LE FROID SOLAIRE - energie-environnement-upmc.fr · LE FROID SOLAIRE M. Pons CNRS-LIMSI, Rue J. von...

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Laboratoire d’ Informatique pour la Mécanique et les Sciences de l’Ingénieur

LE FROID SOLAIRE

M. Pons

CNRS-LIMSI , Rue J. von Neumann, BP133, 91403 Orsay Cedex

http://perso.limsi.fr/mpons/

Master 2 OMEBA

1

1


LE FROID SOLAIRE

M. Pons

CNRS-LIMSI , Rue J. von Neumann, BP133, 91403 Orsay Cedex

http://perso.limsi.fr/mpons/

Master 2 OMEBA

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Une application de l’énergie solaire bien adaptée

• On a plutôt besoin de réfrigération(conservation aliments, climatisation)

quand et là où

il y a du soleil

• A priori, bonne adéquationdans le temps et dans l’espace entre les besoins de froid et l’énergie disponible

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2

Ensoleillement journalier de janvier à décembre (Odeillo)

2


Le froid solaire est-il paradoxal ? Peut-on « faire du froid avec du chaud » ?

• On sait que spontanément la chaleur se transmet du « chaud » vers le « froid »

et que ce flux de chaleur tend à uniformiser la température(c’est donc le contraire de la réfrigération).

• On sait qu’il faut brancher un réfrigérateur (congélateur / climatiseur, etc.) pour qu’il fonctionne,

il faut lui fournir de l’énergie.

• Utiliser la thermodynamique pour expliquer comment de l’énergie thermique peut être convertie

en production de froid.

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3


Plan de ce premier cours

• PRINCIPES GÉNÉRAUX DE LA RÉFRIGÉRATION, RAPPELS

• RÉFRIGÉRATION SOLAIRE : PRINCIPES GÉNÉRAUX, CAPTEURS SOLAIRES

• CYCLES ET MACHINES À SORPTION

Deux équilibres liquide-vapeur

Cycle à absorption liquide

Performances et intégration au bâtiment : calcul, dépendancesexercices

• SUITE EN JANVIER

• ANNEXES

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3


Rappel sur les phénomènes endothermiques

• Principaux phénomènes endothermiques

• - les changements d’état : solide -> liquide -> vapeur(liquéfaction, vaporisation, sublimation)

(p.ex. fusion glace – ébullition eau - neige carbonique)

• - la détente d’un gaz(ou extension de corps élastique)

avec ou sans production de travail ;

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Therm… + Endo… = chaleur + à l’intérieur =

Le flux de chaleur est dirigé vers l’intérieur =

le système considéré refroidit son extérieur


Autres phénomènes endothermiques

• - le passage d’un courant électrique à travers la soudure de deux métaux différents (effet Peltier)

• - la dissolution d’un solide, liquide ou gaz dans un autre corps

• - la désaimantation (adiabatique) de substances paramagnétiques,

• - …

• Suite du cours : changement d’état [liquide – vapeur] !

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6

4


Rappels sur la réfrigération par compression • Très familière

Gamme Température : climatiseurs, réfrigérateurs, ou congélateurs ; Gamme Taille : ménagers, commerciaux ou industriels.

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Principe :1. Faire s’évaporer un fluide à

« basse » pression

2. Comprimer la vapeur

3. Faire se condenser la vapeur à « haute » pression

4. Dépressuriser le liquide.

basse pression = basse température = production de froid,

compresseur = apport d’énergie mécaniqueou électrique,

= rejets de chaleur à une température T > Tambiante,

Diaphragme, vanne de détente (adiabatique).


réfrigération par compression : composants, bilan d’énergie

• Composants :Un évaporateur +un compresseur + un condenseur + un détendeur + un fluide frigorigène.Qevap

Tfroid

TambQcond

Wcomp

Énergie motrice mécanique = apport d’énergie au compresseur

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8

Condenseur

Compresseur

Evaporateur

Détendeur

Condenseur

Compresseur

Evaporateur

Détendeur

5


Cycle thermodynamique à compression

• Chauffage (->) ou refroidissement (<-) isobare

• Compression, sans échange de chaleur (adiabatique) ou avec (refroidissement ou chauffage).

• Détente sans échange d’énergie avec l’extérieur (adiabatique).

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9

Condenseur

Compresseur

Evaporateur

Détendeur

1

2

3

4

1

2

3

4Tfroid

Tamb

Qevap

Qcond

Wcomp


Bilan d’énergie, performance et conséquence

• Critère de performance : Coefficient Of Performance COP, = rapport du froid produit sur l’énergie mécanique apportée.

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Condenseur

Compresseur

Evaporateur

Détendeur

(1 1/ )cond evap comp evapQ Q W Q COP • Conséquence sur les rejets de chaleur à l’ambiante

Chaleur rejetée = froid produit + énergie mécanique apportée

Bilan d’énergie en fonctionnement périodique :

0evap comp condQ W Q

evap

comp

QCOP

W

• COP typiques de l’ordre de 3 pour les machines à compression

6


Comment produire du froid avec de la chaleur ?

• 1°) En couplant une production d’électricité à partir de chaleur

avec un cycle frigorifique à compression : transfert d’énergie électrique.

• Question : Quel est le COP de l’ensemble ?(froid produit / chaleur fournie)

• Et à partir d’énergie solaire ?

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11

Condenseur

Compresseur

Evaporateur

Détendeur


Photovoltaïque +cycle à compression

• Panneaux photovoltaïques = production d’électricité, plans (direct + diffus) ou avec concentration (direct)Rendement de conversion 0,10 en moyenne,

• Stockage électricité sur batteriesplus onduleur éventuel (pour produire du courant alternatif),

• Production de froid : machine à compression classiqueCOP 2-2,5 en moyenne

• COPsol 0.2 (Démarrages, charges partielles, etc. pris en compte).

• Possibilité stock froid ; souplesse vis-à-vis apport électrique.

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12

1

7


Comment produire du froid avec de la chaleur ?

