),

la solution tend rejeter la vapeur Condenseur

Evaporateur

Solution

Qcond( Tamb)

Condensation + dsorption

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37

La vapeur se condense

(le rfrigrant devient liquide)avec rejet de chaleur

(Qcond).

Qh ( Th)

Dsorption(de vapeur),

rgnration(de la solution),

gnration, sparation :la vapeur du fluide

frigorigne est extraite de la

solution.


Les couples dabsorption liquide les plus utiliss

H2O+NH3 : Solution binaire (mlange liquide)

LiBr+H2O : Solution saline (sel dissout)

Note : chaque couple est ici not X+Y , o X est le sorbant et Y est le frigorigne

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38

20







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ANNEXES

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39


Diagramme de Clapeyron [Log(P) vs. -1/T]pour LiBr+H2O.

Diagramme Pression Temprature pour H2O (corps pur)

Courbe de saturation (quilibre liquide-vapeur).

Deux domaines Liquide et Vapeur

La solution (en quilibre avec la vapeur deau) contient plus ou

moins de sel : la concentration dpend de T et P.

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40

L

V

Les points (T, P) correspondant une mme concentration xforment une Courbe isostrique P=Fx(T).

Lensemble des isostres forme la loi dtat du systme solution + vapeur.

21


Diagramme Log(P) vs. -1/T ( de Clapeyron ) 2 Chaleur latente du changement

de phase vapeur -> liquide : Formule de Clapeyron :

Ln 0(1/ ) x

PH RT

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41

L V

Les divers systmes divariants(absorption liquide, adsorption de vapeur pure) ont un diagramme de Clapeyron qui a la mme allure gnrale.

Elle exprime la relation entre 1. les chaleurs latentes de

condensation ou dabsorptionet 2. les pentes des

courbes de saturation Liq/Vapou des courbes isostres.

Pour liquide-vapeur : L = -H


Diagramme de Clapeyron pour LiBr+H2O.

Chaque point (T, P) correspond une composition de la solution : x g de LiBr + 1-x g de H2O(total = 1 g ; exemple : x = 0.50).

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42

Limites : - quilibre liquide-vapeur eau pure

- Cristallisation du LiBr.

Courbes isostriques : quilibre solution LiBr +

vapeur avec concentration x constante

22


1.a. La phase vaporation+absorption

vaporation

La qualit de froid voulue fixe la

temprature de lvaporateur,

do la pression dvaporation-

absorption,[Psat(Tevap)],

labsorbeur est une temprature un

peu suprieure lambiante

(exemple xA=0.52)

Absorption

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43


1.b. La phase dsorption-condensation

CondensationDsorption

La temprature ambiante fixe celle du condenseur,

do la pression de dsorption-conden-sation [Psat(Tcond)].

+Il suffit que la source

chaude soit une temprature assez

haute pour que xD>xA, ce qui

dtermine le point de dsorption

(exemple xD=0.62).

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44

23


Principe du cycle LiBr + H2O absorption liquide

1. Chauffage (de la solution)+ sparation dsorption :

Le chauffage haute pression de la solution en extrait de la vapeur.

2. Refroidissement(de la solution)

+ absorption : Le refroidissement basse pression de la

solution lui fait re-absorber la vapeur

prcdemment extraite.

Master 2 OMEBA

45

Evaporateur

CondenseurDtendeur

Evaporateur

Condenseur

La sparation cre une nergie potentielle qui est lnergie

motrice de leffet frigorifique.


Lien avec le Cycle thermodynamique

Remplacement du compresseur par lensemble Absorbeur + Dsorbeur

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46

Condenseur

Compresseur

Evaporateur

Dtendeur

1

2

3

4

1

2

3

4Tfroid

Tamb

Qevap

Qcond

Wcomp

Absorption

Dsorption

24


D

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47

Frigorigne

A

Solution saline

absorbante

B

F

Description du cycle absorption liquide

ABD : Chauffage (Qh) de la solution LiBr+H2O, dabord pour la pressuriser (isostre AB) puis pour dsorber la vapeur (BD);

C

E

Qr

QhABDFA :

Cycle de la solution saline.

[BD]CE[AF]AB : Cycle du

frigorigne

DFA : Refroidissement (Qr) de la solution, dabord pour la dpressuriser (isostre DF) puis pour absorber la vapeur (FA);

AB : solution LiBr+H2O

riche en eau, pauvre en sel

DF : solution LiBr+H2O

pauvre en eau, riche en sel

Pompe de circulation

condensation en C.

vaporation en E.

