Etude paramétrique d`un système de réfrigération par absorption à

Efficacité énergétique – sources d’énergies renouvelables – protection de l’environnement COFRET’12, Sozopol, Bulgarie
Etude paramétrique d’un système de réfrigération par absorption
à simple effet utilisant le couple Eau – Bromure de lithium
Rabah Touaibi, Elena Eugenia Vasilescu, Michel Feidt,
Abdelhamid Kheiri, Miloud Tahar Abbes, Benyoucef Khelidj
Résumé : Les systèmes de réfrigération par absorption
utilisant le couple Eau-Bromure de lithium deviennent
aujourd’hui une solution alternative pour le
conditionnement d’air grâce à leurs nombreux
avantages. Ces systèmes utilisent des fluides frigorigènes
plus respectueux pour l’environnement, et présentent des
performances élevées qui réduisent les émissions de gaz à
effet de serre. Ils présentent aussi l’avantage de pouvoir
utiliser une source de chaleur gratuite par couplage avec
une source thermique solaire ou une source de chaleur
fatale. Le présent travail présente une étude
paramétrique d’un système de réfrigération par
absorption sans récupérateur de chaleur et un système
avec récupérateur de chaleur intégré entre l’absorbeur et
le générateur thermique, Ce système
utilise EauBromure de Lithium comme solution de travail. Nous
avons étudié l’influence de quelques grandeurs physiques
sur les performances des deux systèmes notamment l’effet
des températures de fonctionnement puis l’effet de
l’efficacité de l’échangeur récupérateur sur le COP et
sur le rendement exergétique des deux systèmes.
Mots-clés : réfrigération, absorption, Eau-bromure de
lithium, Etude paramétrique, Exergie.
1. Introduction
Le conditionnement d’air et les réfrigérateurs
domestiques fonctionnent dans la majorité des cas
actuellement par la voie classique c'est-à-dire avec un
cycle à compression mécanique qui nécessite une dépense
d’énergie électrique non négligeable ainsi que le
raccordement à un réseau électrique disponible dans le
lieu d’installation de l’appareil. Ces machines utilisent
pour leur fonctionnement des fluides frigorigènes dont un
certain nombre contribuent à l’appauvrissement de la
couche d’ozone, et la majorité contribuent au
réchauffement climatique. Il s’avère donc urgent
d’utiliser dans la mesure du possible des technologies
capables de proposer une alternative à ces systèmes sans
leurs inconvénients. Ces systèmes alternatifs doivent
utiliser des fluides frigorigènes plus respectueux pour
l'environnement et avoir des performances élevées
permettant de réduire leur émission de gaz à effet de
serre.
Les systèmes de réfrigération à sorption (absorption
et/ou adsorption) représentent une alternative intéressante
dans ce cadre [1]. Les fluides utilisés habituellement par
ces systèmes sont relativement bénins pour
l'environnement que ce soit l'ammoniac, l'eau ou les
alcools [2]. Les recherches dans le domaine de la
production du froid sont motivées à la fois dans le
domaine de l’habitat que dans le domaine industriel
notamment l’agro alimentaire. Dans les régions chaudes
ces systèmes alternatifs, utilisant le soleil comme source
de chaleur, constituent une solution très attractive. La
demande en froid est en adéquation avec la période où le
rayonnement solaire est le plus intense, augmentant
l’intérêt de s’orienter vers ces solutions.
Le COP de ce type de systèmes bien que
généralement significativement plus faible que celui des
systèmes à compression présente l’intérêt d’utiliser une
énergie gratuite (Le soleil). Le COP peut en être amélioré
en utilisant un échangeur récupérateur entre les circuits
de la solution riche et de la solution pauvre [3] [4].
Cependant, le COP amélioré ainsi obtenu parait
dépendant de plusieurs paramètres de fonctionnement de
l’installation et il semble pertinent de distinguer
l’influence de chacun de ces paramètres.
Parmi les travaux de recherche portant sur les systèmes
de réfrigération par absorption, on cite les travaux de F.
Assilzadeha et al. [5] qui ont montré que la climatisation
Solaire par absorption a beaucoup d'avantages, une fois
cette dernière comparée avec les systèmes classiques de
compression mécanique. M. Balghouthia et al. [6]
montrent qu’en raison du coût élevé de combustibles
fossiles et des problèmes écologiques provoqués par
l'utilisation étendue des dispositifs de climatisation,
l'utilisation du système de réfrigération utilisant l'énergie
solaire devient importante. Ben Ezzine et al. [7] ont
développé un modèle mathématique de simulation basé
sur la conservation de masse et d’énergie. M. Izquierdo et
al. [8] ont étudiés la production de l’entropie et l’exergie
détruite d’un compresseur thermique par absorption.
