Mémoire Présenté pour l’obtention du diplôme de la performance d'une machine frigorifique à...

UNIVERSITE KASDI MERBAH OUARGLA

FACULTE DES SCIENCES APPLIQUEES

DEPARTEMENT DE GENIE MECANIQUE

Mémoire Présenté pour l’obtention du diplôme de

MASTER

Spécialité : Génie Mécanique

Option : Energétique

Présenté par :

BENDOB MAHFOUD

NEDJAI ROCHDI

Thème

Soutenu publiquement le : 30 /05/2016

Devant le jury composé de :

Mr: Koras Sid Ali MAA Président Université Kasdi Merbah Ouargla

Mr: Khama Réda MCB Examinateur Université Kasdi Merbah Ouargla

Mr: Cherrad Noureddine

MAA Encadreur Université Kasdi Merbah Ouargla

Année universitaire : 2015/2016

Etude de la performance d'une machine frigorifique à

adsorption alimentée par l’énergie solaire

N°d’ordre :

N° de série :

Avant tout propos, je remercier « ALLAH » le tout puissant

qui me donné sagesse et santé pour faire ce modeste travail.

J’adresser mes remerciements, et à exprimer mes

reconnaissances à mon promoteur Mr. Cherrad Noureddine

pour ses orientations et conseils et qui à

accepté de nous aider.

Ma gratitude va particulièrement à tous les enseignants de

département de Génie énergétique (UKM Ouargla) pour la

formation que nous avons reçue.

Nous tenons aussi à exprimer nos profonds remerciements au

Membres de jury qui ont accepté d’assister notre soutenance

de fin d’étude.

En fin nos derniers remerciements et ne sont pas les moindres,

vont à tous ceux qui ont contribué de prés ou de loin pour

l’aboutissement de ce travail.

Je dédie ce modeste travail :

Avant tout à mon père, à ma chère mère

A touts mes frères

Et à toutes les familles BENDOB

A tous mes amis spécialement leur aide; bnzaoiu.lotfi et M.tahre;Amar kh;MOHCEN.R;bozaien ismail;

Bouazize nsradine;mani arif

Et a toute la promotion 2015/2016

de énergétique

BENDOB MAHFOUD

Je dédie ce modeste travail :

Avant tout à mon père, à ma chère mère

A touts mes frères

Et à toutes les familles NEDJAI

A tous mes amis leur aide

Et a toute la promotion 2015/2016

de énergétique

NEDJAI ROCHDI

SOMMAIRE

Sommaire

Sommaire

Page

Nomenclature I

Listes des figures III

Liste des tableaux V

Introduction générale 1

Chapitre I : Etude bibliographique

I.1.Introduction……………………………………………………………….……………… 03

I.2.La définition du phénomène d’adsorption………………………………..…………........ 03

I.3.Principe de l’adsorption………………………………………………….…..…………... 03

I.4.Adsorbants et adsorbats utilisés dans le domaine de la réfrigération……………...……. 04

I.5.Critères de sélection du couple adsorbant-adsorbat pour la production de froid par

adsorption…………………………………………………………………………………... 10

I.6.Comparaison de performance frigorifique entre des couples (adsorbant- adsorbat)…… 12

I.7.Conclusion……………………………………………………………………………… 16

I .8.Introduction sur la machine frigorifique à adsorption ………………………………..... 17

I.9.Description d’une machine frigorifique adsorption solaire…………….……………….. 17

I.10.Principe de fonctionnement d’une machine frigorifique solaire à

adsorption.………..

22

I.11.Avantage et inconvénient d’une machine à adsorption……………….………………... 23

Chapitre II : Etude de performance de la machine frigorifique à adsorption

II.1.Introduction…………………………………………………………………………. 25

II.2. Equation de Dubinin-Astakhov (D-A)...….……………………..….……..……..…. 25

II.3.Cycle idéal de machine dans le diagramme de Clapeyron………….………………. 25

II.4. Principe de fonctionnement du cycle idéal………………………………...……… 26

Sommaire

II.4. Coefficient de performance d’une machine frigorifique à adsorption solaire …….. 29

II.5.Détermination des températures de début d’adsorption et de désorption…………... 29

II.6.LA Quantités de chaleur consommée par les différents composants de la machines. 33

II.6.1.Expression de Qf…………………………………………………………………... 33

II.6.2.Expression de Qc……………………………………………………....…………... 33

Chapitre (III): Résultats et discussion

III.1.Introduction………………………………………………………………………….. 34

III.2. Propriétés thermodynamique de l'adsorbat sélectionné…………………………….. 34

III.3. Propriétés physiques du couple adsorbant-adsorbat sélectionné…………………… 34

III.4. Données du métal des tubes contenant l'adsorbant…………………………………. 35

III.5. Validation de programme MS Excel élaboré……………………………………….. 35

III.6. Influence de la température régénération Tg sur la performance de la machine…… 35

III.7. Influence de la température condensation Tc sur la performance de la machine…... 37

III.8. Influence de la température d'adsorption Ta sur la performance de la machine……. 37

III.9. Influence de la température d'évaporation Te sur la performance de la machine…... 38

III.10. Conclusion……………………………………………………………………….. 39

Conclusion générale………………………………………………………………………. 40

Références bibliographiques ……………………………………………………………... 41

Liste des figures

III

Liste des figures


Figure (I.1): Principaux adsorbants (de gauche à droite) Charbon actif ; Zéolithe ;

Gel de silice……………………………………………………………………………………..……..

06

Figure (I.2): Sachet de gel de silice………………………………………………………………………..….. 15

Figure (I.3): Schéma cycle d’une machine frigorifique solaire à adsorption………… 18

Figure (I.4) : machine frigorifique solaire à adsorption…………………………………………… 18

Figure (I.5) : Schéma de la machine frigorifique solaire à adsorption…………………….. 19

Figure(I.6) : Conception d’un adsorbeur d’une machine frigorifique à adsorption. 20

Figure(I.7) : De condenseurà air……………………………………………..........................…… 21

Figure(I.8) : de l'évaporateur et chambre de froid ………………………………………………….. 21

Figure (I.9) : Schéma d’une machine frigorifique solaire à adsorption…………………… 23

Chapitre II : Etude de performance de la machine frigorifique à adsorption

Figure( II .1): Représentation du cycle théorique à adsorption dans le diagramme

de Clapeyron……………………………………………………………………………..…………..

31

Figure (II .2): Chauffage isostérique……………………………………………………………..…………….. 32

Figure (II .3) : Désorption……………………………………………………………………………………………… 32

Figure (II .4) : Refroidissement isostérique………………………………………….………………………. 33

Figure (II .5) : Adsorption……………………………………………………….……………………………………… 34

Liste des figures

IV

Chapitre (III): résultats et discussion

Figure (III.1): Validation du résultat obtenu du COP en fonction de Tg avec celui

de W. Chekirou (Ta = 25 °C, Tc = 30 °C, Te = 0 °C)……………………..

40

Figure (III.2): Influence de la température régénération Tg sur la performance de la

machine(Ta = 25 °C, Tc = 30 °C, Te = 0 °C)…………………….…………

42

Figure (III.3): Influence de la température condensation Tc sur la performance de

la machine……………………………………………………………………………………………….

42

Figure (III.4): Influence de la température d'adsorption Ta sur la performance de la

machine…………………………………………………………..……………………………………….

43

Figure (III.5): Influence de la température d'évaporation Te sur la performance de

la machine……………………………………………………………………………………………….

44

Liste des tableaux

V

Liste des tableaux


Tableau I-1: Principales caractéristiques physiques des adsorbants…………….. 05

Tableau I-2 : Propriétés thermodynamiques de l’eau, de l’ammoniac et du

méthanol…………………………………………………………….

10

Tableau I-3 : Les adsorbats utilisées avec les charbons actifs……………………. 14

Tableau I-4 : Tableau récapitulatif des différents prototypes construits et

planifiés à l'EIVD…………………………………………………..

15

Chapitre III : Résultats et discussion

Tableau III-1 : propriétés du méthanol…………………………………………… 34

INTRODUCTION

GENERALE

Introduction générale _____________________________________________________________________________________________

1

Introduction générale :

La grande partie de l’énergie consommée provient des combustibles fossiles (pétrole, gaz

naturel, charbon, …etc.) dont l'utilisation massive peut conduire à l’épuisement de ces réserves

et menace réellement l’environnement. Cette menace s’est manifestée principalement à travers la

pollution et le réchauffement global de la terre par effet de serre. En effet, la grande

préoccupation du monde actuel est d’atténuer cette pollution en essayant d’adapter les sources

d’énergie classiques à des critères très sévères.

Les systèmes de froid et de climatisation sont des consommateurs important d’énergie. Ces

systèmes sont habituellement actionnés par énergie électrique produite à partir de produit fossile

(pétrole, gaz naturel, charbon) et les systèmes de réfrigération sorption entraînés par une source

de chaleur à basse température ont été développés comme une alternative économique et

respectueuse de l'environnement, et les recherches ont montré que l’énergie solaire est une bonne

solution qui peut remplacer les énergies fossiles. Dans tous ces systèmes, la consommation

d'énergie mécanique est réduite au minimum ou nul, et ils peuvent fonctionner avec de la chaleur

à basse température à partir de différentes sources telles que la chaleur résiduelle ou l'énergie

solaire. Les systèmes de refroidissement par absorption tels que ceux utilisant LiBr-H2O ou

H2O-NH3 comme couple de travail présents de nombreux avantages pour des applications

spécifiques. Ils donnent une meilleure efficacité du système de refroidissement par rapport aux

systèmes d'adsorption. Cependant, ces systèmes présentent également de nombreuses limitations

dans les conditions de fonctionnement [1].

