Les technologies classiques de production de froid par adsorption restent peu compactes, et leur embarquement demeure problématique pour les applications mobiles.
Ce projet a permis de travailler sur les couplages possibles entre une pile à combustible et une machine à adsorption. L'utilisation du couple Eau/Zéolite est retenue car, d'après la modélisation et les conditions de fonctionnement de la pile PEMFC HT, elle permet d'obtenir les meilleures performances à encombrement identique.
Ce prototype a permis d'acquérir de l'expérience, en particulier sur la conception de l'adsorbeur et sur le comportement des échangeurs compacts à faibles niveaux de pression. Nous déplorons un adsorbeur inopérant mettant en cause le système de diffusion du gaz, qui a toutefois pu être corrigé en cours de fabrication sur le deuxième adsorbeur. Outre la géométrie de l'adsorbeur, la diffusion du gaz est un paramètre crucial, mais sa mise en œuvre s'est révélée très délicate. Cette défaillance impose un fonctionnement en cycle discontinu avec un seul adsorbeur, ce qui réduit le temps de demi-cycle car l'évaporateur n'est plus suffisamment alimenté en eau. Le COP s'en trouve dégradé car le cyclage en température des adsorbeurs représente un gaspillage énergétique plus important.
Malgré cet imprévu, nos essais expérimentaux confirment la faisabilité d'utiliser un évaporateur à plaques pour les machines à adsorption. Nous avons observé que le circuitage en co-courant présentait des puissances nettement supérieures à celles du circuitage en contre courant. L'ébullition dépendante de la surchauffe à la paroi serait obtenue sur une surface de liquide plus grande avec cette configuration. La hauteur de remplissage ne semble quant à elle pas avoir d'impact significatif. Seul un tiers de l'évaporateur semble participer à l'échange thermique.
Conclusion et perspectives
96 D'après nos calculs, le coefficient d'échange global de l'évaporateur est faible et dégrade les performances de l'adsorbeur (sous dépression importante). Néanmoins, en comparaison à la simulation utilisant un évaporateur à ruissèlement, la puissance frigorifique ramenée au volume occupé est de 125 W/dm3, alors que notre évaporateur développe 213 W/dm3. Nous supposons que cette densité de puissance et que le coefficient d'échange global pourraient être améliorés avec un échangeur développé spécialement avec des plaques plus nombreuses, mais d'une hauteur deux fois moindre.
Initialement, la simulation prévoyait d'obtenir une puissance frigorifique de 4 kW, un COP de 0.55 pour un temps de demi-cycle de 4400 secondes (Tsf, Tsc et Trejet respectivement de 25°C, 240°C et 45°C) et un encombrement estimé à 0.18m3 (hors connexions). En réalité, pour des températures identiques (hormis Tsc limitée à 190°C), nous obtenons une puissance frigorifique comprise entre 2 et 2.5 kW, un COP de 0.3 pour un temps de demi-cycle de 1500 secondes, et un encombrement de 0.20 m3 (hors connexions et pour un seul adsorbeur). Une réparation de l'adsorbeur défaillant permettrait d'améliorer le COP de la machine, et une conception sur mesure de l'évaporateur pourrait améliorer la production de froid ainsi que la puissance spécifique des adsorbeurs.
La compacité des échangeurs à plaques est un atout important pour les applications mobiles, et se positionne comme une solution d'avenir. Des travaux de recherches supplémentaires pourraient être entrepris, portant par exemple sur des plaques transparentes et une caméra ultra rapide, afin de mieux appréhender les mécanismes de transferts thermiques et les régimes d'écoulement de l'eau à faible pression.
97
ANNEXES
A1 :
Résultats de simulation de pré-dimensionnementTemps préchauffage/pré refroidissement isostérique = 2.6 min. Temps de désorption/adsorption = 70 min.
