Recherche bibliographique sur les thermo-transformateurs à adsorption (évaluation de la performance, optimisation et le potentiel d’application)

Selon la littérature, les transformateurs de chaleur à absorption ont attirés un intérêt considérable depuis de nombreuses années. Cependant ce type du cycle de la thermo-transformation est limité à l'utilisation d'une gamme de températures de la source de bas potentiel relativement basse. En plus la nécessité de pouvoir faire fonctionner des transformateurs thermiques à haut niveau de température pour avoir des températures de valorisation supérieures et donc une possibilité d'atteindre des performances supérieures reste difficile en raison des propriétés des fluides de travail utilisés dans ce type de technologie [168,169].

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En effet, ces contraintes ont conduit à la recherche d’autres solutions afin de remédier aux problèmes cités auparavant. Dans cet égard, l'apparition de nouveau cycle de la thermo-transformation sous entend l’utilisation du phénomène d’adsorption plus particulièrement l’adsorption physique. Ce nouveau cycle a été suggéré par certains chercheurs pour une valorisation de haute température [168-174]. Cependant, les transformateurs de chaleur à adsorption n’ont pas reçu beaucoup d’attention [175] et le même développement que les transformateurs de chaleurs à absorption. Jusqu'à présent, la plupart des recherches sont axées sur la performance du système, les cycles thermodynamiques et la sélection des couples de travail.

Les premiers travaux ont commencé à partir de 1981 par Nonnenmacher et Groll [176], Alefeld et al. [177] suivi par le travail de Restuccia et al. [178], Chandra et Patwardhan [175], Than et Zhu [168] et Jeong et al. [169]. Ces travaux renferment des descriptions détaillées sur les pompes à chaleurs à adsorption et les thermo-transformateurs à adsorption. Ils mettent en évidence également les principes de base du cycle d’un transformateur de chaleur à adsorption.

D’autres études sont consacrées à l’évaluation des performances des cycles des transformateurs de chaleurs à adsorption et sont basées sur la première loi de la thermodynamique. Elles ont fourni une étude bibliographique sur l’amélioration et l’optimisation de ce système énergétique. Il y a lieu de citer celle de Restuccia et al. [178] qui présente une évaluation théorique de trois différents cycles à adsorption (pompe à chaleur, transformateur thermique et système de refroidissement) en se basant sur un critère quantitatif (COP) exprimé en fonction des quantités de chaleurs échangées par ces systèmes énergétiques.

En 1990, Chandra et Patwardhan [175] ont effectué une analyse thermodynamique d’un cycle conventionnel d’un thermo transformateur à adsorption avec quelques conceptions alternatives renfermant de deux à quatre réservoirs et fonctionnant avec le couple zéolite/ eau. L’analyse des résultats montre que cette technologie peut être utilisée pour une valorisation de la température pouvant avoisiner les 50 ° C et COP assez bon.

La performance d’un transformateur de chaleur à adsorption dépond fortement des propriétés thermodynamique [179] et dynamique [180] de l’adsorbant. Dans ce contexte trois matrices ont été suggérés dans la littérature comme matériaux adsorbants (les zéolites, les gels de silice et les charbons actifs) [181] et (l’eau, méthanol, éthanol et l’ammoniac) comme frigorigène pour les applications de la thermo-transformation à adsorption physique [182,183].

Pour les zéolites, une étude a été menée par Restuccia et al. [178] pour plusieurs types de cette matrice avec de l’eau (zéolite 13X, 13Xd, 3A, 4A et 5A) pour les cycles à adsorption suivants : transformateur de chaleur, pompe à chaleur chimique et un système de refroidissement. Les résultats obtenus montre que la zéolite 13Xd semble être la plus appropriée pour tous les systèmes énergétiques proposés suivi

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par les zéolites 3A, 4A et le 5A pour les pompes à chaleur chimique. Tandis que la zéolite 13X a les mêmes performances, d’ailleurs les meilleures que la zéolite 13Xd dans le cas de son utilisation dans le transformateur thermique à adsorption.