Le grand avantage des systèmes d'adsorption plus de ceux d'absorption est qu'elles peuvent

fonctionner sans pièces mobiles, ayant des coûts inférieurs, puis de l'entretien. Autres avantages

en comparaison avec les systèmes de compression sont : construction simple, respectueux de

l'environnement et silencieux. [1] Un grand nombre d'applications pour les systèmes de

refroidissement de sorption ont été vues dans les pays développés et en développement, tels que :

le stockage et la conservation des vaccins et produits médicaux, la conservation des aliments, la

réfrigération, la climatisation, les refroidisseurs et la production de glace.

L’objectif principal à atteindre consiste à étudier la performance des machines frigorifiques à

adsorption solaire, et en particulier l’effet des températures limites du cycle thermodynamique

sur le coefficient de performance thermique COPth.

Cette étude serait d’un apport appréciable pour de nouvelles conceptions de ce type de machines

ou pour optimiser les indices économiques d’exploitation de l’énergie solaire pour la production

du froid, tout en tenant compte des contraintes qui peuvent être engendrées par la présence des

conditions climatiques non adaptables.

Le premier chapitre est une définition détaillée du phénomène d’adsorption qui représente la

force motrice de la machine frigorifique à adsorption. Dans ce chapitre, on cite les différents

adsorbants solides, les adsorbats fluidiques et les couples adsorbant/adsorbats, en faisant une

Introduction générale _____________________________________________________________________________________________

2

comparaison entre tous ces types pour mettre en évidence la base de sélection du couple

approprié et une présentation générale de la machine frigorifique à adsorption solaire en abordant

ses composants, son principe de fonctionnement, ses avantages et ses inconvénients.

Le deuxième chapitre présente le modèle mathématique pour calculer la performance de la

machine frigorifique à adsorption, et en particulier l’équation de Dubinin-Astakhov qui donne la

masse adsorbée par unité de masse d'adsorbant en fonction de la température du couple

adsorbant/adsorbat, en plus les différentes quantités de chaleur formant l’expression du calcul du

coefficient de performance thermique COPth.

Le troisième chapitre est des résultats et une discussion de l'influence des températures limites du

cycle thermodynamique sur la performance de la machine frigorifique à adsorption.

Enfin une conclusion générale sur les résultats aboutis et ainsi que les recommandations qui

peuvent être déduites.

CHAPITRE1

Etude bibliographique


_____________________________________________________________________________________

3

I.1. Introduction sur la phénomène adsorption :

Fantana et Schelle [2] ont découvert le phénomène d’adsorption en 1711. Ce phénomène rend

compte de la fixation de molécules de gaz (espèce adsorbable ou adsorbat) sur la surface du

solide (adsorbant) au moyen de l’augmentation de la concentration des molécules de ce gaz à la

surface du solide par rapport à la quantité totale initiale du gaz, sans modifier le volume de

l’adsorbant.

Ce chapitre est consacré sur l’importance du phénomène d’adsorption dans les machines

frigorifiques à adsorption. L’étude du mécanisme de ce phénomène avec ces différents aspects

nous conduit à distinguer deux types d’adsorption (physique ou chimique). [2]

Un autre coté très important dans l’étude du phénomène d’adsorption dans les machines

frigorifiques à adsorption est le choix du couple adsorbant/adsorbat. Ce choix est dicté par

certains critères physiques et chimiques reliés au couple lui-même et aux conditions de

fonctionnement de la machine. [2] Donc, tous ces points cités ci-dessus seront discutés et

détaillés dans ce qui suit.

I.2. La définition du phénomène d’adsorption :

L’adsorption peut être définie comme l’opération fondamentale de Génie Chimique qui exploite

l’aptitude de certains solides à concentrer spécifiquement à leur surface.

Le solide est appelé adsorbant et la substance qui s’adsorbe est l’adsorbat que nous l’appellerons

plus couramment soluté afin d’éviter toute confusion avec l’adsorbant.

Rappelons qu’il existe deux types d’adsorption qui se différent complètement par les énergies

mises en jeu et par leur nature : [3]

- l’adsorption physique ou adsorption de Van der Waals

- l’adsorption chimique ou chimiesorption ou encore adsorption activée l’adsorption

I.3. Principe de l’adsorption :

L’adsorption est le processus au cours duquel les molécules d’un fluide (gaz ou liquide), appelé

adsorbat dans le cas général ou réfrigérant dans les procédés de production de froid, se fixent sur

la surface d’un solide appelé un adsorbant.

Le terme surface du solide correspond à la totalité des surfaces externes et internes engendrées

par le réseau de pores et cavités à l’intérieur de l’adsorbant. [3]

Quand une molécule s’approche d’une surface solide, elle peut se fixer de deux manières :

*Soit par l’adsorption chimique ou chimiesorption correspondant à des liaisons chimiques

fortes dont l’énergie de liaison est assez grande de l’ordre de 50 à 400 kJ/mole se traduisant par


_____________________________________________________________________________________

4

une réaction chimique entre les molécules du fluide « adsorbat » et la surface du solide «

adsorbant », c’est un phénomène irréversible. [3]

*Soit par l’adsorption physique ou physisorption correspondant à des liaisons physiques plus

faible, avec des énergies d‘interactions de l’ordre 20 kJ/mole , qui ne modifie pas la nature

chimique de la molécule de l’adsorbant. Cette fixation des molécules du fluide sur la surface du

solide se fait essentiellement par les forces de van der waals et les forces dues aux interactions

électrostatiques de polarisation, dipôle et quadripôle pour les adsorbants ayant une structure

ionique. Cette liaison faible de molécules d’adsorbat sur le solide n’entraîne aucune modification

de la structure moléculaire du solide mais une simple variation de sa masse. Ainsi, l’adsorption

physique est parfaitement réversible c'est-à-dire que les molécules adsorbées peuvent être

facilement désorbées en augmentant la température. Les procédés d’adsorption industriels

notamment la réfrigération font intervenir généralement les propriétés de la réversibilité de

l’adsorption physique. Par conséquent seule l’adsorption physique sera abordée dans ce travail.

Du point de vue thermodynamique, l’adsorption physique est considérée comme une

transformation d’état du fluide d’une phase gazeuse à une phase adsorbée. Cette transformation

s’effectue à pression et température constantes. Elle s’accompagne toujours d’un effet thermique

dû à la chaleur isostérique d’adsorption, ce qui peut conduire à un échauffement du solide et à

une réduction des quantités adsorbées. [3]

L’exothermicité d’un système d’adsorption est caractérisée par les chaleurs d’adsorption qui

peuvent être mesurées par des techniques calorimétriques ou estimées à partir des isothermes

d’adsorption à différentes températures.

I.4. Adsorbants et adsorbats utilisés dans le domaine de la réfrigération :

Il est largement identifié que l’un des problèmes les plus significatifs dans la conception d’une

machine frigorifique à adsorption est le choix du couple adsorbant/adsorbat approprié [4].

En effet, plusieurs couples ont été utilisés dans ce genre de machines. Cependant, la sélection de

ces derniers est essentielle car l’efficacité de la machine dépend de certaines caractéristiques

physiques et chimiques prépondérantes, telles les conditions thermodynamiques (température et

pression, …etc.), la complexité dans la manipulation et les soucis environnementaux ...etc.

Tant que le couple adsorptif est composé d’un adsorbant et adsorbat, une étude séparée de

chaque partie du couple est nécessaire:


_____________________________________________________________________________________

5

a/-Les adsorbants :

Définition d’un Adsorbant : Les adsorbants sont des matériaux poreaux ayant des tailles des

pores variant de quelque angström à quelques centaines d’angströms. Les adsorbants

couramment utilisés sont le gel de silice, l’aluminium activé, les charbons actifs ainsi que les

adsorbants à tamis moléculaires comme les zéolithes. La caractéristique la plus importante des

adsorbants est leur grande capacité d’adsorption due à la structure microporeuse de la surface de

l’adsorbant qui peut être décrit par plusieurs paramètres physiques. En particulier, la distribution

volumique des pores et la surface spécifique. [4]

Le choix de l’adsorbant dans l’étude du phénomène d’adsorption est vaste, mais peut être limité

dans le domaine de la réfrigération solaire à adsorption par certains critères, citons :

Les corps utilisés en tant qu’adsorbants sont des matériaux poreux ou microporeux qui

présentent une très grande surface spécifique. A titre d’exemple, les charbons actifs présentent

une surface spécifique de l’ordre de 400 à 2000 m2/g (5). Le tableau (II.1) donne la surface

spécifique de différents adsorbants utilisés dans l’adsorption selon la classification de L. M. Sun

et F. Meunier [5].

Tableau (I -1) : Principales caractéristiques physiques des adsorbants. [5]

Adsorbant Surface spécifique

(m2

.g-1

)

Taille des pores

(nm) Porosité interne

Charbons actifs 400 à 2 000 1.0 à 4.0 0.4 à 0.8

Tamis moléculaire carbonés 300 à 600 0.3 à 0.8 0.35 à 0.5

Zéolites 500 à 800 0.3 à 0.8 0.3 à 0.4

Gels de silice 600 à 800 2.0 à 5.0 0.4 à 0.5

Alumines activées 200 à 400 1.0 à 6.0 0.3 à 0.6


_____________________________________________________________________________________

6

Figure (I.1) : Principaux adsorbants (de gauche à droite) Charbon actif ; Zéolithe ; Gel de silice.