Profils des températures au réseau primaire
ANNEXES
98
A1 :
Résultats de simulation de pré-dimensionnementProfils des températures aux réseaux secondaires
Profils des débits de désorption et d’adsorption
99
ANNEXES
100
101
ANNEXES
102
103
ANNEXES
104
105
ANNEXES
106
107
BIBLIOGRAPHIE
108
BIBLIOGRAPHIE
ANR PAN-H [En ligne]. - 2006. - http://www.agence-nationale-recherche.fr.
BEN Amar Modélisation de pompes à chaleur à propagation de front de température [Livre]. -
Université de Compiègne : Thèse, 1993.
Castaing-Lasvignottes J. Aspects thermodynamiques et technico-économique des systèmes à
absorption liquide [Revue] // Cours IFFI CNAM. - 2001.
Clausse M. [et al.] Comparaison of adsorption systems using natural gas fired fuel cell as heat
source, for residential conditioning [Revue] // International journal of refrigeration. - 2009. - Vol. 32. - pp. 712-719.
Clausse M., Alam K.C.A et Meunier F. Residential air conditioning and heating by means of
enhanced solar collectors coupled to an adsorption system [Revue] // Solar Energy. - 2008. - Vol. 82. - pp. 885-892.
Clausse M., Leprieur J. et Meunier F Experimental test of plate evaporator for sorption
refrigeration systems [Conférence]. - [s.l.] : International heat and mass transfer, 2011.
Cristoph R.E, Metcalf S. et Tamainot-Telto Z. Compact plate adsorbers for car air conditioning
applications [Revue] // School of Engineering, University of Warwick. - 2008.
Demir H., Mobedi M. et Ulkü S. A review on adsorption heat pump : problems and solutions
[Revue] // Renewable and sustainable energy reviews. - 2008. - pp. 2381-2403.
Leclerc J. Techniques du vide. Introduction [Livre]. - [s.l.] : Techniques de l'ingénieur. - Vol. BM 4
000.
Magnetto D TOPMACS [Rapport]. - 2005.
Makni Fatma Développement d'un outil de simulation 2D-3D pour l'amélioration de la
conception des adsorbeurs dédiés aux systèmes de climatisation [Livre] / éd. Curie CNAM & Université Pierre et Marie. - [s.l.] : Thèse de doctorat, 2012.
109
McGILLIS Wade R [et al.] Pool boiling enhancement techniques for water at low pressure
[Conférence] // EEE / CHMT SEMITHERM SYMPOSIUM. - Phoenix : [s.n.], 1990.
Meunier Francis Solid sorption heat powered cycles for cooling and heat pumping applications
[Revue] // Applied Thermal Engineering. - 1998. - Vol. 18. - pp. 715-729.
MEUNIER Francis, DOUSS Nejib et SUN Lian-Ming Predictive model and experimental results for
a two adsorber solid adsorption heat pump [Revue]. - [s.l.] : Ind.ENg.Chem.Res, 1988. - 2 : Vol. 27.
Projet GAPPAC GAPPAC [Livre]. - 2009.
Qu T.F, Wang W. et Wang R.Z Study of the effects of mass and heat recovery on the
performances of actived carbon/ammonia adsorption refrigeration cycles [Revue] // Journal of solar energy engineering. - 2002. - Vol. 124. - pp. 283-290.
Srikhirin P., Aphornratana S. et Chungpaibulpatana S. A review of absorption refrigeration
technologies [Revue] // Renewable and sustainable energy reviews. - 2001. - Vol. 5. - pp. 343- 372.
Tamainot-Telto Z. Waste heat to power car air conditioning [Conférence] // SIRAC Meeting. -
2009.
Verde M. [et al.] Modelling of an adsorption system driven by engine waste heat for truck cabin
A/C. Performance estimation for a standard driving cycle [Revue] // Applied Thermal Engineering. - 2010. - Vol. 30. - pp. 1511-1522.
Wang D.C [et al.] A review on adsorption refrigeration technology and adsorption deterioration
in physical adsorption systems [Revue] // Renewable and sustainable energy reviews. - 2010. - Vol. 14. - pp. 344-353.
