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BADJI MOKHTAR – ANNABA UNIVERSITY UNIVERSITE BADJI MOKHTAR – ANNABA FACULTE DES

BADJI MOKHTAR – ANNABA UNIVERSITY UNIVERSITE BADJI MOKHTAR – ANNABA FACULTE DES SCIENCES DE L’INGENIEUR Année 2008 DEPARTEMENT DE GENIE MECANIQUE MEMOIRE Présentée en vue de l’obtention du diplôme de MAGISTER Modélisation de l’écoulement diphasique de l’ammoniac (R717) à travers un éjecteur d’une machine de climatisation tritherme. Spécialité : Génie Mécanique Option : Enérgitique Par KHADRAOUI Rachedi DIRECTEUR DE THESE : L. Boumaraf Pr Université d’Annaba DEVANT LE JURY PRESIDENT : B. Merzoug Pr Université d’Annaba EXAMINATEURS : T. Bouchami Pr Université d’Annaba A. Guerziz M.C Université d’Annaba SOMMAIRE NOMENCLATURE 1 INTRODUCTION GENERALE 3 HISTORIQUE 4 CHAPITRE I : ETUDE DES MACHINES THERMOFRIGORIFIQUES 20 I.1. RAPPEL THERMODYNAMIQUE 20 I.1.1. Coefficients de performance 22 I.1.2. Machine consommant de l’énergie mécanique (Système Mécanofrigorifique) : (Système au moins Ditherme) 23 I.1.3. Machine consommant de l’énergie thermique (Système Thermofrigorifique) : (Système au moins Tritherme) 24 I.2. RENDEMENTS THEORIQUES DES MACHINES THERMIQUES POLYTHERMES 25 I.2.1. Efficacité frigorifique d'une machine de Carnot 25 I.2.2. Choix des sources. Frontière du système 28 I.2.3. Machines trithermes directes 29 I.3. DIFFERENTS TYPES DE MACHINES THERMOFRIGORIFIQUES 33 I.3.1. Systèmes où le fluide actif (frigorigène) change d’état 34 I.3.2. Systèmes où le fluide actif (frigorigène) ne change pas d’état 43 I.3.3. Autres systèmes 44 I.4. MACHINE FRIGORIFIQUE A EJECTO – COMPRESSION 45 I.4.1. Principe de fonctionnement de la machine 45 I.4.2. Principe de fonctionnement de l'éjecteur 50 I.4.3. Aérodynamique de l'éjecteur 51 CHAPITRE II : ANALYSE BIBLIOGRAPHIQUE 56 II.1. PERFORMANCES DES MACHINES FRIGORIFIQUES TRITHERMES A EJECTO-COMPRESSION 56 II.2. LES FLUIDES FRIGORIFIQUES 64 II.2.1. Introduction 64 II.2.2. Terminologie et nomenclature 65 II.2.3. Protection de l’environnement 66 II.2.4. Critères de choix 67 II.2.5. Technique du froid, climatisation et pompes à chaleur Appareils et installations 68 II.2.6. Appréciations écologiques 73 II.2.7. Problèmes particuliers 76 II.2.8. Conclusions 77 CHAPITRE III : MODELISATION DE L'EJECTEUR DE LA MACHINE TRITHERME A EJECTO COMPRESSION UTILISANT L'AMMONIAC 80 III.1. ETUDE BIBLIOGRAPHIQUE DES MODELES GLOBAUX 80 III.2. MODELISATION DU FONCTIONNEMENT D’UN EJECTEUR MODELE "A PRESSION CONSTANTE" 81 III.3. ANALYSE DU FONCTIONNEMENT DU SYSTEME 81 III.4. MODELE MATHEMATIQUE 84 III.5. RESOLUTION DES SYSTEMES D’EQUATIONS 88 III.6. RESULTATS ET DISCUSSIONS 94 III.7. CONCLUSION 101 CHAPITRE IV : PERFORMANCES D'UNE MACHINE FRIGORIFIQUE SOLAIRE A EJECTO-COMPRESSION 102 IV.1. INTRODUCTION 102 IV.2. L’ENERGIE SOLAIRE 104 IV.2.1. Introduction 104 IV.2.2. Aspects géométriques 107 IV.2.3. Aspects énergétiques 112 IV.3. L’ENERGIE SOLAIRE THERMIQUE 124 IV.4. LES CAPTEURS SOLAIRES 126 IV.4.1. Principe de fonctionnement 127 IV.4.2. Les différents types des capteurs solaires a circulation de liquide 127 IV.5. PERFORMANCES DE LA MACHINE FRIGORIFIQUE SOLAIRE A EJECTO-COMPRESSION 133 IV.6. CONCLUSION 139 CONCLUSION GENERALE 140 ANNEXE 142 Nomenclature 1 N o m e n c l a t u r e