• 1°) En couplant une production d’électricité à partir de chaleur

avec un cycle frigorifique à compression : transfert d’énergie électrique.

• Question : Quel est le COP de l’ensemble ?(froid produit / chaleur fournie)

• 2°) En associant les deux cycles (moteur et réfrigérateur)

au sein d’une même machine, avec transfert d’énergie

sous une forme ou sous une autredu cycle moteur vers le cycle frigo.

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Condenseur

Compresseur

Evaporateur

Détendeur









• ANNEXES

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14

8


Produire du froid directement à partir du soleil ?

• À ma connaissance, il n’existe pas de moyen de transformer directement du rayonnement visible en production de froid.

• Il est donc nécessaire de mettre en jeu une forme d’énergie intermédiaire.

• Rayonnement solaire --> Électricité --> Réfrigérationcellules photovoltaïques cycle à compression

• Soleil --> Chaleur --> Réfrigérationcapteurs thermiques cycle à sorption

• Les aspects « solaire » et « machine frigorifique »sont relativement découplés.

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Evaporateur

Condenseur


• Le Soleil, source d’énergie forcément instationnaire,

aléatoire, mais aussi assez répétitive.

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Nécessité d’un stockage

• Le Froid, une demande assez impérative :

- Congélation : Tproduits < -20°C !!!! (–30°C),- Réfrigération : +2°C < Tproduits < 6-8°C !!, (denrées alimentaires, vaccins)

- Climatisation : Tair < 25°C ou normes confort adaptatif.

• Entre l’aléatoire et l’impératif, il faut UN STOCKAGE …

… soit sous la forme d’énergie intermédiaire (électricité ou chaleur),… soit un stockage de froid,

… soit les deux.

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Schéma général d’un réfrigérateur solaire

• Apport solaire

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Qamb (<0)

Apports électriques pour

auxiliaires :circulation fluides

caloporteurs, évacuation Qamb, contrôle, mesures

Waux

Qfroid

0sol froid amb auxQ Q Q W En fonctionnement périodique :

Qsol

• Rejets à l’ambiante • Production de froid

Capteurs solaires

Stock chaud Unité

frigorifique

Stock froid


Critère de performance thermodynamique No 1

• Critère No 1 :le COP solaire

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Qamb (<0)

Waux froidsol

sol

QCOP

Q

COPsol = produit [rendement moyen de captation (capteur)] x [COP moyen de la machine (COPmachine)].

Qfroid

Qsol

Avec Qfroid et Qsol intégrés sur un temps suffisamment long pour être

représentatif (démarrages matins, arrêts soirs, nuages, mauvais jours, pannes, maintenance, …)

Rendementcapteur COPmachine .Qsol --------------------------> Eintermédiaire ----------------------> Qfroid.

10


Critère de performance thermodynamique No 2

• Critère No 2 :

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19

Froid produit par unité d’énergie fournie aux auxiliaires.

froidel

aux

QCOP

W

Et où Waux doit être intégrée sur le TOUT le temps de fonctionnement.

Qamb (<0)

Waux

Qfroid

Qsol

à comparer au COP électrique (COPel) d’une machine à compression (qui vaut de l’ordre de 3 en nominal).


Autres critères de performance,rapportés au kWh de froid produit

• Consommation d’eau : (dessiccant ou tour humide)

• Poids total de l’ensemble : (tenue du toit ?)

• Volume total de l’ensemble : (occupation d’espace)

• Surface occupée au sol : (terrain = €uros)

et• Pourcentage du temps où la demande est satisfaite• Pourcentage des heures de production de froid effectives

(proportion du temps où « ça ne marche pas » à cause de la météo).

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11


Les capteurs solaires

• Principes généraux

• Les capteurs solaires

• Les cycles à sorption

• Intégration dans une machine solaire

• Un peu d’histoire

• Le stockage, toujours imparfait

• Un problème inattendu

• L’avenir ?

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• Plans

• CPC

• Cylindro-paraboliques

• …


• Revêtement sélective(absorbant dans visible mais pas dans infra-rouge)

• Isolation thermique• Un ou plusieurs vitrages

• Aussi tubes sous vide• Température relativement limitée (100-120°C).

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Sourcewww.ekopedia

Les capteurs solaires 1. Les capteurs plans

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Les capteurs solaires 2. Les CPC

• Concentrateur Parabolique Composé :concentration, mais sans focalisation.

• Concentration limitée, mais l’ensemble peut rester fixe !(pas de mécanisme de suivi)

• Tube récepteur éventuellement sous vide (réduction des dissipations thermiques).

• Température > 200°C• Rendement de captation ?

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Les capteurs solaires 3. cylindro-paraboliques• Suivi du soleil autour d’un seul axe

(horizontal)

• Concentration moyenne (100)

• La température du fluide peut monter jusqu’à 200-250°C.

• Rendement de captation 0.5

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Capteurs cylindro-paraboliques de la centrale Nevada Solar One

crédit : Schott AG www.ecosources.info

• Plus fortes concentrationsnon-considérées ici.

Machine Stirling montée sur concentrateur parabolique à Odeillo crédit : CNRS-PROMES,

www.ecosources.info

Centrale solaire à concentration pour exploitation commerciale Espagne. Crédit : Solucar, www.ecosources.info

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• ANNEXES

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Changements d’état [liquide – vapeur](pour l’eau)

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( )satP P T

• Diagramme enthalpique (P-H) ; H vaporisation.

• Eau = Corps pur => équilibre liq.-vap. monovariant.• En présence simultanée de liquide et

de vapeur d’eau, pression et température(de l’interface) sont en relation biunivoque :

• Domaines des phases liquide (L), vapeur (V), et (L+V).

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Quelques cas d’équilibre liquide-vapeur

• Phase liquide en deux volumes séparés, l’un à T1, l’autre à T2 ;Phase vapeur connexe en contact avec les deux volumes liquides.

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T1 T2liquide

vapeur

liquide

• À l’équilibre : que peut-on dire des températures T1 et T2 ?Des niveaux de liquide en 1 et en 2 ?Comment cela se représente-t-il dans le diagramme [P, T] ?