Wang L.W, Wang R.Z et Oliveira R.G A review on adsorption working pairs for refrigeration
[Revue] // Renewable and sustainable energy reviews. - 2009. - Vol. 13. - pp. 518-534.
Zhang L.Z et Wang L. Performance estimation of an adsorption cooling system for automobile
waste heat recovery [Revue] // Applied Thermal Engineering. - 1997. - 12 : Vol. 17. - pp. 1127- 1139.
LISTE FIGURES
110
LISTE FIGURES
Figure 1.1 : Schéma d’une machine tritherme ... 13
Figure 1.2 : Schéma d’une machine à absorption à simple effet ... 14
Figure 1.3 : Représentation d’un cycle simple effet sur le diagramme d’Oldham ... 16
Figure 1.4 : Schéma d’une machine à absorption à double effet ... 16
Figure 1.5 : Représentation d’un cycle double effet sur le diagramme d’Oldham ... 17
Figure 1.6 : Schéma et cycle d’une machine à adsorption en cycle continu ... 19
Figure 1.7 : Cycle d’une machine à adsorption avec récupération de chaleur ... 22
Figure 1.8 : Cycle d’une machine à adsorption avec propagation de front de chaleur ... 22
Figure 1.9 : Schéma et cycle d’une machine à adsorption avec récupération de masse ... 23
Figure 1.10 : Prototype CRN Zéolite amélioré /Eau. (Magnetto, 2005) ... 29
Figure 1.11 : Prototype ECN Eau/Gel de silice. (Magnetto, 2005) ... 29
Figure 1.12 : Schéma de principe de l’adsorbeur à plaques. (Cristoph, et al., 2008) ... 30
Figure 1.13 : Prototype UW NH3/Charbon actif consolidé. (Tamainot-Telto, 2009) ... 30
Figure 1.14 : Comparatif de densité de puissance entre les systèmes commercialisés de faibles puissances et les prototypes TOPMACS. (Magnetto, 2005) ... 31
Figure 2.1: Principe de fonctionnement global GAPPAC® ... 33
Figure 2.2 : Principe de fonctionnement d’une pile à combustible ... 34
Figure 2.3 : Conditions opératoires de simulation pour la comparaison des trois couples ... 37
Figure 2.4 : Simulation puissances frigorifiques en fonction du couple et du temps de cycle ... 38
Figure 2.5 : Influence du caloporteur sur la puissance frigorifique et les COP. (G) ... 40
Figure 2.6 : Influence du caloporteur sur la condensation et la fin de désorption. (D)... 40
Figure 2.7: Configuration avec eau glycolée au condenseur et huile thermique à l’adsorbeur ... 41
Figure 2.8: Documentation de l’échangeur M37Q, constructeur MORGANA ... 43
Figure 2.9 : Représentation en coupe d’un adsorbeur ... 44
Figure 2.10 : Représentation en coupe des matériaux extérieurs à l’adsorbeur ... 45
Figure 2.11 : Influence de la hauteur de liquide sur la température de saturation dans l’évaporateur. ... 48
Figure 2.12: Influence de la hauteur d’eau sur l’ébullition en vase fermé (McGILLIS, et al., 1990) 49 Figure 2.13 : Variation, par rapport à la valeur standard atmosphérique, de la masse volumique liquide et vapeur de l’eau à différentes pressions de saturation ... 51
111
Figure 2.14 Caractéristiques de la vanne de laminage « détendeur » ... 54
Figure 2.15 : Courbes de couplages du réseau secondaire des adsorbeurs ... 56
Figure 2.16 : Courbes de couplages du réseau secondaire évaporateur ... 57
Figure 3.1 : Etape n°1 de l’adsorbeur, pose du tamis inox et des omégas de soutien ... 59
Figure 3.2 : Etape n°2 de l’adsorbeur, remplissage en zéolite et fermeture du tamis ... 59
Figure 3.3 : Etape n°3 de l’adsorbeur, réalisation du caisson et pose de l'adsorbeur ... 60
Figure 3.4 : Ajout d'un oméga central pour l'adsorbeur n°1 ... 60
Figure 3.5 : Plans d’implantation des thermocouples dans l'adsorbeur n°1 ... 61
