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HAL Id: tel-01753520 https://hal.univ-lorraine.fr/tel-01753520 Submitted on 29 Mar 2018 HAL is a multi-disciplinary open access archive for the deposit and dissemination of sci- entific research documents, whether they are pub- lished or not. The documents may come from teaching and research institutions in France or abroad, or from public or private research centers. L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est destinée au dépôt et à la diffusion de documents scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, émanant des établissements d’enseignement et de recherche français ou étrangers, des laboratoires publics ou privés. Etude du fonctionnement d’une machine frigorifique à adsorption : modélisation des transferts de chaleur et de masse et optimisation du fonctionnement de la machine Mouad Diny To cite this version: Mouad Diny. Etude du fonctionnement d’une machine frigorifique à adsorption : modélisation des transferts de chaleur et de masse et optimisation du fonctionnement de la machine. Autre. Université Henri Poincaré - Nancy 1, 1996. Français. NNT : 1996NAN10288. tel-01753520 AVERTISSEMENT Ce document est le fruit d'un long travail approuvé par le jury de soutenance et mis à disposition de l'ensemble de la communauté universitaire élargie. Il est soumis à la propriété intellectuelle de l'auteur. Ceci implique une obligation de citation et de référencement lors de l’utilisation de ce document. D'autre part, toute contrefaçon, plagiat, reproduction illicite encourt une poursuite pénale. Contact : ddoc-theses-contact@univ-lorraine.fr LIENS Code de la Propriété Intellectuelle. articles L 122. 4 Code de la Propriété Intellectuelle. articles L 335.2- L 335.10 http://www.cfcopies.com/V2/leg/leg_droi.php http://www.culture.gouv.fr/culture/infos-pratiques/droits/protection.htm U.F.R. Sciences et Techniques de la Matière et des Procédés (STMP) LABORATOIRE D'ÉNERGÉTIQUE ET DE MÉCANIQUE THÉORIQUE ET APPLIQUÉE LEMTA École Doctorale PROMEN (Procédés et Mécanique Energétique) Département de Formation Mécanique Enerqétique ... THESE présentée pour l'obtention du grade de DOCTEUR DE L'UNIVERSITÉ HENRI POINCARÉ, NANCY 1 Spécialité: Mécanique et Énergétique Par Mouad DINY ETUDE DU FONCTIONNEMENT D'UNE MACHINE FRIGORIFIQUE A ADSORPTION MODELISATION DES TRANSFERTS DE CHALEUR ET DE MASSE ET OPTIMISATION DU FONCTIONNEMENT DE LA MACHINE Soutenue publiquement le 16 Décembre 1996 devant la commission d'examen: Président: G. PIAR Rapporteurs: R. JADOT G. PIAR Examinateurs: R. BOUSSEHAIN M. FEIDT L. LUO Professeur à PARIS VII Professeur à la Faculté Polythechnique de MONS Professeur à PARIS VII Maître de Conférences à l'ENSAIS Professeur à l'UHP, NANCY-I Maître de Conférences à l'ENSIC REMERCIEMENTS 3 Introduction générale SOMMAIRE GENERAL 7 CHAP 1 : Synthèse sur les systèmes frigorifiques 10 CHAP Modélisation thermodynamique de la sorption 28 CHAP III : Modélisation du fonctionnement 57 CHAP IV : Dispositif expérimental 87 CHAP V : Résultats expérimentaux et numériques 105 CHAP IV : Modélisation et optimisation du fonctionnement des machines trithermes 126 Conclusion générale et perspectives Annexes 159 161 5 Introduction générale INTRODUCTION GENERALE Les techniques d'application du phénomène d'adsorption se retrouvent dans plusieurs processus industriels. Les systèmes utilisants des adsorbants solides tels que les charbons actifs les aluminosilicates contribuent largement dans les processus de séparation, de purification, du séchage, de déshumidification et de traitement d'air. Les contraintes environnementales imposées pour la limitation de l'utilisation des frigorigènes CFC et HCFC ont contribué à l'émergence des systèmes utilisant l'énergie calorifique comme source primaire telles que les machines frigorifiques à adsorption, objet de la présente thèse. Cette étude, entreprise suite au travail de thèse de L.LUO [1], a pour objectifs: - la caractérisation des performances de l'installation frigorifique en vue de l'optimisation de son fonctionnement - la modélisation des transferts de chaleur et de masse, en transitoire, dans un grain considéré bidispersé et à l'échelle du générateur de la machine - l'optimisation théorique à contrainte de puissance calorifique, pour dégager des critères dimensionnels de conception des échangeurs de la machine. Après avoir dressé dans le chapitre I une synthèse bibliographique sur les systèmes frigorifiques, nous consacrons le chapitre II à des rappels fondamentaux de la physique d'adsorption et à la modélisation des isothermes de sorption. Dans le chapitre III, la modélisation des transferts de chaleur et de masse dans un gram bidispersé et dans le générateur est effectuée. [1] L.LUO, "Etude thermodynamique et thermique de machine à cycle inverse à adsorption", Thèse de 7 Doctorat INPL, Nancy, (1991). Introduction générale Les chapitres IV et V, présentent le dispositif expérimental et les résultats expérimentaux d'évolution en temps réel des températures, des pressions, des masses sorbées dans le générateur ainsi que les conductances thermiques des composants. Ils présentent aussi, quelques résultats numériques de modélisation des transferts dans le grain et dans le générateur. Et