Cours en ligne et simulateur de thermodynamique appliquée

Cycles à absorption

Principe des cycles à absorption

Une machine à absorption échange de la chaleur avec au moins trois sources de chaleur à trois niveaux de température différents. Repérons par l'indice c la source chaude, f la source froide et m la source à température moyenne, et appelons W le travail mis en jeu dans la machine et Delta S la génération d'entropie.

Principe d'une machine à absorption

L'écriture des deux principes de la thermodynamique conduit aux équations suivantes.

Deux cas peuvent être distingués selon que la température de l'environnement est ou non supérieure à la température de la source froide.

Dans le premier cas, qui correspond au cycle de réfrigération, la machine refroidit une enceinte à basse température et rejette de la chaleur dans l'environnement, Tm étant supérieure ou égale à T0.

Dans le second, qui correspond au cycle de pompe à chaleur, la machine prélève de la chaleur à la source froide (qui peut être l'environnement) et sert à chauffer une enceinte à température intermédiaire Tm.

Considérons le premier cas, et supposons que la source à température moyenne est l'environnement, Tm étant égal à T0.

En combinant ensemble les équations précédentes, on obtient :

Le premier et le troisième terme étant négatifs, et le second positif, cette équation montre que le travail W peut être nul, c'est-à-dire qu'il est possible de concevoir une machine de réfrigération tritherme produisant du froid sans consommer de travail. En pratique cependant, de nombreuses machines à absorption mettent en jeu des pompes de circulation.

Le principal intérêt des cycles de réfrigération à absorption liquide est qu'ils ne requièrent qu'une faible puissance mécanique comparativement à leurs homologues à compression de vapeur (moins de 1%). Utilisant un cycle thermodynamique tritherme, ils permettent d'utiliser directement de la chaleur à moyenne ou haute température pour produire du froid, sans nécessiter ou presque d'apport d'énergie mécanique. A ce titre, ils ont théoriquement des rendements globaux en terme d'énergie primaire supérieurs aux cycles à compression de vapeur.

De surcroît, ils mettent en jeu des fluides dont l'impact sur la couche d'ozone et sur l'effet de serre est nul : ODP = GWP = 0. En revanche, ils nécessitent un apport de chaleur à température moyenne ou élevée, de telle sorte que leur impact indirect n'est pas nécessairement nul : tout dépend de la source d'énergie utilisée.

Un autre avantage des cycles à absorption liquide est qu'ils peuvent être utilisés dans des installations énergétiques intégrées produisant à la fois de la puissance mécanique, de la chaleur à moyenne température et du froid. On parle alors de trigénération, et les rendements totaux obtenus sont extrêmement élevés.

Les cycles à absorption liquide mettent en jeu au moins deux fluides : un solvant et un soluté (le réfrigérant). Bien que d'autres couples soient étudiés, les seuls qui soient utilisés en pratique pour la quasi-totalité des applications sont les deux couples LiBr - H2O et H2O - NH3. Parmi les conditions requises pour que le couple pressenti soit approprié, il faut d'une part que le solvant ait une grande affinité vis à vis du soluté, et d'autre part que ce dernier soit beaucoup plus volatil que le solvant, afin que la séparation des deux constituants soit la meilleure possible.

Avec le couple LiBr- H2O, l'eau est le réfrigérant, ce qui impose deux contraintes : d'une part les pressions de travail sont très basses compte tenu de la loi de pression saturante de l'eau, et d'autre part la température minimale du cycle doit être supérieure à 0 °C. Les machines utilisant le couple bromure de lithium-eau ne sont utilisées qu'en conditionnement d'air.

Vous trouverez dans cette page une présentation des diagrammes et équations permettant de les représenter.

Machine à absorption LiBr-H2O

Un cycle de machine à absorption utilisant le couple LiBr-H2O comporte huit éléments principaux :

  • un désorbeur, qui reçoit de la source chaude un flux de chaleur, et dans lequel entre la solution riche à haute pression, préchauffée dans l'échangeur de solution (B). Il en sort d'une part la vapeur de réfrigérant (H2O) presque pure (C), et d'autre part la solution appauvrie (A) ;

  • le condenseur, dont sort la vapeur de réfrigérant, condensée et éventuellement sous-refroidie (I), la chaleur extraite étant rejetée à l'environnement ;

  • un détendeur de réfrigérant, qui réduit la pression du réfrigérant liquide, qui en sort à l'état diphasique à basse température (L) ;

  • un évaporateur dans lequel le réfrigérant à basses pression et température est vaporisé et éventuellement légèrement surchauffé (J), en prélevant à la source froide le flux de chaleur utile (effet frigorifique) ;

  • un absorbeur, dans lequel entrent le réfrigérant vaporisé (J) et la solution pauvre préchauffée dans l'échangeur de solution (E), et duquel sort la solution riche (D), la chaleur extraite étant rejetée à l'environnement ;

  • un échangeur de solution, qui permet d'effectuer une régénération interne entre la solution riche et la solution pauvre ;

  • une pompe est nécessaire pour pressuriser la solution riche avant son entrée dans l'échangeur ;

  • un détendeur en sortie d'échangeur ramène la solution pauvre à la pression de l'absorbeur.