• Que se passe-t-il si on force T2 à être supérieure à T1 ?Comment cela se représente-t-il dans le diagramme [P, T] ?


L’effet caloduc

• Volume fermé rempli d’un mélange liquide – vapeur, corps pur avec deux échangeurs de chaleur.

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Calo… + Duc… = chaleur + conduire

Qout

Qin

• Apport de chaleur Qin

• [Liquide ?-? Vapeur]

• Où va la vapeur ?• Type de chaleur

échangée ?(quel T équivalent ?)

• Chaleur extraite Qout

• [Liquide ?-? Vapeur]

T1 T2

liquide

vapeur

liquide

15


En résumé sur les caloducs

• Tendre à engendrer un écart de pression induit un transfert de masse sous forme vapeur.

• Il y a donc changement d’état [liquide->vapeur] d’un côté (là où le flux de chaleur est entrant >0)

et changement d’état [vapeur->liquide] de l’autre côté(là où le flux de chaleur est sortant <0).

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Eau liquide + sel (NaCl)

• Que dire sur l’eau salée (solution saline) ?

• Sur la proportion NaCl / H2O (composition) ?• Sur comment changer cette composition

(diluer ? concentrer ?)

• Règle des phases de Gibbs pour équilibre eau salée + vapeur d’eau ?

• Comment situer P ?P > Psat(T) ? Ou P < Psat(T) ?

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30

2c v

T

P

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Deux équilibres : H2O liquide <–> H2O vapeur <–> Solution saline

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31

T T

H2O +NaCl

vapeur

H2O

P1 P2

• Deux équilibres à la même température séparés (vanne fermée) :

• Que dire de la pression de chaque équilibre ? P1 > P2 ? Ou bien P2 > P1 ?


Co-existence des deux équilibres : H2O liquide <–> H2O vapeur <–> Solution saline

• Même pression• Que dire de la pression de chaque

équilibre ? Et de la température ?• T1 > T2 ? Ou bien T2 > T1 ?• Que se passe-t-il lorsqu’on chauffe ou refroidit

l’un ou l’autre des « réacteurs » ?

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32

T1 T2

H2O +NaCl

vapeur

H2O

17


Co-existence des deux équilibres : H2O liquide <–> H2O vapeur <–> Solution saline

Que se passe-t-il lorsqu’on chauffe ou refroidit

l’un ou l’autre des réacteurs ?

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T1 T2H2O +NaCl

vapeur

H2O

Q+ Q-

T1 T2H2O +NaCl

vapeur

H2O

Q+Q-


Résumé sur ces changements d’état liquide-vapeur

• En présence d’un équilibre liquide-vapeur, un écart de pression induit un transfert de masse sous forme vapeur.

• Changement d’état : [liquide->vapeur] quand flux de chaleur entrant (>0) [vapeur->liquide] quand flux de chaleur sortant (<0).

• En présence des deux équilibres (liquide <–> vapeur <–> solution),

des flux de chaleur (adaptés) induisent des écarts de pression, c.à.d. une force motrice, et des flux de vapeur.

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34

18


Condenseur

Evaporateur

Détendeur

Supprimer le compresseur d’une machine frigorifique …• … en gardant

l’évaporateur (à « basse » pression), le condenseur (à « haute » pression),le détendeur et

• un fluide, qui change d’état liquide-vapeur dans ces deux échangeurs : c’est le réfrigérant, ou le fluide frigorigène.

Qevap

Tfroid

Qcond

Tamb

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35

Compres-seur

• Pour fermer le cycle : porter la vapeur de réfrigérant

sortant de l’évaporateur à « haute » pression où elle sera condensée.

• Possible avec un équilibre solution <-> vapeur

Flux de chaleur au condenseur

et à l’évaporateur


Évaporation + absorption• La solution refroidie à « moyenne » température

tend à attirer la vapeur (avec rejet de chaleur).

• En s’évaporant le réfrigérant produit du froid (Qevap>0)comme pour les cycles à compression

Condenseur

Evaporateur

Soution

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Qevap

Tfroid

Qr à Tr

• Absorption de vapeur + évaporation

19


• Chauffée à « haute » température(apport de chaleur p.ex. solaire),

la solution tend à rejeter la vapeur Condenseur

Evaporateur

Solution

Qcond(à Tamb)

Condensation + désorption

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• La vapeur se condense

(le réfrigérant devient liquide)avec rejet de chaleur

(Qcond).

Qh (à Th)

• Désorption(de vapeur),

régénération(de la solution),

génération, séparation :la vapeur du fluide

frigorigène est extraite de la

solution.


Les couples d’absorption liquide les plus utilisés

H2O+NH3 : Solution binaire (mélange liquide)

LiBr+H2O : Solution saline (sel dissout)

Note : chaque couple est ici noté « X+Y », où X est le sorbant et Y est le frigorigène

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38

20









• ANNEXES

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39


Diagramme de Clapeyron [Log(P) vs. -1/T]pour LiBr+H2O.

• Diagramme Pression –Température pour H2O (corps pur)

• Courbe de saturation (équilibre liquide-vapeur).

• Deux domaines Liquide et Vapeur

• La solution (en équilibre avec la vapeur d’eau) contient plus ou

moins de sel : la concentration dépend de T et P.

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40

L

V

• Les points (T, P) correspondant à une même concentration xforment une Courbe isostérique P=Fx(T).

• L’ensemble des isostères forme la loi d’état du système solution + vapeur.

21


Diagramme Log(P) vs. -1/T (« de Clapeyron ») 2

• Chaleur latente du changement de phase vapeur -> liquide :

Formule de Clapeyron :Ln

0(1/ ) x

PH R

T

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41

L V

Les divers systèmes divariants(absorption liquide, adsorption de vapeur pure) ont un diagramme de Clapeyron qui a la même allure générale.

