Purification du fluide frigorigène dans les machines à absorption par l'optimisation des transferts couplés de masse et de chaleur dans les films tombants de l'ensemble générateur/rectifieur.

par Mathilde Wirtz

Projet de thèse en Energétique et Génie des Procédés

Sous la direction de Benoît Stutz.

Thèses en préparation à Grenoble Alpes , dans le cadre de École doctorale sciences et ingénierie des systèmes, de l'environnement et des organisations (Chambéry) , en partenariat avec Laboratoire d'Optimisation de la Conception et Ingénierie de l'Environnement (laboratoire) depuis le 01-11-2018 .


  • Résumé

    Depuis plus de quinze ans, on assiste à un développement accru de la demande en climatisation, et plus généralement en solutions de rafraichissement des ambiances pour offrir plus de confort aux personnes lors des périodes estivales en général et des périodes de canicule en particulier. La majeure partie des climatiseurs et groupe froid commerciaux sont des machines de compression mécanique de vapeur utilisant de l'électricité pour fournir l'effet frigorifique. L'utilisation de cette technologie doit faire face à un paradoxe : plus le nombre de climatiseurs installés dans les villes augmente, plus la chaleur dégagée en milieu urbain croît, entraînant une élévation de la température de l'air ambiant. La baisse des performances du refroidisseur et la hausse des besoins en refroidissement des bâtiments induites par cette élévation de la température peut conduire à une augmentation de la demande d'électricité de pointe pour le refroidissement qui peut être triplée. On assiste par ailleurs à un développement de nouvelles générations de réseaux de chaleur urbains qui recherchent à augmenter la consommation d'énergie thermique en été (utilisé presque exclusivement lors de cette période pour la production d'eau-chaude sanitaire) pour permettre de mieux intégrer les sources d'énergies renouvelables et les rejets thermiques dans leurs production, et répondre ainsi aux exigences des nouvelles réglementations. Une des solutions à ces problèmes de développement de la climatisation en milieu urbain pourrait être l'utilisation de machines frigorifiques à absorption alimentées par de la chaleur fatale ou de l'énergie solaire thermique via les réseaux lors des périodes estivales. Les machines à absorption ammoniac-eau apparaissent particulièrement intéressantes à cet effet, en raison de leurs faibles coûts de production et de maintenance. De plus, le cycle thermodynamique fonctionnant à haute pression est favorable à l'optimisation des transferts internes de chaleur et de masse, à la réduction de la quantité de fluide, à la limitation des pertes de charges hydrauliques et in fine à une conception de machine compacte. Le principal défaut de ce couple de fluides de travail réside dans le faible écart de volatilité entre le fluide absorbant et le fluide réfrigérant. Ceci nécessite l'utilisation d'un rectifieur pour éliminer les traces d'eau dans les vapeurs d'ammoniac en sortie du générateur. Le développement de générateurs à faible émission de vapeur d'eau est ainsi un sujet clefs concernant le développement de machines compactes et performantes. Une solution prometteuse consiste à mettre en œuvre des désorbeurs plaques et films ruisselants tirant partie de l'évolution des équilibres liquide-gaz avec la température et la concentration au sein des films. En s'appuyant sur les choix technologiques effectués pour les développements réalisés au cours des sept dernières années au CEA-INES et sur les travaux initiés au LOCIE en 2017 dans le cadre du projet Carnot Energie du Futur TRICYCLE, les travaux de thèse s'orienteront vers la compréhension et la modélisation des transferts couplés de chaleur et de masse au niveau de la génération de vapeur (ensemble générateur/rectifieur) par film tombant. Une validation expérimentale sera réalisée à partir d'un prototype existant au laboratoire. Cette validation numérique/expérimentale permettra ensuite de réaliser une optimisation de l'ensemble de la chaîne de génération de vapeur visant à l'amélioration de la compacité globale et à l'augmentation des performances du cycle thermodynamique. La génération de vapeur par ébullition est la technique la plus couramment utilisé au niveau du générateur des machines à absorption H2O/NH3. Elle s'accompagne cependant d'une présence d'eau dans les vapeurs qu'il faut alors dissocier de l'ammoniac pour assurer un bon fonctionnement des machines. Différents procédés sont alors utilisé pour purifier la vapeur: les colonnes de distillation à plateau, les colonnes à garnissage ou à spray ainsi que les condenseurs à films ruisselants. Le coût énergétique de la rectification des vapeurs est d'autant plus important que la teneur en eau des vapeurs en sortie du générateur est importante. Pour limiter cette teneur en eau, des générateurs à films tombants contre-courant sont développés. Différentes machines mettent en œuvre des générateurs à films tombants sur des faisceaux de tubes horizontaux. Pour les machines de faible puissance, certains auteurs préconisent de mettre en œuvre des faisceaux de micro-tubes permettant ainsi d'augmenter la compacité des systèmes et intensifier les échanges. Une autre technique apparaît particulièrement prometteuse : les contacteurs liquide-gaz rencontrés en génie des procédés, et utilisés dans les procédés de séparation. Cette technique a été étudiée dans le cas d'échangeur à plaque unique. Elle permet, d'une part d'augmenter la densité de surface d'échange par unité de volume d'échangeur, et d'autre part d'associer au sein d'un même composant une phase de rectification en mettant en contact sur la partie haute et non chauffée du générateur la vapeur émise en partie basse avec la solution riche en provenance de l'absorbeur. Un verrou à lever pour la mise en œuvre de cette technologie réside dans la mise en en place d'un distributeur de liquide sur la partie haute des plaques compatible avec une circulation des vapeurs à contre-courant des films ruisselants. Un premier concept de désorbeur à plaque et films tombants a été étudié et à conduit à la conception d'un premier prototype qui sera construit et testé prochainement à l'INES en collaboration entre le CEA et le LOCIE. Ce prototype sera utilisé pour valiser le modèle numérique qui sera utilisé pour concevoir un désorbeur-rectifieur à plaque.