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48

Comment fonctionne le cycle absorption liquide ? cycle, schma, machine

Absorption

Evaporateur

Condenseur

Dsorption

EA

DB

F

C

-1/T

LnP

Quatre fonctions essentielles : Dsorption de la vapeur, Condensation, vaporation, Absorption de la vapeur plus Chauffage et Refroidissement de la solution LiBr+H2O.

E

A

D

C

25


49

Dans une machine (1)

EA

DB

F

C

-1/T

LnP

Ici avec rcupration de chaleur sur le circuit solution saline.

A

La solution saline dilue en sortie dabsorbeur (A), est pressurise (pompe de circulation), prchauffe (changeur solution solution),et injecte dans le gnrateur de vapeur (brumise).


50


EA

DB

F

C

-1/T

LnP


A

D

C

SparationDsorption : Sous leffet du chauffage haute temprature, de la vapeur deau est spare de la solution,Condensation : La vapeur se condense sur un changeur (exothermique), leau liquide coule sur un plateauo elle est collecte.

26


51


EA

DB

F

C

-1/T

LnP


A

D

C

La solution saline concentre en sortie de gnrateur (D), est dpressurise (pincement), et prrefroidie (changeur solution solution),et injecte dans labsorbeur (A) (brumise).


52


EA

DB

F

C

-1/T

LnP


E

A

D

C

Re-absorptionLeau condense est transfre dans lvaporateur, coule en film sur lchangeur basse temprature o elle se vaporise (E) : production de froid.

La vapeur deau est absorbe par la solution concentre en cdant sa chaleur un changeur refroidi. La solution dilue (A) ferme la boucle.

27


53


EA

DB

F

C

-1/T

LnP


E

A

D

C

1.Noter que labsorbeur et le condenseur sont refroidis en srie ;

2. Noter aussi la boucle de recirculation deau liquide vaporer


tat de lart

Les machines utilisant labsorption liquide (H2O+NH3, LiBr+H2O)

sont dveloppes industriellement et commercialises Trane, York, EAW, Carrier, Soffimat, Entropie, Yazaki, SolarNext,

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

Gammes de puissance : suprieures (5-)10 kWplutt pour installations collectives que pour maisons individuelles.

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54

28


55

Une technologie aux aspects multiples

1. Analyse des transferts internes

2. Intgration dans un btiment

Efficacit nergtique







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ANNEXES

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56

29


Analyse des transferts internes, Efficacit nergtique

Quel est le critre defficacit nergtique dun cycle frigorifique ?

Comment le dfinit-on ?

Master 2 OMEBA

57


D

Master 2 OMEBA

58

A

B

F

Le cycle absorption liquide :bilan de masse 1 : Question

C

E

Composition de la solution(en masse)

en A : 50% LiBr+ 50% H2O

en D : 61% LiBr+ 39% H2O

Question : Quelle est la quantit deau cycle au condenseur C et lvaporateur E ?

x

30


D

A

B

F

C

E

Le cycle absorption liquide : bilan de masse 2

59

Master 2 OMEBA

Consquence : Le dbit de LiBr traversant est le mme

en chaque point du cycle ABDF.

Le LiBr seul ne saccumule nulle part.

P.ex. dbit LiBr en A = dbit LiBr en D.

Cest la masse de LiBr(seul) qui est prise comme rfrence :Les quantits deau sont rapportes la masse unitaire de LiBr,

do la dfinition de la concentration via la Masse deau par unit de masse de sel (LiBr), note w [en kg_H2O par kg_LiBr] :

Avec x = Concentration en LiBr (masse LiBr / masse solution),

(1 ) /w x x


D

A

B

F

C

E


60

Quelques exemples :

x = 50 % ; w = ?

x = 0,60 ; w = ?

1 xwx

A Dw w w

Dans lexemple ci-dessus, w=0.92-0.61=0.31 [kg_H2O.(kg_LiBr)-1]

Do la masse deau cycle [par kg de LiBr circulant]dans le condenseur C et lvaporateur E : A Dw w w Dans lexemple de la figure : w = 1. - 0.64 = 0.36 kg_H2O.(kg_LiBr)-1.

Soit 1g.s-1 de LiBr labsorbeur. Quels sont les dbits massiques 1. labsorbeur A ? 2. lvaporateur E ? 3. au gnrateur D ?