• Elle exprime la relation entre 1. les chaleurs latentes de

condensation ou d’absorptionet 2. les pentes des

courbes de saturation Liq/Vapou des courbes isostères.

• Pour liquide-vapeur : L = -H


Diagramme de Clapeyron pour LiBr+H2O.

Chaque point (T, P) correspond à une composition de la solution : x g de LiBr + 1-x g de H2O(total = 1 g ; exemple : x = 0.50).

Master 2 OMEBA

42

Limites : - Équilibre liquide-vapeur eau pure

- Cristallisation du LiBr.

Courbes isostèriques : équilibre solution LiBr +

vapeur avec concentration x constante

22


1.a. La phase évaporation+absorption

Évaporation

La « qualité » de froid voulue fixe la

température de l’évaporateur,

d’où la pression d’évaporation-

absorption,[Psat(Tevap)],

l’absorbeur est à une température un

peu supérieure à l’ambiante

(exemple xA=0.52)

Absorption

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43


1.b. La phase désorption-condensation

Condensation

Désorption

La température ambiante fixe celle du condenseur,

d’où la pression de désorption-conden-sation [Psat(Tcond)].

+Il suffit que la source

chaude soit à une température assez

haute pour que xD>xA, ce qui

détermine le point de désorption

(exemple xD=0.62).

Master 2 OMEBA

44

23


Principe du cycle à LiBr + H2O absorption liquide

1. Chauffage (de la solution)+ séparation désorption :

Le chauffage à haute pression de la solution en extrait de la vapeur.

2. Refroidissement(de la solution)

+ absorption : Le refroidissement à basse pression de la

solution lui fait re-absorber la vapeur

précédemment extraite.

Master 2 OMEBA

45

Evaporateur

Condenseur

Détendeur

Evaporateur

Condenseur

• La séparation crée une énergie potentielle qui est l’énergie

motrice de l’effet frigorifique.


Lien avec le Cycle thermodynamique

• Remplacement du compresseur par l’ensemble Absorbeur + Désorbeur

Master 2 OMEBA

46

Condenseur

Compresseur

Evaporateur

Détendeur

1

2

3

4

1

2

3

4Tfroid

Tamb

Qevap

Qcond

Wcomp

Absorption

Désorption

24


D

Master 2 OMEBA

47

Frigorigène

A

Solution saline

absorbante

B

F

Description du cycle à absorption liquide

ABD : Chauffage (Qh) de la solution LiBr+H2O, d’abord pour la pressuriser (isostère AB) puis pour désorber la vapeur (BD);

C

E

Qr

QhABDFA :

Cycle de la solution saline.

[BD]CE[AF]AB : Cycle du

frigorigène

DFA : Refroidissement (Qr) de la solution, d’abord pour la dépressuriser (isostère DF) puis pour absorber la vapeur (FA);

AB : solution LiBr+H2O

riche en eau, pauvre en sel

DF : solution LiBr+H2O

pauvre en eau, riche en sel

Pompe de circulation

condensation en C.

évaporation en E.

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48

Comment fonctionne le cycle à absorption liquide ? cycle, schéma, machine

Absorption

Evaporateur

Condenseur

Désorption

E

A

DB

F

C

-1/T

LnP

Quatre fonctions essentielles : Désorption de la vapeur, Condensation, Évaporation, Absorption de la vapeur plus Chauffage et Refroidissement de la solution LiBr+H2O.

E

A

D

C

25


49

Dans une machine (1)

EA

DB

F

C

-1/T

LnP

Ici avec récupération de chaleur sur le circuit solution saline.

A

La solution saline diluée en sortie d’absorbeur (A), est pressurisée (pompe de circulation), préchauffée (échangeur solution – solution),et injectée dans le générateur de vapeur (brumisée).


50


EA

DB

F

C

-1/T

LnP


A

D

C

SéparationDésorption : Sous l’effet du chauffage à haute température, de la vapeur d’eau est séparée de la solution,Condensation : La vapeur se condense sur un échangeur (exothermique), l’eau liquide coule sur un plateauoù elle est collectée.

26


51


EA

DB

F

C

-1/T

LnP


A

D

C

La solution saline concentrée en sortie de générateur (D), est dépressurisée (pincement), et prérefroidie (échangeur solution –solution),et injectée dans l’absorbeur (A) (brumisée).


52


EA

DB

F

C

-1/T

LnP


E

A

D

C

Re-absorptionL’eau condensée est transférée dans l’évaporateur, coule en film sur l’échangeur à basse température où elle se vaporise (E) : production de froid.

La vapeur d’eau est absorbée par la solution concentrée en cédant sa chaleur à un échangeur refroidi. La solution diluée (A) ferme la boucle.

27


53


EA

DB

F

C

-1/T

LnP


E

A

D

C

1.Noter que l’absorbeur et le condenseur sont refroidis en série ;

2. Noter aussi la boucle de recirculation d’eau liquide à évaporer


État de l’art

• Les machines utilisant l’absorption liquide (H2O+NH3, LiBr+H2O)

sont développées industriellement et commercialisées Trane, York, EAW, Carrier, Soffimat, Entropie, Yazaki, SolarNext,

Dunham-Bush, McQuay, Sanyo, Broad, Robur, Colibri BV, etc.

• Gammes de puissance : supérieures à (5-)10 kWplutôt pour installations collectives que pour maisons individuelles.

Master 2 OMEBA

54

28


55

Une technologie aux aspects multiples

1. Analyse des transferts internes

2. Intégration dans un bâtiment

Efficacité énergétique









• ANNEXES

Master 2 OMEBA

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29


Analyse des transferts internes, Efficacité énergétique

• Quel est le critère d’efficacité énergétique d’un cycle frigorifique ?

• Comment le définit-on ?

Master 2 OMEBA

57


D

Master 2 OMEBA

58

A

B

F

Le cycle à absorption liquide :bilan de masse 1 : Question

C

E

Composition de la solution(en masse) …

en A : 50% LiBr+ 50% H2O

en D : 61% LiBr+ 39% H2O

Question : Quelle est la quantité d’eau cyclée au condenseur C et à l’évaporateur E ?

x

30


D

A

B

F

C

E

Le cycle à absorption liquide : bilan de masse 2

59

Master 2 OMEBA

Conséquence : Le débit de LiBr traversant est le même

en chaque point du cycle ABDF.

