THESE Présentée à L’Université de Pau et des Pays de l’Adour Ecole Doctorale de

THESE Présentée à L’Université de Pau et des Pays de l’Adour Ecole Doctorale des Sciences Exactes et leurs Applications Par Guillaume ANIES Pour obtenir le grade de DOCTEUR Spécialité : énergétique Modélisation, simulation dynamique, validation expérimentale et optimisation énergétique d’une unité de rafraîchissement solaire par absorption Soutenue publiquement le 28 Novembre 2011 Rapporteurs : Pierre Neveu Professeur - PROMES, Perpignan Alberto Coronas Professeur - Universitat Rovira i Virgili, Tarragone, Espagne Examinateurs : Jesús Guallar Paracuellos Professeur - GITSE, Saragosse, Espagne Jean-Pierre Bédécarrats Maître de conférences (HDR) - LaTEP, UPPA Directeurs de thèse et co-encadrant : Pascal Stouffs Professeur - LaTEP, UPPA Jean Castaing-Lasvignottes Maître de Conférences - PIMENT, Université de la Réunion - iii - Avant propos Ce travail a été réalisé au sein du laboratoire de Thermique, Energétique et Procédés (LaTEP) et de l'Ecole Nationale Supérieure de Génie des Systèmes Industrielles de l'Université de Pau et des Pays de l'Adour. Son financement a été assuré par une bourse du Ministère de l'Enseigne Supérieur et de la Recherche. Je remercie Monsieur le Professeur Pascal STOUFFS et Monsieur Pierre CEZAC, Directeurs successifs du LaTEP, pour m'avoir accueilli dans leur laboratoire et Monsieur Jacques MERCADIER, Directeur de l'ENSGTI de l'Université de Pau et des Pays de l'Adour, pour m'avoir accepté dans ses locaux. Je suis très sensible à l'honneur que m'ont fait Monsieur le Professeur Alberto CORONAS de l'Université de Taragonne (Espagne) et Monsieur le Professeur Pierre NEVEU de l'Université de Perpignan, en acceptant d'examiner ce travail et d'en être les rapporteurs. J'esprime ma profonde gratitude à Monsieur Le Professeur Pascal STOUFFS et Monsieur Jean CASTAING- LASVIGNOTTES pour la confiance qu'ils m'ont accordé lorsqu'ils m'ont confié ce travail de recherche. Je tiens tout particulièrement à remercier Monsieur Jean CASTAING-LASVIGNOTTES pour sa générosité et sa passion dans le partage de la connaissance et enfin sa présence bienveillante et ses encouragements durant ces trois années de thèse. Je tiens à adresser mes plus sincères reconnaissances à Monsieur le Professeur Jesus Guallar Paracuellos de l'Université de Saragosse, et à Monsieur Jean-Pierre Bédécarrats, Maître de Conférences (HDR) de l'Université de Pau, pour avoir accepté de faire partie de ce jury. Je tiens également à remercier Monsieur Francis DEQUE (EDF R&D - Les Renardières) d'avoir accepté mon invitation pour assiter à la présentation de ces travaux. Je voudrais également remercier ceux qui ont contribué à ce travail au travers des projets ORASOL et ABCLIMSOL et avec lesquels j'ai été amené à collaborer : François BOUDEHENN, Mickaël ALBARIC et Philippe PAPILLON (CEA- INES), Nadège CHATAGNON, Francis DEQUE et Marc BACHMANN (EDF R&D), Nabil BENABDELMOUMENE et Julien HEINTZ (CETIAT), Driss STITOU et Nathalie MAZET (PROMES), Franck LUCAS et Olivier MARC (PIMENT), Nolwenn LE PIERRES, Gianpierro EVOLA, Lingaï LUO et Etienne WURTZ (LOCIE), Michel PONS (LIMSI), Christian GHIAUS et Noël JABBOUR (CETHIL), Amandine LE DENN et Daniel MUGNIER (TECSOL), Bruno GAGNEPAIN et Celine COULAUD (ADEME), Sandrine AMBLARD (Centre R&D CIAT). J'aimerais aussi adresser mes remerciements à toute l'équipe pédagogique et administrative de l'école d'ingénieurs (ENSGTI) de l'Université de Pau et des Pays de l'Adour, où j'ai pu effectuer mes premiers pas dans l'enseignement. J'exprime donc ici ma profonde gratitude aux membres et ex-membres de la filière énergétique et en particulier Erwin, Stéphane, Michel, Jean, Jean-Pierre et Jean-Paul. Je remercie Muriel ALAPHILIPPE et Jean-Luc SAUBATTE de l'IUT GTE de Pau, Amandine LE DENN du bureau d'études TECSOL, Azdine, Chritian et Serge de l'entreprise AQUASUN et bien sûr pour leur aide et leurs conseils lors du montage de l'installation de démonstration du laboratoire. - iv - Je voudrais également remercier mes collègues doctorants Guillaume VARET, Lionel FLESINSKI, Rachid HANNAOUI, Adil MOUAHID, Eric KERGOSIEN, Maxime PERRIET-MUZET, Kossivi GOKPI, Abdou TOURE, Alexandre DEYDIER, Eric CLOAREC pour leur bonne humeur et leur aide durant ces trois années. Qu'ils sâchent que je garderais en mémoire tous les bons moments passés ensemble. Comment ne pas rendre hommage à mes Parents, mon frère et ma soeur qui comptent beaucoup pour moi. Et bien sûr je ne saurais conclure sans remercier Astrid, tant sa compréhension et son soutien ont été déterminants ces dernières années. Nomenclature v Nomenclature a1 Coefficient de déperdition thermique par conduction du capteur solaire [W.m-2.K-1] a2 Coefficient de déperdition thermique par convection du capteur solaire [W.m-2.K-2] Cp Chaleur massique [J.kg-1.K-1] COP Coefficient de performance [-] D Diamètre [m] e Epaisseur [m] I Irradiation (ensoleillement) [W.m-2] h Enthalpie spécifique [J.kg-1] HR Humidité relative [%]  Débit massique [kg.s-1] M Masse [kg] NUT Nombre d'unité de transfert [-] Pb Basse pression [Pa] Ph Haute pression [Pa] Q  Puissance thermique [W] Q Energie thermique [W.h] US Facteur d'échange global [W.K-1] Tb Température source froide [K] Th Température source chaude [K] Tm Température source ambiante [K] u Energie interne massique [J.kg-1] U Energie interne [J] V Volume [m3]  Puissance électrique [W] W Energie électrique [W.h] Xd Concentration massique de la solution diluée en bromure de lithium [%] Xc Concentration massique de la solution concentrée en bromure de lithium [%] Nomenclature vi Symboles  Efficacité [-]  Rendement ou efficacité [-] 0 Rendement optique [-] k Conductivité thermique [W.m-1.K-1]  Masse volumique [kg.m-3] Indices abs Absorbeur capt Capteur cond Condenseur dés Désorbeur dist Distribution ech Echangeur élec Electrique evap Evaporateur ext Extérieur prod Production ref Refroidissement sat Saturé sol Solution th Thermique ventilo-conv Ventilo-convecteur Table des matières vii Table des matières INTRODUCTION GENERALE 1 Références bibliographiques 7 CHAPITRE I - ETAT DE L'ART DU RAFRAICHISSEMENT SOLAIRE 9 I. Introduction 10 II. Les capteurs solaires thermiques 10 II.1. Les capteurs statiques 10 II.1.1. Capteurs plans non vitrés 11 II.1.2. Capteurs plans vitrés (air et eau) 11 II.1.3. Capteurs sous vide (circulation ou caloduc) 12 II.1.4. Capteurs plans vitrés ou sous vide avec miroir de concentration parabolique 13 II.2. Les capteurs mobiles 14 II.2.1. Capteurs cylindro-parabolique (1 axe) 15 II.2.2. Capteurs à lentille Fresnel (1 axe) 16 II.2.3. Parabole de révolution (2 axes) 17 III. Les procédés de rafraîchissement solaire 18 III.1. Les systèmes frigorifiques à cycle ouverts 18 III.1.1. Dessiccation solide (DEC) 18 III.1.2. Dessiccation liquide 20 III.2. Les systèmes frigorifiques à cycle fermés 22 III.2.1. Systèmes à adsorption 