La présente communication, concerne un système basé
sur le couple Eau-Bromure de Lithium (Eau-LiBr), où le
LiBr joue le rôle du solvant. Après avoir établir les bilans
d’énergie et d’exergie du système, nous effectuons une
étude paramétrique de ce dernier et nous analysons
particulièrement l’influence des températures de
fonctionnement et l’effet de l’efficacité de l’échangeur
récupérateur sur le COP et sur le rendement exergétique
pour les deux configurations du système sans et avec
échangeur récupérateur. L’ensemble de ces études ne sont
que très rarement abordées par la littérature et plus
particulièrement la dernière concernant l’influence de
l’échangeur récupérateur.
Efficacité énergétique – sources d’énergies renouvelables – protection de l’environnement COFRET’12, Sozopol, Bulgarie
2. Dispositif du système de réfrigération à
absorption étudié
Le système représenté sur la fig.1 semblable à celui
étudié par M.Feidt [3] et par R.Gomri [4] comporte un
ensemble de condensation-évaporation classique par
rapport aux systèmes à compression mécanique. Le reste
du système constitue un compresseur thermique qui
remplace le compresseur mécanique. Le générateur
(fig.1) reçoit la puissance thermique nécessaire à la
désorption de la solution Eau-LiBr. Cette désorption
transforme la solution riche en solution pauvre et chaude
qui est renvoyée via une vanne, pouvant être commandée,
vers l’absorbeur à travers un échangeur récupérateur. La
solution pauvre s’enrichit dans l’absorbeur grâce à la
vapeur d’eau arrivant de l’évaporateur. Elle y cède une
puissance thermique qui permet la sorption de cette
vapeur .Elle est ensuite refoulée par une pompe vers le
générateur. Le système comporte un échangeur
récupérateur entre la solution chaude provenant du
générateur et la solution froide qui arrive de l’absorbeur
[4]. La vapeur d’eau séparée de la solution dans le
générateur constitue le fluide frigorigène et s'écoule vers
le condenseur où elle est refroidie et condensée avant
d'être détendue par une vanne, pouvant elle aussi être
commandée, et réintroduite dans l'évaporateur où l’on
obtient l’effet utile. De cette façon, le fluide frigorigène
parcours un cycle [9].
3.
Modélisation :
et d’énergies
Bilans
de
masses
Les hypothèses
•
•
•
•
•
Les pertes de charge sont négligeables.
La détente est isenthalpique au niveau des
vannes.
Les variations de l’énergie cinétique et de
l’énergie potentielle sont négligeables.
Le système est adiabatique (sans pertes
thermiques).
Le système fonctionne en régime dynamique
stationnaire.
Les bilans massiques en débit et en concentrations
massiques de la solution dans le générateur peuvent être
établis comme suit [10].
Bilan massique global
(1)
m r = m ff + m p
Soient xr ,
x p représente les titres massiques.
m ff , m r et m p représentent respectivement les débits
massiques du fluide frigorigène, de la solution riche et de
la solution pauvre.
Bilan massique du LiBr
xr et x p les titres massiques du LiBr,
Si l’on note
nous pouvons écrire la conservation de la masse de cette
espèce chimique :
(2)
m r xr = m p x p
Débits massiques de la solution
De l’expression (1) et (2) On déduit l'expression de
m r et m p en fonction du débit du frigorigène et des
titres comme suit.
Fig.1. Schéma de base d’un système de réfrigération
par absorption
(3)
m r =
(4)
m p =
xp
x p − xr
m ff
xr
m ff
x p − xr
Analyse énergétique et exergétique du système
Nous appliquons le bilan d’énergie [10] sur un
volume de contrôle de chacun des composants du
système pour établir les équations 5 à 12 ci-dessous.
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Absorbeur
Evaporateur
Le fluide frigorigène à l'état de vapeur venant de
l'évaporateur est absorbé dans l'absorbeur par la solution
qui s'enrichit en frigorigène, nous avons.
(5)
Q A = m ff h4 + m p h10 − m r h5
Pompe de solution
La pompe de circulation transporte la solution riche
en frigorigène vers le Générateur à haute pression. Le
bilan des énergies donne la puissance consommée :
(6)
W POM = m r (h6 − h5 )
Au niveau de l’évaporateur nous avons l’effet utile.
Une puissance thermique est absorbée par le fluide
frigorigène pour permettre son évaporation.
(13)
4. Coefficients de performance et facteur de
qualité.
