de l’énergie thermique
II.1. Zoom sur la thermo-transformation à sorption
II.1.2. Les thermo-transformateurs à absorption
Les thermo-transformateurs (transformateur de chaleur) sont des machines trithermes (nécessitent au moins trois sources de chaleurs) capables de revaloriser le potentiel thermique des chaleurs perdues inexploités (naturelles ou industrielles) à un niveau moyen de température en chaleur utile à un potentiel thermique élevé et en chaleur rejetée vers l'atmosphère à température proche de celle ambiante(production du froid). Cette partie est centrée sur l’étude des machines ou des systèmes de la thermo-transformation à absorption capables de fonctionner avec un niveau intermédiaire de température et de répondre à la question « Comment valoriser l’énergie thermique de bas potentiel ? ». Selon [11], l’analyse de l’intégration de procédés de conversion énergétique implique habituellement une approche basée sur l’adéquation entre les sources et puits énergétiques d’une part, les demandes et rejets du procédé à mettre en œuvre d’autre part, enfin les irréversibilités. Dans le cas ou les sources et puits, demandes et rejets sont uniquement thermiques, il ne s’agit de mettre en œuvre que des transformations énergétiques dans ces procédés, comme la souligné Bittrish et Hebecker [12], et non de la conversion comme le traite Alefeld et Radermacher [13]. Les transformateurs de chaleur à absorption sont des processus physico-chimiques qui reposent sur l’équilibre physique qui existe lorsque une phase gazeuse (l’absorbat) diffuse vers le film d’une phase liquide (l’absorbant) dans lequel l’opération (absorption) est un processus exothermique où la chaleur valorisée produite à niveau élevé de température est considéré comme énergie noble. Ce phénomène est parfaitement réversible,
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par lequel l’absorbat se détache du l’absorbant par un processus endothermique nommé la désorption grâce à un apport d’énergie à moyen niveau thermique. Les deux phénomènes se produisent dans certaines conditions physiques (pression, température).
II.1.2.1. Mode de fonctionnement d’un thermo-transformateur à absorption
La figure II.2 représente schématiquement le principe de fonctionnement d’un thermo-transformateur à absorption mono-étagé. Celui-là est constitué d’un générateur (désorbeur), d'un absorbeur, d'un évaporateur, d'un condenseur, d'un échangeur de solution, de deux pompes et d'un détendeur. La solution riche en frigorigène reçoit une quantité de chaleur QG de la source de bas potentiel à la température intermédiaire. Ceci provoque la désorption d’une partie du fluide frigorigène dissout dans la solution. À la sortie du générateur la vapeur de frigorigène arrive dans le condenseur (au point 7) ou elle subit une condensation (rejet de la chaleur QC). Le fluide à l’état liquide (au point 8) est pompé et pressurisé à la pression de l’évaporateur (au point 9). Dans ce dernier, l'évaporation s'effectue par un apport de chaleur à la température moyenne et à haute pression. La vapeur issue de l’évaporateur (au point 10) est admise dans un absorbeur contenant une solution dite “pauvre”, provenant du générateur (au point 3), elle se dissout de manière exothermique dans cette solution, provoquant l’enrichissement de la solution. Il s'agit donc, de l’absorption accompagnée d'un dégagement de chaleur QAbs (QU1) au niveau de l’absorbeur vers un puits de niveau thermique plus élevé à TAbs (TU1). Le mélange est de nouveau préchauffé par un échangeur thermique (au point 5) en utilisant la chaleur dégagée par la solution pauvre d'où le nom «échangeur de solution ». Son intérêt est d'augmenter le COP. Par la suite, le mélange est détendu dans le détendeur (point 6). Il entre dans le désorbeur pour recommencer le cycle.
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Figure II. 2. Schéma représentatif d'un transformateur de chaleur à absorption simple effet (AbHT).
II.1.2.2. Les fluides de travail utilisés
L'exigence fondamentale que doivent avoir les cycles à absorption plus particulièrement les cycles de la thermo-transformation est un mélange de travail pour faire fonctionner le cycle. Ce mélange binaire est constitué d’un composé léger (réfrigérant) et d’un composé lourd (absorbant). Les couples de travail pour les cycles à absorption, doivent posséder un certain nombre de caractéristiques communes avec l’application à laquelle la machine est destinée et donc des températures des sources froide et chaude
Selon le travail de [14-16], parmi les conditions requises pour qu’un couple donné soit approprié, il faut d'une part que l’absorbant ait une grande affinité vis à vis du réfrigérant, et d'autre part que ce dernier soit beaucoup plus volatil que l’absorbant, afin que la séparation des deux constituants soit la meilleure possible. De surcroît, ce mélange binaire doit posséder une bonne miscibilité dans la plage des températures de fonctionnement du cycle [9].