[6]

Parmi les principaux adsorbants utilisés dans le domaine de la réfrigération à adsorption, on peut

citer :

Les charbons actifs :

Le charbon actif est le premier matériau adsorbant utilisé. De par ses propriétés médicinales, il

était déjà employé en Egypte antique. Les charbons actifs sont des carbones que l’on a préparés

afin d’accroître leur pouvoir adsorbant. En effet ils sont fabriqués à partir de matériaux de bases

telles que le bois, le charbon, la noix de coco, etc.… ; ces derniers subissent, après un traitement

initial, des processus : [7]

*D’agglomération


_____________________________________________________________________________________

7

*De premier traitement thermique de 400 à 500°C afin d’éliminer les éléments volatils

produisant ainsi de grands pores.

*De second traitement thermique de 800 à 1000°C pour créer la microporosité des traitements

ultérieurs de surface permettent de modifier de façon importante la capacité d’adsorption. Ces

procédés créent à l’intérieur de l’adsorbant des pores de diamètres inférieurs à 20 Å "

micropores" et supérieurs à 500 Å " macropores" donnant ainsi une très grande surface

spécifique interne de l’ordre 2000 m2 par gramme d’adsorbant, la plus grande parmi les

adsorbants, donnant ainsi une grande capacité d’adsorption. [7]

La structure interne du composé ainsi obtenu est constituée d’un assemblage aléatoire de

cristallites élémentaires de graphite. L’espace entre ces cristallites constitue la microporosité du

charbon, et l’aspect aléatoire de la distribution de taille de pores rend la sélectivité du matériau

très faible. La surface des charbons actifs est essentiellement non polaire, même si une légère

polarité peut se produire par une oxydation de surface. Les applications du charbon actif dans les

procédés industriels sont nombreuses, et vont du traitement des eaux à la décoloration de liquides

organiques (sucres,..) en passant par la purification de l’air et la production du froid. [8]

L’autre partie du couple est l’adsorbat (ou le réfrigérant)

B/- Les réfrigérants (adsorbats):

Adsorbat : Les adsorbats sont des matériaux qui ont des molécules de petite taille. Les trois

adsorbats les plus utilisés sont le méthanol, l’eau et l’ammoniaque. Les caractéristiques les plus

importantes des adsorbats sont : la chaleur latente, le volume spécifique, la pression de

saturation, la stabilité avec l’adsorbant utilisée et l’impact sur l’environnement, L’identification

et le choix de ce dernier sont basés sur trois critères (technique, écologique et économique) :

L'échelle technique :

Le choix de l’adsorbat est dicté par un ensemble des contraintes techniques (pression, propriétés

thermodynamiques et sécurité) suivantes:

Posséder une grande chaleur latente d’évaporation.

Avoir une faible viscosité.

Avoir une grande conductivité thermique.

Être constitué de petites molécules facilement adsorbables.

Avoir une chaleur spécifique la moins élevée possible.

Avoir la composition chimique stable dans les conditions de fonctionnement de la

machine.


_____________________________________________________________________________________

8

Être compatible avec le matériau de construction de la machine.

N'ayant pas d'effet sur les denrées à conserver dans le cas de la congélation et la

réfrigération.

Être sans toxicité.

Être ininflammable et non explosif en mélange avec l’air.

Et sa pression doit être supérieure à la pression atmosphérique pour éviter des problèmes

techniques tels que les fuites. [9]

L’échelle écologique

L’utilisation et la fabrication des adsorbats doivent être réalisées sans aucun effet négatif sur

l’environnement. À titre d’exemple: l’utilisation des CFC est interdite. Des HCFC et des HFC

sont soumises à une réglementation de plus en plus sévère du fait de leur contribution à l’effet de

serre. D’autres recherches s’orientent vers le développement de nouveaux fluides frigorigènes

possédant une efficacité énergétique intéressante tout en restant neutres vis-à-vis de

l’environnement. [9]

L'échelle économique

Selon l'offre et la demande, il convient de dire que l'adsorbat a un coût raisonnable du fait de sa

disponibilité à l'échelle industrielle.

Les différents critères et propriétés cités ci-dessus sont techniquement contradictoires car

l’amélioration d’une caractéristique entraîne souvent la détérioration d’une autre. Jusqu’à

maintenant, l’adsorbat qui réunit toutes ces conditions n’existe pas pratiquement. Néanmoins, il

y a des adsorbats qui satisfont à un nombre élevé de ces conditions et ce en fonction des besoins

spécifiques en froid. Parmi eux nous citons : l’eau, l’ammoniac et le méthanol. On présente ci-

dessous quelques caractéristiques de ces adsorbats: [9]

L’eau : (H2O) est un frigorigène parfaitement sûr pour l’homme, disponible, a des bonnes

propriétés thermiques et sa pression de fonctionnement est faible (20 mbar-80 mbar) [9].Sa

gamme de température de production de froid est réduite (0 °C, 10 °C), qui ne peut être utilisée

dans des applications de congélation. Mais elle est bien adaptée pour la climatisation. Toutefois,

l’eau reste un fluide « idéal » d'un point de vue toxicité et environnement.

L’ammoniac : (NH3) ce fluide frigorigène présente une chaleur latente d’évaporation et une

conductivité thermique élevées, sa pression de fonctionnement est élevée (0.5 bar - 5 bar) (9)

supérieure à la pression atmosphérique, ce qui peut être retenu comme avantage. La gamme de

température de production de froid est importante (-50 °C, 10 °C). Cependant, il est très

dangereux, formant avec l’air un mélange explosif et peut former une certaine réaction chimique


_____________________________________________________________________________________

9

avec les matériaux de construction de la machine tel que le cuivre. Donc, il nécessite pour son

emploi l'utilisation des matériaux résistants comme l’acier inoxydable.

Le méthanol : (CH3OH) est un frigorigène agréable, il possède les propriétés suivantes :

La gamme de température de production de froid est (-15 °C, 10 °C). Sa chaleur latente

d’évaporation est haute et égale presque à la moitié de celle de l’eau.

Ses molécules sont petites (4 A°) pouvant être facilement adsorbées dans les micropores

de diamètre plus petit que 20 A°. [9]

Son point d’ébullition (~ 65 °C à pression 1atm) est beaucoup plus haut que la

température ambiante Cependant, il a quelques inconvénients tels que :

Sa décomposition à des températures supérieures à 150°C , ce qui impose une prise de

précautions pour son utilisation dans des applications solaires.

Sa pression de son fonctionnement est faible (5 mbar -100 mbar), est inférieure à la

pression atmosphérique, ce qui nécessite des équipements spéciaux pour éviter les fuites.

Son niveau de toxicité est élevé et sa forte odeur.

Son inflammabilité. Il brûle dans l’air en formant du dioxyde de carbone et de l’eau.

Parmi les réfrigérants, neutre pour l’environnement, utilisés dans les systèmes frigorifiques à

adsorption on peut citer l’eau, le méthanol et l’ammoniac. Le tableau (I.2) donne les propriétés

thermodynamiques de ces réfrigérants.


_____________________________________________________________________________________

10

I.5. Critères de sélection du couple adsorbant-adsorbat pour la production de

froid par adsorption :

La production du froid par adsorption dépend de la compatibilité du couple réfrigérant-

adsorbant. Pour que les molécules du fluide frigorigène s’adsorbent sur le solide, il est nécessaire

que l’adsorbant choisi ait des pores plus grands que les molécules du gaz à adsorber.

Les adsorbants sont souvent choisis en fonction de leurs capacités d'adsorption et leurs fortes

conductivités thermiques. La capacité d'adsorption doit être plus élevée à basse température et à

la pression d'équilibre dans l'évaporateur. Par contre, elle doit être faible à haute température du

cycle associée à la pression d'équilibre dans le condenseur. Comme l'adsorption est un

phénomène surfacique, le choix se porte sur l'adsorbant microporeux de plus grande surface

spécifique (charbons actifs, zéolithes, gel de silice et alumines activées

A ce critère s’ajoutent les facteurs suivants : [11]

Pour le solide adsorbant : Il est généralement choisi en fonction de sa :

Tableau (I -2) : Propriétés thermodynamiques de l’eau, de l’ammoniac et du méthanol. [10]

Réfrigérant Température

(°C)

Chaleur latente de vaporisation

(KJ kg-1

) Pression vapeur (bar)

Eau

0 2485 0.0063

20 2442 0.0236

40 2397 0.0747

Ammoniac

-30 1359 1.195

-10 1296 2.909

0 1262 4.294

30 1146 11.665

Méthanol

-50 1190 0.01

-10 1182 0.04

30 1155 0.25


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11

conductivité thermique qui doit être grande pour avoir un bon transfert de chaleur au sein

du lit d’adsorbant.

capacité d’adsorption qui doit être : plus élevée à basse température et à la pression

d’équilibre dans l’évaporateur.

plus faible à température élevée du cycle associée à la pression d’équilibre dans le

condenseur.

stabilité à des températures inférieures ou égales à 120°C.

grande surface spécifique d’adsorption.

largement disponible. [12]

Pour le fluide frigorigène :

Le choix est fait de telle sorte que le fluide : [13]

Non toxique, non inflammable et non corrosive.