Nomenclature a Vitesse du son A Surface de section de l’éjecteur (m²) AH Angle horaire B0 Trouble d’angström BF Boucle frigorifique BL Bouteille de liquide BM Boucle motrice COP Coefficient de performance D Diamètre de tube de mélange cylindrique (m) d Diamètre (m) EJ Ejecteur Ex Exergie G Irradiation solaire globale h Enthalpie (kJ/kg) (ou l’hauteur solaire) I Rayonnement incident I0 Constante solaire j Quantième jour de l’année L Liquide M Nombre de Mach m Débit massique (kg/s) P Pression (N/m²) (Primaire dans le schéma) Q Puissance thermique (kW) R Réfrigérant (constante du gaz) R Albédo S Entropie (kJ/kg K) (Secondaire dans le schéma, Solvant et source de chaleur) SS Durée d’apparition réelle du soleil pour une journée SS0 Durée d’apparition théorique du soleil pour la même journée T Température (°C) TL Temps légal TL Trouble de Linke TU Temps universel TSM Temps solaire moyen TSV Temps solaire vrai tv Tension de vapeur U Facteur d’entraînement de l’éjecteur v Visibilité V Vitesse du fluide (m/s) (ou vapeur) W Puissance mécanique (kW) w Travail spécifique (kJ/kg) z Altitude (m) Nomenclature 2 N o m e n c l a t u r e Symboles grecs ε Efficacité frigorifique (le COP) ρ Masse volumique (kg/m3) η Rendement α Azimut de la normale au plan β Angle d’inclinaison du capteur sur le plan horizontal Φ Paramètre géométrique de l’éjecteur φ Paramètre géométrique de l’éjecteur (ou la latitude en °) λ Longitude en ° (ou longueur d’onde) Ω Paramètre géométrique de l’éjecteur ϴ Facteur de Carnot δ Taux de détente (ou déclinaison du soleil) γ Rapport des chaleurs spécifiques à pression et à volume constants (ou correction par la distance terre soleil) ψ Azimut du soleil Δ Variation Indices a Ambiant B Générateur (Bouilleur) C Condenseur (ou Carnot le cas idéal) D Diffuseur (ou éclairement diffus) E Évaporateur e Entrée ex Exergie G Globale is isentropique mot moteur P Relatif au fluide primaire ou pompe S Relatif au fluide secondaire, sortie ou éclairement direct 1,2,… Emplacements dans l’éjecteur 0 Etat de stagnation sc Capteur solaire 1,2,… Emplacements dans l’éjecteur (ou sources de chaleur) Exposant * Relatif au col d’une tuyère ‘ Relatif au fluide primaire " Relatif au fluide secondaire Résumé et Mots Clefs 3 R é s u m é e t M o t s C l e f s Résumé: - Afin de simuler le comportement de l’ammoniac (R717) en écoulement diphasique à travers l’éjecteur d’une machine solaire tritherme à éjecto-compression destinée à la climatisation fonctionnant avec l’énergie solaire à basse ou moyenne température, un modèle de son fonctionnement en régime optimal basé sur les principes de conservation de la masse, de la quantité de mouvement et de l’énergie est mis au point. Pour cela, les caractéristiques thermodynamiques du fluide frigorigène en phase liquide et vapeur sont calculées à l’aide du logiciel REFPROP. Le facteur d’entrainement U et les paramètres géométriques φ et Φ de l'éjecteur fonctionnant en régime optimal de transition caractérisé par la formation d’un col sonique du jet du fluide secondaire avant son mélangeage avec celui du fluide primaire sont calculés ainsi que le coefficient de performance COP du cycle frigorifique de la machine. L’influence des niveaux de températures au générateur, au condenseur et à l’évaporateur sur ces paramètres