22 III.2.2. Systèmes à absorption liquide 28 IV. Actualité de la climatisation solaire 36 IV.1. Etat du marché 36 IV.2. Etat de l’offre technologique 39 IV.3. Les projets de recherches nationaux 44 IV.3.1. Projet ORASOL 44 IV.3.2. Projet ABCLIMSOL 47 V. Modélisation des machines à absorption 49 V.1. Les modèles statiques simplifiés 50 V.2. Les modèles dynamiques 52 VI. Conclusion 52 Références bibliographiques 54 Table des matières viii CHAPITRE II - MODELISATION DE QUATRE MACHINES A ABSORPTION DOMESTIQUES SIMPLE EFFET 61 I. Introduction 62 II. Protocole expérimental et résultats 63 II.1. Tests de la Rotartica Solar 045 63 II.1.1. Présentation de la machine 63 II.1.2. Résultats expérimentaux en régime statique 64 II.1.3. Résultats expérimentaux en régime dynamique 69 II.2. Tests de la Sonnenklima Suninverse 73 II.2.1. Présentation de la machine 73 II.2.2. Résultats expérimentaux en régime statique 74 II.2.3. Résultats expérimentaux en régime dynamique 77 II.3. Tests de la EAW Schüco LB 15 79 II.3.1. Présentation de la machine 79 II.3.2. Résultats expérimentaux en régime statique 80 II.3.3. Résultats expérimentaux en régime dynamique 82 II.4. Tests de la EAW Schüco LB 30 84 II.4.1. Présentation de la machine 84 II.4.2. Identification de régime statique 86 II.4.3. Description du comportement de l'installation en régime transitoire 88 III. Modélisation en régime permanent 88 III.1. Modélisation selon la méthode Kühn et Ziegler 88 III.2. Modélisation phénoménologique 92 III.2.1. Cycle à absorption simple effet (cycle idéal) 92 III.2.2. Intégration technologique (cycle réel) 95 III.2.3. Procédure d’identification des paramètres dimensionnels 97 III.2.4. Rotartica Solar 045 98 III.2.5. Sonnenklima SUNINVERSE 103 III.2.6. EAW Schüco LB 15 104 III.2.7. EAW Schüco LB 30 106 III.2.8. Synthèse 107 IV. Modélisation en régime transitoire 109 IV.1. Modélisation selon la méthode Kühn et Ziegler 109 IV.2. Modélisation phénoménologique 112 IV.2.1. Intégration des paramètres inertiels au modèle statique 112 Table des matières ix IV.2.2. Rotartica Solar 045 114 IV.2.3. Sonnenklima SunInverse 116 IV.2.4. EAW Schüco LB 15 117 IV.2.5. EAW Schüco LB 30 120 V. Conclusion 122 Références bibliographiques 124 CHAPITRE III - ETUDE EXPERIMENTALE D'UNE UNITE DE RAFRAICHISSEMENT SOLAIRE 127 I. Introduction 128 II. Présentation de l'installation AQUISOL 128 II.1. Situation géographique et données météorologiques 129 II.2. Champ de capteurs solaires thermiques 130 II.3. Ballon de stockage chaud 133 II.4. Machine à absorption 133 II.5. Aéro réfrigérant (Dry cooler) 134 II.6. Ventilo-convecteurs et cellules climatiques 135 II.7. Instrumentation et incertitudes de mesures 135 II.8. Régulation de l'installation 139 II.8.1. Le circuit solaire 139 II.8.2. Le circuit désorbeur 140 II.8.3. Machine et circuits de refroidissements et d'eau glacée 140 II.9. Mise en service et problèmes rencontrés 141 III. Fonctionnement de l'unité de rafraîchissement solaire 142 III.1. Indicateurs de performance 142 III.2. Fonctionnement type 144 III.2.1. Essai du 11 juillet 2011 144 III.2.2. Essai du 12 septembre 2011 148 III.3. Fonctionnement type modifié 151 III.4. Fonctionnement sans ballon de stockage 155 III.4.1. Essai du 20 septembre 2011 155 III.4.2. Essai du 21 septembre 2011 157 IV. Conclusion 159 Références bibliographiques 162 Table des uploads/Geographie/ aniesg-absorption-memoire.pdf

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