Une faible valeur de la pression de saturation (légèrement supérieure à la pression

atmosphérique)

Ait une molécule facilement adsorbable par l’adsorbant choisi.

Possède une chaleur latente de vaporisation élevée afin de produire le maximum de froid à

l’évaporateur.

Soit aisément adsorbable à basse température et plus difficilement à haute température.

ait une viscosité faible.

Soit stable chimiquement dans l’intervalle des températures d’utilisation.

Ne provoque pas la corrosion des éléments de la machine.

De l’analyse des propriétés, différentes, de ces fluides, il ressort que le choix du fluide

dans les procédés de production du froid solaire par adsorption dépend aussi : [14]

• des critères technologiques ou de sécurité qui peuvent éventuellement prendre le

pas sur les critères thermodynamiques

• du domaine d’application visée :

o Climatisation.

o Évaporation inférieure à 0°C.

Basé sur les critères de choix cités antérieurement, les couples les plus étudiés dans le cas de la

production du froid sont : zéolithe-eau, charbon actif-méthanol, charbon actif-ammoniac et

silicagel-eau


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12

I.6. Comparaison de performance frigorifique entre des couples adsorbant-

adsorbat :

Les couples les plus utilisés en machines frigorifiques à adsorption Il existe trois principaux

couples adsorbants/adsorbats utilisés dans la production du froid :

Zéolithe/Eau, Charbon Actif/Eau et Sel de Silice/Eau. [15]

Le couple Zéolithe/Eau :

Les zéolithes sont des matériaux cristaux poreux d’aluminosilicates d’origine naturelle [15]. La

structure primaire consiste en un assemblage de tétraèdres de SiO4 et d’AlO4. Ces éléments

s’assemblent par la mise en commun d’atomes d’oxygènes pour former une construction

secondaire qui peut être sous forme de cubes , d’octaèdres , etc. L’arrangement final des

zéolithes consiste en un assemblage de ces unités secondaires en une combinaison cristalline

régulière pour la fautait qui est la structure des zéolithes de type X et Y. La zéolithe de type X a

un rapport Si/Al de 1 à 1,5 alors que pour le type Y ce rapport est de 1.5 à 3. Les zéolithes se

présentent sous forme de billes brunes/blanches ou de poudre. Elles sont capables d’adsorber des

molécules organiques et minérales en phase gazeuse sans aucune modification structurale. Cette

adsorption est due à leurs surfaces spécifiques élevées, à des effets de surface hydrophobe-

hydrophile et à leurs structures. Certaines zéolithes ont une grande affinité pour l’eau, cela se

traduit par une capacité d’adsorption pouvant atteindre jusqu’’à 30% en poids et ce, sans aucune

variation de leurs volumes. La régénération a lieu en éliminant l’eau par des effets de pression

et/ou de température. Dans d’autres conditions de mise en œuvre, l’eau adsorbée restituée

naturellement lorsque le milieu est trop sec. [15]

Dans le domaine de la production de froid, la zéolithe de type 13X (porosité 13 angström) est le

plus utilisée, elle se présente sous forme de billes de 1,5 à 2,5 mm et se compose de 15 à 20%

d’argile. Cette zéolithe qui contient initialement 25% d’eau, est activée par chauffage dans un

four à 360 °C. Si celle-ci est bien activée, elle produit une réaction très exothermique lorsqu’ on

la plonge dans l’eau. C’est ainsi qu’’on vérifie la bonne activation du produit en mesurant

l’augmentation de température de l’eau due à la réaction. Les zéolithes ne présentent aucun

danger particulier. Elles peuvent se détériorer au contact de solutions basiques ou acides. [15]

L’eau est un frigorigène parfaitement, disponible, possède de bonnes propriétés thermiques, mais

sa pression de fonctionnement est faible et inférieure à la pression atmosphérique (20- 80 mbar),

ce qui nécessite des équipements spéciaux pour éviter les entrées d’air extérieur.


_____________________________________________________________________________________

13

Sa gamme de température de production de froid est réduite (0-10°C), et ne peut donc pas être

utilisée dans des applications de congélation, mais reste bien adaptée pour la climatisation et la

production du froid positif. Plus généralement, l’eau est un fluide «idéal» d’un point de vue de sa

toxicité et de son empreinte environnementale. [15]

Le couple Charbon actif/Méthanol :

Le charbon est dit « actif » parce que l’on a créé une porosité à l’intérieur du charbon grâce à de

l’acide phosphorique ou de la vapeur d’eau. Ce qui est différent de la Zéolithe qui est dite

«activée» lorsque l’eau est désorbées. Les Charbons actifs sont des carbones que l’on a préparé

afin d’accroître les pores. En effet ils peuvent être obtenus à partir d’un grand nombre de

matériaux carbonés (bois, charbon, noix de coco, résidus pétroliers, etc.), par des processus de

carbonisation suivis des processus d’activation dûment contrôlés. [15]

Le Charbon active ou Charbon activé est une poudre noire, légère, très salissante, constituée

essentiellement de matière carbonée à structure microporeuse. C’est, en fait, une sorte de

charbon de bois présentant une très grande surface spécifique qui lui confère un fort pouvoir

adsorbant. La surface développée par le charbon actif est élevée : un gramme de charbon actif a

une surface spécifique comprise entre 400 et 2000 m2 .Il est hydrophobe. L’adsorption des gaz

nécessite des pores de 1 à 2 nm, alors que des pores de 2 à 10 nm suffisent pour l’adsorption des

liquides (13). Le méthanol (CH3OH) est un gaz toxique, incolore, et alcalin. Dans des conditions

de température et de pression normale, la chaleur latente d’évaporation est importante et est

presque égale à la moitié de celle de l’eau et son point d’ébullition est d’environ 65°C [16]. Le

méthanol se décompose à une température de 120C° (13). Sa gamme de température pour produire

le froid est comprise entre -15°C et 10 C°, ce qui en fait un fluide frigorigène intéressant. Les

molécules de ce fluide sont petites, de l’ordre de 4A°, pouvant être facilement adsorbées dans les

micropores du charbon actif. La pression de fonctionnement est faible (5 mbar à 100 mbar),

comme l’eau, le méthanol nécessite des équipements spéciaux pour éviter les entrées d’air

extérieur (13). L’énergie de liaison adsorbat/adsorbant est généralement plus faible pour le

charbon actif que pour les autres adsorbants, ce qui diminue la quantité d’énergie nécessaire pour

la phase de régénération. Le charbon actif présente une faible sélectivité (capacité à séparer deux

composée) par rapport aux autres adsorbants, du fait de sa grande distribution de la taille des

pores. Cependant Cette grande distribution permet d’adsorber de nombreuses espèces chimiques,

et en particuliers beaucoup de composés organiques volatils (COV) [16]. Le tableau (I.3) donne

les adsorbats utilisés avec les charbons actifs.


_____________________________________________________________________________________

14

Tableau (I-3) : Les adsorbats utilisées avec les charbons actifs. (17)

Méthanol Éthanol Ammoniac CH3NH2

AC35/1.8 G. GACIOLA [18]

W. CHEKIROU [19]

E. PASSOS [20]

CRITOPH [18]

AC35/3 M. DINY[21] M.

DINY[21]

AC40/3 BOUBAKRI [22]

AC35 CRITOPH ([23]

J. GUILLEMINOT

[24]

CRITOPH [23]

CHARBON

ACTIF

Hassan [26] BOUGARD

[27]

Al Mers [28]

CRITOPH

[25]

CHARBON

203C,

207C et 208C

CRITOPH [29] CRITOPH [29]

CHARBON

205 C

CRITOPH [30]

Couple Gel de Silice/Eau :

Le Gel de Silice (SiO2.NH2O) est un silice synthétique amorphe, dont la structure des pores,

créée par l’agglomération des microparticules sensiblement sphériques de dimension à peu près

uniforme et comprise entre 2 et 20 nm .Cette structure est responsable de la très grande surface

spécifique, typiquement 500-800 m2/g. Il est hydrophobe et présente l’avantage d’adsorber

l’humidité. Il est présent dans certains bouchons dessiccateurs et il est aussi utilisé comme agent

asséchant pour les caméras, les films, les chaussures, etc. Dans ces cas-là, il est enfermé dans de

petits sachets de papier poreux. [31]

Le Gel de Silice a une grande capacité d’adsorption de l’eau (400 g/kg) à une pression de vapeur

d’eau proche de la saturation, donc il est largement utilisé avec l’eau comme couple pour la

production du froid. Le couple charbon actif / méthanol a été abandonné au profit du couple


_____________________________________________________________________________________

15

silicagel / eau pour des raisons de sécurité (inflammabilité et toxicité). Le silicagel s'avère être un

adsorbant qui fonctionne bien. Cependant, l'évolution de nos recherches tend à nous faire penser

que celui-ci subit des transformations irrémédiables lorsqu'il est chauffé à une température

supérieure à 120°C. C'est essentiellement pour cette raison que nous projetons de tester le couple

zéolite / eau dans le prototype 2005. [31]

Figure (I.2). Sachet de gel de silice. [31]

Tableau (I-4) : Tableau récapitulatif des différents prototypes construits et planifiés à l'EIVD. [31]

Année Couple Surface

capteur

Type de

Capteur

Volume de

Réfrigération

Lieu de tests

1999 Charbon actif /

Méthanol

2 m2 Tubes 320 litres Yverdon-les-

Bains (Suisse)

1999 Charbon actif /

Méthanol

2 m2 Tubes 350 litres Ouagadougou

(Burkina Faso)

2000 Silicagel / eau 2 m2 Tubes 320 litres Yverdon-les

Bains

2001 Silicagel /eau 1 m2 Tubes

puis plan

100 litres Ouagadougou et

Yverdon-les

Bains

2003 Silicagel / eau

Zéolite / eau

2 x 0.25 m2 Plan 2 x 30 litres Rabat (Maroc)


_____________________________________________________________________________________

16

2005 Zéolite / eau 1 m2 Plan 100 litres Yverdon-les-

Bains et

Érythrée

Nouveaux couples : [32]

Pour améliorer les performances de la machine frigorifique à adsorption, les chercheurs utilisent

des nouveaux couples tel que le Charbon actif/Hydrogène [33-34], Zéolithe/CO2 [35-36],

Charbon actif/R134a [37-38], Charbon actif/CO2 et Charbon actif/R507a [39].