D’autres études menées par Grenier et al. [184], chandra et Patwardhan [175], Than et Zhu [168] et Jeong et al. [169] confirment l’adaptation de la zéolite13X pour les transformateurs de chaleurs à adsorption. Cette combinaison présente une grande augmentation de température (environ 70 ° C) par rapport au charbon actif-méthanol qui présente une légère élévation de température (environ 30 ° C). Ainsi, la paire charbon actif-méthanol n'est pas stable à haute température, de sorte qu'elle n'est pas recommandée à l’utilisation à une température supérieure à 150 °C [185]. Cependant l’adsorption et la désorption de l’eau sur le lit de zéolite sont très lentes, ce qui risque d’encombrer d’avantage le système [186].

Selon Wang et al. [187] le gel de silice/eau appartient à des paires de travail pouvant être exploitées pour les basses températures de fonctionnement (environ 75°C). Les auteurs ont affirmé que ce couple est bien adapté pour les systèmes de refroidissement.

En effet, ces contraintes ont conduit à la recherche de nouvelles paires réactives adaptées aux transformateurs thermiques à adsorption qui permettent d’avoir une valorisation élevée. Plusieurs nouvelles classes de matériaux ont été suggérées pour les cycles à adsorption, qui semblent être très prometteurs, tels que les MOFs (structures organiques méthaliques) [188], aluminophosphate [189,190] et le SWSs (gel de silice mésoporeux imprégné de CaCl2) [191]. Certains de ces matériaux présentent de meilleures performances par rapport aux matériaux couramment utilisés [192].

Selon Frazzica et al. [193] beaucoup de matériaux adsorbants dont les caractéristiques n’ont jamais été étudiées pour les applications de la thermo-transformation à adsorption.

En effet, il est important de signaler que le cycle à adsorption physique fonctionne d’une façon discontinue notamment lorsqu’on utilise un seul lit, ce qui influe négativement sur la performance du cycle. Dans cet égard, certaines études sont orientées vers la recherche de nouvelles solutions qui permettent d’une part d’améliorer les performances de cycle et d’autre part de limiter la contrainte citée précédemment.

Selon Chandra et Patwardhan [175], il est possible de proposer des améliorations au niveau de la conception du cycle de base (conventionnel) d’un transformateur de chaleur à adsorption. Il s’agit d’un cycle de transformateur thermique à deux réservoirs, à trois réservoirs et un cycle à quatre réservoirs utilisant la zéolite/ eau comme couple réactif. La première configuration proposée consiste à connecter deux réservoirs, le premier pour l’eau tandis que le deuxième contient l’adsorbant solide. Lors de la phase d’adsorption, le second réservoir obtient sa vapeur d’eau chaude directement à partir du premier réservoir chauffé par un flux de chaleur de moyenne température où elle est adsorbée par le solide

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dans le second réservoir accompagnée d’un dégagement de chaleur d’adsorption à haute température. Par la suite, la phase de désorption est réalisée par l'écoulement du fluide caloporteur subit à la température moyenne dans le second réservoir. Par la suite l'eau déshydratée, se condense dans le premier réservoir par un refroidissement à la température ambiante.

Ces deux phénomènes sont terminés lorsque l'équilibre est atteint entre les deux réservoirs. La deuxième conception est très similaire à celle de deux réservoirs, sauf qu’elle comprend un autre réservoir supplémentaire avec de l’eau froide. Dans cette configuration une adsorption est effectuée suite au couplage du troisième réservoir qui contient de l’adsorbant solide avec le premier réservoir qui contient de l’eau chaude. Par la suite, pondant la phase de désorption, le réservoir 2 est relié au réservoir 3, la vapeur d’eau qui se désorbe dans le réservoir 3 par l'écoulement du fluide caloporteur à la température moyenne. La vapeur est condensée par la suite dans le deuxième réservoir par un flux de chaleur de basse température.