II convient de préciser d’autres critères plus importants pour un cycle de la thermo-transformation à absorption pour chaque partie du couple :
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II.1.2.2.1. Critère technique
a- L’absorbant
La différence entre les températures d'ébullition de fluide frigorigène et l’absorbant doit être plus importante possible afin que la séparation des deux constituants soit la meilleure possible. L’absorbant ait une grande affinité vis à vis du réfrigérant.
L’adsorbant doit avoir une viscosité, une tension superficielle et une capacité thermique le plus faible possible. (Ces caractéristiques facilitent la mise en circulation des solutions liquides et favorisent les transferts de chaleur et de matière lors de l’absorption [17] L’adsorbant doit avoir des bonnes propriétés thermochimiques aux conditions de fonctionnement (avoir un point de fusion maximal admissible de l'absorbant afin d’éviter la possibilité de cristallisation)
L'absorbant doit être chimiquement et thermiquement stable, non corrosif, non toxique et non explosifs.
b- Le réfrigérant
Le réfrigérant doit avoir une chaleur latente de vaporisation et une affinité élevée avec l'absorbant afin d'avoir un taux de circulation faible entre le générateur et l'absorbeur.
Le réfrigérant doit être caractérisé par des propriétés qui favorise le meilleur transfert de masse et de chaleur (faible viscosité et tension superficielle, conductivité thermique élevée,...) Le réfrigérant doit avoir des bonnes propriétés thermochimiques aux conditions de fonctionnement (La température critique du réfrigérant doit être très supérieure à la température maximale du cycle et sa température de congélation doit être inférieure à la température minimale du cycle, ainsi la pression du réfrigérant à la température la plus basse du cycle soit au moins égale à la pression atmosphérique pour éviter le fonctionnement à sous-vide et le problème des fuites)
le réfrigérant devrait être non toxique et non corrosif.
II.1.2.2.2. Critère écologique
Le réfrigérant et l'absorbant doivent être utilisés sans aucun risque pour l'environnement, dont le potentiel de déplétion de la couche d'ozone (ODP) devrait être nul et le potentiel de réchauffement planétaire (GWP) devrait rester sous une certaine valeur déterminée par la législation européenne (1300-1800).
II.1.2.2.3. Critère économique (coût d’investissement et d’exploitation)
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Plusieurs fluides de travail ont été suggérés dans la littérature, une investigation faite par Marcriss et al. [18,19] sur les fluides a permis d’établir une liste d’environ 40 réfrigérants et 200 absorbants potentiels. Cependant, le NH3/ H2O et H2O/ LiBr sont les seuls couples qui soient utilisés pour les cycles à absorption car ils remplissent le plus de critères.
La comparaison entre ces deux fluides concernant son adaptation pour les cycles de la thermo-transformation à absorption a été effectuée par plusieurs études [14, 20, 21]. Cette comparaison montre que le couple LiBr/H2O est plus performant et donc bien adapté aux transformateurs de chaleur à absorption malgré les contraintes présentées par ce dernier ( corrosif, viscosité importante, solubilité limitée, limite de température et risque de cristallisation), par contre le deuxième couple H2O/NH3(haute pression de travail et faible niveau de sécurité) est préféré pour les systèmes de production de froid malgré son caractère le moins corrosif par rapport le LiBr/H2O.
II.1.2.3. Diagrammes thermodynamiques utilisés
II.1.2.3.1. Diagramme d’Oldham (Diagramme log p /– 1/T)
Ce diagramme est le plus utilisé et le plus pratique pour une étude d’une machine à absorption ; l’axe des abscisses est gradué en (-1/T) et l’axe des ordonnées en (Ln(p)). La figure II.3, montre un tel diagramme qui ressemble beaucoup au diagramme d’Oldham du couple ammoniac-eau. Néanmoins certaines différences apparaissent :
Seule figure, à gauche, la pression de vapeur du frigorigène, l’eau en l’occurrence. La courbe de sel absorbant, le bromure de lithium, ne figure pas à droite ;
On voit apparaître, en bas et à droite deux courbes de cristallisation de deux hydrate différents : LiBr, H2O et LiBr, 2 H2O ; à partir de ces courbe, vers le bas et la droite, la phase solide apparaissant, les mélanges ne sont plus utilisables dans le système frigorifique ;
Il n y’a pas de courbes correspondant aux teneurs de la phase gazeuse. Celle-ci est toujours constituée d’eau pure [22].