Coefficient de performance
Le coefficient de performance d’un système de
réfrigération par absorption est défini par M.Feidt [3] et
R. Gomri [4]. Il s’exprime comme suit :
Echangeur récupérateur
Au niveau de cet élément, l’échange de chaleur
s’effectue entre la solution pauvre et la solution riche et le
bilan énergétique s’écrit comme suit.
(7)
m r (h7 − h6 ) = m p (h8 − h9 )
(14)
Effi =
T9 − T8
T6 − T8
En supposant que
c p = cte pour la solution pauvre.
Coefficient de performance limite
Le coefficient de performance limite pour un tel cycle
est défini R. Touaibi et al [10] et O. Kaynakli [11] par
cette expression :
(15)
Générateur thermique
Le fluide frigorigène est séparé de la solution sous
l'effet de la chaleur fournie au générateur par une source
thermique extérieure, le bilan s’écrit.
(9)
Q G = m ff h1 + m p h8 − m r h7
(10)
h10 = h9
Condenseur
A la sortie du condenseur le fluide frigorigène devient
liquide et le bilan énergétique s’écrit.
(11)
Q C = m ff (h1 − h2 )
Vanne d’expansion (coté réfrigérant)
Dans cet élément, le fluide frigorigène subit une
détente supposée isenthalpique donc. Il s’en suit :
(12)
h3 = h2
 T − TA  TE

COPCarnot =  G
 TG  TC − TE



Facteur de qualité
Le rapport entre le coefficient de performance du
cycle et celui de Carnot s’appelle le facteur de
qualité. Il s’exprime par O. Kaynakli [11] et al.
Comme suit.
Vanne d’expansion (coté solution)
La solution pauvre en frigorigène quitte le générateur
et subit à une détente supposée isenthalpique à travers
une vanne. Le bilan énergétique s’écrit.
Q E
COPCycle = 
QG + W POM
C’est un rapport entre l’effet utile obtenu et la
dépense énergétique.
L’efficacité de ce dernier s’exprime comme suit :
(8)
Q E = m FF (h4 − h3 )
(16)
Fq =
COPcycle
COPcarnot
Rendement exergétique
Le rendement exergétique est un critère d’évaluation
appréciable des procédés énergétiques par définition, Le
rendement
exergétique
quantifie
la
qualité
thermodynamique du système et s’exprime comme suite
[8] :
(17)
 ex =
Exergie utile
exergie dépensée
Donc le rendement exergétique s’exprime comme suit :
(18)
T

Q E  0 − 1
 TSE

 ex =
T
Q G (1 − 0 ) + W p
TSG
Efficacité énergétique – sources d’énergies renouvelables – protection de l’environnement COFRET’12, Sozopol, Bulgarie
Avec
T0 la température de référence dans l’analyse
exergétique.
1,6
1,4
5. Résultats et discussions
1,2
1
COP(-)
Les différents résultats présentés dans ce travail sont
obtenus à partir de la résolution des équations du modèle
développé ci- dessus. Nous avons utilisé le logiciel EES
[12] pour résoudre ces équations. Notre modèle permet
d’analyser et d’étudier l’influence de différents
paramètres sur l’efficacité du système et sur la
performance de chaque composant constituant ce dernier.
Pour étudier l’influence d’un paramètre, nous le faisons
varier à partir d’un état de référence et nous maintenons
les autres paramètres constants.
Le tableau 1 représente les performances du système
de référence Avec échangeur récupérateur pour une
0,4
0,2
0
80
105
0,04
Etta Exergie (-)
0,03
0,025
Etta Exergie sans Réc
0,02
Etta Exergie Avec Réc
0,015
0,005
80
85
90
95
100
105
TG (C°)
Fig.3. Variation du rendement exergétique en fonction de la
température du générateur
pom
(KW)
1.62. E-4
L’effet de la température du condenseur.
La Fig.4 et Fig.5 montrent l’effet de la température du
condenseur TC respectivement sur le coefficient de
COPCarnot = 1.167 - COPCycle = 0.768
Fq = 0.6586
100
0
ECH
(KW)
3.397
95
0,01
TC = 38°c
TE = 4°C TG = 90°C
Eff = 0.85
W
Q
Q
Q
Q
(KW)
13.01
90
Fig.2. Variation du coefficient de performance en fonction
de la température du générateur.
Les performances du système
A
85
TG(°C)
Tableau 1
(KW) (KW)
10.68 12.33
COP CARNOT
0,6
0,035
TSG = 150 °C , TSC = TSA = 29,95 °C et la
température de référence T0 = 25 °C
C
COP cycle avec Réc
0,045
 = 10 kW.
puissance frigorifique nominale de Q
E
Les températures moyennes thermodynamiques des
sources externes sont : TSE = 19.95 °C ,
G
COP cycle sans Réc
0,8
-  ex = 4,214 %
performance et sur le rendement exergétique.