I.7. Conclusion :

Dans ce chapitre une comparaison entre les trois couples adsorbants/adsorbats les plus utilisés a

été faite en considérant les mêmes conditions de travail. Le couple Gel de silice/Eau est le plus

favorables pour la production de froid par adsorption utilisant les faibles températures (capteurs

solaires plan à eau). Les caractéristique thermophysique du couple Gel de silice/Eau sont

meilleurs que les couples Charbon actif/Méthanol et Zéolithe 13x/Eau (une grande chaleur

latente de vaporisation de l’adsorbat et un grand taux d’adsorption). Les performances des

couples Charbon actif /Méthanol et Gel de silice/Eau sont très proche. Du point de vue

économique la Zéolithe est la plus recommandée mondialement (prix très bas par rapport au Gel

de silice), mais dans plusieurs cas l’influence de la température de la source chaude nous oblige à

utiliser le Gel de Silice comme adsorbant.


______________________________________________________________________________________________________________

17

I.8. Introduction sur la machine frigorifique à adsorption:

L’utilisation de l’énergie solaire dans les pays ensoleillés est un moyen efficace pour pallier

au manque d’énergie surtout dans les zones rurales où il est parfois difficile et coûteux de les

alimenter avec le réseau électrique conventionnel. Parmi les procédés de transformations

thermiques de l’énergie solaire, [40] la réfrigération solaire qui est l’application la plus

indiquée pour le stockage des denrées alimentaires et des produits pharmaceutiques.

L’énergie thermique d’origine solaire, à température modérée, est disponible un peu partout

sous forme intermittente et diluée. Parmi les applications de l’énergie solaire pouvant

s’accommoder plus ou moins bien de son intermittence, de sa dilution et de sa température

modérée fournie par les capteurs plans, il y a lieu de citer le chauffage et la réfrigération

solaire. Ces deux dernières applications font l’objet d’un plus grand nombre des études et de

réalisation, du moment où le réchauffage et la réfrigération pour un pays développé au climat

tempéré représente environ le tiers de ses dépenses totales en énergie. [41]

La réfrigération solaire implique l’utilisation de l’énergie thermique d’origine solaire dans des

composants mécaniques afin de produire un effet de refroidissement. La production de froid

est équivalente à une absorption de chaleur, car refroidir un corps ne consiste pas à lui donner

[42] une quantité de froid (c’est-à-dire, du point de vue physique le froid n’existe pas), mais à

lui enlever une quantité de chaleur. La production froide peut être obtenue par différents

moyens fondés sur des techniques de refroidissement bien maitrisé.

I .9. Description d’une machine frigorifique à adsorption solaire :

Dans une machine solaire à adsorption, [43] l’énergie solaire peut être directement absorbée

par le réacteur situé à l’intérieur d’un capteur solaire. Le rôle du convertisseur de l’énergie

solaire est de convertir le rayonnement électromagnétique en chaleur qui est transférée à

l’adsorbant durant la journée, et de dissiper durant la nuit l’énergie thermique libérée par le

système.

Le convertisseur se présente en fait sous l’aspect d’un capteur solaire, plan légèrement

modifié. En effet, l’adsorbeur doit présenter un volume suffisant pour contenir

l’adsorbant. De plus, il n’y a pas de circulation d’un fluide caloporteur dans le capteur. Le

fonctionnement discontinu du cycle autorise une seule connexion, jouant alternativement la


______________________________________________________________________________________________________________

18

fonction d’entrée et de sortie du fluide frigorigène. [44]

Figure (I.3) : Schéma cycle d’une machine frigorifique solaire à adsorption. [45]

Figure (II.4) : Machine frigorifique à adsorption solaire. [46]


______________________________________________________________________________________________________________

19

1-Vitrage ; 2-Adsorbeur ; 3-Boitier du capteur ; 4- Collecteur ; 5- Support ; 6- Chambre

froide ; 7- Evaporateur ; 8- Condenseur ; 9- Volets de refroidissement.

Figure (I.5) : Schéma de la machine frigorifique solaire à adsorption. [47]

Dans les cycles frigorifiques à compression la force motrice de la revalorisation thermique

est la compression d’un fluide frigorigène, généralement un corps pur, entre un puits de

chaleur à haute température et à haute pression (le condenseur), et une source à basse

température (l’évaporateur). Cependant pour les cycles à adsorption l’énergie fournie n’est

plus une énergie mécanique mais de la chaleur provenant d’une source thermique. Donc au

lieu d’une compression, c’est un phénomène thermochimique d’adsorption/désorption qui est

utilisé pour revaloriser l’énergie. Cette opération d’adsorption est basée sur l’affinité relative

des molécules d’une substance volatile agent vecteur du froid et une autre moins volatile (ou

pratiquement pas) appelées réfrigérant et adsorbant, respectivement. [48]

Les machines frigorifiques à adsorption liquide fonctionnent grâce à la faculté de certains

liquides (constituant A) d'adsorber et de désorbées une vapeur (constituant B). Le mélange

des corps A et B se nomme mélange binaire. Le constituant A est nommé adsorbant, tandis


______________________________________________________________________________________________________________

20

que le constituant B très volatil est le fluide frigorigène. [49]

Les machines à adsorption solaire comportent les éléments essentiels suivants : un adsorbeur,

un condenseur, un évaporateur, un réservoir et une vanne.

a) L'adsorbeur :

Un adsorbeur contenant l’adsorbant solide, en contact avec une source chaude, il joue pour le

cycle à adsorption, le rôle joué par le compresseur (aspiration et compression) dans un cycle à

compression de vapeur (voir figure (I.5.)).

a) : Vue du capteur-adsorbeur à tubes.

b) Vue du capteur à tubes et détail de construction d'un tube

Figure (I. 6) : Conception d’un adsorbeur d’une machine frigorifique à adsorption.

[50]

b) Le condenseur :


______________________________________________________________________________________________________________

21

Le condenseur est un échangeur de chaleur dans lequel un changement de phase du fluide

chaud (adsorbat) passe de l’état vapeur à l’état liquide (production d’un film liquide en

contact avec la surface d’échange). Il serve à évacuer la chaleur prélevée à l évaporateur plus

l’équivalent thermique de la compression.

Figure (I.7) : Condenseur à air. [50]

c) L'évaporateur :

L’évaporateur est un échangeur de chaleur qui permet de vaporiser le fluide (adsorbat)

provenant du condenseur après son stockage dans un réservoir pour faire passer le fluide de

l’état liquide à l’état vapeur. Un film de vapeur à la surface d’échange est créé. Dans toutes

les machines frigorifiques l’évaporateur est l’appareil qui sert à prélever la chaleur à une

source froide.


______________________________________________________________________________________________________________

22

Evaporateur Chambre à froid

Figure (I.8) : Evaporateur et chambre à froid. [50]

d) Le réservoir : Il sert à stocker le réfrigérant liquide provenant du condenseur.

e) Une vanne de détente V3

f) Deux clapets anti-retour V1 et V2

I.10. Principe de fonctionnement d’une machine frigorifique solaire à

adsorption

Au début de cycle, les vannes V1, V2 et V3 sont fermées, l’adsorbeur se trouve à sa

température minimale, l’adsorbant est chargé d’une masse maximale d’adsorbat. En chauffant

l’adsorbeur, la pression du gaz adsorbé augmente au fur et à mesure que sa température

augmente, la masse adsorbée reste constante. Lorsque la pression atteint celle du condenseur

(pression haute), la vanne V2 s’ouvre, la vapeur désorbée circule vers le condenseur où elle se

liquéfie à la température de condensation et le condensât est stocké dans un réservoir. Le

chauffage continue jusqu’à ce que l’adsorbeur soit en équilibre avec la température de la

source chaude où la température atteint sa valeur maximale. À ce moment, le refroidissement

de l’adsorbeur commence et sa pression diminue et la vanne V2 se ferme. La vanne V3

s’ouvre, le condensât stocké dans le réservoir se détend et entre dans l’évaporateur, sa

pression chute de la pression du condenseur jusqu’à celle de l’évaporateur (pression basse).