La dernière conception se compose de quatre réservoirs interconnectés entre eux par deux électrovannes. Les deux premiers réservoirs sont destinés pour l’eau chaude et froide. Tandis que le troisième et le quatrième réservoir qui contiennent l'adsorbant solide sont munis de dispositions distinctes selon les besoins (adsorption ou désorption).

L’analyse comparative entre ces différentes configurations proposées montre que le système à 4 réservoirs donne une valeur de COP bien améliorée par rapport aux systèmes à 2 et à 3 réservoirs pour les mêmes conditions de fonctionnement. Les auteurs ont conclu que l'amélioration des valeurs du COP enregistré dans le système à 4 réservoirs est principalement dû en partie à la réduction des pertes de chaleur sensibles qui surviennent habituellement pendant l'opération intermittente.

Par ailleurs, la nécessité de pouvoir faire fonctionner des transformateurs thermiques à haute température en continu a entrainé l'apparition de thermo-transformateur à adsorption chimique. Leur fonctionnement est basé sur les processus d’adsorption et de désorption de gaz (adsorbat ou réfrigérant) par des composés chimiques [194].

Selon Wu et al. [195], les transformateurs de chaleur à adsorption chimique présentent des avantages tels que : avoir une haute capacité de stockage, avoir une température de fonctionnement stable et -une large plage de température de fonctionnement par rapport aux transformateurs de chaleur d'absorption et d'adsorption physique.

De nombreuses substances chimiques existent pouvant être utilisées avec les différents gaz réactifs dans les transformateurs thermiques à réaction chimique. Il y a le système d'ammoniac (sels alcalins / ammoniac ; sels alcalino-terreux ou halogénures métalliques / ammoniac ; nitrates ou phosphates / ammoniac ; monométhylamine / ammoniac), le système à dioxyde de soufre (oxydes / dioxyde de soufre), le système de la vapeur d'eau (oxyde / vapeur d'eau ; sels / vapeur d'eau), le système de

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dioxyde de carbone (oxydes / dioxyde de carbone) et le système hydrogène (métaux ou alliages de métaux / hydrogène), etc. [196].

Pour des raisons de sécurité l'hydrure métallique / hydrogène et le chlorure / ammoniac sont les paires les plus utilisées grâce à leurs potentiel d'approvisionnement de la couche d'ozone (ODP) et le potentiel de réchauffement planétaire (GWP) nul [197].

À cette fin, Huston et Sandrock [198] ont étudié les propriétés physico-chimiques à savoir la relation pression-température, capacité hydrogène, capacité thermique,.., des différentes combinaisons possibles d’hydrures métalliques, tel que LmNi4.85 Sn0.15, LmNi4.49 Co0.1 Mn0.205 Al 0.205, La LmNi4.4

Co0.2 Mn 0.2 Al0.2, comme matériau d’adsorption. Ces différentes combinaisons présentent un saut thermique de l’ordre de 16 à 110 C [199].

Les transformateurs de chaleur à hydrure métallique/hydrogène furent étudiés par plusieurs chercheurs. L’hydrure en question présente plus d'avantages pour les transformateurs de chaleur à absorption ou à adsorption, en raison de leur cinétique rapide qui leur permet d’adsorber et de désorber de grandes quantités d'hydrogène à température et pression constantes avec un rapport hydrogène / métal variable [186].