Master 2 OMEBA

31


D

A

B

F

C

E


61

Dans le fonctionnement dune machine absorption, cest le dbit de solution extrait de labsorbeur A

qui est fix.

Attention : dbit de solution (indice sol) dbit de LiBr (indice s).

Dbit deau lvaporateur et :

Dbit de solution extrait du gnrateur :

Master 2 OMEBA

,sol Am , .s sol A Am m x

,sol Am

1 xwxA

D

xx

A

D

ww

A Dw w w , .w E sm m w

, , ,/sol D s D sol A w Em m x m m


Le cycle absorption liquide : bilans de chaleur1. Froid produit (flux de chaleur extrait par lvaporateur)

Master 2 OMEBA

62

Connaissant le dbit deau aux condenseur & vaporateur, , calcul de la puissance frigorifique produite lvaporateur

Rfrigrant : Quel tat initial sortie du condenseur = ?Quel tat final sortie de lvaporateur = ?

Quelle mthode pour le calcul nergtique ??{enthalpie = fonction dtat}, donc deux tapes :

1. Refroidissement de leau liquide de Tc Te (chaleur sensible) :

2. vaporation Te :

. . . ; 0lwce s p e cq m w c T T

( ). . ; 0eTe s evapq m w L Total =

C D

EA

B

F -1/T

LnP

.sm w

; 0E ce eq q q

32


Le cycle absorption liquide : bilans de chaleur2. Chaleur fournie par la source chaude (1)

Master 2 OMEBA

63

Connaissant le dbit de solution sortant de labsorbeur et les points A, D, C, E, calcul de la puissance thermique fournie par la source chaude(reue par la solution entre ? et ?)

1. Phase isostrique -> compositions x et w constantes, pas de changement de phase, dbit de solution constant. La chaleur reue se transforme uniquement en chaleur sensible (augmentation de temprature).

C D

EA

B

F -1/T

LnP

Deux tapes : ? -> ? et ? -> ?,_ _ _/ .(1 )sol s sm m x m w

_ _

1 ( , )_ _

.d .(1 ). .d .(1 ). .( )sol A solABh sol s A p w T s A p B Aq m h m w c T m w c T T



Master 2 OMEBA

64

Connaissant le dbit de solution sortant de labsorbeur et les points A, D, C, E, calcul de la puissance thermique fournie par la source chaude (reue par la solution entre ? et ?)

1.2. Phase isobare -> Augmentation de temprature,

Compositions : x crot, w dcrot, de leau est dsorbe ; le dbit de solution dcrot : chaleur sensible ET chaleur latente (cf. pl 44).

3. -> Addition :

_ _ _2 ( , )_ _ _

2

. .d .d .(1 ). .d .d[ .(1 )]

.(1 ). .( ) . .( )

sol solBD

solBD

h sol p w T sol s p s

h s BD p D B s D B

q m c T H m m w c T H m w

q m w c T T H m w w

Deux tapes : ? -> ? et ? -> ?

C D

EA

B

F -1/T

LnP

.( ) 0D BH w w

1 2H h hq q q EH

qCOP q

33


Le cycle absorption liquide : bilans de chaleur3. Chaleur change par le condenseur (1)

Master 2 OMEBA

65

Connaissant le dbit de solution sortant de labsorbeur et les points A, D, C, E, calcul de la puissance thermique change au condenseur.

Reue ou rejete ?

Quelle(s) transformation(s) entre la dsorption et la sortie du condenseur ?

C D

EA

B

F -1/T

LnP

Cq


Le cycle absorption liquide : bilans de chaleur4. Chaleur rejete la source froide (1)

Master 2 OMEBA

66

Reue ou rejete ?

Quelle(s) transformation(s) ?

C D

EA

B

F -1/T

LnP Connaissant le dbit de solution sortant de labsorbeur et les points A, D, C, E, calcul de la puissance thermique rejete la source froide

Aq

34


Bilan dnergieen rgime stationnaire

Bilan premier principe en tenant compte de lnergie mcanique apporte par le circulateur de solution :

Master 2 OMEBA

67

0E H C A pq q q q w wp (consommation du circulateur de solution)

est nettement plus faible que les diffrents flux de chaleur qj, en particulier quand le rfrigrant est de leau.