est aussi analysée. Enfin, une comparaison du COP global de la machine à éjecto-compresseur solaire (Solar Ejector Cooling System) en fonction des différents types de collecteurs solaires commercialement disponibles dans les conditions météorologiques de Skikda (Algérie) a été faite. Mots clefs: - Ammoniac; Ejecteur; COP; Cycle frigorifique; Machine tritherme; Energie solaire. Historique 4 H i s t o r i q u e Il ne saurait être question dans cet avant-propos de se pencher sur toutes les applications actuelles du froid artificiel, car elles se chiffrent par centaines. De nombreux ouvrages ont déjà été écrits sur ces sujets et les revues techniques spécialisées publient régulièrement des articles consacrés à de nouvelles applications. Aussi pensons-nous qu'il est intéressant de voir comment une industrie, née il y a plus d'un siècle, avec un but unique, a pu à ce jour devenir l'auxiliaire de tant d'industries ou de commerces et a transformé la vie sociale de millions d'individus, à tel point que l'on peut parler au sens propre de « conquêtes du Froid ». Le Froid avant les machines frigorifiques Glace Naturelle L’Homme des pays tempérés s’est rapidement rendu compte que les denrées périssables pouvaient être conservées dans de bien meilleures conditions l’hiver que l’été. L’utilisation du « froid naturel » s’est faite très tôt et aussi très longtemps puisqu’au début du 20 ème siècle le marché de la glace naturelle était encore plus important que celui de la glace artificielle. La glace produite naturellement, sans machines, était :  soit issue de façon permanente de régions froides et transportée sur de longues distances ;  soit issue de manière discontinue des pièces d’eau des régions tempérées gelées par le froid hivernal. Il était nécessaire de conserver cette glace dans des édifices particuliers les « glacières » dont les parois devaient être thermiquement isolantes.  soit produite, toujours de manière naturelle, mais à l’instigation de l’homme, quand cela était possible. Ainsi, dans les pays au ciel très clair, on a pu produire de la glace dans des bassins largement ouverts vers le ciel. Le rayonnement thermique de l’eau permettait, dans certaines conditions atmosphériques, un refroidissement suffisant pour former de la glace. Mélanges réfrigérants On s’est avisé, sans doute fortuitement, que le mélange de certains sels dans l’eau abaissait notablement la température de la solution ainsi obtenue. Le premier à avoir évoqué l’usage, en Inde, au 4 ème siècle, de tels mélanges semble être l’écrivain arabe Ibn Abi Usaibia. L’usage du refroidissement de l’eau par l’emploi du salpêtre est cité par le médecin italien Zimara, à Padoue (1530) et le médecin espagnol, Blas Villa franca, à Rome (1550). On a ensuite découvert que le mélange de neige et de sels permettait d’atteindre des températures encore plus basses. Ces phénomènes ont été relatés par Battista Porta (1589) et Tancredo (1607). Historique 5 H i s t o r i q u e Les précurseurs et les savants Dès le 17 ème siècle, la chaleur et le froid alimentèrent les réflexions des savants et philosophes comme Robert Boyle (1627-1691) en Angleterre et Mikhail Lomonossov (1711-1765) en Russie. Dans la même période, après les premiers travaux uploads/Industriel/ rachedi-pdf.pdf