Développement d’un désorbeur à film tombant combinant la génération et la purification de vapeur pour une machine à absorption ammoniac-eau (Modélisation et Expériences)

Résumé :

La nécessité de répondre à la demande de production de froid croissante, ainsi que de privilégier la valorisation de chaleur fatale comme source d'énergie, comptent parmi les nombreux enjeux de la transition énergétique. Les machines à absorption permettent de répondre à ces deux problématiques, en produisant du froid pour l'industrie ou la climatisation des bâtiments, par récupération de chaleur, venant de sources abondantes et à faibles coûts, telles que le soleil et les réseaux de chaleur. Parmi les fluides de travail existants, le couple NH3-H2O présente des propriétés physiques intéressantes, en plus d'avoir un très faible impact environnemental. L'une des contraintes pour de meilleures performances d'une machine à absorption NH3-H2O est la pureté de la vapeur générée, qui doit être élevée. Or, le faible écart de volatilité entre l'ammoniac et l'eau induit la présence de traces d'eau dans la vapeur d'ammoniac.Le travail mené dans cette thèse présente le développement d'un nouveau générateur combiné, associant la génération et la rectification de la vapeur d'ammoniac dans un échangeur à plaques et films tombants, ainsi que l'impact de son implémentation sur les performances d'une machine à absorption NH3-H2O conçue pour le rafraîchissement.Tout d'abord, un modèle numérique est développé, permettant de simuler les processus de désorption et d'absorption, ainsi que les transferts couplés de masse et de chaleur s'opérant au sein des films tombants, en configuration à co-courant ou contre-courant. Des plaques adiabatiques sont implantées au-dessus des plaques chauffées, permettant d'augmenter la fraction d'ammoniac de la vapeur produite. L'impact des variables d'entrée et de la géométrie des plaques est étudié, afin de déterminer les conditions d'entrée idéales, et la géométrie la plus compacte, permettant de générer une vapeur d'ammoniac pure, et à moindre coûts énergétiques. Puis, le générateur combiné, caractérisé par de nouvelles corrélations établissant ses efficacités de masse, thermique et d'espèces, est implémenté dans un modèle de machine à absorption NH3-H2O afin d'étudier son impact sur les performances de la machine. L'influence des paramètres d'entrée du générateur combiné est analysée. Ensuite, le nouveau générateur combiné est conçu expérimentalement, puis implanté dans une machine à absorption NH3-H2O simple effet, d'une capacité de 5 kW froid. Des études paramétriques sont menées sur les conditions opératoires de la machine, (notamment à travers un plan d'expérience), ce qui a permis de caractériser son fonctionnement incluant le nouveau générateur combiné, puis, de définir les optimums de fonctionnement en termes de coefficient de performance et de production de froid et les limites de fonctionnement. Finalement, une analyse comparative des performances du générateur combiné est menée, entre modélisation et mesures, en fonction des conditions de fonctionnement de la machine à absorption NH3-H2O. Deux modes de fonctionnement sont étudiés : avec des films tombants uniquement, ou avec la partie basse noyée, siège de phénomènes d'ébullition. Un générateur bouilleur (anciennement implanté dans la machine), est également modélisé et ses performances numériques sont comparées aux mesures. Une comparaison des performances et des efficacités des trois modèles de générateur a permis de démontrer que le générateur combiné à films tombants produit une vapeur plus pure, pour de meilleures performances du cycle.