/E HCOP q q


68

Quelques exemples de COP

Sources de chaleur 85, 35 et 5C COP cycle simple-effet sans rcupration : 0,67 COP cycle simple-effet avec rcupration : 0,8

Sources de chaleur 60, 25 et 5C COP cycle simple effet avec rcupration : 0,87

Sources de chaleur 100, 30 et 5C COP cycle simple effet avec rcupration : 0,86

35


Schma machine Yazaki

35-100 kWfd -

Master 2 OMEBA

69


Schma machine Yazaki 35-100 kWfd

GE : Gnrateur A : Absorbeur CO : Condenseur E : vaporateur SP : Pompe de solution H : changeur de chaleur

RV : vanne de rfrigrant SV : vanne lectromagntique

Master 2 OMEBA

70

36


Performances dune machine rellePuissance froid de la machine Yazaki WFC-SC (10)en fonction de la temprature dentre eau chaude.

Master 2 OMEBA

71

Expliquer le comportement,

par exemple quand la temprature chaude passe de88 93 C.


Intgration dans un btiment

Froid distribu dans circuit de ventilo-convecteurs

Refroidissement de lunit assur par tour de refroidissement

Apport de chaleur par capteurs solaires

Possibilit de stockages

Master 2 OMEBA

72

37


Fonctionnement nominal (constructeur) et variations.

Master 2 OMEBA

73

30C en entre absorbeur

Tempratures de rfrence :

11, 30 et 90C.

Puissance frigorifique nominale : 30 kW.

90C en entre gnrateur

11C en SORTIE vaporateur


Cycle nominal [11out, 30in, 90inC, 30 kW]

Master 2 OMEBA

74

38


Effet de la temprature vaporateur

Cycle nominal : 11C, 30C, 90C. Puissance de refroidissement en fonction de

temprature sortie changeur vaporateur.

Master 2 OMEBA

75


Reprsentation dans diagramme de Clapeyron

Master 2 OMEBA

76

Effet dune augmentation de la

temprature vaporateursur le dbit deau cycle

et donc sur la puissance de refroidissement

39


Effet de la temprature de source chaude


temprature entre changeur gnrateur.

Master 2 OMEBA

77



Master 2 OMEBA

78


temprature gnrateursur le dbit deau cycle


40


Effet de la temprature des rejets de chaleur


temprature entre changeur absorbeur.

Master 2 OMEBA

79



Master 2 OMEBA

80


temprature vaporateursur le dbit deau cycle


41


Question : Comment compenser

une augmentation de +4C de la temprature extrieure en gardant la mme puissance de refroidissement

1. soit en variant la temprature de lvaporateur (de combien combien ?)

2. soit en variant la temprature du gnrateur(de combien combien ?)

Avec ce que vous savez de lnergtique des btiments, cette compensation sera-t-elle suffisante ?

Master 2 OMEBA

81







SUITE EN JANVIER

ANNEXES

Master 2 OMEBA

82

42


Les deux types de cycle sorption(ab- ou ad-)

Les cycles intermittents

Master 2 OMEBA

83

Les cycles continus


Cycles intermittents (alternatifs)

II

I

Dans un cycle alternatif

Master 2 OMEBA

84

les deux phases ont lieuen alternance et chacuneest subie par toute lamasse de sorbant dansson ensemble

la production de froid nalieu que pendant unephase sur deux.

Condenseur

Evaporateur

Dtendeur

AbsorbeurGnrateur

43


Cycles continus Gnrateur et Absorbeur =deux appareils diffrents

plus circulation du sorbantentre les deux

(besoin dun circulateur et dun dtendeur spcifiques).

Les quatre fonctions(dsorption, condensation, vaporation, absorption)

coexistent en permanence.

Master 2 OMEBA

85

Evaporateur

Condenseur

Gnrateur

Absorbeur

La machine ne peut tre active que quand elle reoit de la chaleur (stockage ncessaire pour fonctionner la nuit).


Avantages, inconvnients


Avantage :le sorbant ne circule pas

(un seul racteur assure dsorption et absorption).

Inconvnient :le racteur qui contient le

sorbant (mtal, fluide caloporteur )doit aussi tre cycl en

tempraturecot thermique : qh

par chaleur sensible dqh=MCpdTet COP .

Master 2 OMEBA

86

Les cycles continus

Avantage :chaque composant reste une

temprature constante.

Inconvnient :il faut faire circuler le sorbant

(cot en nergie mcanique).

