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

par Delphine Triché

Thèse de doctorat en Mécanique des fluides, Energétique, Procédés

Sous la direction de Nadia Caney.

Le président du jury était Pierre Neveu.

Le jury était composé de François Boudéhenne, Daniel Mugnier.

Les rapporteurs étaient Jean-Michel Reneaume, Marc Clausse.


  • 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.

  • Titre traduit

    Numerical and experimental study of coupled mass and heat transfers in the absorber of an ammonia-water absorption chiller.


  • Résumé

    Ammonia-water absorption chillers are promising both for solar air conditioning and for industry processes. To become competitive compared to electric compression chillers, their efficiency needs to be improved and their cost has to be decreased. This thesis study takes place in this context.The focus is put on the absorber, which is one of the most critical component of absorption chillers in terms of compactness, cost and efficiency. The purpose is to study numerically and experimentally coupled heat and mass transfers which occur in the absorber in order to predict and improve its overall performances.Two falling film absorbers are analysed. In both of them, the poor solution and the vapour enter at the top and the coolant fluid enters at the bottom of the absorber. The first absorber is a brazed plate heat exchanger and the second is a gasketed plate-and-frame heat exchanger with different geometric dimensions and plates corrugations.The experimental study of these two absorbers is performed in real working conditions on an instrumented ammonia-water absorption chiller prototype of 5 KW. Thanks to this device, a global analysis of vapour absorbed mass flow rates, absorbed heat fluxes and mass effectiveness is achieved. A local analysis is also performed thanks to temperature measures inside channels of coolant fluid in the gasketed plate-and-frame heat exchanger. Results show a strong correlation between the absorption chiller cooling capacity and the absorber performances. However, since this prototype is a real chiller, absorber inlet variables cannot be controlled. Thus, a numerical model is necessary to dissociate the impact of these variables on the absorber performances.A 1D numerical model of the absorber is developed. It is based on mass, species and enthalpy balances, mass and heat transfer equations and equilibrium conditions at the vapour/solution interface. Mass transfer resistances in both liquid and vapour phases are considered while heat and mass transfer coefficients are calculated using empirical correlations.This model is validated experimentally with global data at the inlet and the outlet of the absorber and temperature measures along the absorber coolant fluid channels. A maximal relative error of 15 % is observed. Therefore, a detailed analysis of combined heat and mass transfers along the absorber and the absorption process study is performed thanks to this model.A parametric study is also performed with this model to discuss experimental results and find ways to improve the absorber performances and thus the absorption chiller performances.


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