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la climatisation solaire.

15% de toute l'électricité produite dans le monde est employée pour la réfrigération et la climatisation, et la consommation d'énergie pour les systèmes de climatisation est de 45% de l'ensemble de l'énergie consommée par les bâtiments. De plus, les besoins en froid coïncident la plupart du temps avec les périodes d’ensoleillement et la technologie de climatisation solaire est au point.

On utilise l’expression de « climatisation solaire » quand un système de stockage de chaleur est présent et qu'à un certain système de rafraîchissement solaire est adjoint une énergie d’appoint ou de substitution. Sans cet appoint, on utilise l’expression de « rafraîchissement solaire ».
Les machines frigorifiques habituelles produisent du froid avec du chaud, par l’intermédiaire d’un cycle de compression mécanique.
c’est aussi le cas de la climatisation solaire qui remplace simplement la chaleur fournie classiquement du compresseur mécanique par la chaleur fournie par un système de conversion

thermique de l’énergie solaire, utilisant le fait que quand un certain fluide s’évapore, il pompe de la chaleur et quand il se condense, il en restitue.
Des machines frigorifiques (groupes de froid) utilisant le rafraîchissement évaporatif  disponibles sur le marché et courantes dans les systèmes centralisés de climatisation, utilisent d’ores et déjà de l’eau portée à une certaine température par l’intermédiaire de l’énergie solaire dans un processus de réfrigération en lieu et place de l’électricité. Le principe de base dans ce processus de réfrigération solaire est le phénomène d’absorption. Ces machines frigorifiques exigent un entretien limité et présentent une grande longévité. 

Selon leur conception, ses machines disponibles et qui sont à absorption à simple effet, admettent de l’eau chaude allant de 100 à 135°C. Pour les machines à absorption à double effet, on utilise de l’eau chaude de à des températures comprises entre 150 à 205°C.

Systèmes de climatisation solaire.

Un système de climatisation solaire est composé d'un champ de capteurs solaires à tubes sous vide ou de capteurs cylindro-paraboliques, un ballon de stockage d’eau chaude, un groupe de froid à absorption à double effet et un système de régulation. Dans ces machines frigorifiques à absorption utilisées en climatisation, la substance absorbante est généralement le bromure de lithium (LiBr), et le fluide réfrigérant de l'eau. Ce type de groupe de froid permet de produire de l'eau « glacée » à une température de 5°C. Leur cycle thermodynamique est un cycle tritherme sans apport de travail, les systèmes trithermes utilisant de l’énergie thermique pour fonctionner. Les capacités des groupes de froid à absorption disponibles sur le marché sont données en US TR en tonnes de glace par heure US. Un US TR correspond à environ à une production de 3,5 KWth de froid.

Analogie avec la machine frigorifique traditionnelle.

Circulation d'un fluide réfrigérant, évaporation du fluide avec production de froid, compression du fluide demandant un apport d'énergie, condensation du fluide avec production de chaleur sont les quatre étapes communes entre les réfrigérateurs que l’on connaît et les groupes de froid à absorption. La différence réside dans le moyen de comprimer le fluide, thermochimique dans le cas de la machine à absorption, et le  type d'énergie nécessaire à cette compression, calorifique dans le cas de la machinedu groupe de froid à absorption.

Le Coefficient de Performance thermique (COP).

Le coefficient COP d’une machine frigorifique est le rapport entre la chaleur extraite de l’eau glacée (production de froid) et la chaleur motrice du processus, il exprime l'efficacité énergétique du cycle frigorifique. Celui d’une machine frigorifique à absorption à simple effet est de  0,7 et celui d’une machine frigorifique à absorption à double effet est de 1,2. Il est différent du COP d’un groupe de froid classique à compression électrique, défini lui par le rapport entre la quantité d'énergie transférée par la machine et la consommation électrique du groupe de froid. Cette comparaison superficielle entre les deux techniques est biaisée. Une machine frigorifique à compression mécanique ayant un COP d’au moins 3.

