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THÈSE UNIVERSITE DE PAU ET DES PAYS DE L’ADOUR École Doctorale des Sciences Exa

THÈSE UNIVERSITE DE PAU ET DES PAYS DE L’ADOUR École Doctorale des Sciences Exactes et de leurs Applications Soutenue le 15/03/2016 par Lorenzo CASTILLO GARCIA pour obtenir le grade de docteur de l’Uniǀersité de Pau et des Pays de l’Adour Spécialité : Energétique DEVELOPPEMENT D’UN OUTIL DE SIMULATION DYNAMIQUE POUR LA CONCEPTION D’UNE “OLUTION DE CLIMATISATION SOLAIRE REVERSIBLE MEMBRES DU JURY RAPPORTEURS • Alberto CORONAS SALCEDO PR / Universitat Rovira i Virgili • Nolǁenn LE PIERRE“ MC - HDR / Université Savoie Mont Blanc EXAMINATEURS • Jean-Pierre BEDECARRATS PR / UPPA • Michel MEYER PR / ENSIACET - INPT • Brice TREMEAC MC / Conservatoire National des Arts et Métiers (CNAM) • Yann VITUPIER IR / Helioclim DIRECTEURS • Jean-Michel RENEAUME PR / UPPA • Sabine SOCHARD MC / UPPA 1 Résumé : Cette thğse s’inscrit dans le cadre du projet SCRIB ;͞dispositif “olaire de Cliŵatisation Réǀersiďle Intégré au Bâti͟Ϳ porté par la société Heliocliŵ. Ce projet est financé par l’état français dans le cadre des « Inǀestisseŵents d’aǀenir » pilotés par l’ADEME ;Agence de l’Enǀironneŵent et de la Maîtrise de l’EnergieͿ. Le but de ce projet est de développer une solution de climatisation solaire réversible capable de répondre à l’enseŵďle des ďesoins thermiques des bâtiments industriels et tertiaires (climatisation, chauffage, production de froid industriel, eau chaude sanitaireͿ. Le systğŵe est constitué d’une ŵachine à aďsorption réǀersiďle, alimentée par un système de capteurs solaires innovants. Le cycle de la machine à absorption est en configuration GAX (Generator-Absorber heat eXchange – échange de chaleur entre le générateur et l’aďsorďeurͿ. Ce traǀail de thğse s’est intéressé au déǀeloppeŵent d’un outil logiciel aidant à la conception et au contrôle d’une telle ŵachine. Un ŵodğle de connaissance prenant en coŵpte les paraŵğtres de fonctionneŵent et de diŵensionneŵent a été ainsi ŵis en œuǀre. L’originalité de ce traǀail repose sur les points suiǀants : - L’outil logiciel propose plusieurs ŵodules Ƌui perŵettent de siŵuler différentes configurations de machine à absorption (mono ou multi-étagée). - Les propriétés therŵodynaŵiƋues des ŵélanges ont été ŵodélisées à l’aide de ŵodğles ďasés sur l’utilisation d’une éƋuation d’état ou d’un ŵodğle d’enthalpie liďre d’eǆcğs. Ainsi, le couple fluide pourra être facilement changé. - Un modèle de « Flash Positif » permet de prédire l’état de chaƋue courant ;liƋuide sous-refroidi, liquide-ǀapeur ou ǀapeur surchaufféeͿ sans poser d’hypothğses a priori. ChaƋue courant est considéré multiconstituant. - Les ďilans ŵatiğre et d’énergie sont écrits pour les différents appareils ;éǀaporateur, absorbeur, détenteur,…Ϳ. - Le générateur est ŵodélisé par un eŵpileŵent d’étages théoriƋues. Les éƋuations ME“H ;Mass balance, Equilibrium, Summation, Heat balance) ont été écrites pour chaque étage. - Les inerties thermiques et de matière sont prises en compte. Les résultats de siŵulation oďtenus à l’aide de cet outil logiciel ont été coŵparés aǀec succğs à une étude puďliée Ƌui concernait un cycle GAX fonctionnant aǀec le couple aŵŵoniac/eau. A l’aide de cet outil, le régiŵe permanent et le comportement dynamique du système soumis à une perturbation peuvent être simulés, ce qui peut constituer une aide importante dans le développement de la politique de contrôle du système. Mots-clés : Climatisation Solaire, Machine à absorption, Modèle Dynamique, EƋuation d’état, Flash Positif, Etage théorique. Abstract: This PhD thesis ǁas carried on in the fraŵeǁork of the “CRIB project ;͞dispositif “olaire de Cliŵatisation Réǀersiďle Intégré au Bâti͟Ϳ led ďy the Heliocliŵ coŵpany. This project is funded ďy the French goǀernŵent ;͞Inǀestisseŵents d’Aǀenir͟ operated ďy the French Agency for Energy and Enǀironŵent, ADEMEͿ. The goal of this project is to develop a reversible solar cooling system which can respond to a set of thermal requirements in industrial and tertiary building sector (cooling system, heating system, industrial cooling system and domestic hot water). Thus an ammonia/water absorption chiller prototype, powered by innovative thermal solar concentrators, has been built. This absorption chiller has a GAX (Generator-Absorber heat eXchange) configuration. This PhD work focused on the development of a support tool for the conception and the control of such device. A software tool has been developed implementing knowledge-based model, which took into account the operating and design parameters of the absorption chiller. The key originalities of the proposed work are as follows: - The software has been designed in a modular way allowing the simulation of various absorption chiller configurations (single or multi-stage). - The therŵodynaŵic properties of the ŵiǆture haǀe ďeen ŵodeled ďy eƋuation of state or eǆcess Giďď’s energy model. The working fluids can then be changed easily. - A ͞Positiǀe Flash͟ ŵodel alloǁs the description of all the possiďle states ;sub-cooled, super-heated, ďiphasic…Ϳ of the ǀarious streaŵs ǁhich are all considered as ŵulticoŵponent ŵiǆtures, ǁithout a priori assumptions. - The various devices (evaporator, absorber, valves, etc.) are modeled from balance equations (mass, energy). - The generator is modeled using the concept of theoretical plates. MESH equations (Mass balance, Equilibrium, Summation, Heat balance) have been written for each stage. - Both thermal and material inertia are considered. Simulation results obtained with this software have been successfully compared to an earlier published experimental study for a GAX configuration absorption chiller which used ammonia/water as working fluids. Thanks to this tool, the steady state and the transient behavior of the system submitted to a perturbation can be simulated, which can be helpful for the development of the control policy of the absorption chiller. Key words: Solar cooling, Absorption Chiller, Dynamic Model, Equation of State, Positive Flash, Theoretical plates. 