{"id":20578,"date":"2024-07-03T17:00:19","date_gmt":"2024-07-03T15:00:19","guid":{"rendered":"https:\/\/greth.fr\/?p=20578"},"modified":"2025-10-27T17:16:49","modified_gmt":"2025-10-27T16:16:49","slug":"etude-numerique-et-experimentale-dun-cycle-combine-de-production-de-froid-et-delectricite-base-sur-la-technologie-a-absorption-nh3-h2o","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/greth.fr\/en\/etude-numerique-et-experimentale-dun-cycle-combine-de-production-de-froid-et-delectricite-base-sur-la-technologie-a-absorption-nh3-h2o\/","title":{"rendered":"\u00c9tude num\u00e9rique et exp\u00e9rimentale d’un cycle combin\u00e9 de production de froid et d’\u00e9lectricit\u00e9 bas\u00e9 sur la technologie \u00e0 absorption NH3\/H2O"},"content":{"rendered":"Summary :<\/span><\/strong><\/p>\n

In view of increasing global energy demand and concern for the environment, one particular concern is the increasing demand for cooling, which is expected to triple from 2016 until 2050 due to climate change and increasing population. In this context, absorption systems, which have been a relatively niche technology so far, are well suited to the recovery of low temperature energy for the production of cooling. Research has focused on improving the performance of heat driven cooling systems by merging them with power cycles. Hence, system performance is increased by producing power and cooling simultaneously. Additionally, a combined absorption system producing refrigeration and electricity could be better adapted to the whole range of energy demand, from only power to only refrigeration modes with intermediate operation modes producing different ratios of the two useful products.The work carried out in the present PhD thesis regards the experimental and numerical investigation of an absorption-based combined cooling and power production cycle using low temperature heat (80-150 \u00b0C). The architecture is that of a single stage ammonia-water absorption chiller to which a power production line, including a turbine for the production of electricity, is integrated in parallel to the cooling production line.The present document presents first an overview of available heat driven thermodynamic cycles for the production of cooling and power. Absorption machines and organic Rankine cycles are identified as mature and efficient technologies and their combination is envisaged to achieve higher efficiencies and to increase the operating flexibility. Then, the development of a prototype is undertaken by integrating an impulse axial turbine into an existing absorption chiller rig. The special characteristics of the expander as well as the simplified architecture of the absorption cycle make the prototype unique. Despite challenges encountered in the development of the system, first experimental results have been obtained giving important insights on the functioning of the cycle.Experimental data from the prototype was also used for the development of accurate numerical models. First, a detailed model of the absorption chiller is developed based on the use of heat and mass exchangers' effectiveness, modelled using dimensionless operating parameters, and adjusted on experimental measures. Subsequently, a 1D real-gas turbine model is developed including a description of the supersonic expansion in the injector and a simplified rotor loss model, whose coefficients were adjusted based on CFD simulations. Experimental tests on the turbine with fluids other than ammonia have proved to model to be robust and applicable to different working fluids. The turbine 1D model is then integrated into the cycle model for parametric analysis of the operating conditions. Since the cycle produces two different useful products, particular attention is paid to its study from an exergetic point of view. Exergoeconomics was used to calculate separately the cost of each product generated by the system, understanding the cost formation process and optimising the overall system. Finally, different possibilities for improving the system are addressed. In particular, its scale-up with the size effect and various architectures that could increase its flexibility such as the use of an ejector for a better regulation of the mass flow.<\/p>\n\n\n\n\n\n\n\n\n