Figure 3.6 : Finalisation des adsorbeurs et de leurs liaisons fluidiques primaires ... 62
Figure 3.7 : l’évaporateur et son réseau primaire ... 63
Figure 3.8 : Le prototype final ... 65
Figure 3.9 : Principe d'acquisition des mesures ... 66
Figure 3.10 : Synoptique des mesures sous Labview ... 66
Figure 3.11 : Courbes de la pompe à vide ACP28G ... 68
Figure 3.12 : Test de tenue au vide de l’adsorbeur n°2 ... 69
Figure 3.13 : Schéma fluidique pour le transfert en fluide frigorigène ... 71
Figure 4.1 : Enregistrement adsorbeur n°1 en cycle découpé au régime 25/35°C à 1/3 de remplissage en liquide à contre courant. ... 75
Figure 4.2 : Enregistrement Q adsorbeur n°1 en cycle découpé au régime 25/35°C, 1/3 de remplissage en liquide et à contre courant. ... 76
Figure 4.3 : Enregistrement Qo et Qk en cycle découpé au régime 25/35°C, 1/3 de remplissage en liquide et à contre courant. ... 76
Figure 4.4 : Cycle isostérique (non valide) au régime 25/35°C à 1/3 de remplissage en liquide à contre courant. ... 77
Figure 4.5 : Puissances frigorifiques obtenues sur 1000s de fonctionnement en contre courant, à différentes températures d’entrée du fluide secondaire et différents niveaux de remplissage initial ... 79
Figure 4.6 : Puissances frigorifiques obtenues sur 1000s de fonctionnement à différentes températures d’entrée du fluide secondaire, différents circuitages et niveaux de remplissage initial. ... 80
112 Figure 4.7 : Représentation des profils des températures du fluide secondaire et de la température de saturation du réfrigérant dans l’évaporateur en circuitage contre courant et co- courant. ... 81 Figure 4.8 : Comparaison, entre le réseau d'huile initiale et l'égalisation de pression d'huile, du débit massique secondaire de l'adsorbeur n°1. Enregistrement en cycles continus. ... 84 Figure 4.9 : Comparaison en cycles continus, entre le réseau d'huile initial et l'égalisation de pression d'huile, des puissances frigorifiques obtenues par l'adsorbeur n°1. ... 84 Figure 4.10 : Enregistrement des températures dans le lit de zéolite de l'adsorbeur n°1. ... 85 Figure 4.11 : Enregistrement des températures dans le lit de zéolite de l'adsorbeur n°1. ... 85 Figure 4.12 : Comparaison entre l'adsorbeur n°1 et n°2 de la puissance frigorifique et de la pression en cycles continus. ... 87 Figure 4.13 : Comparaison des écarts de températures, côté réseau d'huile du rejet thermique, en fonction de l'adsorbeur en adsorption. Enregistrement en cycles continus. ... 88 Figure 4.14 : Puissances frigorifiques pour différents temps de demi-cycle à trois ouvertures de détendeur en co-courant. ... 90 Figure 4.15 : COP pour différents temps de demi-cycle à trois ouvertures de détendeur en co- courant. ... 90 Figure 4.16 : Puissances frigorifiques et COP en fonction de la température de rejet pour différents temps de demi-cycle, 50% ouverture détendeur et en co-courant. ... 91 Figure 4.17 : Coefficients d'échanges globaux de l'évaporateur en fonction de la température de source froide et du remplissage initial pour 1000 s en co-courant. ... 93
113
LISTE TABLEAUX
Tableau 1.1 : Quelques propriétés des réfrigérants ... 24
Tableau 1.2 : Quelques propriétés des couples en adsorption (Demir, et al., 2008) ... 24
Tableau 1.3 : Nouveaux coefficients de l'équation de Langmuir trois termes ... 26
Tableau 1.4 : Exemple d’amélioration de la zéolite. (Demir, et al., 2008) ... 27
Tableau 2.1 : Comparaison des deux fluides caloporteurs pour le rejet thermique ... 40
