ABSORPTION

Le principe de fonctionnement d’un système à absorption Dans sa version simple, la machine à absorption est constituée d’un évaporateur, un condenseur, un absorbeur, un générateur et une pompe de solution. Dans un système à compression, le froid est produit dans l’évaporateur où le fluide frigorigène s’évapore et la chaleur est rejetée dans le condenseur où le frigorigène se condense. L’énergie qui permet d’élever la température et la pression du fluide frigorigène est fournie par l’énergie mécanique produite par le compresseur. Dans un système à absorption, la compression de la vapeur du frigorigène est réalisée par l’absorbeur en combinaison avec une pompe de solution et le générateur, au lieu d’un compresseur mécanique de vapeur. La vapeur générée par l’évaporateur est absorbée dans un liquide (l’absorbant) qui se trouve dans l’absorbeur. L’absorbant qui a absorbé la vapeur du frigorigène est pompé vers le générateur où le réfrigérant est relâché sous forme de vapeur qui est dégagée à son tour puis condensée dans le condenseur. L’absorbant concentré ou régénéré est alors reconduit jusqu’à l’absorbeur pour absorber de nouveau la vapeur du frigorigène. La vapeur est fournie au générateur à haute température et rejetée de l’absorbeur à basse température.

Couples frigorigène/absorbant Frigorigène et absorbant dans un cycle à absorption forment ce que l’on appelle un couple frigorigène/absorbant. De nombreux couples ont été proposés à travers les années mais seulement deux d’entre eux ont été largement utilisés : le couples eau-ammoniaque avec l’eau comme absorbant et le couple eau-bromure de lithium avec l’eau comme fluide frigorigène. Le couple eau–ammoniaque est surtout utilisé dans les applications à températures négatives. Le couple eau-bromure de lithium est largement utilisé pour les applications de refroidissement d’air, où il n’est pas nécessaire de refroidir au dessous de 0ºC. Les niveaux de pression dans la machine eau-ammoniaque sont habituellement au-dessus de la pression atmosphérique, alors que les machines eau-bromure de lithium opèrent généralement dans un vide partiel. Les fluxes de chaleur dans le cycle base sont les suivants :

La chaleur est fournie, le froid est produit, à basse température

La chaleur est rejetée dans le condenseur à un niveau de température intermédiaire

La chaleur est rejetée de l’absorbeur aussi à un niveau de température intermédiaire

La chaleur est fournie au générateur à une température élevée

En ce qui concerne les systèmes à absorption qui utilisent le bromure de lithium comme absorbeur et l’eau comme frigorigène, la source de chaleur (en principe, énergie calorifique fournie par le système de co-génération) doit être à une température minimale de 60-80ºC, ou de l’ordre de 150ºC si on considère un système à double effet. Pour les systèmes qui utilisent l’ammoniaque comme frigorigène, la température de la source de chaleur doit être de l’ordre

de 100-120ºC (système à simple effet ).

Evolutions du système Le cycle fondamental peut être modifié de plusieurs façons. Une, sera d’utiliser toutes les possibilités pour récupérer le chaleur dans le cycle afin d’améliorer l’efficacité du système. Quand toutes les possibilités de récupération de la chaleur ont été utilisées, on obtient un coefficient de performance d’approximativement 0.7 pour le système eau -bromure de lithium et approximativement 0.6 pour le système eau-ammoniaque. Des améliorations peuvent être obtenues si l’on utilise la chaleur provenant de la vapeur du fluide frigorigène au condenseur d’un premier générateur pour préchauffer le fluide d’un second générateur. L’efficacité d’un tel système appelée à double effet s’en trouve accrue de manière significative. Le système à double effet est composé de deux blocs générateur – absorbeur en étage, dans le but d’utiliser la chaleur deux fois. La chaleur est fournie à 170 °C au premier générateur et est rejetée par le condenseur associé et est utilisée par le second générateur à une température de 100°C Le COP d’un tel système avec le couple eau-bromure de lithium peut être d’environ 1.2, ce qui est bien meilleur que celui à 0.7 d’un système à simple effet mais n’est pas égal au double du fait notamment des pertes dans les échanges thermiques.

