Étude numérique et expérimentale des transferts couplés de masse et de chaleur dans l’absorbeur d’une machine à absorption ammoniac-eau

Résumé :

Les machines frigorifiques à absorption ammoniac-eau sont prometteuses dans les domaines de la climatisation solaire et de la valorisation des rejets thermiques pour l’industrie. Pour permettre à ces machines de devenir compétitives par rapport aux systèmes à compression mécanique de vapeur, l’amélioration de leur efficacité et la baisse de leur coût sont nécessaires. C’est dans ce contexte que s’inscrit ce travail de thèse.

L’étude se concentre sur l’absorbeur qui est un des composants les plus critiques de la machine à absorption en matière de taille, de coût et d’efficacité. L’objectif est d’étudier numériquement et expérimentalement les transferts couplés de masse et de chaleur dans l’absorbeur dans le but de prédire et d’améliorer ses performances. Deux absorbeurs à film tombant sont étudiés, dans lesquels la solution pauvre et la vapeur entrent en haut et le fluide caloporteur entre en bas. Le premier est un échangeur à plaques soudées et le deuxième est un échangeur à plaques et joints avec des dimensions et des profils de plaques différents. L’analyse expérimentale de ces deux absorbeurs est réalisée dans des conditions réelles de fonctionnement sur un prototype instrumenté de machine à absorption ammoniac-eau de 5 kW. Ce dispositif permet une analyse globale des débits de vapeur absorbés, des flux thermiques évacués et des efficacités d’absorption. Une analyse plus locale est aussi réalisée à l’aide de mesures de températures à l’intérieur des canaux de refroidissement dans l’absorbeur plaques et joints. Les résultats montrent une importante corrélation entre la puissance frigorifique produite par la machine à absorption et les performances de l’absorbeur. Mais ce prototype étant une machine réelle, les variables d’entrée de l’absorbeur ne peuvent pas être contrôlées. Un modèle numérique est donc nécessaire pour dissocier l’impact des différentes variables sur les performances de l’absorbeur. Un modèle 1D d’un absorbeur à film tombant est donc développé. Il est basé sur des bilans de masses, d’espèces et d’énergies, des équations de transferts de masse et de chaleur et des conditions d’équilibre à l’interface liquide-vapeur. Les résistances aux transferts de masse sont considérées dans les phases liquide et vapeur et des corrélations empiriques sont utilisées pour calculer les coefficients de transfert de masse et de chaleur.

Ce modèle est validé expérimentalement avec les données globales aux bornes des deux absorbeurs et avec les mesures de températures le long des canaux du fluide de refroidissement puisqu’une différence maximale de 15% est observée. Il permet donc l’analyse détaillée des phénomènes de transferts de masse et de chaleur le long de l’absorbeur et facilite l’étude du procédé d’absorption. Enfin, une étude de sensibilité paramétrique est réalisée avec ce modèle pour discuter des résultats expérimentaux et pour identifier les pistes d’amélioration des performances de l’absorbeur et donc de la machine à absorption.