Author<\/strong><\/td>\n<\/tr>\n
Simone BRACCIO<\/td>\n<\/tr>\n
Date of presentation<\/strong><\/td>\n<\/tr>\n
2023, 1 february<\/td>\n<\/tr>\n
Keywords<\/strong><\/td>\n<\/tr>\n
Power cycle, Experimentation, Simulation, Cooling, Absorption<\/td>\n<\/tr>\n<\/tbody>\n<\/table>\n\n\n\n
\n\t\t
\n\t\t\t
\n\t\t\t\t<\/span>\n

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R\u00e9sum\u00e9 : Les syst\u00e8mes \u00e0 absorption, qui ont \u00e9t\u00e9 jusqu’\u00e0 pr\u00e9sent une technologie de niche, se pr\u00eatent bien \u00e0 la valorisation d’\u00e9nergie \u00e0 basse temp\u00e9rature pour la production de froid. Les scientifiques se sont int\u00e9ress\u00e9s \u00e0 l’am\u00e9lioration des performances des syst\u00e8mes de refroidissement tri-thermes (utilisant de la chaleur pour fonctionner) en combinant les cycles \u00e0 absorption et les cycles de puissance. Ainsi, les performances du syst\u00e8me sont am\u00e9lior\u00e9es par la production simultan\u00e9e d’\u00e9lectricit\u00e9 et de refroidissement. En outre, un syst\u00e8me \u00e0 absorption combin\u00e9 produisant de la r\u00e9frig\u00e9ration et de l’\u00e9lectricit\u00e9 pourrait \u00eatre mieux adapt\u00e9 pour r\u00e9pondre \u00e0 diff\u00e9rents types de besoins, en fonctionnant en mode de production d’\u00e9lectricit\u00e9 seul ou r\u00e9frig\u00e9ration seul, ou dans des modes de fonctionnement interm\u00e9diaires produisant des ratios diff\u00e9rents des deux productions.Le travail men\u00e9 dans cette th\u00e8se concerne l’\u00e9tude exp\u00e9rimentale et num\u00e9rique d’un cycle de production combin\u00e9 de froid et d’\u00e9lectricit\u00e9 bas\u00e9 sur la technologie des machines \u00e0 absorption utilisant de la chaleur \u00e0 base temp\u00e9rature (80-150\u00b0C).L’architecture est celle d’une machine \u00e0 absorption ammoniac-eau simple \u00e9tage, auquel est int\u00e9gr\u00e9e une ligne de production d’\u00e9lectricit\u00e9, comprenant une turbine pour la production de travail m\u00e9canique, en parall\u00e8le \u00e0 la ligne de production de froid.Le pr\u00e9sent document pr\u00e9sente premi\u00e8rement une synth\u00e8se des principaux cycles thermodynamiques existants pour la production de froid et d’\u00e9lectricit\u00e9. Les machines \u00e0 absorption et les cycles organiques de Rankine sont identifi\u00e9s comme des technologies matures et efficaces et leur combinaison est envisag\u00e9e pour atteindre des rendements plus \u00e9lev\u00e9s et augmenter la flexibilit\u00e9 op\u00e9rationnelle. Sur la base de cette constatation, le d\u00e9veloppement d’un prototype est entrepris en int\u00e9grant une turbine axiale \u00e0 action dans une machine \u00e0 absorption existante. Les caract\u00e9ristiques tr\u00e8s particuli\u00e8res de la turbine ainsi que l’architecture simplifi\u00e9e du cycle \u00e0 absorption rendent le prototype unique.Malgr\u00e9 les difficult\u00e9s rencontr\u00e9es dans le d\u00e9veloppement du syst\u00e8me, les premiers r\u00e9sultats exp\u00e9rimentaux ont \u00e9t\u00e9 obtenus, donnant des informations importantes sur le fonctionnement du cycle.Les donn\u00e9es exp\u00e9rimentales du prototype ont \u00e9galement \u00e9t\u00e9 utilis\u00e9es pour le d\u00e9veloppement de mod\u00e8les num\u00e9riques fiables. D’abord, un mod\u00e8le d\u00e9taill\u00e9 de la machine \u00e0 absorption est d\u00e9velopp\u00e9, en utilisant des efficacit\u00e9s des \u00e9changeurs de chaleur, mod\u00e9lis\u00e9 en utilisant des param\u00e8tres de fonctionnement adimensionnels, et ajust\u00e9 sur les r\u00e9sultats exp\u00e9rimentaux. Ensuite, un mod\u00e8le 1D gaz r\u00e9el de turbine est d\u00e9velopp\u00e9. Ce model\u00e9 inclut une description de l’expansion supersonique dans l’injecteur et un mod\u00e8le simplifi\u00e9 des pertes dans le rotor dont les coefficients ont \u00e9t\u00e9 ajust\u00e9s sur la base de simulations CFD r\u00e9alis\u00e9es sur la turbine. Des tests exp\u00e9rimentaux sur la turbine avec des fluides autres que l’ammoniac