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Figure II.3. Diagramme d’Oldham relatif au couple Eau/ Bromure de Lithium (LiBr).
II.1.2.3.2. Diagramme de Merkel (enthalpie-concentration)
Le diagramme d’Oldham permet d’avoir une représentation du cycle, il ne permet ni l’étude énergétique, ni le dimensionnement de la machine [23]. Cependant le diagramme de Merkel permet une étude complète du cycle à absorption car il donne plus de renseignement sur le bilan énergétique des différents constituants du cycle. Il s’agit d’un diagramme enthalpie-concentration paramétré en pression et température pour l’absorbant et en pression pour le réfrigérant.
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Figure II.4. Diagramme de Merkel relatif au couple Eau/ Bromure de Lithium (LiBr).
II.1.2.4. L’efficacité énergétique et exergétique d’un thermo-transformateur à absorption
L'efficience est une mesure de l'efficacité et / ou de la performance d'un système. Bien qu'il puisse prendre différentes formes et différents noms selon l'application et le but du système [24], il peut généralement être défini comme étant la ration de la sortie désirée par rapport au entrée requise. Parce que la sortie désirée est différente pour une pompe à chaleur et un thermo-transformateur, leur efficacité est définie différemment. Dans ce cas, les performances d'une pompe à chaleur et un thermo-transformateur peuvent être exprimées par son coefficient de performance (COP).
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L’efficacité (la performance) énergétique et exergétique d’un système sont évaluées essentiellement par le bai des critères quantitatifs caractérisant la fiabilité du système et établis sur la base de la première et seconde loi de la thermodynamique.
L’analyse thermodynamique selon la première loi de la thermodynamique stipule que l’énergie doit être conservée dans tout le système. Ainsi, cette loi impose simplement la restriction au cycle selon laquelle l'énergie thermique sortant du système doit être égale à l'énergie thermique totale qui y pénètre plus toute énergie créée. Ce type d'analyse permet donc de quantifier les attributs du cycle tels que la fraction de chaleur résiduelle recyclée par le système. Cependant l’analyse thermodynamique selon la seconde loi de la thermodynamique doit être utilisée pour quantifier toutes les irréversibilités et les non-idéalités au sein des composants [25]. De même Jernqvist et al. [26] ont déduit que l’analyse selon la seconde loi thermodynamique (le rendement exergétique) devrait être considérée comme une alternative à l’analyse selon la première loi thermodynamique (efficacité thermodynamique), puisque elle prend en compte d’une manière appropriée les pertes d’exergie qui se produisent inévitablement dans le système. Ceci confirme que l’analyse selon la seconde loi thermodynamique devrait être utilisée en complément de l’analyse selon la première loi.
Les paramètres d’analyse de la première loi thermodynamique utilisés sont le coefficient de performance du système (COPI) tandis que les paramètres de la seconde loi sont les paramètres exergétique (COPII).
II.1.2.4.1. Le coefficient de performance
Le coefficient de performance du cycle de la thermo-transformation est défini comme étant le rapport de la quantité de chaleur utile produite évacuée au niveau de l’absorbeur et la somme des quantités de chaleur consommées par le générateur et l’évaporateur et l’énergie mécanique fournie aux pompes.
a- Le coefficient de performance théorique
Le coefficient de performance d’un cycle idéal (Carnot) réversible d’une machine tritherme en mode thermo -transformateur (COPc) qui échange de la chaleur à trois niveaux de température (Qh à haute température Th
évacuée
au niveau de l’absorbeur ; Qi à température intermédiaire Ti consommée par le générateur et l’évaporateur et Qb à basse température Tb atteinte au niveau du condenseur), sans perte de charge et qui ne nécessitant pas de travail mécanique pour assurer la circulation de fluide est exprimé comme :COPc =Qh
Qi
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Figure II.5. Système tritherme.
L’application du premier (conservation quantitative de l’énergie) et du second (dégradation qualitative de l’énergie) principes de la thermodynamique (conservation quantitative de l’énergie), conduit à :
Q
h+ Q
b= Q
i(II.1)
Qh Th
+
Qb Tb=
Qi Ti+ ∆S
cré e(II.2)
On divise les deux équations par 𝑄𝑖, on obtient :