Nous effectuons à partir de ces données de référence
une étude paramétrique. Nous étudions l’influence des
différentes températures du système, la température du
générateur TG , la température du condenseur TC et la
1,6
COP (-)
température de l’évaporateur TE en gardant les
températures des sources externes constantes. Les
résultats sont présentés sur les figures (Fig.2 à Fig.7).
Nous avons aussi étudié l’influence de l’efficacité de
l’échangeur récupérateur (Fig.9) sur les performances du
système.
2
1,2
COP Cycle Sans Réc
COP Cycle Avec Réc
COP Ccarnot
0,8
0,4
0
30
34
38
42
TC (°C)
5.1
L’effet
fonctionnement
des
températures
de
L’effet de la température du générateur.
La Fig.2 et Fig.3 montrent l’effet de la température du
générateur TG respectivement sur le coefficient de
performance et sur le rendement exergétique
Fig.4. Variation du coefficient de performance en fonction
de la température du condenseur
Efficacité énergétique – sources d’énergies renouvelables – protection de l’environnement COFRET’12, Sozopol, Bulgarie
0,05
1,4
1,2
0,04
Etta Exergie sans Réc
Etta Exergie avec Réc
COP (-)
Etta Exergie (-)
1
0,03
0,02
0,8
COP cycle avec Réc
COP Carnot
0,6
0,4
0,01
0,2
0
0,55
0
30
34
38
42
0,65
0,75
0,85
0,95
Effi (-)
TC(°C)
Fig.5. Variation du rendement exergétique en fonction de la
température du condenseur
Fig.8. Variation du coefficient de performance en fonction de
l’efficacité de l’échangeur récupérateur
0,045
L’effet de la température de l’évaporateur.
1,6
0,044
0,043
Etta Exergie (-)
La Fig.6 et Fig.7 montrent l’effet de la température de
l’évaporateur TE respectivement sur le coefficient de
performance et sur le rendement exergétique.
0,042
Etta Exergie avec Réc
0,041
0,04
1,4
0,039
1,2
COP(-)
1
COP Cycle Sans Réc
0,8
0,65
COP Cycle Avec Réc
0,75
0,85
0,95
Effi
COP Ccarnot
0,6
Fig.9. Variation du rendement exergétique en fonction de
l’efficacité de l’échangeur récupérateur
0,4
0,2
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
TE(°C)
Fig.6. Variation du coefficient de performance en fonction
de la température de l’évaporateur
0,05
0,045
Etta Exergie (-)
0,038
0,55
0,04
Etta Exergie sans Réc
0,035
Etta Exergie avec Réc
0,03
0,025
0,02
1
3
5
7
Conclusion
9
TE (°C)
Fig.7. Variation du rendement exergétique en fonction
température de l’évaporateur
Les résultats montrent que le coefficient de
performance croit avec l’augmentation de la température
du générateur et de l’évaporateur et diminue avec
l’augmentation de la température du condenseur et de
l’absorbeur.
L’efficacité
exergétique
augmente
significativement avec l’augmentation de la température
du générateur et la température de l’évaporateur et
démunie avec l’augmentation de la température du
condenseur. L’augmentation de l’efficacité de
l’échangeur récupérateur fait augmenter significativement
le coefficient de performance et le rendement
exergétique. Les valeurs du rendement exergétique sont
faibles à cause de la température de la source de
générateur est assez élevée.
de la
5.2 L’effet de l’efficacité de l’échangeur
récupérateur
La Fig.8 et Fig.9 montrent l’effet de l’efficacité de
l’échangeur récupérateur respectivement sur le coefficient
de performance et sur le rendement exergétique.
Ce travail nous a permis de voir l’influence des
températures de générateur, du condenseur et de
l’évaporateur ainsi que l’effet de l’efficacité de
l’échangeur récupérateur sur les performances du
système. Les résultats montrent que les paramètres cicités ont une grande influence sur les performances du
système. Il est préférable de travailler avec une
température du générateur où le coefficient de
performance atteint sa valeur maximale et une
température moins élevées au niveau du condenseur et de
l’absorbeur. L’augmentation de l’efficacité de
l’échangeur récupérateur fait augmenter significativement
le coefficient de performance et le rendement
exergétique. Preuve de l’utilité d’avoir un échangeur
Efficacité énergétique – sources d’énergies renouvelables – protection de l’environnement COFRET’12, Sozopol, Bulgarie
récupérateur dans ce type de système. L’étude se poursuit
par l’optimisation du système.