enfin, les bilans calorifiques et les coefficients de performance de l'installation. Le chapitre VI, expose les résultats d'optimisation du fonctionnement d'une machine tritherme, par la méthode "Thermodynamique en temps fini ", à contrainte de puissance. Suite à quoi, il est procédé à la conclusion du présent travail et évoqué les perspectives futures en prolongement de celui-ci. [1] L.LUO, "Etude thermodynamique et thermique de machine à cycle inverse à adsorption", Thèse de 8 Doctorat INPL, Nancy, (1991). Chapitre! Synthèse sur les systèmes frigorifiques Nomenclature du chapitre 1 COPr: coefficient de performance côté froid COPe : coefficient de performance côté chaud orne: masse évaporée pour refroidir l'adsorbat de Tc à Te [g/kg] par kilogramme d'adsorbant Lv: chaleur latente d'évaporation du réfrigérant à Te [I/kg] m: masse de réfrigérant cyclépar kilogramme d'adsorbant [g/kg] :MF : machine frigorifique MT: moteur thermique PAC: pompe à chaleur Pc: pression haute [hPa] Pr: pression basse [hPa] QI: quantité de chaleur sensible fournie à la phase adsorbée par kilogramme d'adsorbant pour chauffer le fluide de Ta à Tg [I/kg] QA: quantité de chaleur produite par le phénomène d'adsorption [I/kg] o.. quantité de chaleur fournie pour désorber l'unité de masse de l'adsorbat [I/kg] QE: quantité de chaleur apportée à l'évaporateur [I/kg] o.. quantité de chaleur à la source froid [I/kg] Qg: quantité de chaleur apportée à la désorption au générateur [I/kg] Qi: quantité de chaleur à la source intermédiaire [I/kg] o.. quantité de chaleur sensible de l'unité de masse de l'adsorbant, fournie entre Ta à Tg [I/kg] Ta: température de fin d'adsorption [K] Tc: température supérieure (ou de condensation) [K] Te: température d'évaporation [K] r.: température inférieure [K] Tg: température de fin de désorption [K] Ti: température intermédiaire [K] Tj: température seuil [K] r.. température de saturation [K] W: énergie mécanique [W] 11 Chapitre l 1.1- Introduction Synthèse sur les systèmesfrigorifiques Pour mieux détailler les caractéristiques des machines frigorifiques à adsorption, objet du présent travail de recherche, l'étude bibliographique suivante donne une synthèse des processus de production de froid et des systèmes frigorifiques couramment utilisés. 1 .2- Classification des systèmes frigofiques La classification des systèmes frigorifiques est habituellement faite par type de source d'énergie absorbée, de processus physico-chimique intervenant dans le système ou par type d'utilisation. 1.2.1- Classification par processus physico-chimique 1.2.1.1- Systèmes à changement d'état du frigorigène Les machines frigorifiques les plus utilisées sont celles qui font intervenir deux chaleurs latentes du changement de phase du frigorigène. La chaleur latente de vaporisation, chaleur endothermique permettant de produire l'effet utile frigorifique dans l'évaporateur, et la chaleur latente de condensation, exothermique, utilisée pour produire l'effet utile calorifique dans le condenseur d'une pompe à chaleur. Dans une moindre mesure, des chaleurs de fusion et de sublimation de solides sont utilisées pour la production des effets utiles frigorifiques. Exemples : chaleur latente de fusion de la glace et chaleur de sublimation de la neige carbonique. 1.2.1.2- Systèmes à gaz permanent Les chaleurs d'échauffement et de refroidissement résultant respectivement de la compression et la détente d'un gaz sont utilisées dans un processus de production de froid. Exemple: production d'azote ou d'air liquides dans un cycle de STIRLING inversé (machine PHILIPS) 12 Chapitre I Synthèse sur les systèmesfrigorifiques 1.2.1.3- Systèmes à propriétés thermoéléctriques Les puissances frigorifiques développées par ces systèmes sont modestes et leur utilisation est restreinte. Exemple: modules à effet PELTIER [1]. 1.2.1.4- Systèmes à sorption de gaz ou de vapeur Ces systèmes sont à absorption (humide ou sèche) et à adsorption. Les effets calorifiques mis en jeu sont les chaleurs exothermiques de sorption et les chaleurs endothermiques de désorption. 1.2.2- Classification par source d'énergie absorbée 1.2.2.1- Systèmes frigorifiques consommant de l'énergie mécanique (ou électrique) Parmi ces systèmes, on trouve essentiellement les systèmes frigorifiques à compression de vapeur qui transfèrent de l'énergie calorifique d'un niveau de température inférieur Tf vers un niveau de température supérieur Ti. Ils sont donc au moins dithermes. D'après le second principe de la thermodynamique, ils doivent nécessairement consommer de l'énergie pour effectuer cette opération. Lorsque le système est ditherme, consommant une énergie mécanique, ou équivalente, W, en absorbant une quantité de chaleur Qf dans la source froide à la température Tf et en cédant une quantité de chaleur Qi au puits chaud à la température Ti, le coefficient de performance du système est, dans ce cas de : 1- Production du froid ( machine frigorifique) dans le cas idéal, réversible (1) 2- Production de la chaleur ( pompe à chaleur) COP = e IQII ( ) _ Ti 1 l et COPe id - dans le cas idéal, réversible QI - QF Ti - Tf (2) 13 Chapitre 1 Synthèse sur les systèmesfrigorifiques Les coefficients de performance des systèmes uploads/Industriel/ scd-t-1996-0288-diny.pdf