44


La notion de temprature seuil


Tout le sorbant doit dpasser le point B (seuil), sinon

pas de froid produit.

Processus accumulatif

Master 2 OMEBA

87

Les cycles continus

La puissance doit toujours tre suffisante pour que la

temprature dpasse TB(seuil).

A

B

F

D


Adsorption versus

absorption

2. Adsorption (solide)

Ladsorption cest ladhsion de molcules dun fluide sur une paroi solide

(forces lectrostatiques).

Ladsorption est exothermique

Adsorption = Dgagement de chaleur (idem condensation) vacuer.Dsorption = Extraction de chaleur (idem vaporation) apporter.

Adsorption = Pas de changement de

volume du solide.

Master 2 OMEBA

88

45


Poudre grains microporeux dune dizaine de m env.agglomrs en grains ou billes de qq mm par un liant : argile macroporeuse (pores > 0,1 m).

Quelques adsorbants : a. les zolites

lorigine : zolithes (pierre qui bout) Naturelles ou synthtiques Alumino-silicates en rseau cristallin Prsence de cages de taille(s) trs bien

dfinie(s) -de 0,3 qq dizaines de nanomtres- relies entre elles

Master 2 OMEBA

89


b. les charbons actifs

Fabriqus partir de bois et coques naturels ou de fibres synthtiques,

Les plans graphitiques dlimitent entre eux un rseau de pores, qui peuvent tre des micropores (< 2 nm ; noix de coco), mais aussi des macropores (> 50 nm).

Poudre de grains microporeux agglomrs en grains ou billes de qq mm par un liant : brou macroporeux.

Master 2 OMEBA

90

46


La taille des pores dpend du procd de fabrication, elle va des micropores aux macropores.

Polymre d'acide silicique Si(OH)4 obtenu partir de silicate de sodium.

c. les gels de silice

Poudre ou grains millimtriques sans liant.

Master 2 OMEBA

91


Systme divariantDiagramme de Clapeyron

Master 2 OMEBA

92

Presque tout ce qui a t dit sur les cycles absorption liquide sapplique aussi aux cycles adsorption.

Ici, w en kg_fluide par kg_solide seul.

47


Cycle 1 : pressurisation - dsorption partir du point A

(fin dad/absorption) :

1/ pressurisation par chauffage isostrique*

A-B

2/ chauffage avec dsorption B-D

(la vapeur dsorbe est condense en C,

leau liquide est transfre en E)

* isostrique = composition x constante.

Master 2 OMEBA

93

C

E

A

DBQh


C

E

A

DB

F

Cycle 2 : dpressurisation - adsorption partir du point D(fin de dsorption)

3/ dpressurisation par refroidissement isostrique* D-F,

4/ refroidissement avec ad/absorption

F-A

(la vapeur ad/absorbe vient

de lvaporateur E).

Master 2 OMEBA

94

Qr

48


Idem absorption liquide :

Les quatre fonctions essentielles. Le chauffage et le refroidissement.

Les bilans de chaleur (chaleur latente + chaleurs sensibles). La notion de temprature seuil.

La possibilit de faire des cycles intermittentsou des cycles continus(1),

Diffrence avec labsorption liquide : un solide ne coule pas, il nest pas facile de raliser des changes de chaleur

contre-courant.

(1) Il nest pas facile de faire circuler des granuls solides (peu rsistants en outre), do la mise en forme de roue, et lutilisation dun gaz porteur (air). Cest alors la pression partielle qui compte. Voir cycles dessiccant.

Master 2 OMEBA

95


Annexes

Quelques autres procds de rfrigration solaireExpressions des nergies mises en jeu

Un peu de bibliographie

Master 2 OMEBA

96

49


jection - 1

La dtente de vapeur motrice (de 300 5 kPa) permet daspirer de la vapeur (de 1 5 kPa).

Lvaporation de vapeur basse pression produit du froid.

Fonctionnement en continu.

Master 2 OMEBA

97

Source : EERE Information Center US DOE (Energy Efficiency & Renewable Energy) www.eere.energy.gov

Gn-rateur

de vapeur

Con-den-seur

vapo-rateur

Systme de distribution du froid


jection - 2 Capteurs cylindro-

paraboliques (140C) : production de vapeur(3 bars).

Quel COP de cycle ?

Quel COP solaire intgr sur la journe ?