2 3 Sommaire Sommaire ......................................................................................................................................................... 3 Introduction ................................................................................................................................................... 13 Chapitre 1.- Etat de l’aƌt des ŵaĐhiŶes à aďsoƌptioŶ ................................................................................ 21 1.1 INTRODUCTION ........................................................................................................................................ 21 1.2 DESCRIPTION THERMODYNAMIQUE DES MA .................................................................................................. 21 1.2.1 Explication thermodynamique du cycle simple ............................................................................... 21 1.2.2 Diagƌaŵŵe d’Oldhaŵ ..................................................................................................................... 24 1.2.3 Terminologies .................................................................................................................................. 26 1.2.4 Configurations des cycles de MA ..................................................................................................... 27 1.3 COUPLES FLUIDES ..................................................................................................................................... 32 1.3.1 Le réfrigérant ................................................................................................................................... 32 1.3.2 L’aďsoƌďaŶt ..................................................................................................................................... 33 1.3.3 Couples fluides dans les machines à absorption ............................................................................. 34 1.3.3.1 Couples fluides utilisant l’aŵŵoniac ;NH3) comme réfrigérant ............................................................. 35 1.3.3.2 Couples fluides utilisant l’eau ;H2O) comme réfrigérant ........................................................................ 36 1.3.3.3 Couples fluides utilisant un hydrocarbure halogéné comme réfrigérant ............................................... 37 1.3.3.4 Couples fluides utilisant des hydrocarbures comme réfrigérant ............................................................ 38 1.3.3.5 Couples fluides utilisant d’autres ŵolécules coŵŵe réfrigérant .......................................................... 39 1.4 PROTOTYPES ET RÉALISATIONS INDUSTRIELLES DE MA ...................................................................................... 40 1.4.1 Prototypes : configurations fréquentes et restrictions avec le couple H2O/LiBr .............................. 40 1.4.2 Prototypes : configurations fréquentes et restrictions avec le couple NH3/H2O.............................. 43 1.4.3 Réalisations industrielles ................................................................................................................. 44 1.5 CONCLUSION ........................................................................................................................................... 45 Chapitre 2.- Bibliographie des modèles des machines à absorption ......................................................... 47 2.1 ESTIMATION DES PROPRIÉTÉS THERMODYNAMIQUES ........................................................................................ 47 2.2 MODÉLISATION DES MACHINES À ABSORPTION PAR DES CORRÉLATIONS EMPIRIQUES ET SEMI-EMPIRIQUES ................. 49 2.3 MODÉLISATION DES MACHINES À ABSORPTION À L’AIDE DE MODÈLES PRÉDICTIFS ................................................... 52 2.3.1 Régime permanent .......................................................................................................................... 53 2.3.1.1 Modğles d’analyse énergétiƋue ............................................................................................................. 53 2.3.1.2 Modèles de bilans ................................................................................................................................... 59 2.3.1.3 Modèles de transfert .............................................................................................................................. 62 2.3.2 Régime dynamique .......................................................................................................................... 66 2.4 CONCLUSION ........................................................................................................................................... 76 Chapitre 3.- DĠveloppeŵeŶt d’uŶ ŵodğle de ŵaĐhiŶe à aďsoƌptioŶ et sa stƌatĠgie de ƌĠsolutioŶ ........... 79 3.1 INTRODUCTION ........................................................................................................................................ 79 3.2 DÉFINITION DES MODULES POUR LA MODÉLISATION DES MACHINES À ABSORPTION ................................................ 79 3.3 STRATÉGIE DE RÉSOLUTION ......................................................................................................................... 82 3.4 MODÉLISATION DES PROPRIÉTÉS THERMODYNAMIQUES ................................................................................... 84 3.4.1 CalĐul de l’ĠƋuiliďƌe liƋuide-vapeur ................................................................................................. 84 3.4.2 Calcul des enthalpies ....................................................................................................................... 