Références bibliographiques
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refrigeration technologies: Development and applications,
Renewable and Sustainable Energy Reviews, 11 (2007) 1758–
1775.
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review of absorption refrigeration technologies, Renewable and
Sustainable Energy Reviews, 5 (2001) 343–372.
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des systèmes et procédés, Tec & Doc, 2e Edition, 1996.
[4]
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single effect and multiple effect absorption cooling systems,
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[5]
F. Assilzadeha, S.A. Kalogiroub, Simulation and
optimization of a LiBr solar absorption cooling system with
evacuated tube collectors, Renewable Energy 30 (2005) 1143–
1159.
F
Facteur de qualité (-)
Les indices
A
Absorbeur
G
Générateur
POM
Pompe
E
C
Evaporateur
Condenseur
ff
p
Fluide Frigorigène
pauvre
r
Riche
Biographies
Rabah TOUAIBI né le 09 avril 1979 à Ain
Defla, Algérie. Il est enseignant chercheur à
l’université de Khemis Miliana et membre au
Laboratoire de recherche Fluides Industriels
Mesure et Application, FIMA, Algérie.
(e-mail : [email protected]
[6]
M. Balghouthia, M.H. Chahbanib, A. Guizania,
Feasibility of solar absorption air conditioning in Tunisia,
Building and Environment Vol. 43, 2008, Pages 1459-1470.
[7]
N. Ben Ezzine, Kh. Mejbri, M. Barhoumi,
Thermodynamic analysis and multi-parametric optimisation of
double effect absorption chiller, Int. J. Exergy, Vol. 3, No. 1,
2006.
[8]
M. Izquierdo, M. Venegas, N. Garcia, E. Palacios,
Exergetic analysis of a double stage LiBr–H2O thermal
compressor cooled by air/water and driven by low grade heat.
Energy Conversion and Management, Volume 46, 2005, Pages
1029-1042.
[9]
ASHRAE, Fundamentals Handbook, American Society of
Heating, Refrigerating and Air Conditioning Engineers, New
York, 1985.
[10] R. Touaibi, M. Tahar Abbes, R. Boussehain, M. Feidt, E.
Vasilescu, M. Costéa, B. Khelidj, Modélisation d’un système de
rafraichissement solaire par absorption utilisant H2O-LiBr,
Proceedings COFRET'10, Lasi, Roumanie, 2010.
[11] O. Kaynakli, M. Kilic, Theoretical study on the effect of
operating conditions on performance of absorption refrigeration
system, Energy Conversion and Management 48 (2007) 599–
607.
[12] www.fchart.com/ees/new-features.php.
Nomenclature
Les symboles
Débit massique (Kg/s)
m
Enthalpie spécifique massique (KJ/kg)
h
x
T
W
Q
Effi
COP
Concentration massique (-)
Température (K)
Flux mécanique (KW)
Flux thermique (KW)
Efficacité de l’échangeur
récupérateur(-)
Coefficient de performance (-)
Elena Eugenia VASILESCU est docteur en
thermodynamique appliquée et travaille comme
professeur associé à l’université de polytechnique
de Bucarest. Ses recherches se concentrent sur
l’analyse thermodynamique et thermoéconomique
des systèmes thermiques et frigorifiques. Elle est
membre de la société roumaine de thermoingénieurs, SRT. (e-mail : [email protected])
Michel FEIDT né le 31 Mars à Mars 1945,
France, a obtenu un diplôme d’ingénieur génie
physique à l’INSA de Lyon en 1967. Professeur à
l’université de Lorraine. Ses recherches portent
sur la thermodynamique et l’énergétique. (e-mail:
[email protected])
Abdelhamid KHEIRI est EnseignantChercheur à l’ESSTIN de l’Université de
Lorraine. Il s’intéresse à l’approche systémique
en énergétique avec des optimisations allant du
composant au procédé. France. (e-mail:
[email protected])
Tahar Abbès Miloud né le 10 mars 1953 à
Boukadir, Algérie, titulaire d’un doctorat d’état
en génie mécanique à l’université d’Oran obtenu
en collaboration ave l’université des sciences de
Poitier (France). Il est professeur à l’université de
Chlef et Directeur du Laboratoire de Mécanique
et Energétique, Algérie. (e-mail:
[email protected]).
Benyoucef KHELIDJ né le 06 novembre
1956 à Ain Defla, Algérie, a obtenu un diplôme
de Docteur en énergétique à l’université de
Poitiers (France). Il est enseignant chercheur à
l’université de Khemis Miliana , Algérie.(email : [email protected]).