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1 Influence de l’amplitude thermique et de la température ambiante sur la perfo

1 Influence de l’amplitude thermique et de la température ambiante sur la performance d’une machine frigorifique solaire intermittente à adsorption ; Cas appliqué au Sénégal et à Madagascar. Influence of the temperature range and the ambient temperature on the performance of intermittent solar refrigeration machine adsorption; Case of Senegal and Madagascar F. A. R. ANDRIANAHARINJAKA1*, M. A. RANDRIAZANAMPARANY1, C. RAMINOSOA1, V. SAMBOU2, M. K. NEMATCHOUA1, C. J. N. KEOU3 1Laboratoire de Thermique Appliquée, Ecole Supérieure Polytechnique, Université d’Antsiranana, MADAGASCAR 2Centre International de Formation et de Recherche en Energie Solaire, Ecole Supérieure Polytechnique, UCAD-Dakar, SENEGAL 3Laboratoire d’Analyse des Technologies de l’Energie et de l’Environnement, Université de Yaoundé 1, CAMEROUN Correspondance, courriel* : andriarozo@gmail.com Résumé Les machines frigorifiques solaires à adsorption sont des bonnes alternatives pour l’économie de l’énergie et à la protection de l’environnement. Leur utilisation est particulièrement intéressante au Sénégal et à Madagascar où l’insolation est très forte annuellement. Ce travail s’intéresse à l’étude de la machine dans son fonctionnement intermittent en utilisant le couple adsorptif charbon actif AC-35/méthanol. Il est centré sur la détermination de l’influence des températures de fonctionnement de la machine sur deux facteurs qui sont la quantité de froid produite et le coefficient de performance thermique. Les simulations numériques sous un environnement MATLAB montrent que la meilleure performance s’obtient aux plus faibles valeurs de l’amplitude thermique et celles de la température ambiante. Par ailleurs, on note un léger accroissement de la quantité de froid produite lors de l’accroissement de l’amplitude thermique. Une corrélation entre les paramètres climatiques et la température optimale de régénération est proposée. Avec les données climatiques régionales de l’année 2015, les meilleures performances correspondent pour Sénégal et Madagascar, aux villes de Dakar et d’Antananarivo avec des coefficients de performance thermique respectifs de 0,49 et 0,51. L’intérêt comparatif de l’utilisation de la machine dans d’autres villes comme M’bour, Saint Louis et Ziguinchor au Sénégal et Antsiranana, Toamasina et Mahajanga à Madagascar est discuté. Mots clés : amplitude thermique, température ambiante, machine frigorifique, adsorption, solaire. Abstract Solar adsorption chillers are good alternatives for saving energy and protecting the environment. Overuse their particular interest in Senegal and Madagascar where insolation is very strong annually. This work focuses on the study of the machine in its intermittent torque using adsorptive activated carbon AC-35 / methanol. It focuses on determining the influence of the operating temperature of the machine on two factors that the amount of produced cold and the thermal coefficient of performance. Numerical simulations in MATLAB environment show that the best performance is obtained at lower values of the temperature range and those of ambient temperature. Furthermore, there is a slight increase in the amount of cold occurred while increasing the thermal amplitude. A correlation between climatic parameters and the optimum regeneration temperature is proposed. With regional climate data of 2015, the best performance match for Senegal and Madagascar, the cities of Dakar and Antananarivo with thermal coefficient of performance respectively 0.49 and 0,51. The comparative advantage of using the machine in other cities such as Mbour, Saint Louis and Ziguinchor in Senegal and Antsiranana, Toamasina and Mahajanga in Madagascar is presented and discussed. Keywords: temperature range, ambient temperature, cooling machine, adsorption, solar. 2 Nomenclature Lettres latines Lettres grecques Cpc Cpl Cpw D L m ma mw n P Ps R Ta Tc1 Te Tg qst Q1 Q2 Q3 Qc Qdes Qf x V1,V2 w0 Chaleur spécifique du charbon actif [J/kgK] Chaleur spécifique du méthanol liquide [J/kgK] Chaleur spécifique de la partie métallique de [J/kgK] l’adsorbeur Coefficient caractéristique du couple Chaleur latente de condensation [J/K] Masse (en fraction) [kg/kg] Masse d’adsorbant [kg] Masse des parties métalliques de l’adsorbeur [kg] Coefficient caractéristique du charbon actif Pression [Pa] Pression de saturation [Pa] Constante de gaz parfait [J/kmol K] Température d’adsorption [°C] Température de condensation [°C] Température d’évaporation [°C] Température de régénération [°C] Chaleur isostérique d’adsorption [J/kgads] Chaleur absorbée par le charbon actif [J] Chaleur absorbée par le méthanol [J] Chaleur absorbée par les parties métalliques [J] Chaleur introduite au niveau de l’adsorbeur [J] Chaleur utilisée pour la désorption [J] Quantité de froid [J] Taux de