Toutes les machines à absorption sont refroidis par des tours de refroidissement. Les systèmes à simple effet ont un COP d’environ 0,7 et les systèmes à double effet ont un COP d’environ 1,2, cela entraîne que la tour de refroidissement d’un système à double effet à une taille réduite par rapport à celle d’ un système à simple effet d’environ 40%.

chiller : groupe de froid à absorption

Couples frigorigène/absorbant

Les couple ammoniaque - eau (NH3/ H2O) et eau - Bromure de lithium (H2O/ BrLi) sont les couples qui remplissent le plus ces critères. Dans le cas du couple LiBr-H2O, l’eau est le réfrigérant, ce qui implique que la température minimale du cycle doit être supérieure à 0°C. Il existe plus de 40 composés réfrigérants et 200 absorbants disponibles. Cependant, les couples les plus utilisés sont : (NH3/ H2O) et (H2O/BrLi).
Le couple NH3/H2O permet de produire du froid jusqu’à –50°C et convient pour les applications à températures négatives, alors que pour de l’eau glacée au dessus de 0°C, comme c’est le cas en climatisation, c’est le couple eau/bromure de lithium (H2O/LiBr) qui est utilisé, l’eau étant le réfrigérant.

Les machines frigorifique à absorption utilisent les propriétés d'affinité chimique des molécules d'un frigorigène plus volatile (sorbat) et d'un liquide (sorbant). L'absorbant liquide est en général un corps pur qui forme, par absorption de frigorigène, un mélange binaire. Les cycles à absorption liquide mettent en jeu deux fluides : un solvant et le soluté qui est le réfrigérant.

Un couple binaire, pour être approprié, doit avoir entre autres les caractéristiques suivantes : absence de phase solide, l’agent absorbant doit avoir un grande affinité pour le fluide frigorigène, le fluide frigorigène doit être plus volatile que l’agent absorbant, le couple ne doit pas être corrosif et doit présenter une faible viscosité ainsi qu’une grande chaleur latente du fluide frigorigène.

Principe thermodynamique de la machine frigorifique à absorption.

Une machine frigorifique à absorption est un générateur thermodynamique qui échange de la chaleur parmi trois sources de chaleur à trois niveaux différents de température Tf, Ti et Tc. Ces de trois sources de chaleur sont une source froide, à la température Tf, une source intermédiaire servant au rejet thermique à la température Ti et une source fournissant de la chaleur" motrice" à la température Tc.

La compression thermique est obtenue en utilisant un couple réfrigérant/liquide absorbant, et une source de chaleur qui élimine la consommation électrique du compresseur mécanique.
Les groupes de froid à absorption remplacent simplement la compression mécanique en phase vapeur du réfrigérant par une compression en phase liquide d’une solution binaire. Cette solution est composée du réfrigérant et d’un absorbant. Le phénomène d’absorption est le mélange d’un gaz dans un liquide qui forment une solution et où les deux phases de fonctionnement du couple sont exploitées .Ce processus est réversible, la production de froid étant basée sur l’évaporation du réfrigérant  dans l’évaporateur à basse pression (sous vide partel).

Le froid est produit, à la température Tf, la chaleur est libérée dans le condenseur et dans l’absorbeur à la température Ti, ert la chaleur solaire est fournie au générateur à la température Tc. Le cycle de compression chimique employant un couple frigorigène-absorbant comme par exemple une solution saline concentrée de sels de bromure de lithium (LiBr) et d’eau (H2O), ou encore de l’eau (H2O) et de l'ammoniaque (NH3).

groupe de froid double effet eau LiBr

eau chaude d'origine solaire à Tc.

eau glacée à destinatination de l'installation de climatisation solaire.

concentrateur.

séparateur.

condenseur.

évaporateur.

absorbeur.

eau de refroidissement à Ti.

Les quatre composants principaux du groupe de froid à absorption.

La machine frigorifique à absorption est composée quatre enceintes reliées entre elles.

L'absorbeur.

ammoniac-eau.
quantité d’ absorbant passe également en phase vapeur. Un « rectifieur » peut alors s’avérer nécessaire, c’est le cas du couple ammoniac-eau.
l'absorbeur contient la solution absorbante pauvre en frigorigène qui absorbe la vapeur et s’enrichit en frigorigène, Cette vapeur se liquéfie en cédant sa chaleur au circuit de refroidissent. Cette transformation est exothermique et la chaleur dégagée est évacuée à la température Ti, l'absorbeur effectue ainsi un enrichissement en fluide frigorigène. La pression dans l’ensemble évaporateur - absorbeur est fixée par la température Tf de la source froide. Dans l’absorbeur, le réfrigérant est absorbé par la solution faible. Cette absorption libère une certaine quantité de chaleur transférée à l’eau de refroidissement à Ti.

