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Introduction :
Il ne saurait être question dans ce travail de se pencher
sur toutes les applications actuelles du froid artificiel, car elles se
chiffrent par centaines.
De nombreux ouvrages ont déjà étaient
écrit sur ces sujets et des revues techniques spécialisées
publient régulièrement des articles consacrés a de
nouvelles applications.
Aussi pensons-nous qu'il est intéressant de voir
comment une industrie, née il ya plus d'un siècle, avec un but
unique, a pu à ce jour devenir l'auxiliaire de tant d'industries ou de
commerces et a transforme la vie sociale de millions d'individus, à tel
point que l'on peut parler au sens propre de `conquêtes' du froid.
I.1. Bref rappel historique :
Depuis sa lointaine origine, l'histoire des machines à
absorption à connu de nombreuses péripéties, preuve en est
un article de MAIURI daté de 1935 et titré
« la renaissance de la machine frigorifique à
absorption pour la production industrielle du froid »
[01].
Bien que leur importance soit beaucoup plus réduite que
celle des systèmes à compression, ces machines connaissent des
développements importants (recherche sur l'utilisation du rayonnement
solaire et sur les économies d'énergie).
Sur les divers procédés de production de froid,
le système envisagé dans cette étude est le système
à absorption, il utilise le couple ammoniac-eau et la pompe
mécanique qui est remplacée par un thermo-émulseur. Dans
le fonctionnement d'une machine à absorption-diffusion, on utilise un
gaz de soutien qui équilibre les pressions entre le condenseur et
l'évaporateur tout en permettant l'évaporation du
réfrigérant et donc la production de froid.
La machine frigorifique à absorption-diffusion
inventée par Von Platen et all (1928) [02] utilise
trois fluides de fonctionnement : l'ammoniac (réfrigérant), l'eau
(absorbant), et l'hydrogène comme un gaz inerte.
Puisqu'il n'y a aucune pièce mobile dans
l'unité, le système à absorption-diffusion est silencieux
et fiable il est donc souvent employé dans des chambres, des bureaux, et
dans les zones arides et isolées.
Ces machines fonctionnent avec deux niveaux de pression : la
haute pression dans le générateur et le condenseur et la basse
pression dans l'évaporateur et l'absorbeur.
Le transvasement de la solution riche de l'absorbeur vers le
générateur nécessite une pompe de circulation. Pour des
installations de petites tailles, il peut être intéressant de
s'affranchir de cette pompe.
Pour cela, on utilise un séparateur de H2O [03]
; il permet de renforcer la fiabilité de ces systèmes
(absence de pièces tournantes) tout en conservant leur souplesse de
fonctionnement. Ce type de séparateur est utilisé dans les
machines à diffusion dont le fonctionnement repose sur le fait que la
pression totale est la même dans tout l'appareil, la différence
entre les pressions partielles étant compensée par l'introduction
d'un gaz inerte. Cette différence de pression assure la circulation
entre l'évaporateur et l'absorbeur. Le fluide réfrigérant
sous forme de vapeur diffuse dans le gaz inerte et circule de
l'évaporateur vers l'absorbeur. Les gaz lourds descendent vers
l'absorbeur où le soluté est absorbé ; le gaz inerte
remonte alors vers l'évaporateur en passant par un échangeur. La
présence de ce gaz inerte implique, lors de l'absorption et
l'évaporation, une résistance en phase gazeuse : la diffusion
dans le gaz inerte constitue la résistance principale au transfert de
matière.
Au fil des années, un certain nombre de chercheurs ont
étudié et décrit la performance de divers cycles à
absorption-diffusion, graphiquement, expérimentalement et
numériquement.
Reistad [04], a proposé une
méthode graphique pour le calcul des concentrations, les
capacités thermiques et les températures du cycle, appliquant le
diagramme enthalpie-concentration.
Chen et all [05], ont conçu un nouveau
générateur incluant un échangeur qui réutilise la
chaleur perdue pour la rectification du cycle. La nouvelle configuration du
cycle a démontré une amélioration significative du COP (5
%) comparée à la configuration originale de
générateur.
S.A Akam et all [06], ont effectué une
étude expérimentale d'une boucle frigorifique à
absorption-diffusion. Les résultats expérimentaux sont obtenus
à l'aide d'un banc d'essai pour deux modes de chauffage :
l'énergie électrique et le gaz butane. Ils ont conclu que dans
les deux modes de chauffage, le fonctionnement de la machine ne pose aucun
problème et les valeurs du COP sont plus élevées dans le
cas du chauffage électrique que dans celui du chauffage par gaz
butane.