Le LiBr seul ne s’accumule nulle part.

P.ex. débit LiBr en A = débit LiBr en D.

C’est la masse de LiBr(seul) qui est prise comme référence :Les quantités d’eau sont rapportées à la masse unitaire de LiBr,

d’où la définition de la concentration via la Masse d’eau par unité de masse de sel (LiBr), notée w [en kg_H2O par kg_LiBr] :

Avec x = Concentration en LiBr (masse LiBr / masse solution),

(1 ) /w x x


D

A

B

F

C

E


60

Quelques exemples :

x = 50 % ; w = ?

x = 0,60 ; w = ?

1 xw

x

A Dw w w

Dans l’exemple ci-dessus, w=0.92-0.61=0.31 [kg_H2O.(kg_LiBr)-1]

D’où la masse d’eau cyclée [par kg de LiBr circulant]dans le condenseur C et l’évaporateur E : …………… A Dw w w

Dans l’exemple de la figure : w = 1. - 0.64 = 0.36 kg_H2O.(kg_LiBr)-1.Soit 1g.s-1 de LiBr à l’absorbeur. Quels sont les débits massiques …

1. à l’absorbeur A ? 2. à l’évaporateur E ? 3. au générateur D ?

Master 2 OMEBA

31


D

A

B

F

C

E


61

Dans le fonctionnement d’une machine à absorption, c’est le débit de solution extrait de l’absorbeur A

qui est fixé.

Attention : débit de solution (indice sol) ≠ débit de LiBr (indice s).

Débit d’eau à l’évaporateur et …… :

Débit de solution extrait du générateur :

Master 2 OMEBA

,sol Am , .s sol A Am m x

,sol Am

1 xw

x

A

D

x

xA

D

w

w

A Dw w w

, .w E sm m w

, , ,/sol D s D sol A w Em m x m m


Le cycle à absorption liquide : bilans de chaleur1. Froid produit (flux de chaleur extrait par l’évaporateur)

Master 2 OMEBA

62

Connaissant le débit d’eau aux condenseur & évaporateur, , calcul de la puissance frigorifique produite à l’évaporateur

Réfrigérant : Quel état initial à sortie du condenseur = ?Quel état final à sortie de l’évaporateur = ?

Quelle méthode pour le calcul énergétique ??{enthalpie = fonction d’état}, donc deux étapes :

1. Refroidissement de l’eau liquide de Tc à Te (chaleur sensible) : …

2. Évaporation à Te : ……………………

. . . ; 0lwce s p e cq m w c T T

( ). . ; 0eTe s evapq m w L

Total =

C D

EA

B

F -1/T

LnP

.sm w

; 0E ce eq q q

32


Le cycle à absorption liquide : bilans de chaleur2. Chaleur fournie par la source chaude (1)

Master 2 OMEBA

63

Connaissant le débit de solution sortant de l’absorbeur et les points A, D, C, E, calcul de la puissance thermique fournie par la source chaude(reçue par la solution entre ? et ?)

1. Phase isostérique -> compositions x et w constantes, pas de changement de phase, débit de solution constant. La chaleur reçue se transforme uniquement en chaleur sensible (augmentation de température).

C D

EA

B

F -1/T

LnP

Deux étapes : ? -> ? et ? -> ?,_ _ _/ .(1 )sol s sm m x m w

_ _

1 ( , )_ _

.d .(1 ). .d .(1 ). .( )sol A solABh sol s A p w T s A p B Aq m h m w c T m w c T T



Master 2 OMEBA

64

Connaissant le débit de solution sortant de l’absorbeur et les points A, D, C, E, calcul de la puissance thermique fournie par la source chaude (reçue par la solution entre ? et ?)

1.2. Phase isobare -> Augmentation de température,

Compositions : x croît, w décroît, de l’eau est désorbée ; le débit de solution décroît : chaleur sensible ET chaleur latente (cf. pl 44).

3. -> Addition :

_ _ _

2 ( , )_ _ _

2

. .d .d .(1 ). .d .d[ .(1 )]

.(1 ). .( ) . .( )

sol solBD

solBD

h sol p w T sol s p s

h s BD p D B s D B

q m c T H m m w c T H m w

q m w c T T H m w w

Deux étapes : ? -> ? et ? -> ?

C D

EA

B

F -1/T

LnP

.( ) 0D BH w w

1 2H h hq q q EH

qCOP q

33


Le cycle à absorption liquide : bilans de chaleur3. Chaleur échangée par le condenseur (1)

Master 2 OMEBA

65

Connaissant le débit de solution sortant de l’absorbeur et les points A, D, C, E, calcul de la puissance thermique échangée au condenseur.

• Reçue ou rejetée ?

• Quelle(s) transformation(s) entre la désorption et la sortie du condenseur ?

C D

EA

B

F -1/T

LnP

Cq


Le cycle à absorption liquide : bilans de chaleur4. Chaleur rejetée à la source froide (1)

Master 2 OMEBA

66

• Reçue ou rejetée ?

• Quelle(s) transformation(s) ?

C D

EA

B

F -1/T

LnPConnaissant le débit de solution sortant de l’absorbeur et les points A, D, C, E, calcul de la puissance thermique rejetée à la source froide

Aq

34


Bilan d’énergieen régime stationnaire

• Bilan premier principe en tenant compte de l’énergie mécanique apportée par le circulateur de solution :

Master 2 OMEBA

67

0E H C A pq q q q w • wp (consommation du circulateur de solution)

est nettement plus faible que les différents flux de chaleur qj, en particulier quand le réfrigérant est de l’eau.