ont prouv\u00e9 que le mod\u00e8le est robuste et applicable \u00e0 diff\u00e9rents fluides de travail. Le mod\u00e8le de la turbine est int\u00e9gr\u00e9 dans le mod\u00e8le du cycle \u00e0 absorption et utilis\u00e9 pour effectuer une analyse param\u00e9trique sur les conditions de fonctionnement. En particulier, puisqu’il y a deux produit utiles diff\u00e9rents, une attention particuli\u00e8re est accord\u00e9e \u00e0 l’\u00e9tude du cycle d’un point de vue exerg\u00e9tique. La m\u00e9thode de l’analyse exergo-\u00e9conomique a donc \u00e9t\u00e9 utilis\u00e9e pour calculer s\u00e9par\u00e9ment le co\u00fbt de chaque produit g\u00e9n\u00e9r\u00e9, comprendre le processus de formation des co\u00fbts et optimiser le syst\u00e8me dans sa globalit\u00e9. Finalement, les possibilit\u00e9s d’am\u00e9lioration du syst\u00e8me sont trait\u00e9es. En particulier, sa mise \u00e0 l’\u00e9chelle et variations d’architecture qui pourraient augmenter sa flexibilit\u00e9 sont examin\u00e9es. Parmi celles-ci, la possibilit\u00e9 d’int\u00e9grer un \u00e9jecteur dans le syst\u00e8me est consid\u00e9r\u00e9e, en d\u00e9veloppant un mod\u00e8le d\u00e9taill\u00e9 d’\u00e9jecteur et en le couplant au model de cycle complet.<\/p>","protected":false},"author":1,"featured_media":967,"comment_status":"closed","ping_status":"closed","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"footnotes":""},"categories":[20,21],"tags":[6794,6796,6409,6795,6407],"class_list":["post-20578","post","type-post","status-publish","format-standard","has-post-thumbnail","hentry","category-documents","category-memoires-theses","tag-absorption","tag-cycle-moteur","tag-experimentation","tag-froid","tag-simulation"],"yoast_head":"\n\u00c9tude num\u00e9rique et exp\u00e9rimentale d'un cycle combin\u00e9 de production de froid et d'\u00e9lectricit\u00e9 bas\u00e9 sur la technologie \u00e0 absorption NH3\/H2O - GRETh<\/title>\n<meta name=\"robots\" content=\"index, follow, max-snippet:-1, max-image-preview:large, max-video-preview:-1\" \/>\n<link rel=\"canonical\" href=\"https:\/\/greth.fr\/en\/etude-numerique-et-experimentale-dun-cycle-combine-de-production-de-froid-et-delectricite-base-sur-la-technologie-a-absorption-nh3-h2o\/\" \/>\n<meta property=\"og:locale\" content=\"en_US\" \/>\n<meta property=\"og:type\" content=\"article\" \/>\n<meta property=\"og:title\" content=\"\u00c9tude num\u00e9rique et exp\u00e9rimentale d'un cycle combin\u00e9 de production de froid et d'\u00e9lectricit\u00e9 bas\u00e9 sur la technologie \u00e0 absorption NH3\/H2O\" \/>\n<meta property=\"og:description\" content=\"R\u00e9sum\u00e9 : Les syst\u00e8mes \u00e0 absorption, qui ont \u00e9t\u00e9 jusqu'\u00e0 pr\u00e9sent une technologie de niche, se pr\u00eatent bien \u00e0 la valorisation d'\u00e9nergie \u00e0 basse temp\u00e9rature pour la production de froid. 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Les scientifiques se sont int\u00e9ress\u00e9s \u00e0 l'am\u00e9lioration des performances des syst\u00e8mes de refroidissement tri-thermes (utilisant de la chaleur pour fonctionner) en combinant les cycles \u00e0 absorption et les cycles de puissance. Ainsi, les performances du syst\u00e8me sont am\u00e9lior\u00e9es par la production simultan\u00e9e d'\u00e9lectricit\u00e9 et de refroidissement. En outre, un syst\u00e8me \u00e0 absorption combin\u00e9 produisant de la r\u00e9frig\u00e9ration et de l'\u00e9lectricit\u00e9 pourrait \u00eatre mieux adapt\u00e9 pour r\u00e9pondre \u00e0 diff\u00e9rents types de besoins, en fonctionnant en mode de production d'\u00e9lectricit\u00e9 seul ou r\u00e9frig\u00e9ration seul, ou dans des modes de fonctionnement interm\u00e9diaires produisant des ratios diff\u00e9rents des deux productions.Le travail men\u00e9 dans cette th\u00e8se concerne l'\u00e9tude exp\u00e9rimentale et num\u00e9rique d'un cycle de production combin\u00e9 de froid et d'\u00e9lectricit\u00e9 bas\u00e9 sur la technologie des machines \u00e0 absorption utilisant de la chaleur \u00e0 base temp\u00e9rature (80-150\u00b0C).L'architecture est celle d'une machine \u00e0 absorption ammoniac-eau simple \u00e9tage, auquel