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THÈSE / UNIVERSITÉ DE RENNES 1 sous le sceau de l’Université Bretagne Loire En

THÈSE / UNIVERSITÉ DE RENNES 1 sous le sceau de l’Université Bretagne Loire En Cotutelle Internationale avec l’Université Cheikh Anta Diop, Dakar, Sénégal pour le grade de DOCTEUR DE L’UNIVERSITÉ DE RENNES 1 Mention : Energétique-Thermique-Combustion Ecole doctorale Sciences Pour l’Ingénieur présentée par Ahmadou Tidiane Diaby préparée au LGCGM EA 3913 Laboratoire de Génie Civil et Génie Mécanique IUT de Rennes Etude expérimentale et simulée d’une installation de thermofrigopompe pour la production de froid et le dessalement Thèse soutenue à Saint-Malo le 30 novembre 2017 devant le jury composé de : Stefan VAN VAERENBERGH Professeur à l’Université Libre de Bruxelles, Belgique / examinateur Pierre NEVEU Professeur à l’Université de Perpignan / rapporteur Wojciech KUJAWSKI MCF HDR à l’Université de Torun, Pologne / rapporteur Laurence FOURNAISON Directrice de recherche à l’IRSTEA / examinateur Ibrahima Khalil CISSE Professeur titulaire à l’Ecole Polytechnique de Thiès, Sénégal / examinateur Ousmane SOW Professeur assimilé à l’Ecole Polytechnique de Thiès, Sénégal / co-directeur de thèse Thierry MARE MCF HDR à l’Université de Rennes 1 / co-directeur de thèse Paul BYRNE MCF à l’Université de Rennes 1 / co-directeur de thèse A mes parents, ma famille, et mes amis qui ont toujours cru en moi et supporté mon absence durant ces trois années À la mémoire de Abou Diaby et Moussa Dianka ________________________________________________________________________________ i Table des matières Remerciements ...................................................................................................................................... v Résumé ................................................................................................................................................. vii Abstract ................................................................................................................................................ vii Introduction générale ............................................................................................................................ 1 Chapitre I : Etude bibliographique ..................................................................................................... 3 Introduction ........................................................................................................................... 4 Cycles thermodynamiques à compression de vapeur ......................................................... 6 I.2.1 Schéma du cycle thermodynamique à compression de vapeur ........................................... 6 I.2.2 Définition et rôle des composants du cycle thermodynamique à compression de vapeur .. 6 I.2.3 Fonctionnement du cycle thermodynamique en thermofrigopompe ................................... 7 I.2.4 Performances des machines thermodynamiques à compression de vapeur ......................... 8 I.2.4.1 Aspects énergétiques ................................................................................................... 8 I.2.4.2 Aspects exergétiques ................................................................................................... 9 I.2.5 Etudes menées sur les thermofrigopompes par le LGCGM .............................................. 10 I.2.6 Autres études d’optimisation des performances menées dans la littérature ...................... 11 I.2.7 Etudes sur les fluides frigorigènes ..................................................................................... 12 I.2.7.1 Considérations générales ........................................................................................... 13 I.2.7.2 Les Hydrocarbures (HC) ........................................................................................... 14 I.2.7.3 Les Hydrofluorooléfines (HFO) ................................................................................ 15 I.2.7.4 L’ammoniac ............................................................................................................... 16 I.2.7.5 Le dioxyde de carbone (CO2) .................................................................................... 16 I.2.7.6 Les mélanges de fluides frigorigènes et l’exemple du R407C .................................. 18 I.2.7.7 Synthèse sur les fluides frigorigènes ......................................................................... 21 Les systèmes de dessalement............................................................................................... 22 I.3.1 Présentation générale ......................................................................................................... 22 I.3.2 Les procédés à membranes ................................................................................................ 24 I.3.2.1 Osmose inverse (OI) .................................................................................................. 26 I.3.2.2 Electrodialyse (ED) ................................................................................................... 26 I.3.3 Procédés de distillation ...................................................................................................... 27 I.3.3.1 Distillation simple flash ............................................................................................. 27 I.3.3.2 Distillation multi-flash (Multi-Stage Flash distillation, MSF) .................................. 28 I.3.3.3 Distillation simple effet ............................................................................................. 28 I.3.3.4 Distillation à multiple effet (Multiple Effect Distillation, MED) .............................. 29 I.3.3.5 Distillation par compression de vapeur ..................................................................... 30 I.3.3.6 Humidification déshumidification (HDH) ................................................................ 30 I.3.3.7 Distillation Membranaire (MD) ................................................................................ 31 I.3.3.8 Compatibilité des systèmes de dessalement avec une TFP ....................................... 32 I.3.4 Configurations de distillation membranaire ...................................................................... 33 I.3.4.1 Distillation membranaire à contact direct ou DCMD ................................................ 34 I.3.4.2 Distillation membranaire à lame d’air ou AGMD ..................................................... 35 I.3.4.3 Distillation membranaire à entraînement gazeux ou SGMD ..................................... 35 I.3.4.4 Distillation membranaire sous vide ou VMD ............................................................ 35 I.3.4.5 Distillation membranaire et ses dérivés ..................................................................... 