/E HCOP q q


68

Quelques exemples de COP

Sources de chaleur à 85, 35 et 5°C• COP cycle simple-effet sans récupération : 0,67• COP cycle simple-effet avec récupération : 0,8

Sources de chaleur à 60, 25 et 5°C• COP cycle simple effet avec récupération : 0,87

Sources de chaleur à 100, 30 et 5°C• COP cycle simple effet avec récupération : 0,86

35


Schéma machine Yazaki

35-100 kWfd• -

Master 2 OMEBA

69


Schéma machine Yazaki 35-100 kWfd

• GE : Générateur• A : Absorbeur• CO : Condenseur• E : Évaporateur• SP : Pompe de solution• H : Échangeur de chaleur

• RV : vanne de réfrigérant• SV : vanne électromagnétique

Master 2 OMEBA

70

36


Performances d’une machine réellePuissance froid de la machine Yazaki WFC-SC (10)en fonction de la température d’entrée eau chaude.

Master 2 OMEBA

71

Expliquer le comportement,

par exemple quand la température chaude passe de88 à 93 °C.


Intégration dans un bâtiment

• Froid distribué dans circuit de ventilo-convecteurs

• Refroidissement de l’unité assuré par tour de refroidissement

• Apport de chaleur par capteurs solaires

• Possibilité de stockages

Master 2 OMEBA

72

37


Fonctionnement nominal (constructeur) et variations.

Master 2 OMEBA

73

30°C en entrée absorbeur

• Températures de référence :

11, 30 et 90°C.

• Puissance frigorifique nominale : 30 kW.

90°C en entrée générateur

11°C en SORTIE évaporateur


Cycle nominal [11out, 30in, 90in°C, 30 kW]

Master 2 OMEBA

74

38


Effet de la température évaporateur

• Cycle nominal : 11°C, 30°C, 90°C.• Puissance de refroidissement en fonction de

température sortie échangeur évaporateur.

Master 2 OMEBA

75


Représentation dans diagramme de Clapeyron

Master 2 OMEBA

76

Effet d’une augmentation de la

température évaporateursur le débit d’eau cyclée

et donc sur la puissance de refroidissement

39


Effet de la température de source chaude


température entrée échangeur générateur.

Master 2 OMEBA

77



Master 2 OMEBA

78


température générateursur le débit d’eau cyclée


40


Effet de la température des rejets de chaleur


température entrée échangeur absorbeur.

Master 2 OMEBA

79



Master 2 OMEBA

80


température évaporateursur le débit d’eau cyclée


41


Question : Comment compenser …

• … une augmentation de +4°C de la température extérieure en gardant la même puissance de refroidissement …

1. … soit en variant la température de l’évaporateur (de combien à combien ?)

2. … soit en variant la température du générateur(de combien à combien ?)

• Avec ce que vous savez de l’énergétique des bâtiments, cette compensation sera-t-elle suffisante ?

Master 2 OMEBA

81









• ANNEXES

Master 2 OMEBA

82

42


Les deux types de cycle à sorption(ab- ou ad-)

• Les cycles intermittents

Master 2 OMEBA

83

• Les cycles continus


Cycles intermittents (alternatifs)

II

I

• Dans un cycle alternatif …

Master 2 OMEBA

84

… les deux phases ont lieuen alternance et chacuneest subie par toute lamasse de sorbant dansson ensemble …

… la production de froid n’alieu que pendant unephase sur deux.

Condenseur

Evaporateur

Détendeur

AbsorbeurGénérateur

43


Cycles continus• Générateur et Absorbeur =deux appareils différents …

• plus circulation du sorbantentre les deux

(besoin d’un circulateur et d’un détendeur spécifiques).

• Les quatre fonctions(désorption, condensation, évaporation, absorption)

coexistent en permanence.

Master 2 OMEBA

85

Evaporateur

Condenseur

Générateur

Absorbeur

• La machine ne peut être active que quand elle reçoit de la chaleur (stockage nécessaire pour fonctionner la nuit).


Avantages, inconvénients


• Avantage :le sorbant ne circule pas

(un seul « réacteur » assure désorption et absorption).

• Inconvénient :le « réacteur » qui contient le

sorbant (métal, fluide caloporteur …)doit aussi être cyclé en

températurecoût thermique : qh

par chaleur sensible dqh=MCpdTet COP .

Master 2 OMEBA

86

•Les cycles continus

•Avantage :chaque composant reste à une

température constante.

• Inconvénient :il faut faire circuler le sorbant

(coût en énergie mécanique).

44


La notion de température seuil


• Tout le sorbant doit dépasser le point B (seuil), sinon

pas de froid produit.

• Processus accumulatif

Master 2 OMEBA

87

•Les cycles continus

•La puissance doit toujours être suffisante pour que la

température dépasse TB(seuil).

A

B

F

D


Adsorption versus

absorption

2. Adsorption (solide)

• L’adsorption c’est l’adhésion de molécules d’un fluide sur une paroi solide

(forces électrostatiques).

• L’adsorption est exothermique

Adsorption = Dégagement de chaleur (idem condensation) à évacuer.Désorption = Extraction de chaleur (idem évaporation) à apporter.

Adsorption = Pas de changement de

volume du solide.

Master 2 OMEBA

88

45


• Poudre grains microporeux d’une dizaine de µm env.agglomérés en grains ou billes de qq mm par un liant : argile macroporeuse (pores > 0,1 µm).

Quelques adsorbants : a. les zéolites …

• À l’origine : « zéolithes » (pierre qui bout)• Naturelles ou synthétiques• Alumino-silicates en réseau cristallin• Présence de « cages » de taille(s) très bien

définie(s) -de 0,3 à qq dizaines de nanomètres- reliées entre elles

Master 2 OMEBA

89


… b. les charbons actifs …

• Fabriqués à partir de bois et coques naturels ou de fibres synthétiques,

• Les plans graphitiques délimitent entre eux un réseau de pores, qui peuvent être des micropores (< 2 nm ; noix de coco), mais aussi des macropores (> 50 nm).

• Poudre de grains microporeux agglomérés en grains ou billes de qq mm par un liant : brou macroporeux.

