Protocole opératoire

Pour vérifier le bon fonctionnement du prototype, nos essais sont tout d'abord effectués manuellement, en isolant chaque phase du cycle. Pour commencer, ces cycles sont entrepris uniquement sur l’adsorbeur n°1 qui est le plus instrumenté pour suivre les évolutions. Les essais sont effectués en fermant le détendeur. De cette manière, nous approchons d'une évaporation en vase fermé (pool boiling) à niveau de liquide variable, pour entreprendre une étude paramétrique en fonction de la température de source froide, du remplissage initial en liquide, et du circuitage. Les résultats obtenus ont été présentés lors d’une conférence (Clausse, et al., 2011).

- 1er étape: L’adsorbeur n°1 entre en phase de préchauffage isostérique.

- 2ème étape: C'est la phase de désorption. La connexion est réalisée lorsque la pression

interne atteint celle de condensation (la température de rejet est fixée à 35°C). Cette phase de désorption prend fin lorsque la puissance de désorption devient très faible et lorsque la température de la zéolite atteint une température de 190°C, à condition que ces grandeurs représentatives soient atteintes de manière stable et homogène.

- 3ème étape: Une purge des incondensables est entreprise de manière périodique. En

effet, malgré le dégazage de l’air présent dans la machine (parois, zéolite et fluide frigorigène) avant la mise en service, il est encore possible d’observer la présence d’incondensable. La cause de cette apparition provient du dégazage résiduel de la zéolite lors de la désorption. La présence d’air dans le circuit impacte directement la pression de saturation du système. Nous pouvons ainsi détecter sa présence par comparaison entre la pression de condensation de l’eau pure et celle mesurée. Après désorption (toutes vannes fermées), une pompe à vide permet de purger le système via une vanne manuelle en partie haute. La pression diminue alors jusqu’à atteindre un palier stable, significatif d’un changement de phase, où se produit une évaporation du liquide à la température de condensation. Dans ce cas, nous sommes en présence d’eau pure.

- 4ème étape: On procède ensuite au remplissage de l’évaporateur. Le liquide condensé

est stocké dans la bouteille d’accumulation et l’ouverture manuelle du détendeur permet de remplir l’évaporateur à la hauteur souhaitée (1/4 ; 1/3 ; 1/2), grâce à un contrôle visuel par le biais du voyant en verre amovible. Simultanément, le thermorégulateur d’apport thermique est

73 enclenché pour atteindre la température de liquide souhaitée de façon homogène (Tsf à 20 ; 25 ; 30 ; 35°C).

- 5ème étape: L’adsorbeur n°1 entre en phase de pré-refroidissement isostérique.

- 6ème étape: C'est la phase d'adsorption. La connexion à l’évaporateur est établie lorsque

la pression interne de l’adsorbeur atteint celle d’évaporation. Cette phase se termine lorsque la puissance frigorifique et la puissance de rejet deviennent très faibles. Pour finir, la masse cyclée est estimée par bilan aux échangeurs et par mesure au voyant (différence de hauteur de liquide).

Bilan sur l'évaporateur :

.­ = ˆ’1. 74. ∆@“_s &E.. ?s 2&

1E2z é2FUéE ’E&zUE“ = ué2FU2<EzUœℎ9^y ^G^<^29E_ℎ − ℎ9^y 8^G29E é2FU2<EzU ž . 9^y

En considérant que l'échange de chaleur est essentiellement dû au changement de phases, nous avons :

1E2z é2FUéE ≈ .­ ØØØØ BC . s2&

Bilan sur l'adsorbeur :

.2& = / 012&342&+ 6. 7489: + 1é<29. 4é<29= !8^G29

!^G^< . ?@ + / 12&. ∆. ?6

8^G29 ^G^< .2& E&zUéE= 1. 4. ∆@z^9E

L'énergie d'adsorption est considérée égale à 3200 kJ/kg13X. Nous faisons l'hypothèse que l'intégralité de la masse de zéolite participe à la phase d'adsorption. Ainsi, nous pouvons par solveur déterminer la quantité d'eau cyclée dq pour que les quantités d'énergie d'adsorption soient égales.