Schéma d'un cycle à absorption

On notera que le condenseur, le détendeur de réfrigérant et l'évaporateur fonctionnent de la même manière que dans un cycle frigorifique à compression de vapeur.

Tout se passe donc comme si le compresseur d'un cycle de réfrigération classique était remplacé par les composants situés dans la partie basse de la figure ci-dessus.

Composants spécifiques à un cycle à absorption

Absorbeur

Comme son nom l'indique, c'est dans l'absorbeur que prend place l'absorption du frigorigène dans la solution pauvre. L'opération étant exothermique, il est nécessaire de refroidir l'absorbeur. Le schéma d'un absorbeur est donné figure ci-dessous.

Schéma d'un absorbeur

La solution pauvre sort sous forme de gouttelettes des buses situées en haut de l'appareil et vient ainsi lessiver la vapeur de frigorigène qui sort de l'évaporateur.

La surface de contact entre les deux fluides étant très grande, le phénomène d'absorption est facilité. La concentration en soluté augmente progressivement dans l'appareil, de telle sorte que la solution qui en sort est riche en frigorigène.

L'absorbeur travaille à la basse pression du cycle et à température intermédiaire entre les températures saturantes du frigorigène à basse et haute pression. En conséquence la solution riche doit être mise en pression par une pompe avant d'être dirigée vers le désorbeur.

Désorbeur ou générateur

La fonction principale du désorbeur, encore appelé générateur, est d'extraire le frigorigène de la solution riche pour produire de la vapeur de frigorigène à haute pression qui pourra être condensée dans le condenseur de l'appareil. Le schéma d'un désorbeur est donné figure ci-dessous.

Schéma d'un désorbeur

La solution riche entre en bas de l'appareil. Elle y est réchauffée grâce à un apport de chaleur à haute température qui la fait bouillir. Compte tenu de la différence de volatilité du frigorigène et du solvant, les bulles produites contiennent presque exclusivement du frigorigène.

C'est totalement le cas pour le couple couples LiBr-H2O. Dans le cas du mélange NH3-H2O, un petit peu d'eau est aussi vaporisée, et on doit utiliser un deuxième appareil appelé rectifieur pour l'extraire afin que la vapeur d'ammoniac soit à peu près pure.

Deux fluides sortent du désorbeur : la solution appauvrie en frigorigène dans la partie basse, et la vapeur de frigorigène dans la partie haute.

Echangeur de solutions

La solution pauvre sortant du désorbeur à une température supérieure à celle de la solution riche issue de l'absorbeur, il est thermodynamiquement justifié d'utiliser un échangeur de chaleur entre les deux fluides, que l'on appelle l'échangeur de solutions.

 Modélisation du cycle

Pour modéliser un tel cycle, nous avons créé dans la modélothèque deux nœuds externes qui mettent en jeu le couple LiBr-H2O, dont les propriétés sont modélisées dans un corps externe particulier.

Comme nous l'avons vu dans la section précédente, la machine à absorption échange de la chaleur avec l'extérieur sous trois formes :

  • un apport à haute température pour le désorbeur

  • une extraction à moyenne température pour l'absorbeur

  • l'effet frigorifique utile au niveau de l'évaporateur

La représentation des couplages thermiques du désorbeur et de l'absorbeur est possible en utilisant deux thermocoupleurs, nommés respectivement "apport de chaleur" et "refroidissement" sur le schéma de la figure ci-dessous : chaque nœud externe calcule l'énergie thermique qui doit être échangée, et chaque thermocoupleur recalcule la transfo "échange" à laquelle il est connecté.

L'effet frigorifique est quant à lui modélisé par un échangeur classique.

Modèle Thermoptim d'un cycle à absorption

Sur le synoptique de la figure ci-dessus, on reconnaît dans la partie centrale la machine à absorption, avec les trois sources avec lesquelles elle échange de la chaleur : en haut le circuit de refroidissement à moyenne température, en bas à gauche l'eau réfrigérée, et en bas à droite la vapeur à haute température.

Dans ce synoptique on a comptabilisé comme énergie utile l'effet frigorifique et comme énergie payante l'énergie thermique fournie au désorbeur, ce qui conduit à un COP du cycle à absorption à simple effet égal à 0,76.

Exercices et activités personnelles

A titre d'exercice vous pouvez modéliser le cycle présenté ci-dessus. Son corrigé succinct vous fournira les fichiers Thermoptim correspondants.

Fiche-guide de TD

La fiche-guide de TD n°12 présente un exemple d'un tel cycle utilisé dans une installation de trigénération.

Références

ASHRAE, Fundamentals Handbook (SI), Thermodynamics and Refrigeration Cycles, 2001.

Copyright R. Gicquel v 2022.6

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