Master 2 OMEBA

90

46


• La taille des pores dépend du procédé de fabrication, elle va des micropores aux macropores.

• Polymère d'acide silicique Si(OH)4 obtenu à partir de silicate de sodium.

… c. les gels de silice

• Poudre ou grains millimétriques sans liant.

Master 2 OMEBA

91


Système divariantDiagramme de Clapeyron

Master 2 OMEBA

92

• Presque tout ce qui a été dit sur les cycles à absorption liquide s’applique aussi aux cycles à adsorption.

• Ici, w en kg_fluide par kg_solide seul.

47


Cycle – 1 : pressurisation - désorptionÀ partir du point A

(fin d’ad/absorption) :

1/ pressurisation par chauffage isostérique*

A-B

2/ chauffage avec désorption B-D

(la vapeur désorbée est condensée en C,

l’eau liquide est transférée en E)

…* isostérique = à composition x constante.

Master 2 OMEBA

93

C

E

A

DB Qh


C

E

A

DB

F

Cycle – 2 : dépressurisation - adsorptionÀ partir du point D(fin de désorption)

3/ dépressurisation par refroidissement isostérique* D-F,

4/ refroidissement avec ad/absorption

F-A

(la vapeur ad/absorbée vient

de l’évaporateur E).

Master 2 OMEBA

94

Qr

48


Idem absorption liquide :

• Les quatre fonctions essentielles.• Le chauffage et le refroidissement.

• Les bilans de chaleur (chaleur latente + chaleurs sensibles).• La notion de température seuil.

• La possibilité de faire des cycles intermittentsou des cycles continus(1),

• Différence avec l’absorption liquide : un solide ne coule pas, il n’est pas facile de réaliser des échanges de chaleur à

contre-courant.

(1) Il n’est pas facile de faire circuler des granulés solides (peu résistants en outre), d’où la mise en forme de roue, et l’utilisation d’un gaz porteur (air). C’est alors la pression partielle qui compte. Voir cycles à dessiccant.

Master 2 OMEBA

95


Annexes

Quelques autres procédés de réfrigération solaireExpressions des énergies mises en jeu

Un peu de bibliographie

Master 2 OMEBA

96

49


Éjection - 1

• La détente de vapeur motrice (de 300 à 5 kPa) permet d’aspirer de la vapeur (de 1 à 5 kPa).

• L’évaporation de vapeur à basse pression produit du froid.

• Fonctionnement en continu.

Master 2 OMEBA

97

Source : EERE Information Center – US DOE (Energy Efficiency & Renewable Energy) www.eere.energy.gov

Géné-rateur

de vapeur

Con-den-seur

Évapo-rateur

Système de distribution du froid


Éjection - 2 • Capteurs cylindro-

paraboliques (140°C) : production de vapeur(3 bars).

• Quel COP de cycle ?

• Quel COP solaire intégré sur la journée ?

Master 2 OMEBA

98

1 : capteur, 2 : éjecteur, 3 : évaporateur, 4 : ballonde vapeur, 5 : condenseur, 6 : aéro-réfrigérant.

Pollerberg et al., Apllied Thermal Engng (Elsevier), 2009.

50


Thermo-acoustique

• Un gradient de température dans un stackgénère une onde acoustique (énergie mécanique générée par source chaude solaire) ;

• Une onde acoustique dans un stack génère un gradient de température :

pompage de chaleur = réfrigération.

• Rendement ?

Master 2 OMEBA

99

• Thermo-électrique, ou encore d’autres ?

Wheatley, Swift, & al.: Beer cooler


D

A

B

F

C

E


100

Le LiBr seulne s’accumule nulle part.

Conséquence :

Dans l’exemple ci-dessus, w=0.92-0.61=0.31 [kg_H2O.(kg_LiBr)-1]

Master 2 OMEBA

Le débit de LiBr traversant est le même en chaque point du cycle

ABDF. P.ex. débit LiBr en A = débit LiBr en D.

C’est la masse de LiBr(seul) qui est prise comme référence :Les quantités d’eau sont rapportées à la masse unitaire de LiBr, d’où la définition de la concentration via la Masse d’eau par unité de masse de sel (LiBr), notée w [en kg_H2O par kg_LiBr] :

Avec x = Concentration en LiBr (masse LiBr / masse solution),

1 xw

x

51


D

A

B

F

C

E


101

Calcul de la masse d’eau cyclée [par kg de LiBr circulant] dans le condenseur C et l’évaporateur E :

Dans le fonctionnement d’une machine à absorption, c’est le débit de solution extrait de l’absorbeur A qui est fixé.

Attention : débit de solution (indice sol) ≠ débit de LiBr (indice s).

Débit d’eau à l’évaporateur et …… :

Débit de solution extrait du générateur :

Master 2 OMEBA

,sol Am , .s sol A Am m x

,sol Am

1 xw

x

A

D

x

xA

D

w

w

A Dw w w

, .w E sm m w

, , ,/sol D s D sol A w Em m x m m

A Dw w w


Le cycle à absorption liquide : bilans de chaleur1. Froid produit (flux de chaleur extrait par l’évaporateur)

Master 2 OMEBA

102

Débit d’eau aux condenseur & évaporateur :calcul de la puissance frigorifique produite à l’évaporateur

Utilisant l’enthalpie et sa propriété de fonction d’état.Décomposition en deux étapes :1. Refroidissement de l’eau liquide

de Tc à Te (chaleur sensible) : …2. Évaporation à Te : ……………………

. . . ; 0lwce s p e cq m w c T T

( ). . ; 0eTe s evapq m w L

Total =

C D

EA

B

F -1/T

LnP

.sm w

; 0E ce eq q q

52



Master 2 OMEBA

103

Calcul de la puissance thermique fournie par la source chaude

Phase isostérique AB : compositions x et wconstantes, pas de changement de phase, débit de solution constant. La chaleur reçue se transforme en chaleur sensible.