85 3.4.3 Cas du couple NH3/H2O ................................................................................................................... 87 3.5 GESTION DE L’ÉTAT PHYSIQUE DES COURANTS – FLASH POSITIF .......................................................................... 89 4 3.6 MODÉLISATION DES DIFFÉRENTS MODULES .................................................................................................... 92 3.6.1 Echangeur de chaleur ...................................................................................................................... 93 3.6.1.1 Échangeur simple ................................................................................................................................... 93 3.6.1.2 Échangeur généralisé ........................................................................................................................... 102 3.6.2 Ballon de stockage ........................................................................................................................ 103 3.6.3 Générateur .................................................................................................................................... 115 3.6.3.1 Equations MESH des étages intermédiaires : ....................................................................................... 119 3.6.3.2 EƋuations ME“H de l’étage d’aliŵentation : ........................................................................................ 119 3.6.3.3 Sous-refroidissement du résidu : .......................................................................................................... 120 3.6.3.4 Equations du condenseur partiel : ........................................................................................................ 120 3.6.3.5 Equations du bouilleur :........................................................................................................................ 122 3.6.3.6 Approche flash positif pour les deux courants sortants : ..................................................................... 123 3.6.4 Absorbeur (Mélangeur) ................................................................................................................. 124 3.6.5 Vanne de détente et pompe de solution ....................................................................................... 126 3.6.6 Spécificités du régime permanent ................................................................................................. 128 3.7 MÉTHODES DE RÉSOLUTION ...................................................................................................................... 129 3.7.1 Régime permanent ........................................................................................................................ 129 3.7.2 Régime dynamique ........................................................................................................................ 131 3.8 CONCLUSIONS ........................................................................................................................................ 133 Chapitre 4.- Résultats ............................................................................................................................. 135 4.1 INTRODUCTION ...................................................................................................................................... 135 4.2 EXEMPLE GAX SANS BALLON .................................................................................................................... 135 4.2.1 PƌĠseŶtatioŶ de l’eǆeŵple ............................................................................................................. 135 4.2.2 Régime permanent ........................................................................................................................ 140 4.2.3 Régime dynamique - Perturbation des températures des sources absorbeur et condenseur ....... 142 4.2.4 Régime dynamique - Perturbation du dĠďit de la souƌĐe fƌoide à l’Ġvapoƌateuƌ .......................... 146 4.2.5 Régime dynamique - PeƌtuƌďatioŶ siŶusoïdale de la teŵpĠƌatuƌe d’eŶtƌĠe de la souƌĐe solaiƌe.. 149 4.2.6 Conclusion ..................................................................................................................................... 153 4.3 EXEMPLE GAX AVEC BALLONS ................................................................................................................... 153 4.3.1 PƌĠseŶtatioŶ de l’eǆeŵple ............................................................................................................. 153 4.3.2 Régime permanent ........................................................................................................................ 157 4.3.3 Régime dynamique (cas a) – Réduction des puissances auxiliaires ............................................... 161 4.3.4 Régime dynamique (cas a) – Réduction des puissances auxiliaires avec perturbations simultanées d’autƌes paƌamètres ................................................................................................................................... 167 4.3.5 Régime dynamique (cas b) – Réduction des puissances auxiliaires ............................................... 172 4.3.6 Régime dynamique – Passage d’uŶ Ŷuage .................................................................................... 179 4.4 CONCLUSION ......................................................................................................................................... 183 Conclusion .................................................................................................................................................... uploads/Industriel/ developpement-d-x27-un-outil-de-simulation-dynamique-pour-la-conception-d-x27-une-solution-de-climatisation-solaire-reversible-quot-castillo-quot.pdf