est int\u00e9gr\u00e9e une ligne de production d'\u00e9lectricit\u00e9, comprenant une turbine pour la production de travail m\u00e9canique, en parall\u00e8le \u00e0 la ligne de production de froid.Le pr\u00e9sent document pr\u00e9sente premi\u00e8rement une synth\u00e8se des principaux cycles thermodynamiques existants pour la production de froid et d'\u00e9lectricit\u00e9. Les machines \u00e0 absorption et les cycles organiques de Rankine sont identifi\u00e9s comme des technologies matures et efficaces et leur combinaison est envisag\u00e9e pour atteindre des rendements plus \u00e9lev\u00e9s et augmenter la flexibilit\u00e9 op\u00e9rationnelle. Sur la base de cette constatation, le d\u00e9veloppement d'un prototype est entrepris en int\u00e9grant une turbine axiale \u00e0 action dans une machine \u00e0 absorption existante. Les caract\u00e9ristiques tr\u00e8s particuli\u00e8res de la turbine ainsi que l'architecture simplifi\u00e9e du cycle \u00e0 absorption rendent le prototype unique.Malgr\u00e9 les difficult\u00e9s rencontr\u00e9es dans le d\u00e9veloppement du syst\u00e8me, les premiers r\u00e9sultats exp\u00e9rimentaux ont \u00e9t\u00e9 obtenus, donnant des informations importantes sur le fonctionnement du cycle.Les donn\u00e9es exp\u00e9rimentales du prototype ont \u00e9galement \u00e9t\u00e9 utilis\u00e9es pour le d\u00e9veloppement de mod\u00e8les num\u00e9riques fiables. D'abord, un mod\u00e8le d\u00e9taill\u00e9 de la machine \u00e0 absorption est d\u00e9velopp\u00e9, en utilisant des efficacit\u00e9s des \u00e9changeurs de chaleur, mod\u00e9lis\u00e9 en utilisant des param\u00e8tres de fonctionnement adimensionnels, et ajust\u00e9 sur les r\u00e9sultats exp\u00e9rimentaux. Ensuite, un mod\u00e8le 1D gaz r\u00e9el de turbine est d\u00e9velopp\u00e9. Ce model\u00e9 inclut une description de l'expansion supersonique dans l'injecteur et un mod\u00e8le simplifi\u00e9 des pertes dans le rotor dont les coefficients ont \u00e9t\u00e9 ajust\u00e9s sur la base de simulations CFD r\u00e9alis\u00e9es sur la turbine. Des tests exp\u00e9rimentaux sur la turbine avec des fluides autres que l'ammoniac ont prouv\u00e9 que le mod\u00e8le est robuste et applicable \u00e0 diff\u00e9rents fluides de travail. Le mod\u00e8le de la turbine est int\u00e9gr\u00e9 dans le mod\u00e8le du cycle \u00e0 absorption et utilis\u00e9 pour effectuer une analyse param\u00e9trique sur les conditions de fonctionnement. En particulier, puisqu'il y a deux produit utiles diff\u00e9rents, une attention particuli\u00e8re est accord\u00e9e \u00e0 l'\u00e9tude du cycle d'un point de vue exerg\u00e9tique. La m\u00e9thode de l'analyse exergo-\u00e9conomique a donc \u00e9t\u00e9 utilis\u00e9e pour calculer s\u00e9par\u00e9ment le co\u00fbt de chaque produit g\u00e9n\u00e9r\u00e9, comprendre le processus de formation des co\u00fbts et optimiser le syst\u00e8me dans sa globalit\u00e9. Finalement, les possibilit\u00e9s d'am\u00e9lioration du syst\u00e8me sont trait\u00e9es. En particulier, sa mise \u00e0 l'\u00e9chelle et variations d'architecture qui pourraient augmenter sa flexibilit\u00e9 sont examin\u00e9es. Parmi celles-ci, la possibilit\u00e9 d'int\u00e9grer un \u00e9jecteur dans le syst\u00e8me est consid\u00e9r\u00e9e, en d\u00e9veloppant un mod\u00e8le d\u00e9taill\u00e9 d'\u00e9jecteur et en le couplant au model de cycle complet.","og_url":"https:\/\/greth.fr\/en\/etude-numerique-et-experimentale-dun-cycle-combine-de-production-de-froid-et-delectricite-base-sur-la-technologie-a-absorption-nh3-h2o\/","og_site_name":"GRETh","article_publisher":"https:\/\/www.facebook.com\/grethfr\/","article_author":"https:\/\/www.facebook.com\/grethfr\/","article_published_time":"2024-07-03T15:00:19+00:00","article_modified_time":"2025-10-27T16:16:49+00:00","og_image":[{"width":424,"height":283,"url":"https:\/\/greth.fr\/wp-content\/uploads\/2015\/08\/theses-11.jpg","type":"image\/jpeg"}],"author":"GRETh","twitter_card":"summary_large_image","twitter_creator":"@grethfr","twitter_site":"@grethfr","twitter_misc":{"Written by":"GRETh","Est. reading time":"7 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