Une autre étude du cycle à absorption-diffusion,
utilisant l'hélium comme un gaz inerte, a été
présentée par Srikhirinet et all [07] ; les
bilans de masse et de l'énergie ont été appliqués
pour chaque élément du cycle, le COP variant dans la plage 0.09 -
0.15.
Maiya [08] a présenté une
simulation du cycle à absorption-diffusion NH3-H2O-H2, qui a
montré que l'utilisation de l'hélium est plus importante que
celle de l'hydrogène bien qu'elle exige une
taille plus élevée de propulsion en raison de sa
plus grande viscosité. Cette étude a prouvé qu'une
pression de fonctionnement plus élevée provoque une diminution du
COP.
Zohar et all [09], ont
développé un modèle thermodynamique pour la simulation
d'un cycle frigorifique à absorption-diffusion NH3-H2O-H2 et ont obtenu
des résultats numériques utilisant le logiciel EES (Engineering
Equation Solver).
Cette étude montre que le meilleur COP a
été obtenu pour une concentration de la solution riche variant
entre 0.25 et 0.3, pour des températures de générateur
variant de 195 à 205 °C, les valeurs recommandées pour les
concentrations des solutions riche et pauvre sont respectivement 0.3 et 0.1.
L'hélium s'est avéré préférable à
l'hydrogène comme un gaz inerte pour le cycle. Le COP d'un
système fonctionnant avec l'hélium est plus élevé
(jusqu'à 40 %) que le même système fonctionnant avec
l'hydrogène.
Sur la base d'un modèle thermodynamique d'une machine
à absorption-diffusion NH3-
H2O-H2, Zohar et all [09], ont effectué
deux configurations avec et sans sous-
refroidissement du condensât avant l'entrée de
l'évaporateur. Les performances des deux configurations ont
été étudiées et comparées. Cette
étude montre que le COP du cycle sans sous-refroidissement de
condensât supérieure de (14-20 %) en comparaison avec le cycle
avec le sous-refroidissement de condensât, et que les meilleures
performances seront obtenues lorsque la fraction massique de l'ammoniac de la
solution riche varie dans la gamme (0.25-0.4).
MAKHLOUF M. et all [10], ont
présenté une comparaison entre le modèle choisi par
Zohar
et all. [09], pour le calcul des
propriétés thermodynamiques du couple binaire NH3-H2O
(modèle de B. Ziegler et all. [11]) et le modèle
choisi pour l'étude. Cette étude, a permis une nette
amélioration du COP du cycle à absorption-diffusion. Le gain
obtenu entre cette étude et Zohar et al est de 0.01038 (COP en fonction
de la concentration de la solution riche et de la température de
générateur), est de 0.00602 (COP en fonction de la
température du générateur et la concentration de la
solution pauvre).
Zohar et all [12], ont fait une autre
étude sur la machine à absorption diffusion (DAR) qui utilise
comme fluide circulant à l'intérieur, une solution binaire d'ou
le réfrigérant, l'absorbant et le gaz inerte.
La machine réfrigérante commerciale opère
généralement avec la solution ammoniacale (eau-ammoniac) et comme
gaz inerte l'hydrogène ou l'hélium. L'étude
numérique porte sur la performance du système simplifie de la DAR
qui fonctionne avec un absorbant organique (DMACdimethylacetamide) et cinq
autres réfrigérant différent ainsi que l'hélium
comme gaz inerte.
L'étude avait pour but de faire diminuer la
température du générateur et la pression du système
et cela en utilisant des réfrigérants non-toxiques et qui sont
les : chlorodifluoromethane (R22), difluoromethane (R32),
2-chloro-1,1,1,2-tetrafluoroethane (R124), pentafluoroethane (R125) et
1,1,1,2-
tetrafluoroethane (R134a). Les résultats ont
été compares avec les performances d'un même système
fonctionnant avec de l'ammoniac-eau-hélium. Les systèmes ont eu
le même comportement, le coefficient de performance (COP) et la
concentration de la solution riche et pauvre sont en fonction de la
température du générateur. La température typique
trouvée pour les générateurs avec de nouvelles substances
est de 150°C, avec un faible COP. Une grande température
de l'évaporateur et une basse température de condensation de
40°C dominent le système.
Ainsi, la littérature montre qu'un code informatique
flexible de simulation sera un outil de conception puissant de recherche.
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