Etude d'une machine frigorifique solaire à adsorption d'ammoniac sur charbon actif utilisant un adsorbeur équipé d'ailettes externes

Abstract

Ce travail entre dans le cadre de développement durable. C’est une contribution au développement de la technologie des machines frigorifiques solaires à adsorption. En effet, le développement de la technologie des machines frigorifiques à adsorption peut être effectué par des études expérimentales d’une part, et par la modélisation mathématique d’autre part. Cette dernière méthode permet d’économiser du temps et de l’argent, car elle est plus souple à utiliser pour stimuler les variations de différents paramètres. Le présent travail est divisé en deux volets, le premier volet consiste à modéliser le cycle d’une machine frigorifique à adsorption, utilisant le couple charbon actif – ammoniac. Cette modélisation est statique, elle ne tient pas compte des effets cinétiques dans la machine, à savoir les transferts de chaleur et de masse dans les différents éléments de la machine, c’est en effet une nouvelle approche, basée sur le calcul des bilans énergétiques entre les quatre points caractéristiques du cycle de la machine, utilisant les fonctions thermodynamiques comme l’énergie interne, l’enthalpie, … et de leurs dérivées. Les équations du modèle obtenues ont été résolues à l’aide d’un code numérique que nous avons développé au cours de la réalisation de ce travail. Nous avons étudié la sensibilité du coefficient de performance thermique (COP) aux quatre températures caractéristiques du cycle ainsi qu’à la masse métallique de l’adsorbeur. Nous avons montré la faisabilité et nous avons étudié les limites de fonctionnement de la machine. Dans le deuxième volet de ce travail, nous avons étudié une machine frigorifique à adsorption d’ammoniac sur charbon actif, munie d’un adsorbeur de forme cylindrique et équipé d’ailettes externes où nous avons tenu compte du transfert de chaleur et de masse dans l’adsorbeur chauffé à l’aide de l’énergie solaire via un capteur solaire plan. Nous avons mis au point un programme de calcul écrit en FORTRAN dont l’objectif est de calculer l’état instantané et les performances de la machine en fonction des paramètres climatiques constructifs et de fonctionnement de la machine. Cette étude est une évaluation des performances de la machine et une analyse de sensibilité aux paramètres caractérisant la machine. C’est aussi une étude d’optimisation de l’adsorbeur de la machine dont l’objectif est la prédiction théorique des dimensions optimales de l’adsorbeur ailetté extérieurement. Nous avons montré au cours de cette étude que la température maximale atteinte dans l’adsorbeur avec ailettes est bien supérieur à la température maximale atteinte dans le cas de l’adsorbeur sans ailettes ce qui prouve bien que les performances sont bien meilleures dans le cas d’un adsorbeur équipé d’ailettes, e particulier lorsque la largeur de l’ailette est égale à la moitié du diamètre des tubes cylindriques. L’optimisation géométrique du réacteur équipé d’ailettes externes, réalisé dans ce travail n’est qu’une optimisation énergétique, et le fait d’augmenter le diamètre des tubes et l’ajout d’ailettes, nous laisse penser qu’il serait intéressant de réaliser une étude technico-économique en parallèle et tenir compte de tous les frais d’usinage. Il existe donc un compromis qu’il faudrait effectuer avant de décider de la construction de ce frigo solaire.