35 I.3.4.6 Récapitulatif des configurations MD ......................................................................... 36 I.3.5 Colmatage ou encrassement des membranes..................................................................... 37 I.3.6 Coûts de production de l’eau et consommations énergétiques des systèmes de dessalement 37 Conclusion ............................................................................................................................ 40 ________________________________________________________________________________ ii Chapitre II : Caractérisation expérimentale du procédé de distillation membranaire à lame d’air ............................................................................................................................................................... 41 Introduction ......................................................................................................................... 42 Matériel et méthodes ........................................................................................................... 42 II.2.1 Présentation du pilote .................................................................................................... 42 II.2.1.1 Circuit d’alimentation en eau chaude (2) .................................................................. 43 II.2.1.1.1 Module membranaire ( .......................................................................................... 44 II.2.1.2 Circuit froid (3) ......................................................................................................... 45 II.2.2 Instrumentation et système d’acquisition ...................................................................... 46 II.2.2.1 Capteurs et compteur automatique ............................................................................ 46 II.2.2.2 Balance et conductimètre .......................................................................................... 46 Etude préliminaire .............................................................................................................. 47 II.3.1 Validation des mesures par comparaison avec les résultats de la littérature ................. 47 II.3.2 Reproductibilité des essais ............................................................................................ 48 Résultats expérimentaux ..................................................................................................... 49 II.4.1 Protocole de mesure ...................................................................................................... 49 II.4.2 Effet de la température de l’alimentation ...................................................................... 49 II.4.3 Effet du débit d’alimentation ......................................................................................... 50 II.4.4 Effet du débit du fluide froid ......................................................................................... 52 II.4.5 Effet de l’épaisseur de l’air gap ..................................................................................... 53 II.4.6 Effet de la température, de l’épaisseur de l’air gap et de la nature de l’écoulement sur le flux de perméat .............................................................................................................................. 53 II.4.7 Effet de la nature de la solution ..................................................................................... 54 II.4.8 Essais longue durée ....................................................................................................... 55 II.4.8.1 Etude de performance ................................................................................................ 55 II.4.8.2 Observation d’images MEB ...................................................................................... 56 II.4.8.3 Etude spectrale permettant d’analyser la composition à la surface de la membrane . 58 Conclusion ............................................................................................................................ 60 Chapitre III : Modélisation et simulation du système de production de froid et de dessalement simultanés ............................................................................................................................................. 61 Introduction ......................................................................................................................... 62 Modélisation de la cellule de distillation membranaire ................................................... 62 III.2.1 Transfert de chaleur ....................................................................................................... 63 III.2.2 Transfert de masse ......................................................................................................... 65 III.2.3 Validation du modèle numérique de l’AGMD .............................................................. 67 Etude simulée du système couplé TFPMD ........................................................................ 68 III.3.1 Présentation du système ................................................................................................ 68 III.3.2 Modélisation d’une pompe à chaleur ............................................................................ 70 III.3.2.1 Modèle de compresseur ......................................................................................... 70 III.3.2.2 Modèle d’échangeurs............................................................................................. 72 III.3.2.3 Méthode de l’écart de température moyenne logarithmique ................................. 72 III.3.2.4 Méthode ε-NTU ..................................................................................................... 74 III.3.2.5 Paramètres des échangeurs thermiques ................................................................. 75 III.3.3 Equations complémentaires de bilans énergétiques et massiques ................................. 76 III.3.3.1 Comportement dynamique .................................................................................... 76 III.3.3.2 Évaluation de la performance du système ............................................................. 77 III.3.3.3 Stratégie de simulation .......................................................................................... 78 III.3.4 Résultats ........................................................................................................................ 79 III.3.4.1 Cycle de fonctionnement au R290......................................................................... 79 III.3.4.2 Effet de la température de la source froide à l'évaporateur sur le flux de perméat 81 III.3.4.3 Effet du débit et de la température d'entrée d’eau dans le canal froid ................... 