______________________________________________________________________________________________________________

23

Lorsque la pression qui règne dans l’adsorbeur atteint celle de l’évaporateur, la vanne V1

s’ouvre et l’adsorbeur qui se trouve en légère dépression, aspire la vapeur produite dans

l’évaporateur. L’effet utile de refroidissement se produit lors de l’évaporation. Le

refroidissement de l’adsorbeur continue jusqu’à ce qu’il atteint sa température minimale, où

l’adsorbant est saturé en adsorbat. Les vannes V1et V3 se ferment et un autre cycle

commence. [50]

Figure (I.9) : Schéma d’une machine frigorifique à adsorption. [51]

I.11. Avantage et inconvénient d’une machine à adsorption :

Inconvénients : [52]

Fortes puissances thermiques à évacuer vers l’extérieur.

Basses pressions de vapeur avec les frigorigènes utilisés (eau et méthanol).Avec l’eau,

l’impossibilité de produire du froid au-dessous de 0 °C.

Les performances du système de captation des machines frigorifiques solaires à

adsorption sont particulièrement sensibles aux conditions environnementales (vent,

température ambiante et rayonnement solaire), ce qui renforce le caractère aléatoire de

la production frigorifique provenant du caractère fluctuant de l’énergie solaire.


______________________________________________________________________________________________________________

24

La production discontinue de froid imposant un accumulateur externe pour le stockage

de l’énergie. Cette solution permet de pallier la nature intermittente et aléatoire de

l’énergie solaire, mais n’a pas encore reçu de succès économique satisfaisant. Le

problème de discontinuité de production de froid peut être résolu en utilisant plusieurs

adsorbeurs, ce qui augmente l’encombrement, le poids et le prix de la machine. [52]

Avantages [52]

l’absence de compression mécanique, donc pas de vibrations et de bruits. La

possibilité d’utiliser une énergie calorifique disponible et d’éviter ainsi la

consommation électrique du compresseur. Donc, ce sont des machines poly-énergie

(brûleur du propane, résistance électrique, énergie solaire, …etc.).

La parfaite autonomie.

Le procédé classique des machines à adsorption opère avec un seul adsorbeur, il

présente certes l’avantage d’être simple technologiquement, ce qui lui confère les

qualités de facilité d’entretien et de fiabilité dans le temps.

L’intermittence du cycle de base associé à ces machines représente une caractéristique

utile dans les applications solaires où l’énergie solaire n’est que discontinuèrent

disponible. Ces machines sont donc parfaitement adaptables à cette énergie.

Le fonctionnement intermittent permet de diminuer le nombre de composant du

système.

Des coûts de fonctionnement et d’entretien très réduits.

La durée de vie de ces machines peut être longue, si l’on s’est prémuni contre la

décomposition du frigorigène et contre les phénomènes de corrosion. [52]

Tous ces avantages des machines frigorifiques à adsorption sont des raisons qui nous ont

amené à les sélectionner plus particulièrement dans notre travail de mémoire.

CHAPITRE 2

Chapitre 2 : Etude de performance de la machine frigorifique à adsorption

_____________________________________________________________________________________

25

II.1. Introduction :

Dans ce chapitre, nous allons présenter le modèle mathématique qui se base sur les différentes

équations nécessaires pour calculer le coefficient de performance de la machine frigorifique à

adsorption.

II.2. Equation de Dubinin-Astakhov (D-A) :

L’équation de l’isotherme d’adsorption de gaz sur un solide microporeux connue sous le nom

équation de Dubinin-Astakhov(D-A) est donnée par : [53]

( ) ( ) [ ( ( ( )

))

]

Où :

m est la concentration (masse adsorbé par unité de masse d'adsorbant) ;

W0 est la capacité d'adsorption maximale (volume d’adsorbat / masse d'adsorbant) ;

est la masse spécifique de l'adsorbat liquide ;

D est le coefficient d'affinité ;

n est un paramètre caractéristique de la paire adsorbant-adsorbat.

Ps : Pression de saturation de l’adsorbat.

II.3. Cycle idéal de machine dans le diagramme de Clapeyron :

La machine frigorifique à adsorption fonctionne par un cycle. La figure(II.1) représente le trajet

thermodynamique de base d’une telle machine dans le diagramme de Clapeyron (Ln P, −1/T).Ce

cycle dit idéal, représente l’évolution de l’état de mélange adsorbant/adsorbat contenu dans

l'adsorbeur. Chaque cycle comprend deux phases principales régissant le fonctionnement : une

phase de chauffage du mélange adsorbant/adsorbat et une autre de refroidissement du même

mélange [54]


_____________________________________________________________________________________

26

Figure (II.1) : Représentation du cycle théorique à adsorption dans le diagramme de

Clapeyron. [55]

II.4. Principe de fonctionnement du cycle idéal :

Le principe de fonctionnement d’un cycle thermodynamique adsorbant-réfrigérant est représenté

d’abord pour un cycle idéal.

Un cycle idéal est un cycle théorique qui ne présente pas de résistance aux transferts de masse et

de chaleur. Dans le diagramme de Clapeyron, le cycle idéal est formé par deux isostères et deux

isobares (figure II.1). [56]

Nous décrivons dans les figures suivantes le principe d’un système fonctionnant avec le couple

Charbon actif / méthanol. Le cycle thermodynamique est totalement défini par les quatre

températures de fonctionnement :

Ta : Température minimale atteinte par le mélange adsorbant/adsorbat (Température

d’adsorption).

Tg : Température maximale atteinte par le mélange adsorbant/adsorbat (température de

régénération).

Tc : Température de condensation.

Te : Température d’évaporation

Le trajet thermodynamique décrit par un couple adsorbant-réfrigérant lors d’un cycle est

constitué des 04 phases principales :

A/- Chauffage isostérique:

Le rayonnement solaire chauffe le collecteur-adsorbeur qui contient l'adsorbant. La pression

augmente dans le système. [57]


_____________________________________________________________________________________

27

b/- Désorption:

Lorsque le capteur a atteint la pression de saturation correspondant à la température du

condenseur, la vapeur de l'adsorbat se condense et s'écoule dans l'évaporateur.(27)

Figure (II 3) : Désorption. [57]

C/- Refroidissement isostérique:

En fin d'après-midi, avec la diminution de l'ensoleillement, le capteur se refroidit et la pression

diminue dans le système. Le refroidissement est éventuellement favorisé par l'ouverture d'un

volet d'aération en face arrière du collecteur-adsorbeur.(57)

Figure (II.2) : Chauffage isostérique.[57]


_____________________________________________________________________________________

28

Figure (II.4) : Refroidissement isostérique. [57]

D/- Adsorption :

C'est la phase pendant laquelle le froid est produit. La température et la pression ayant diminué,

l'adsorbant se trouve physiquement en déséquilibre et va se recharger en adsorbant le réfrigérant

(Adsorbat) contenue dans l'évaporateur. Cette vapeur est produite par évaporation du liquide

contenu dans l'enceinte frigorifique, évaporation qui produit du froid par soutirage de chaleur au

liquide (chaleur latente d'évaporation).(57)

Figure (II.5) : Adsorption. [57]


_____________________________________________________________________________________

29

II.4. Coefficient de performance d’une machine frigorifique à adsorption

solaire :

Dans le cadre de l’optimisation de la machine, une étude thermodynamique de fonctionnement

sera discutée. Le modèle qui sera développé dans cette partie est un modèle statique, basé sur

l’utilisation des équations d’état (adsorbant/adsorbat) à l’équilibre thermodynamique. Il ne tient

compte ni des effets de la cinétique d’adsorption, ni des différences de température ou de

pression dues aux transferts de chaleur et de masse (c'est-à-dire que la température, la pression et

la masse adsorbée sont supposées uniformes) et que la condensation et l’évaporation s’effectuent

à température constante. On néglige ainsi, l’effet des pertes thermiques associées au chauffage de

l’adsorbeur. [58]

L’efficacité de la machine est traduite par le coefficient de performance thermique COPth, ce

coefficient n’a pas de sens physique, mais il est utile pour décrire le fonctionnement de telle

machine, il est donné par : [58]

Qf est la production frigorifique ou la quantité de froid produite à l’évaporateur.

Qc est la quantité de chaleur fournie à l’adsorbeur.

Le COPth calculé dans cette partie est un COP thermique thermodynamique, c'est-à-dire qu'il

prenne en compte les bilans sur l’adsorbant, l’adsorbat et les parties métalliques de l’adsorbeur.

Mais, le COPth réel d’un tel cycle tient compte des bilans thermiques sur l’adsorbeur et sur les

différents organes de la machine frigorifique à adsorption (condenseur et évaporateur). [58]

Les quantités de chaleur mises en jeu dans le cycle seront directement calculées par

l’intermédiaire de la relation de (D-A), où aucune simplification ne sera effectuée.

II.5. Détermination des températures de début d’adsorption et de désorption :

La définition du cycle thermodynamique d’une machine frigorifique à adsorption est achevée

lorsque les deux points critiques (seuils) de ce cycle sont déterminés et définis (Ts1 et Ts2).