Master 2 OMEBA

98

1 : capteur, 2 : jecteur, 3 : vaporateur, 4 : ballonde vapeur, 5 : condenseur, 6 : aro-rfrigrant.

Pollerberg et al., Apllied Thermal Engng (Elsevier), 2009.

50


Thermo-acoustique

Un gradient de temprature dans un stackgnre une onde acoustique (nergie mcanique gnre par source chaude solaire) ;

Une onde acoustique dans un stack gnre un gradient de temprature :

pompage de chaleur = rfrigration.

Rendement ?

Master 2 OMEBA

99

Thermo-lectrique, ou encore dautres ?

Wheatley, Swift, & al.: Beer cooler


D

A

B

F

C

E


100

Le LiBr seulne saccumule nulle part.

Consquence :

Dans lexemple ci-dessus, w=0.92-0.61=0.31 [kg_H2O.(kg_LiBr)-1]

Master 2 OMEBA

Le dbit de LiBr traversant est le mme en chaque point du cycle

ABDF. P.ex. dbit LiBr en A = dbit LiBr en D.

Cest la masse de LiBr(seul) qui est prise comme rfrence :Les quantits deau sont rapportes la masse unitaire de LiBr, do la dfinition de la concentration via la Masse deau par unit de masse de sel (LiBr), note w [en kg_H2O par kg_LiBr] :

Avec x = Concentration en LiBr (masse LiBr / masse solution),

1 xwx

51


D

A

B

F

C

E


101

Calcul de la masse deau cycle [par kg de LiBr circulant] dans le condenseur C et lvaporateur E :

Dans le fonctionnement dune machine absorption, cest le dbit de solution extrait de labsorbeur A qui est fix.

Attention : dbit de solution (indice sol) dbit de LiBr (indice s).

Dbit deau lvaporateur et :

Dbit de solution extrait du gnrateur :

Master 2 OMEBA

,sol Am , .s sol A Am m x ,sol Am

1 xwxA

D

xx

A

D

ww

A Dw w w , .w E sm m w

, , ,/sol D s D sol A w Em m x m m

A Dw w w


Le cycle absorption liquide : bilans de chaleur1. Froid produit (flux de chaleur extrait par lvaporateur)

Master 2 OMEBA

102

Dbit deau aux condenseur & vaporateur :calcul de la puissance frigorifique produite lvaporateur

Utilisant lenthalpie et sa proprit de fonction dtat.Dcomposition en deux tapes :1. Refroidissement de leau liquide

de Tc Te (chaleur sensible) : 2. vaporation Te :

. . . ; 0lwce s p e cq m w c T T ( ). . ; 0eTe s evapq m w L

Total =

C D

EA

B

F -1/T

LnP.sm w

; 0E ce eq q q

52



Master 2 OMEBA

103

Calcul de la puissance thermique fournie par la source chaude

Phase isostrique AB : compositions x et wconstantes, pas de changement de phase, dbit de solution constant. La chaleur reue se transforme en chaleur sensible.

C D

EA

B

F -1/T

LnP

_ _

1 ( , )_ _

.d .(1 ). .d .(1 ). .( )sol A solABh sol s A p w T s A p B Aq m h m w c T m w c T T

Phase isobare BD : Augmentation de temprature. Pour les compositions : x crot, w dcrot, de leau est dsorbe ; le dbit de solution dcrot : chaleur sensible ET chaleur latente (cf. pl 44).

-> Bilan global :

_ _ _2 ( , )_ _ _

2

. .d .d .(1 ). .d .d[ .(1 )]

.(1 ). .( ) . .( )

sol solBD

solBD

h sol p w T sol s p s

h s BD p D B s D B

q m c T H m m w c T H m w

q m w c T T H m w w

.( ) 0D BH w w

1 2H h hq q q



Master 2 OMEBA

104

Connaissant le dbit de solution sortant de labsorbeur et les points A, D, C, E, calcul de la puissance thermique change au condenseur.

Reue ou rejete ?

Lorsque la temprature de la solution passe de Tdes Tdes+dTdes (TB

53



Master 2 OMEBA

105

Connaissant le dbit de solution sortant de labsorbeur et les points A, D, C, E, calcul de la

puissance thermique change au condenseur.Dsurchauffe de la vapeur depuis sa

temprature de dsorption, Tdes, jusqu Tc, puis condensation Tc .

