Froid Solaire & Trigénération [PDF]

Zitiervorschau

Ingénieur en GENIE ENERGETIQUE

Partie I « FROID SOLAIRE » Nizar BEN EZZINE / [email protected]

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Chaine énergétique

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LES CINQ FAMILLES ÉNERGIES RENOUVELABLES

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Climatisation Solaire Chauffage Solaire

- Techniques et technologies des capteurs

Froid Solaire

Machines Frigorifiques

solaires -- Chauffage d’air -- Chauffage d’eau

-- Alimentation des batteries chaudes CTA

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? Rentabilité et Adéquation: BESOIN/SOURCE

Besoin en chauffage: Couverture solaire

Besoin en froid

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► Variation du besoin frigorifique et de ressource solaire au cours d’une journée 10

► Comparaison entre besoin en froid, besoin en chauffage et disponibilité de ressource solaire tout au long d’une l’année. 11

Froid Solaire Techniques des Machines Frigorifiques actionnées à l’énergie Solaire

I- Les machines frigorifiques à compression de vapeur II- Les machines frigorifiques à absorption III- Les machines frigorifiques à adsorption

IV- Les machines frigorifiques à dessication 12

I- Machines frigorifiques à compression de vapeur : Principe général Le principe de base d’une machine frigorifique consiste à extraire de la chaleur d’un milieu à refroidir (air ou eau), et à la transférer vers un milieu extérieur (eau ou air extérieur). Ce transfert d'énergie est réalisé par l'intermédiaire d'un fluide frigorigène soumis en continu à un cycle thermodynamique de succession de changements d'états liquide/vapeur. Le cycle frigorifique est alors constitué par les quatre transformations de base : ► Détente: le fluide à l’état liquide subit une chute brusque de pression et par suite une chute de température jusqu’à la température de saturation correspondante ; ► Evaporation: en passant dans un échangeur situé au contact du milieu à refroidir (plus chaud à refroidir), le fluide capte les calories nécessaire à son évaporation (sous forme de chaleur latente). ► Compression: En refoulant la vapeur aspiré dans le condenseur la pression et la température du fluide frigorigène sous forme gazeuse s'élèvent ; ► Condensation: en passant dans un échangeur situé au contact du milieu extérieur (plus froid), le fluide frigorigène se transforme à l'état liquide en rejetant les calories dans le milieu extérieur de refroidissement ; 13

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II- Machines frigorifiques à absorption : 1- Principe général Le principe de base consiste à remplacer le compresseur mécanique de vapeur (aspiration+refoulementW) par un compresseur thermique consommant la chaleur de: Combustion, Solaire, géothermie, etc..

Chaleur

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Fig. Machines frigorifiques à absorption à simple effet 17

2- Principe de l’absorption En partant de l’évaporateur jusqu'au condenseur, la machine à absorption fonctionne avec le même principe que pour un système frigorifique à compression de vapeur classique : A l’évaporateur, le liquide est évaporé en récupérant de la chaleur d’un circuit à basse température. La vapeur est ensuite compressée pour atteindre un niveau de pression supérieur et se condense à haute température dans le condenseur. Dans le cas d’une machine à absorption, la compression de la vapeur n’est pas effectuée par un compresseur mécanique, mais grâce au couplage de deux composants : l’absorbeur et le générateur. Ainsi, la compression du réfrigérant est effectuée en utilisant une solution liquide réfrigérant/absorbant et une source de chaleur qui remplace la consommation électrique d’un compresseur électrique. 18