Cependant dans le calcul du coefficient de performance thermique nous n’avons besoin que de la

température seuil de désorption Ts1. Alors que, Ts2 est plus convenable dans les calculs des

performances des pompes à chaleur(30). La température seuil de désorption Ts1 est définie

comme étant la température à partir de laquelle le phénomène de désorption commence, elle

correspond à l’apparition de la première goutte liquide dans le condenseur. La température seuil

d’adsorption Ts2 est définie comme la température à partir de laquelle le phénomène


_____________________________________________________________________________________

30

d’adsorption commence, elle correspond à l’évaporation de la première goutte liquide dans

l’évaporateur. [59]

Pour obtenir les relations analytiques entre Ts1 et Ts2 avec la température de condensation Tc et

d’évaporation Te, nous devons tenir compte de la supposition de deux isostères pendant les

phases (1→ 2) et (3→ 4) (voir la figure II-1), on obtient : [59]

m(Ta, Pe) = m (Ts1, Ps)………….II.3

m(Tg, Pc) = m (Ts2,Pe)…………….II.4

Par l’application de l’équation (III.1) aux équations (III.3) et (III.4), on obtient respectivement :

( ) [ ( ( ( )

))

] ( ) [ ( ( ( )

))

]

( ) [ ( ( ( )

))

] ( ) [ ( ( ( )

))

]

Pour obtenir la température Ts1, nous devons résoudre l’équation (III.5). On donne des valeurs la

température Ts1 dans un intervalle [Ta, Ts1max], où Ts1max est la valeur maximum de Ts1

(arbitrairement choisie) et chaque fois, on compare les valeurs de la masse adsorbée calculée

correspondant à des valeurs de température données précédemment, à (Ta, Pe)

jusqu’’l'obtention de la valeur de Ts1 correspondant à m(Ta, Pe) = m(Ts1,Pc). La résolution

d'équation (II.6) nous donne la température seuil d’adsorption Ts2, en utilisant la même

procédure donnée précédemment. La figure (II.6) donne l’organigramme de calcul des

températures de seuil.

II.6. Quantités de chaleur consommées par les différents composants de la

machine

II.6.1. Expression de Qf:

La quantité de froid produite à l’évaporateur Qfest donnée par :

* ( ) ∫ ( )

+

Le premier terme de cette équation représente la chaleur extraite pour l’évaporation du

réfrigérant à la température d’évaporation Te.

Le second terme représente la chaleur sensible nécessaire pour amener le condensât de sa

température de condensation à celle d’évaporation Te.

Où: Let Cp représentent, respectivement la chaleur latente d’évaporation et la chaleur spécifique

de l’adsorbat à l’état liquide. [57]


_____________________________________________________________________________________

31

ma est la masse de l’adsorbant solide contenue dans l’adsorbeur.

Δm= mmax − mmin = m (Ta, Pe) – m (Tg, Pc)……………………………………………..........II.8

mmax est la masse adsorbée correspondante à la température d’adsorption Ta et la pression

d’évaporation Pe (voir figure (II.1)), calculée à l’aide du modèle de Dubinin-Astakhov.

mmin est la masse adsorbée correspondante à la température de régénération Tg et la pression de

condensation Pc (voir figure (II.1)), calculée à l’aide du modèle de Dubinin-Astakhov. [57]

II.6.2. Expression de Qc :

L’adsorbeur reçoit l’énergie de la source chaude dont une partie sera utilisée pour chauffer les

parties métalliques de l’adsorbeur, une autre partie sert à chauffer l’adsorbant et l’adsorbat et le

reste servant à la désorption. [57]

Qc = Q1+Q2+Q3+Qdes…………………………………………………………………………..II.9

Q1, Q2etQ3sont des chaleurs sensibles, respectivement utilisées pour le chauffage de l’adsorbant,

des parties métalliques de l’adsorbeur et de l’adsorbat.

Qdes est la chaleur nécessaire à la désorption correspondant à la masse de l’adsorbat désorbée.

Dans toute la suite de ce chapitre, nous admettons l’hypothèse d’incompressibilité des liquides et

des solides, qui conduit à : Cp = Cv.

Cp est la chaleur spécifique à pression constante.

Cv est la chaleur spécifique à volume constant.

A/- Chaleur sensible de l’adsorbant (Q1) :

Q1est la chaleur nécessaire pour porter la température de l’adsorbant solide de la température Ta à

la température Tg, elle est donnée par : [57]

∫ ( )

maest la masse de l’adsorbant solide contenue dans l’adsorbeur

Cp1est la chaleur la capacité calorifique Del 'adsorbant.

B/- Chaleur sensible des parties métalliques (Q2) :

Q2 est la chaleur nécessaire pour porter la température des parties métalliques de l’adsorbeur de

la température Ta à la température Tg, elle est donnée par : [57]


_____________________________________________________________________________________

32

∫ ( )

mg est la masse des parties métalliques de l’adsorbeur

Cp2 est la chaleur spécifique des parties métalliques de l’adsorbeur.

mg représente la capacité calorifique des parties métalliques de l’adsorbeur.

C/- Chaleur sensible de l’adsorbat (Q3) :

Q3 est la chaleur nécessaire pour chauffer l’adsorbat de la température Ta à la température

Tg,elle est donnée par : [57]

( ∫ ( )

∫ ( ) ( )

)

m(T) est la masse adsorbée à la température T et à la pression de condensation Pc(phase(2→3)

de la figure (III-1)), calculée à l’aide du modèle de Dubinin-Astakhov.

D/- Chaleur de désorption(Qdes) :

La désorption se fait sur le trajet (2→3) où les points 2 et 3 (figure II-1) correspondent

respectivement, aux températures Ts1 et Tg. La chaleur de désorption est donnée par: [60]

∫ ( )

( ( )

)

( )

Où : qst est la chaleur isostérique d’adsorption, définie par l’équation suivante :

( ) ( ( )

) [

] * (

( )

)+

( )

Où R est constante universelle des gaz parfaits

II.7. Hypothèses simplificatrices :

Pour simplifier le calcul numérique des équations ci-dessus, on va considérer les hypothèses

simplificatrices suivantes :

La variation de la capacité massique calorifique Cpl de l’adsorbat en fonction de

température est négligeable

La chaleur de désorption Q des est égale à la quantité de froid produite à l’évaporateur Qf

Donc les équations (II.7), (II.12) et (II.13) deviennent respectivement :

[ ( ) ( )]

( ( ) ( ))


_____________________________________________________________________________________

33

[ ( ) ( )]

II.8. Conclusion :

Les équations présentées dans ce chapitre représentent notre modèle mathématique qui va être

transféré en modèle numérique à l’aide de l’outil MS Excel afin de calculer le coefficient de

performance COP de la machine frigorifique à adsorption. Les résultats obtenus seront traités

dans le chapitre 3.

Chapitre03 RESUltats et

discussion


_______________________________________________________________________________________________________________

34

III.1.Introduction:

Dans ce chapitre, nous avons défini un modèle mathématique basé d'une part sur l'équation d'état

du modèle de Dubinin - Astakhov et d'autre part sur les différentes quantités de chaleur

échangées pendant le cycle thermodynamique (de Clapeyron) de la machine frigorifique à

adsorption utilisant le couple charbon actif AC-35/ Méthanol.

Le calcul numérique du modèle défini pour le cycle de base de Clapeyron associé à cette

machine est réalisé au moyen d'un programme basé sur un fichier MS Excel. Le calcul a permis

de mettre en relief l’influence des différents paramètres sur la quantité de froid produite ainsi que

les quantités de chaleurs consommées par les différents composants de l'adsorbeur et sur le

coefficient de performance de la machine (COP).

III.2. Propriétés thermodynamique de l'adsorbat sélectionné:

L'adsorbat sélectionné est le méthanol qui va subi à différentes transformations pendant le cycle

de Clapeyron permettant la variation de température et le changement de phase de l'état liquide à

l'état gazeux ou l'inverse, donc la connaissance de l'évolution des propriétés physiques du

méthanol le long de la courbe de saturation est très importante (Voir tableau (III.1)).

Tableau (III.1) : Propriétés du méthanol le long de la courbe de saturation. [61]

T

(K)

P

(MPa)

ρvap

(kg/m3)

ρliq

(kg/m3)

hliq

(kJ/kg)

hvap(kJ/kg) Cpliq

(kJ/kg/ K)

Cpvap

kJ/kg /K)

200 0,0000061 0,0001 880,28 -334,31 955,68 2,2141 1,4194

250 0,00081 0,0126 831,52 -221,69 1013,1 2,3121 2,3704

300 0,0187 0,2462 784,51 -100,87 1065,3 2,5461 3,6638

325 0,0603 0,7463 760,74 -35,064 1089,5 2,7223 4,195

350 0,1617 1,9053 735,84 35,664 1111,6 2,9362 4,6631

375 0,3748 4,2757 708,86 112,27 1129,6 3,1891 5,1821

400 0,7737 8,7343 678,59 195,83 1140,4 3,4912 5,9366

425 1,4561 16,754 643,38 287,71 1140,3 3,8713 7,1409

450 2,5433 30,831 600,49 390,11 1129,3 4,4067 8,2711

475 4,1688 54,371 544,35 507,42 1117,9 5,3805 8,15

500 6,525 109,88 451,53 656,91 1048 9,9683 19,04

III.3. Propriétés physiques du couple adsorbant-adsorbat sélectionné:

L'adsorbant sélectionné charbon actif AC35avec l'adsorbat méthanol va aussi subi à un

échauffement et à un refroidissement pendant le cycle de Clapeyron permettant la variation de sa


_______________________________________________________________________________________________________________

35

température, donc la connaissance de ses propriétés physiques en présence du méthanol comme

adsorbat est très importante pour le calcul de la quantité de chaleur récupéré ou dégagée par ce

solide (Voir tableau (III.2)).