Tableau 4.1 : Résultats du cycle test en vase fermé

PHASE ADSORPTION

Bilan évaporateur Bilan adsorbeur

Qo 1222 W Qads -10 324 kJ

t ads 1806 s t ads 1806 s

m eau cyclée 883 g m eau cyclée 902 g

m eau mesurée 1100 g dq calculé 20,96 g / kg 13X

D'après l’examen des enregistrements, nous pouvons observer que la condensation s'effectue pour une valeur de 40°C, pour un écart de 5K à la température de rejet en figure 4.1. Il semble

Chapitre 4 : Résultats et analyses

74 que la condensation s'effectue correctement puisque nous n'observons pas de surdépression caractéristique d'un sous-dimensionnement de l'échangeur (MEUNIER, et al., 1988).

La phase d'adsorption permet de produire une puissance frigorifique moyenne de 1220 W. L'intégralité de la quantité d'eau est évaporée. Une sous-dépression importante est observée en figures 4.1 et 4.4. Cette chute de pression est caractéristique d’un dysfonctionnement de l’évaporateur provenant d'un coefficient d'échange global (UA) trop faible. Ce phénomène est intensifié par le surdimensionnement de l'adsorbeur par rapport à la faible quantité d'eau évaporée. Ainsi, le transfert de masse provenant de l’évaporateur est trop faible, la pression d’adsorption chute et dégrade les performances du cycle. Nous verrons dans le paragraphe 4.1.3 que le circuitage de l’évaporateur permet d'améliorer ces performances.

Nous faisons ici l'hypothèse que la pression dans les échangeurs est identique à celle enregistrée dans l'adsorbeur (P1). Malgré le surcoût, il serait judicieux d'implanter un capteur de pression sur chaque échangeur afin d'isoler leur fonctionnement avec plus de certitude.

L'évolution sur le cycle isostérique de la figure 4.4 n'est pas représentative car les quantités ne sont pas à l'équilibre pendant l'essai. En effet, contrairement aux thermocouples répartis à l’intérieur du lit, la pression est mesurée seulement en surface du lit et n'est donc pas représentative de l'ensemble.

On observe en simulations numériques avec un modèle tridimensionnel (Makni, 2012) que la pression évolue fortement à l’intérieur du lit en fonction de sa distance à la sortie du gaz. La désorption ou adsorption n’est pas homogène, et le transfert de masse peut être fortement réduit. Cette dégradation est encore plus prononcée lorsque la sortie de gaz est unique comme c'est le cas dans notre configuration.

Figure 4.1 : Enregistrement adsorbeur n°1 en cycle découpé au régime 25/

Marqueurs 1 : Préchauffage isostérique

adsorbeur n°1 en cycle découpé au régime 25/35°C à 1/3 de remplissage en liquide à contre courant.

Préchauffage isostérique ; 2 : Désorption ; 3 & 4 : Remplissage; 5 : Prérefroidissement isostérique

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°C à 1/3 de remplissage en liquide à contre courant.

Figure 4.2 : Enregistrement Q adsorbeur n°1

Marqueur

Figure 4.3 : Enregistrement Qo et Qk

Marqueurs 2 : Désorption

adsorbeur n°1 en cycle découpé au régime 25/35°C, 1/3 de remplissage en liquide et à contre courant.

Marqueur 1 & 2 : Chauffage ; 5 & 6 : refroidissement

Qo et Qk en cycle découpé au régime 25/35°C, 1/3 de remplissage en liquide et à

Désorption ; 3 & 4 : Remplissage et mise à température du liquide ; 6 :

Chapitre 4 : Résultats et analyses

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°C, 1/3 de remplissage en liquide et à contre courant.

de remplissage en liquide et à contre courant.

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Chapitre 4 : Résultats et analyses

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