L'évaporateur.

le froid est produit dans l’évaporateur où le fluide frigorigène s’évapore et la chaleur est libérée dans le condenseur où le frigorigène se condense. la compression de la vapeur du frigorigène est réalisée dans l’absorbeur. La vapeur générée par l’évaporateur est absorbée dans un l’absorbant. L’absorbant est pompé vers le générateur où le réfrigérant est vaporisé à son tour puis condensée dans le condenseur. L’absorbant concentré ou régénéré est alors reconduit jusqu’à l’absorbeur pour absorber de nouveau la vapeur du frigorigène. L'évaporateur où le fluide frigorigène liquide s’évapore grâce à la chaleur du milieu à refroidir produit ainsi la puissance frigorifique. L'énergie est donc prélevée sur le circuit d'eau glacée du groupe à absorption, source froide de la machine à Tf.

Le concentrateur.

Dans le concentrateur qui est le générateur de vapeur, la solution est régénérée. Elle est chauffée, par la source chaude de la machine  à Tc qui assure le fonctionnement du cycle. La température de la source chaude est généralement au dessus de 100°C pour des machines à simple effet, avec un COP de 0,7. Les machines double effet, nécessitent des températures supérieures à 150°C, pour un  COP de 1,2. La source chaude fournit au concentrateur une certaine quantité de chaleur qui permet à une fraction du réfrigérant de quitter la solution binaire et de passer en phase vapeur. Lorsque l’absorbant est volatil, une certaine quantité d’ absorbant passe également en phase vapeur. Un « rectifieur » peut alors s’avérer nécessaire, c’est le cas du couple

Le condenseur.

Le condenseur, réalise un appauvrissement en fluide frigorigène, la pression qui y règne correspond à l’équilibre liquide vapeur du frigorigène. C’est la température Ti du condenseur qui fixe la température de condensation et donc la pression.

Pour obtenir une machine à double effet, un deuxième étage est adjoint, comportant un deuxième générateur et un deuxième condenseur, qui alimente en chaleur le premier générateur; ou encore on introduit un deuxième absorbeur et un deuxième générateur avec récupération par le premier générateur de la chaleur dissipée par le deuxième absorbeur.

Groupes de froid ammoniaque-eau.

Les groupes de froid fonctionnant au couple (NH3/H2O) permettent d’atteindre des températures en dessous de 0°c et trouvent leurs applications dans la réfrigération industrielle. Pour ces systèmes, la température de la source de chaleur doit être de l’ordre de 120ºC (système à simple effet ) et le COP est de l’ordre de 0,6, le même que celui d’un système eau - Bromure de lithium à simple effet.
La vapeur issue du concentrateur contient quelques % de vapeur d’eau et nécessite un rectifieur, chargé d’éliminer l’eau de cette vapeur avant son introduction dans le condenseur. Cet organe n’a pas lieu d’être pour le couple, H20-LiBr où l’eau est le seul constituant à l’état de vapeur.

Groupes de froid eau-LiBr.

endommager la pompe de circulation, et si la source chaude dépasse de 200°c, la solution de LiBr devient très corrosive. Il est nécessaire alors de prévoir un dispositif anti-cristallisation. Pour les machines fonctionnant au couple H2O-LiBr, la température de l’eau de refroidissement doit être maintenue entre 25 et 35 °c. La borne supérieure est fixée de manière à limiter les différences de pression entre le générateur et l’absorbeur et entre le condenseur et l’évaporateur. La borne inférieure permettant de limiter le risque de cristallisation du LiBr.

Le bromure de lithium n'étant pas volatile, dans l’absorbeur, il n’y a donc que de la vapeur d’eau qui se forme. Les groupes de froid à bromure de lithium n'ont pas besoin de rectifieur. Ce couple est particulièrement bien adapté pour produire du froid positif à destination de la climatisation solaire à partir d’une source chaude telle que les capteurs solaires sous vide ou les concentrateurs cylindro-paraboliques.
Si la température de la source chaude dépasse une certaine limite, la solubilité du bromure de lithium dans l’eau diminue et des cristaux peuvent apparaître dans la solution. Ces cristaux peuvent alors obstruer la circulation de la solution et

Diagrammes thermodynamiques utilisés pour décrire les cycles de réfrigération à absorption

Les cycles de production de froid à absorption liquide sont décrits en thermodynamique par les diagrammes thermodynamiques de Dühring, d'Oldham et de Merkel-Bosnjakovic.

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