C D

EA

B

F -1/T

LnP

_ _

1 ( , )_ _

.d .(1 ). .d .(1 ). .( )sol A solABh sol s A p w T s A p B Aq m h m w c T m w c T T

Phase isobare BD : Augmentation de température. Pour les compositions : x croît, w décroît, de l’eau est désorbée ; le débit de solution décroît : chaleur sensible ET chaleur latente (cf. pl 44).

-> Bilan global :

_ _ _

2 ( , )_ _ _

2

. .d .d .(1 ). .d .d[ .(1 )]

.(1 ). .( ) . .( )

sol solBD

solBD

h sol p w T sol s p s

h s BD p D B s D B

q m c T H m m w c T H m w

q m w c T T H m w w

.( ) 0D BH w w

1 2H h hq q q



Master 2 OMEBA

104

Connaissant le débit de solution sortant de l’absorbeur et les points A, D, C, E, calcul de la puissance thermique échangée au condenseur.

Reçue ou rejetée ?

• Lorsque la température de la solution passe de Tdes à Tdes+dTdes (TB<Tdes<TD)Débit élémentaire de vapeur désorbé :

• Quelle(s) transformation(s) entre désorption à Tdes, et sortie condenseur ?

C D

EA

B

F -1/T

LnP

d d . d d . .d

d d . . +d .

c c

vap

des des

vap

T T

C vap vap p condT T

C vap p c des vap cond

q m h m c T H

q m c T T m H

[ .(1 )] . . .vap sol s s s desP

wdm dm d m w m dw m dT

T

53



Master 2 OMEBA

105

Connaissant le débit de solution sortant de l’absorbeur et les points A, D, C, E, calcul de la

puissance thermique échangée au condenseur.Désurchauffe de la vapeur depuis sa

température de désorption, Tdes, jusqu’à Tc, puis condensation à Tc .

• Intégration sur toute la désorption, de TB à TD :• Masse de vapeur cyclée (avec notation Pl. 60) :

• Chaleur échangée au condenseur :

C D

EA

B

F -1/T

LnP

. . + .d

. . . .d . . d

D

vap

B

D D

vap

B B

T

C s p c des cond desPT

T T

C s p c des des s cond desP PT T

wq m c T T H T

T

w wq m c T T T m H T

T T

d .D

B

T

vap vap sT

m m m w

dD

B

T

C CT

q q



Master 2 OMEBA

106

Connaissant le débit de solution sortant de l’absorbeur et les points A, D, C, E, calcul de la

puissance thermique échangée au condenseur.Désurchauffe de la vapeur depuis sa température de désorption, Tdes, jusqu’à Tc, puis condensation à Tc .

•

C D

EA

B

F -1/T

LnP

( )

( )

. . . .d . . d

. . .( ) .[ ].( )

. . .

D D

vap

B B

vap

vap

T T

C s p c des des s cond desP PT T

C s p c des s Tc

C s p des c Tc

w wq m c T T T m H T

T T

q m c T T w m L w

q m w c T T L

. .( )vap s s A Dm m w m w w

54



Master 2 OMEBA

107

1. Phase isostérique DF -> compositions x et w constantes, pas de changement de phase, débit de solution constant.

_

1_

.d .(1 ). .d .(1 ). .( )sol solDF

F

a sol s D p s D p F DD

q m h m w c T m w c T T

C D

EA

B

F -1/T

LnPConnaissant le débit de solution sortant de l’absorbeur et les points A, D, C, E, calcul de la puissance thermique rejetée à la source froide

Deux étapes : D -> F et F -> A



Master 2 OMEBA

108

2. Phase isobare : idem désorption sauf que la vapeur venant de l’évaporateur doit être chauffée.

2

2

2

.(1 ). .d .d[ .(1 )] . . . .d

.(1 ). .( ) . .( ) . . .( )

.(1 ). .( ) .( ).[

solFA vap

solFA vap

solFA

A A A

a s p s p e sPF F F

a s FA p A F s A F p abs e s A F

a s FA p A F s A F

wq m w c T H m w c T T m T

T

q m w c T T H m w w c T T m w w

q m w c T T m w w

. . ]vapp abs eH c T T

C D

EA

B

F -1/T

LnP

1 2A a aq q q

( , )

2

. .d .d

. .dsol

vap

A sol p w T sola

p e solF

m c T H mq

c T T m

55


Fragments bibliographiques

Exell, www.appropedia.org (?) [cite de nombreux articles H2O+NH3].

Swartman, Ha et Newton, ASME, 1973.Oniga, ? , 1937.Chinnappa, Solar Energy, 1962.Trombe & Foex, New Courses of Energy,

1964.Swartman & Swaminathan, Mechanical

Engineering, 1971.Farber, ISES Conf. Melbourne Australia,

1970.Worsøe-Schmidt, Int. J. Refrig., 1979.Worsøe-Schmidt, Int. J. Ambient

Energy, 1983.Guilleminot & Meunier, Rev. Gén.

Thermique, 1981.

Master 2 OMEBA

109

Guilleminot , Meunier & al., JITH Conf. Monastir, 1983.

Pons & al., J. Solar Energy Engng ASME,1986, 1987.

Grenier & al., J. Solar Energy Eng. ASME, 1988.

Boubakri & al., Renewable Energy, 1992a,b.

Lemmini & al., Int. J. Refrig., 1992a,b.Crozat, Balat & al., INTERSOL 1985.Kodama & al., Int. J. Energy Res.,

2000a,b. Adsorption 2005.Bourdoukan & al., Solar Energy 2009,

2010.Lucas & al., Eurosun Conf., 2008.Pollerberg et al., Applied Thermal

Engng, 2009.


Fragments bibliographiques - 2

Wang R.Z. et al., Appl. Therm. Engng., 2004, 2006.

Erhard et al., Int. J. Refrig. 1998.Helm, Schweigler et al., Int. J. Refrig.

2009.

Master 2 OMEBA

110

Le Pierrès & al., Int. J. Refrig. 2007, Energy 2007, Chem. Engng Proc. 2008.

Et aussi : www.limsi.fr/Individu/mpons/pubsol.htm

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