concentration en méthanol adsorbé [kg/kg] Vannes Volume maximal adsorbable [l/kg]  Δx ΔT l  Coefficient d’expansion thermique du méthanol liquide Taux d’adsorbat cyclé [kg/kg] Amplitude thermique [°C] Masse volumique du méthanol liquide [kg/m3] Autres indices min max opt th minimum maximum optimal thermique 1. Introduction Face aux défis énergétiques et environnementaux actuels, le domaine de la réfrigération et de la climatisation est en transition technologique. L’énergie solaire étant une source d’énergie propre et abondante dans nombreux pays africain comme le Sénégal et Madagascar et le besoin en froid coïncide souvent avec la disponibilité du rayonnement solaire [1]. Le système frigorifique solaire à adsorption qui fonctionne avec des fluides bénis pour l’environnement est une solution intéressante de supplément au système classique [2]. Les limites de ce système résident dans sa faible performance et de la dépendance de celle-ci au climat [3]. Les études dans la littérature ont débuté par la recherche des meilleurs couples adsorbant/adsorbat [4-6]. Elles se poursuivent vers l’amélioration de l’adsorbeur [7-12] et du capteur-adsorbeur [13-15] afin d’obtenir une performance maximale. Les améliorations sont basées sur la maximisation du transfert de chaleur selon différentes approches tels que l’optimisation de la forme de l’adsorbeur [7-8], l’ajout d’un composant [14, 15, 9, 10], la multiplication du nombre de lit [16-17], la récupération de chaleur [11,13] et la récupération de masse [12]. Les spécifications des conditions climatiques sont devenues de plus en plus remarquables [18-21] car les résultats obtenus sont différents d’un pays à un autre, voire entre les villes d’un même pays [22]. La sensibilité du système vis-à-vis de la température de régénération a été également remarqué [21, 23]. 3 Le présent travail étudie l’influence des données de température sur la performance maximale de la machine afin de qualifier sa dépendance au climat. Nous effectuons plusieurs simulations numériques et nous analysons la variation de la quantité de froid produite (Qf) et du coefficient de performance thermique (COPth). Nous proposons une expression de corrélation entre les températures de fonctionnement et la température optimale de régénération. Nous présentons les résultats de l’analyse dans le cas général et dans dix régions du Sénégal et de Madagascar avec l’utilisation du couple charbon actif AC-35/méthanol. 2. Description du système L’adsorption est la fixation des molécules d’un fluide appelé adsorbat sur la surface d’un corps solide dit adsorbant sous l’effet de la diminution de la température ; c’est un phénomène réversible. Le système physique est constitué (Figure 1) de la mise en série d’un capteur-adsorbeur contenant l’adsorbant, d’un condenseur en contact direct avec l’air libre, d’un évaporateur placé dans l’espace à refroidir et de deux vannes V1 et V2 qui permettent de libérer ou bloquer la circulation de l’adsorbat dans le circuit fluidique. (a) (b) (c) Figure 1 : Description du fonctionnement. (a) : pendant le jour ; (c) : pendant la nuit ; (b) : diagramme de Clapeyron Le cycle théorique est décrit par deux isobares et deux isothermes selon la Figure 1b. Il commence au début de la journée par une phase de pressurisation (1 vers 2) de l’ensemble adsorbant/adsorbat, puis une phase de désorption (2 vers 3) qui s’achève à la température de régénération Tg. A la fin de la journée, l’ouverture de la vanne V1 permet à l’adsorbat condensé de se glisser vers l’évaporateur. La diminution de la température du capteur-adsorbeur (et donc de l’adsorbant) pendant la nuit provoque une diminution de la pression (3 vers 4) suivie d’une phase d’adsorption (4 vers 1). C’est la phase de production de froid. Le Tableau 1 résume les instants, les phases et la position des vannes durant un cycle. La condensation et l’évaporation s’effectuent respectivement à la température ambiante du jour et celle de la nuit, températures correspondantes à Tc et à Ta du cycle théorique. Tableau 1 - Description des phases du cycle frigorifique Points du cycle 1 vers 2 2 vers 3 3 vers 4 4 vers 1 Instants Début de journée Milieu de journée Fin de journée Nuit Phases Pressurisation Désorption Dépressurisation Adsorption Vanne V1 Fermé Fermé Ouvrir puis fermer Fermé Vanne V2 Fermé Fermé Fermé Ouvert 4 3. Modélisation mathématique La quantité d’adsorbat adsorbé est modélisée en utilisant l’expression de Dubinin-Astakhov [4].   0. exp ln n s l P T m T D T P                  (1) La chaleur isostérique d’adsorption s’exprime par [24] :   1 . . . ln ln . n s s st P T P RT q L T RT T P n D P                  (2) La température seuil de désorption Tc1 se détermine en écrivant avec l’équation (1) la relation :     1 , , a e c c m T P m T P  (3) La chaleur introduite au niveau du capteur-adsorbeur est utilisée en partie uploads/Industriel/froid-solaire-par-adsorption-andrianaharinjaka2.pdf