Analyse thermodynamique des absorbeurs à film tombant pour l’amélioration de l’efficacité des machines à absorption

L'augmentation de la demande d'énergie est principalement due à l'augmentation de la consommation d'énergie dans les secteurs du bâtiment et du tertiaire où 20% de la consommation d'énergie est consacrée à la climatisation en raison de l'augmentation de la température moyenne mondiale de 1°C. Or, l'utilisation des appareils de chauffage et de climatisation conventionnels a un impact considérable sur l'environnement car ils contribuent au réchauffement climatique. Agir dans le secteur du bâtiment en produisant du froid et de la chaleur bas carbone permettrait de réduire considérablement son impact environnemental.Ces dernières années, les systèmes à sorption ont suscité l'intérêt de la communauté scientifique en raison de leur bonne efficacité énergétique, haute densité énergétique, de leurs faibles pertes de chaleur et de leur utilisation potentielle pour le stockage de l'énergie solaire pendant les périodes saisonnières. Les systèmes à absorption, en particulier, semblent être une bonne alternative à la compression mécanique des systèmes de réfrigération standards pour différentes raisons. Le fonctionnement de ces machines thermodynamiques est basé sur la mise en oeuvre de différents échangeurs de chaleur et de masse (absorbeur, désorbeur, évaporateur et condenseur). L'objectif de ce projet de recherche est de caractériser en détail les phénomènes de transferts couplés de masse et de chaleur, non seulement à l'échelle locale mais aussi à l’échelle du composant, l’échangeur le plus critique et le moins connu des machines à absorption à savoir l'absorbeur. L'approche adoptée est basée sur l'analyse thermodynamique de ces échangeurs, selon les développements récents de la Thermodynamique des Processus Irréversibles (TIP), dans le but d'identifier les différentes sources d'irréversibilités responsables d'une dégradation des performances globales du système.Le chapitre I présente un état de l'art des modèles de transferts couplés de chaleur et de masse et des applications de la thermodynamique des processus irréversibles à l’absorbeur, afin de comprendre les principales hypothèses et les limites des différents modèles. Pour une meilleure compréhension des sources d’irréversibilités dans les échangeurs simples, le chapitre II est consacré à l'étude d'un évaporateur avant d’introduire les phénomènes plus complexes observés dans l’absorbeur. Les bilans thermiques du fluide caloporteur et du film sont résolus simultanément à travers un modèle 2D utilisant un schéma implicite de différences finies. Des analyses locale et globale ont été réalisées afin d'étudier l'impact de paramètres tels que les nombres de Reynolds du fluide caloporteur et du film mais aussi la température du film en entrée sur la création d'entropie (irréversibilités thermique et visqueuse) et sur les efficacités thermique et d'évaporation pour les configurations à co et contre-courant. Le chapitre III développe un modèle 2D d'absorbeur. Afin d'étudier le cas réel de l'absorbeur, le fluide caloporteur est supposé s'écouler à contre-courant et différents régimes d'écoulement du fluide caloporteur sont étudiés et comparés aux cas limites - parois adiabatique et isotherme. Une formulation locale de la création d'entropie est proposée pour identifier les différentes sources d'irréversibilités dans le but de les localiser et de les quantifier. Le chapitre IV permet une analyse globale du comportement des différentes sources de création d'entropie en considérant différentes conditions de fonctionnement. Le facteur d'équilibre est introduit pour étudier l'impact des débits du fluide caloporteur et du film sur le débit massique absorbé, le flux transféré et la création d'entropie. Une optimisation multi-objectifs est également réalisée. Deux approches d'optimisation ont été utilisées afin de déterminer le front de Pareto et de valider les solutions optimales.