82 III.3.4.4 Performance du système ........................................................................................ 85 III.3.4.5 Comparaison des performances du système au R290 et au R1234yf .................... 87 ________________________________________________________________________________ iii III.3.5 Cas du CO2 .................................................................................................................... 90 III.3.5.1 Utilisation du CO2 pour la production simultanée de froid et d’eau douce ........... 90 III.3.5.2 Modélisation d’une TFPMD au CO2 ..................................................................... 91 III.3.5.3 Résultats de simulation de la TFPMD au CO2 ...................................................... 92 III.3.6 Synthèse des TFP simulées ........................................................................................... 94 Conclusion ............................................................................................................................ 95 Chapitre IV : Etude expérimentale du fonctionnement d’un prototype de TFPMD à échelle réduite ................................................................................................................................................... 96 Introduction ......................................................................................................................... 97 Présentation de la thermofrigopompe ............................................................................... 97 IV.2.1 Présentation générale ..................................................................................................... 97 IV.4.2 Dimensionnement du condenseur de la thermofrigopompe .......................................... 98 Réalisation de la cellule de distillation membranaire..................................................... 100 Etude préliminaire avec le nouveau module ................................................................... 102 IV.4.1 Dispositif expérimental ............................................................................................... 102 IV.4.2 Contraintes expérimentales ......................................................................................... 104 IV.4.3 Résultats de l’étude préliminaire sur le module .......................................................... 104 Banc expérimental du couplage TFPMD ........................................................................ 106 IV.5.1 Circuit hydraulique ...................................................................................................... 106 IV.5.2 Circuit frigorifique ...................................................................................................... 107 IV.5.3 Métrologie et acquisition de données .......................................................................... 108 Estimation des incertitudes de mesures ........................................................................... 109 Déroulement de la campagne de mesure ......................................................................... 109 IV.7.1 Protocole de mise en fonctionnement du prototype .................................................... 109 IV.7.2 Déroulement de l’étude expérimentale ........................................................................ 110 Etude de validation du comportement dynamique de la TFPMD ................................ 111 IV.8.1 Etude de la stabilité des températures de la TFPMD ................................................... 111 IV.8.2 Etude du comportement dynamique de la haute pression ........................................... 111 Validation du fonctionnement .......................................................................................... 112 Analyse des performances du couplage TFPMD ............................................................ 113 IV.10.1 Essais de mesure en fonctionnement contenu ......................................................... 113 IV.10.2 Essais en mode de fonctionnement régulé ............................................................... 117 IV.10.2.1 Essais avec la pompe en fonctionnement continu (mode mcp : marche continue de la pompe) 117 IV.10.2.2 Essais avec la pompe en fonctionnement asservi (mode ap : asservissement de la pompe) 122 Conclusion .......................................................................................................................... 123 Conclusion générale et perspectives du projet ................................................................................ 125 Références .......................................................................................................................................... 127 Liste des abréviations ........................................................................................................................ 134 Nomenclature ..................................................................................................................................... 135 Annexes .............................................................................................................................................. 138 ________________________________________________________________________________ iv ________________________________________________________________________________ v Remerciements Cette thèse n’aurait pas pu aboutir sans la présence de nombreuses personnes que je tiens à remercier ici. Je tiens à adresser, mes vifs remerciements à Monsieur Thierry Maré, Maitre de Conférences habilité à diriger des recherches à l’université de Rennes1 (France) et Monsieur Ousmane Sow, Maitre de Conférences à l’Ecole Supérieure Polytechnique de Dakar (Sénégal) de m’avoir fait confiance en acceptant de me confier ce sujet. J’espère simplement ne pas les avoir déçus. Je voudrais également remercier chaleureusement Monsieur Paul Byrne, Maître de Conférences à l’université de Rennes1 (France), qui a dirigé avec rigueur ce travail. Par ses qualités humaines exceptionnelles, il a su rendre moins difficile mon intégration à Rennes. Je remercie Monsieur Patrick Loulergue, Maitre de Conférences, Madame Béatrice Balannec, Maitre de Conferences et Monsieur Anthony Szymczyk, Professeur à l’Université de Rennes1 (France) qui ont mis toutes leurs énergies pour nous accompagner tout le long de cette thèse et toute l’équipe de l’Institut des Sciences Chimiques de Rennes (UMR CNRS 6226) de l’Université de Rennes 1. Je remercie vivement Monsieur Wojciech Kujawski, Maitre de Conférences habilité à des recherches à l’université de Torun (Pologne) et Monsieur Pierre Neveu, Professeur à l’université de Perpignan (France) pour m’avoir fait l’honneur de rapporter ce mémoire. J’exprime mes remerciements à Monsieur Stefan Vanvaerenbergh, uploads/Litterature/ diaby-ahmadou-tidiane.pdf