Machines Li-Br La plupart des systèmes à absorption utilisant le couple eau-bromure de lithium sont conçus pour des applications de refroidissement d’air. Pour des raisons historiques, les capacités sont données en US TR (Tonnes de Réfrigération), en tonnes de glace par heure US, dans les documents des fabricants. Un US TR correspond à environ à une production de 3.5 kWth de froid. Machines à simple effet La plupart des fabricants proposent des machines à simple effet d’une puissance frigorifique allant de 100 RT à 1500 RT, c’est à dire de 350 KWth à environ 5.2 MWth. Ces machines peuvent être ”alimentées” par de la vapeur à 135 à 205 kPa (1 à 2 bar) et une température de 110 à 120ºC. Ces machines peuvent être également ”alimentées” avec de l’eau chaude à une température de 115 a 150ºC et une pression maximale de 9 bar. Le COP obtenu est situé entre 0.6 et 0.7. La consommation de vapeur d’une machine à simple effet est approximativement de 2.3Kg/h par KWth. La consommation d’eau chaude est de 30 à 72 Kg/h par KWth, suivant les différences entre la température haute et la température basse.

Machines à double effet Les machines à double effet ont à peu prés les mêmes capacités que les machines à simple effet. Les puissances frigorifiques les plus basses proposées par quelques fabricants sont un peu plus élevées :200 RT pour un fabriquant et 350 RT pour une autre (700 kWth et 1200 kWth respectivement). Le vapeur apparaît être la source d’énergie la plus utilisée. La pression de la vapeur doit être située entre 10 et 11 bar, ou 1000 à 1100 kPa, pour une température comprise entre 175 et 185ºC. Selon les informations recueillies , il est aussi possible ”d’alimenter” une machine à double effet avec de l’eau chaude, la température doit être située entre 155 et 205ºC. Le coefficient de performance dans chaque cas est situé entre 0.9 et 1.2. La consommation de vapeur de la machine à double effet est d’environ 1.4 kg/h par kWth. Performances L’efficace thermique est déterminée par le coefficient de performance (COP) qui s’exprime par le rapport entre l’énergie frigorifique fournie et l’énergie consommée . Les systèmes à simple effet ont un COP d’environ 0.7 ; les systèmes à double effet ont un COP d’environ 1.1. Cela signifie que la tour de refroidissement utilisée pour un système à double effet à une taille réduite par rapport à celle utilisée pour un système à simple effet (d’environ 40%). La complexité des systèmes à double effet augmente sensiblement leur coût par rapport aux systèmes à simple effet. Les puissances fournies par les systèmes à double effet vont de 400 à 1000 RT. Toutes les machines à absorption commercialisées rejettent la chaleur à travers une tour de refroidissement. Dans la plupart des cas les températures dans le circuit de refroidissement de la tour sont de 32/37ºC. Les machines à eau chaude basse température de Sanyo et Yazaki exigent une température plus basse: 30/35ºC. Machines eau - ammoniaque Les machines eau-ammoniaque sont principalement conçues pour les applications de froid industriel et commercial, avec des températures d’évaporation allant jusqu’à - 60ºC. Ce type de machine est utilisé plutôt pour des températures de travail en dessous de 0ºC, puisque les unités eau-bromure de lithium ne peuvent pas opérer en dessous de 0°C. La température à laquelle la vapeur doit être fournie dépend de la température du réfrigérant et de celle de l’eau glacée.

Performances Le diagramme ci-dessus donne une indication sur les coefficients de performance (COP), en fonction de la température d’évaporation et de la température de l’eau de refroidissement. Les différentes couleurs des courbes correspondent à différentes plages de température de l’eau de refroidissement. Les coûts des machines eau-ammoniaque varient entre 1250 et 1750€ par tonne de glace/heure. Le COP d’un système eau-ammoniaque est à peu-prés le même que celui d’un système eau-bromure de lithium à simple effet.