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3- Lepasse cycle absorption Le cycle à absorption parthermodynamique les transformationsà thermodynamiques suivantes : - Evaporation du réfrigérant dans l’évaporateur, ce qui a pour effet d’extraire la chaleur d’une source de chaleur à faible température. Cette étape est à l’origine du rafraîchissement utile et désiré du bâtiment. - Le réfrigérant est ensuite dirigé vers l’absorbeur dans lequel il est absorbé par une solution concentrée d’absorbant. La chaleur latente d’absorption ainsi que le chaleur de mélange doivent être rejetés. Pour cela, une tour de refroidissement est habituellement utilisée. -La solution diluée est ensuite pompée vers le générateur dans lequel l’énergie solaire est utilisée pour chauffer la solution au dessus de son point d’ébullition. Ainsi, le réfrigérant et l’absorbant concentré sont séparés. Le réfrigérant sous forme vapeur et sous haute pression est envoyé vers le condenseur, et l’absorbant concentré est renvoyé vers l’absorbeur. - Le réfrigérant se condense alors, et l’énergie libérée par ce changement de phase doit être évacuée. Pour cela, une tour de refroidissement est habituellement utilisée, de même que pour l’absorbeur. - La pression du réfrigérant est ensuite brutalement réduite en passant à travers une vanne de détente avant de retourner dans l’évaporateur. 21

4- Principe de fonctionnement

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5- Synthèse Compresseur mécanique → Absorbeur + Générateur (Désorbeur = Bouilleur ) Compression : procédé thermochimique (dépense d’une quantité de chaleur)

Le principe de fonctionnement repose sur la propriété de certains solvants d’absorber de très grandes quantités d’une vapeur appropriée et de dégager cette vapeur lorsque l’on chauffe la solution riche ainsi formée. Utilisation d’un mélange binaire: fluide frigorifique + absorbant - eau + bromure de lithium - ammoniac + eau Absorbeur : absorption de la vapeur frigorigène à BP par refroidissement. (Absorption = Aspiration). Générateur : Dégagement de la vapeur frigorigène à HP par chauffage et ébullition. (Désorption = Refoulement) Avantages : respect de l’environnement silence de fonctionnement (pompes de solution). 23

III- Mélanges Refrigérant/Absorbant : 1- Définition

Le principe de fonctionnement des machines frigorifiques à absorption liquide repose principalement sur la faculté de certains liquides d'absorber (réaction exothermique) et de désorber (réaction endothermique) une vapeur. Le fluide de travail de ces machines est alors un mélange binaire (ou ternaire ou quaternaire) dont l'un des composants est beaucoup plus volatil que l'autre (ou les autres) et constitue le fluide frigorigène. Deux couples sont principalement utilisés : • Eau/Bromure de Lithium (H2O/LiBr), frigorigène, • Ammoniac/Eau (NH3/H2O), frigorigène.

l'eau étant le fluide

l'ammoniac étant le fluide 24

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2- Propriétés thermodynamique du mélange H2O/LiBr

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3- Propriétés thermodynamique du mélange NH3/H2O

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IV- Machine à absorption à simple effet opérant avec le mélange H2O/LiBr 1- Principe

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2- Traçage du cycle thermodynamique

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3- Simulation du fonctionnement de la machine a- Bilan de matière

Bilan de matière totale

Bilans de matière partiels

b- Bilan d’énergie : 1er Principe de la thermodynamique

c- Efficacités des échangeurs de chaleur (ou Pincement thermique)

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d- Etude de l’évaporateur

e- Etude du Condenseur

e- Etude du générateur (Désorbeur)

f- Etude de l’absorbeur

f- Etude de l’échangeur de solution

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V- TRAVAUX DIRIGES: Etude et amélioration d’une installation de climatisatio solaire simple opérant avec le mélange H2O/LiBr L’objectif de ce problème est l’étude ainsi que l’optimisation énergétique de fonctionnement de la machine de climatisation solaire à absorption suivante:

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1- Simulation du fonctionnement du cycle de base

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a- Données de simulation

b- Calcul des températures de condensation et d’absorption c- Calcul des deux niveaux de pression BP et HP

d- Calcul des concentrations de la solution riche et de la solution pauvre

e- Calcul des débits des fluides en circulation f- Calcul des puissances mises en jeux: Absorbeur – Désorbeur – Condenseur – Evaporateur.

g- Calculer le Coefficient de performance de la machine h- Tracer la variation du COP en fonction de la température motrice Tmax 39

2- Effet de l’ajout d’un échangeur de solution

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3- Optimisation de la température maximale des capteurs  Choix du type de capteur

4- Optimisation de la configuration de refroidissement du condenseur et de l’absorbeur

5- Dimensionnement de l’installation solaire de couplage

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