Les mêmes auteurs ont évalué la performance d’un transformateur de chaleur à réaction chimique fonctionnant avec l’hydrure métallique/hydrogène. Ce dernier se compose de deux paires de réacteurs avec deux différents types d’hydrure métalliques pour obtenir de chaleur utile continue. La première paire de réacteur (R-l 1 et R-21) contient l'hydrure de métal à haute température LaNi4.5Al0.5 et la seconde paire de réacteur (R-12 et R-22) contient le LaNi5 comme hydrure de métal à basse température. Ces deux paires de réacteurs sont interconnectées de sorte que l'hydrogène peut s'écouler de l'un à l'autre par différence de pression. Les résultats montrent que la performance obtenue par ce cycle peut atteindre un COP de l’ordre de 0.45 et 0.54 pour une alimentation en température de 383 et 393 k respectivement. L’effet des conditions de fonctionnement a été mis en évidence par les auteurs sur les différents paramètres tels que la période de cycle, la croissance de la température de la source de bas potentiel, l'efficacité de l'échangeur de chaleur interne et le coefficient de transfert de chaleur par convection de l'hydrure métallique au milieu d'écoulement.

Ainsi, Yanoma el al. [200] ont testé expérimentalement la performance d’un transformateur de chaleur à hydrure métallique/hydrogène pour identifier les points de fonctionnement optimales. Selon le même travail les auteurs suggèrent trois types d'hydrure métalliques pour les transformateurs de chaleur à deux ou plusieurs étages d’adsorption pour améliorer la performance [201].

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Une autre attention a été accordée aux systèmes à hydrure métallique/hydrogène pour la récupération des chaleurs perdues au niveau de l’industrie [199,202].

Selon [203-206], le couple chlorure métallique / ammoniac semble être très approprié pour la valorisation de l’énergie thermique industrielle de bas à moyen potentiel en raison de leurs propriétés thermochimiques.

Dans ce même contexte, on en retrouve l’étude théorique menée par Goetz et al. [207] pour tester les différentes combinaisons de chlorure métallique pour les procédés de la thermo-transformation à réaction chimique. Il s’avère que les réactifs probables à utiliser seront parmi les chlorures de Ca, Mn, Mg, Fe, Ni, Ba, Sr.

Par la suite, l’étude expérimentale réalisée par Chen et Tan [208] a permis de vérifier la même conclusion de [207].

Récemment, Wu et al. [195] ont étudié et analysé la faisabilité d’un thermo-transformateur à adsorption chimique pour une grande valorisation (saut thermique élevé) utilisant deux couples réactifs MnCl2-SrCl2/NH3. Les résultats expérimentaux montrent que le projet de la thermo-transformation à réaction est faisable pour une amélioration de la chaleur à basse température de 96°C à 161°C en utilisant le MnCl2/ NH3 et le SrCl2-NH3 comme couples réactif avec une efficacité exergétique et énergétique élevés égale à 0,75 et 0,43 respectivement.

D’autres recherches sur les transformateurs thermiques à adsorption chimique se sont aussi axées sur les cycles thermodynamiques. Le cycle à simple effet (également le cycle de base) est le moyen le plus simple pour atteindre une valorisation de température [207]. Cependant l’usage de ce cycle sera limité à cause de sa faible valorisation thermique due à la limitation du la pression de système [195].

Dans ce sens, des études sont donc menées sur de nouveaux cycles de la thermo-transformation à réaction chimique pour augmenter le potentiel thermique de mise en valeur et donc l’efficacité thermique. Il y a lieu de citer les cycles à deux lits(sel) [186, 207], les cycles à deux lits avec récupération de la chaleur interne [209], les cycles à trois lits avec récupération de la chaleur interne [210], les cycles à quatre lit avec récupération de la chaleur interne [211], les cycles multi-sels [212], les cycles à double étages et deux lits [209], les cycles à double étages et trois lits [201], les cycles à double étages et trois lits avec récupération de la chaleur interne[210], et les cycles à double effet et trois-sel [213].

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Cependant, ces cycles de transformateurs de chaleur seraient très compliqués et ont quelques inconvénients pour une application pratique. [196,210]. Donc il est nécessaire de résoudre les différents problèmes théoriques et pratiques tels que la cinétique chimique compliquée, le problème de sécurité, l’efficacité basse du système et enfin diminuer les investissements [196].

I.3. Recherche bibliographique sur les dispositifs de conversion de l’énergie thermique