Intgration sur toute la dsorption, de TB TD : Masse de vapeur cycle (avec notation Pl. 60) :

Chaleur change au condenseur :

C D

EA

B

F -1/T

LnP

. . + .d

. . . .d . . d

D

vap

B

D D

vap

B B

T

C s p c des cond desPT

T T

C s p c des des s cond desP PT T

wq m c T T H TT

w wq m c T T T m H TT T

d .D

B

T

vap vap sT

m m m w d

D

B

T

C CT

q q



Master 2 OMEBA

106

Connaissant le dbit de solution sortant de labsorbeur et les points A, D, C, E, calcul de la

puissance thermique change au condenseur.Dsurchauffe de la vapeur depuis sa temprature de dsorption, Tdes, jusqu Tc, puis condensation Tc .

C D

EA

B

F -1/T

LnP

( )

( )

. . . .d . . d

. . .( ) .[ ].( )

. . .

D D

vap

B B

vap

vap

T T

C s p c des des s cond desP PT T

C s p c des s Tc

C s p des c Tc

w wq m c T T T m H TT T

q m c T T w m L w

q m w c T T L

. .( )vap s s A Dm m w m w w

54



Master 2 OMEBA

107

1. Phase isostrique DF -> compositions x et w constantes, pas de changement de phase, dbit de solution constant.

_

1_

.d .(1 ). .d .(1 ). .( )sol solDF

F

a sol s D p s D p F DD

q m h m w c T m w c T T

C D

EA

B

F -1/T

LnP Connaissant le dbit de solution sortant de labsorbeur et les points A, D, C, E, calcul de la puissance thermique rejete la source froide

Deux tapes : D -> F et F -> A



Master 2 OMEBA

108

2. Phase isobare : idem dsorption sauf que la vapeur venant de lvaporateur doit tre chauffe.

2

2

2

.(1 ). .d .d[ .(1 )] . . . .d

.(1 ). .( ) . .( ) . . .( )

.(1 ). .( ) .( ).[

solFA vap

solFA vap

solFA

A A A

a s p s p e sPF F F

a s FA p A F s A F p abs e s A F

a s FA p A F s A F

wq m w c T H m w c T T m TT

q m w c T T H m w w c T T m w w

q m w c T T m w w

. . ]vapp abs eH c T T

C D

EA

B

F -1/T

LnP

1 2A a aq q q

( , )

2

. .d .d

. .dsol

vap

A sol p w T sola

p e solF

m c T H mq

c T T m

55


Fragments bibliographiques

Exell, www.appropedia.org (?) [cite de nombreux articles H2O+NH3].

Swartman, Ha et Newton, ASME, 1973.Oniga, ? , 1937.Chinnappa, Solar Energy, 1962.Trombe & Foex, New Courses of Energy,

1964.Swartman & Swaminathan, Mechanical

Engineering, 1971.Farber, ISES Conf. Melbourne Australia,

1970.Worse-Schmidt, Int. J. Refrig., 1979.Worse-Schmidt, Int. J. Ambient

Energy, 1983.Guilleminot & Meunier, Rev. Gn.

Thermique, 1981.

Master 2 OMEBA

109

Guilleminot , Meunier & al., JITH Conf. Monastir, 1983.

Pons & al., J. Solar Energy Engng ASME,1986, 1987.

Grenier & al., J. Solar Energy Eng. ASME, 1988.

Boubakri & al., Renewable Energy, 1992a,b.

Lemmini & al., Int. J. Refrig., 1992a,b.Crozat, Balat & al., INTERSOL 1985.Kodama & al., Int. J. Energy Res.,

2000a,b. Adsorption 2005.Bourdoukan & al., Solar Energy 2009,

2010.Lucas & al., Eurosun Conf., 2008.Pollerberg et al., Applied Thermal

Engng, 2009.


Fragments bibliographiques - 2

Wang R.Z. et al., Appl. Therm. Engng., 2004, 2006.

Erhard et al., Int. J. Refrig. 1998.Helm, Schweigler et al., Int. J. Refrig.

2009.

Master 2 OMEBA

110

Le Pierrs & al., Int. J. Refrig. 2007, Energy 2007, Chem. Engng Proc. 2008.

Et aussi : www.limsi.fr/Individu/mpons/pubsol.htm

Cours_Froid_Solaire_MPons_EnteteCours_Froid_Solaire_MPons_M2UPMC_2012_Part_1b

Documents

Cours Froid Solaire MPons Part 1 2