Tableau (IV.2) : Propriétés physiques de charbon actif AC35. [19]

N D W0

Cp

(kJ/kg/K)

2.15 5,02E-07 4.25e-04 0,92

III.4. Données du métal des tubes contenant l'adsorbant:

Les tubes métalliques contenant l'adsorbant sont considérés en cuivre de Cp=0.38 KJ/Kg/K et de

volume correspondant à poids de mg=5Kg. Ce volume pouvant contenir une masse d'adsorbant

ma=01 Kg.

III.5.Validation de programme MS Excel élaboré:

L'assurance du bon fonctionnement du programme MS Excel a été confirmée par une validation

du résultat de COP avec celui de W. Chekirou [19]. La figure (III.1) représente cette validation

où la comparaison montre une erreur moyenne de 4.52%.

Figure (III.1):Validation du résultat obtenu du COP en fonction de Tg avec

celui de W. Chekirou [19] (Ta = 25 °C, Tc = 30 °C, Te = 0 °C).

III.6. Influence de la température régénération Tg sur la performance de la

machine:

La figure (III.2) représente l'influence de la température de régénération Tg sur la performance

de la machine. On constate que l'augmentation de Tg s'accompagne avec une augmentation de

COP, Δm et les différentes quantités de chaleur Qf, Qc, Q1, Q2, Q3 et Qdes. L'augmentation de

25

30

35

40

45

50

50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150

[%

] C

OP

Tg [°C]

Notre résultat W. Chekirou [11]


_______________________________________________________________________________________________________________

36

COP (courbe a) est pour une valeur maximale de 46% correspondant à Tg=112°C, puis l'allure

de son évolution commence à se diminuer. Ce qui signifie que la performance optimale est

obtenue seulement pour une certaine valeur de Tg et la continuation de d'échauffement n'a aucun

sens pour des valeurs maximales de température. La courbe b de la figure (III.2) montre que le

bon échauffement de l'adsorbeur permet la désorption maximale de la masse d'adsorbat. Ça aussi

ayant un intérêt sur l'augmentation de la capacité de l'adsorbant pour adsorber du méthanol en

évaporant une quantité maximale qui se traduit sous forme de Qf importante (courbe c).

a) Variation de COP en fonction de Tg b) Variation de masse d'adsorbat en fonction de Tg

c) Variation de Qf et Qc en fonction de Tg d) Variation de Q1, Q2, Q3 et Qdes en fonction de Tg

Figure (III.2) : Influence de la température régénération Tg sur la performance de la machine

(Ta = 25 °C, Tc = 30 °C, Te = 0 °C)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

50 70 90 110 130 150 170 190

CO

P [

%]

Tg [c°]

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

50 70 90 110 130 150 170

m [

kg]

Tg [c°]

Δm Masse d'adsorbat restante

0

100

200

300

400

500

600

700

800

50 70 90 110 130 150 170 190

Ch

ale

ur

[KJ]

Tg [c°]

Qc

Qf

0

50

100

150

200

250

300

50 70 90 110 130 150 170 190

Ch

ale

ur

[KJ]

Tg [c°]

Q1

Q2

Q3

Qdes


_______________________________________________________________________________________________________________

37

III.7. Influence de la température condensation Tc sur la performance de la

machine:

La diminution de la température de condensation Tc permet d'optimiser la performance de la

machine comme le montre la figure (III.3). Car la température Tc plus basse réduit la quantité de

chaleur nécessaire pour rendre le méthanol à la température d'évaporation Te pendant la phase

d'évaporation, ce qui augmente la quantité de froid produite Qf.

Figure (III.3): Influence de la température condensation Tc sur la performance de la machine

III.8. Influence de la température d'adsorption Ta sur la performance de la

machine:

La diminution de la température d'adsorption Ta permet d'optimiser la performance de la

machine comme le montre la figure (III.4). Car l'échauffement à partir d'une température Ta

plus réduit nécessite une quantité de chaleur importante pour échauffer l'adsorbeur jusqu'à la

température Tg pendant la phase d'échauffement, ce qui augmente la masse désorbée et par la

suite Qf.

30

32

34

36

38

40

42

44

46

48

50

70 90 110 130 150 170 190

CO

P[%

]

Tg [°C]

TC =35[C°] TC =25[C°] TC =30 [C°]


_______________________________________________________________________________________________________________

38

Figure (III.4): Influence de la température d'adsorption Ta sur la performance de la machine

III.9. Influence de la température d'évaporation Te sur la performance de la

machine:

L'augmentation de la température d'évaporation Te permet d'optimiser la performance de la

machine comme le montre la figure (III.5). Car la température Te plus élevée réduit la quantité

de chaleur nécessaire pour rendre le méthanol de la température Tc à la température

d'évaporation Te pendant la phase d'évaporation, ce qui augmente la quantité de froid produite

Qf.

Figure (III.5):Influence de la température d'évaporation Te sur la performance de la machine

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

50 70 90 110 130 150 170

CO

P [

%]

Tg [°C]

Ta=40 [C°]

Ta=30 [C°]

Ta =25 [C°]

0

10

20

30

40

50

60

50 70 90 110 130 150 170

CO

P [

%]

Tg [°C]

Te=-10[°C] Te=0[°C°] Te=10[°C]


_______________________________________________________________________________________________________________

39

III.10. Conclusion

Les températures du cycle d'une machine frigorifique à adsorption ayant une influence

importante sur la performance de production froid. Alors la sélection de ces paramètres peut être

la clé principale pour optimiser la réfrigération à adsorption.

CONCLUSION

GENERALE

Conclusion générale

_____________________________________________________________________________________

40

Conclusion générale :

Une étude de performance d'une machine frigorifique à adsorption solaire fonctionnant par le

couple charbon actif AC35-méthanol et alimentée par l'énergie solaire a été réalisée. Le modèle

mathématique présenté est développé en modèle numérique au moyen du programme MS Excel.

Le calcul a permis de suivre l'allure de COP de la machine en fonction des températures du cycle

de fonctionnement. Les résultats ont montré que le COP ayant une sensibilité pour les

températures du cycle, à savoir : température de régénération Tg, température d'adsorption Ta,

température de condensation Tc et température d'évaporation Te. L'augmentation de Tg

s'accompagne avec une augmentation de COP pour une valeur maximale de 46% correspondant

à Tg=112°C. La performance optimale est obtenue seulement pour une certaine valeur de Tg et

la continuation d'échauffement n'a aucun sens pour des valeurs maximales de Tg. Le bon

échauffement de l'adsorbeur ayant un intérêt sur l'augmentation de la capacité de l'adsorbant pour

adsorber du méthanol en évaporant une quantité maximale qui se traduit sous forme de Qf

élevée. La température de condensation Tc plus basse ou la température d'évaporation plus

élevée diminue la quantité de chaleur nécessaire pour rendre le méthanol à la température

d'évaporation Te pendant la phase d'évaporation, ce qui augmente la quantité de froid produite

Qf. L'échauffement à partir d’une température Ta plus réduite optimise la production du froid.

REFERENCES

BIBLIOGRAPHIQUES

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Résumé :

L’effet des températures limites du cycle thermodynamique d'une machine frigorifique à adsorption

solaire fonctionnant par le couple charbon actif AC35-méthanol sur le coefficient de performance

thermique COPth a été étudié numériquement au moyen du programme MS Excel. Les résultats ont

montré que le COPth ayant une sensibilité pour les températures du cycle, à savoir : température de

régénération Tg, température d'adsorption Ta, température de condensation Tc et température

d'évaporation Te. Cette étude serait d’un apport appréciable pour optimiser les techniques

d’échauffement et de refroidissement de ces machines frigorifiques afin d’améliorer leur

performance.

Mots clé : Adsorption solaire- Couple AC35/méthanol-Machine frigorifique-Performance

Abstract :

The effect of the temperature limits of the thermodynamic cycle of a refrigerating machine solar

adsorption driven torque activated AC35-methanol on thermal performance coefficient COPth

studied numerically using the MS Excel program. The results showed that the COPth with a

sensitivity for the cycle. temperatures: regeneration temperature Tg, adsorption temperature Ta,

condensing temperature Tc and evaporation temperature Te. This study would be a substantial

contribution to optimize heating and cooling of the refrigeration equipment techniques to improve

their performance.

Key words: solar Adsorption - Couple AC35/methanol-Machine cooling Performance

الملخص

أثناء المستعملة الحرارية للموازنات سيكيالكال التر وديناميكي التحليل طريق عن عرضت متزازباال التبريد ةآل تشغيل دراسة

فحم الثنائي مستعملين الشمسية الطاقةاالمتزاز ب التبريد لةآل الحدودية حرارةال اتدرج تأثيرودراسة للدورة ربعةألا طواراأل

أي للدورة،حساس مع COPth أن النتائج وأظهرت. اكسل برنامج باستخدام( ممتز/ ماز) امتزاز ثنائيك ميثانول/ منشط

هذه ان ,ريالتبخ حرارة ودرجة , التكثيف حرارة درجة ،از االمتز حرارة درجة ،التجديد الحرارة درجة: الحرارة درجات

.أدائها لتحسين التبريد معدات تقنيات وتبريد تدفئة تحسين في كبيرة مساهمة ستكون الدراسة

التبريد آلة األداء -التبريد آلة -الميثانول/ AC35 زوجين - الشمسية االمتزاز: المفتاحية الكلمات

Mémoire Présenté pour l’obtention du diplôme de la performance d'une machine frigorifique à...

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