Cycles à absorption : la complexité des nouvelles générations de systèmes et le choix des fluides de travail 16 Mars 2017

Cycles à absorption : la complexité des nouvelles générations de systèmes et le choix des fluides de travail

16 Mars 2017

CES Centre Efficacité énergétique des Systèmes

• Introduction

• Verrous sur les cycles à absorption

• Architectures des cycles

• Composants et dimensionnement

• Défis à relever

Introduction

Rejets thermiques Rejets

thermiques

Utilité (air)

Chaleur utile

Rejets

thermiques

Utilité (air) Froid utile

Utilité (air)

Introduction

LiBr/H2O H2O/NH3 Corrosivité

à haute T

Opération à pression sub- atmosphérique

Toxicité viscosité

Cristallisation ¹⁰

30 50 70 90 110 130

Température (°C)

Chaleur échangée (kW)

Fluide caloporteur Besoin

10 30 50 70 90 110 130

Température (°C)

Chaleur échangée (kW)

Fluide caloporteur Besoin

Fluides utilisés Sources non adaptées aux besoins des composants

Bromure de lithium - Eau

Mélange zéotrope

Verrous technologiques

Afin d’étendre le domaine d’application des pompes à chaleur à absorption (thermo-transformation (chaud) et réfrigération) :

- Identifier les nouvelles paires de fluides de travail pouvant atteindre des températures de 150 ° C (et Tlift >70 ° _C)

- Développer les architectures de cycle permettant d’atteindre des températures en dessous de -50 ° _C

- Permettre la récupération de chaleur fatale (<100 ° _C) - Développer des systèmes performants

- Dimensionner les composants du système

Thermo-transformateur Double étage

Architectures

Thermo-transformateur Double

Architectures

Ejecteur – absorbeur

Architectures

0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00

1 4 7 10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40 43 46 49

COP

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

1 4 7 10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40 43 46 49

Temperature lift (°C)

0,35

0,20

0,10

0

Composants

Objectifs :

• Atteindre la plus haute température possible dans l’absorbeur

• Modéliser, dimensionner, comparer et choisir le système d’absorption les plus adéquat pour une application donnée

Absorption optimisée

Vapour

Liquid

100

Absorbant Molar Concentration (%) Temperature

Absorbent Boiling T

Refrigerant Boiling T Pure refrigerant

entering the absorber

Absorber inlet

Concentration of mixture at absorber outlet

Concentration of mixture at absorber inlet

Absorber outlet

Pinch

Pinch

Absorption process

Case 1 Case 2

Vapour

Liquid

10 30 50 70 80 90 100

Absorbant Molar Concentration (%) Temperature

Absorbent Boiling T

Refrigerant Boiling T Pure refrigerant

entering the absorber

Absorber inlet

Concentration of mixture Concentration of mixture

Absorber outlet

Adiabatic Absorption process Q1

Q2

Q3 Heat exchange

Coolant temp.

profile Vapour

Liquid

100

Absorbant Molar Concentration (%) Temperature

Absorbent Boiling T

Refrigerant Boiling T Pure refrigerant

entering the absorber

Absorber inlet

Concentration of mixture Concentration of mixture

Absorber outlet

Adiabatic Absorption process Controlled

diabatic absorption

Coolant temp.

profile

Composants

Démarche :

- Etat de l’art sur les technologies d’absorption

- Développement des modèles pour els absorbeurs à bulles, à garnissage et à film tombant

- Etude de la pertinence des technologies d’absorbeurs Résultats : Profil de température (A/B)

Bulles (co-courant) Bulles (contre-courant) Garnissage (contre-courant)

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4

40 50 60 70 80 90

Height (m)

Temp. (°C) T(liquid)

T(vapour) T(interface)

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6

70 90 110 130 150

Height (m)

Temp. (°C) T (liquid) T (interface) T (vapour)

0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 0,14 0,16 0,18 0,2

70 120 170 220

Height (m)

Temp. (°C)

T (liquid) T (interface) T (vapour)

Composants

Modélisation des technologies d’absorption Exemple : Absorbeurs à bulles

Absorber cylindrical wall Bubble Bubble interface Liquid mixture

Bubble mvap(i)

Tvap(i)

y(i)

Absorber Diameter

x

Liquid mixture m^liqu(i) Tliqu(i)

x⁽ⁱ⁾ mvap(i+1)

Tvap(i+1)

y(i+1)

mliqu(i+1)

Tliqu(i+1)

x⁽ⁱ⁺¹⁾

mabs

Qsens

Qlat

Bubble - diamètre

Bubble - vitesse

Liquide – Transfert de masse

Vapeur – Transfert de masse

Concentration of refrigerant

Yvapour

Yequ

Xequ

Xliquid

Transfert de chaleur – analogie au transfert de masse et correction



Composants

Hypothèses

Equations de bilan de matière et d’énergie

Modèle de turbulence: k-ε standard

Paroi ayant la condition de non-glissement

 les propriétés des fluides sont obtenues par ASPEN Properties (densité, conductivité thermique, capacité thermique, viscosité)

Conditions aux limites: vitesse et température à l’entrée du primaire, pression et température à la sortie



Composants

Nombre de Mach pour des éjecteurs à différents longueurs de zone à section

0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12

0 20 40 60

w

longueur gorge (mm)

• Précision des équations d’état et des données d’équilibre L-V pour des mélanges binaires organiques

• Nécessité des données précises de propriétés thermo-physiques pour le dimensionnement de :

• Éjecteurs

• Absorbeurs

• Echangeurs de chaleur

• Vitesse de propagation du son dans les phases gazeuses

• Données validées d’enthalpie d’excès et d’enthalpie de mélange

• Interfaçage avec des simulateurs et autres outils existants

Défis à relever

Merci!

Questions

rodrigo.rivera_tinoco@mines-paristech.fr