Tableau 2.2 : Influence de la surface des unités de rejet thermique sur les performances... 41
Tableau 2.3: Propriétés de la zéolite 13X utilisée ... 43
Tableau 2.4 : Récapitulatif du dimensionnement d’un adsorbeur ... 44
Tableau 2.5 : Propriétés de la laine de roche utilisée ... 45
Tableau 2.6 : Résultats obtenus en limitant à 60°C à la surface de l'isolant ... 46
Tableau 2.7 : Caractéristiques nominales du condenseur ... 46
Tableau 2.8 : Caractéristiques nominales de l’évaporateur ... 47
Tableau 2.9 : Pertes de charge en fonction du nombre de plaques de l’évaporateur ... 51
Tableau 2.10 : Calculs diamètres de tuyauteries du réseau primaire ... 53
Tableau 2.11 : Réglage du détendeur pour différents débits au régime nominal ... 54
Tableau 2.12 : Caractéristiques du rejet thermique des adsorbeurs ... 55
Tableau 2.13 : Diamètres de tuyauteries du réseau secondaire adsorbeurs ... 56
Tableau 2.14 : Propriétés de l’eau glycolée 25% en volume ... 58
Tableau 2.15 : Caractéristiques de l’aérotherme ... 58
Tableau 3.1 : Taux de fuites finaux du prototype ... 70
Tableau 3.2 : Estimation de la masse d’eau à introduire ... 70
114 Développement d’une pompe à chaleur à adsorption en vue de l’utilisation des rejets thermiques d’une pile à combustible embarquée. Mémoire d’ingénieur C.N.A.M, Paris 2014.
RESUME
Les pompes à chaleur à adsorption offrent une alternative pérenne aux climatiseurs à compression mécanique. En effet, elles utilisent une source de chaleur pour assurer la compression thermique d’un fluide frigorigène naturel respectueux de l'environnement comme l’eau, le méthanol ou l’ammoniac. De nombreuses sources d’énergies fatales peuvent alors être récupérées, comme la chaleur provenant d’un moteur à combustion, ou celle d’une pile à combustible. Leur intégration permet une évolution vers la trigénération, et améliore le rendement global du système. Néanmoins, les machines à adsorption souffrent d’un encombrement et d’une masse élevée, en particulier pour les applications mobiles. Un prototype a donc été développé, permettant d’évaluer les performances d’un échangeur à plaques dans l’évaporation de l’eau sous vide. Traditionnellement, on emploie un échangeur tubes et calandre volumineux avec un ruissellement par pompe. L’évaporateur à plaques permet alors d’améliorer la compacité et d’éviter la consommation électrique d'une pompe de liquide.
Mots clés : Adsorption, Pompe à chaleur, Climatisation, Prototype, Zéolite, R718, Echangeurs à plaques, Pile à combustible.
SUMMARY
The adsorption heat pumps are sustainable alternative to the mechanical air conditioning. Indeed, these systems use a heat source to assure the thermal compression of a natural environment-friendly refrigerant as water, methanol or ammonia. Much waste energy can be recovered as heat from a combustion engines or fuel cells. Integration of adsorption heat pump allows an evolution to trigeneration and improves the overall efficiency of the system. Nevertheless, adsorption chiller suffers from large dimensions and a high mass in particular to mobile applications. Traditionally, a voluminous shell and tubes exchanger with liquid dripping forced by a pump is used. A prototype was developed and highlights the performance of a plate exchanger for boiling of water at subatmospheric pressure. So, the plate evaporator allows to improve the compactness and to avoid the electric consumption of a liquid pump.