  • Titre traduit

    Refrigerant purifying in absorption machines through the optimization of coupled mass and heat transfers in falling-film of the generator rectifier assembly.


  • Résumé

    For more than fifteen years, the request in air conditioning is increasing, and more generally the request in solutions of refreshment of the atmosphere, to offer more comfort during summer periods, and particularly during periods of heat wave. The major part of the cold air conditioners is machines with steam mechanical compression, using some electricity to supply the cooling effect. The use of this technology has deal with a paradox: the more the number of air conditioners installed in cities increases, the more the heat released in urban zones grows, wich leads a rise of the ambient air temperature. The reduction of the performances of the chiller and the increase of needs in cooling buildings, led by this rise of the temperature, can lead to an increase of the request of peak electricity for the cooling, which can be tripled. Besides, we attend a development of new generations of urban heating networks which are looking for increasing the thermal energy consumption in summer (used during this period almost exclusively for the production of sanitary hot water), allowing to better integrate the renewable sources of energy and the thermal rejections in their production, and meeting the requirements due to new regulations. One of the solutions to these problems of air conditioning development in urban zones could be the use of refrigerated absorption machines fed by the fatal heat or the thermal solar energy via networks during summer periods. Machines with ammonia-water absorption seem particularly interesting for that purpose, because of their moderate costs of production and maintenance. Furthermore, the thermodynamic cycle working at high pressure is favorable to the optimization of the internal transfers of heat and mass, to the reduction of the quantity of fluid, to the limitation of the hydraulic head losses and in fine to a design of compact machine. The main default of this working fluids couple lies in the low gap of volatility between the absorbent fluid and the coolant. This requires the use of a rectifier to eliminate the tracks of water in ammonia vapor at the outlet of the generator. The development of generators with low vapor emission is a main key concerning the development of compact and efficient machines. A promising solution consists in implementing desorber with plate and falling film taking advantage of the evolution of the liquid-gas equilibrium with temperature and concentration inside films. Based on the technological choices made for the developments realized during the last seven years in the CEA-INES and on the works introduced in the LOCIE in 2017 within the framework of the project Carnot Energie of the Future TRICYCLE, PhD researchs will turn to the understanding and the modelling of coupled heat and mass transfers at the vapor generation step (assembly of generator / rectifieur) through falling film. An experimental validation will be realized from a prototype existing in the laboratory. This numerical/experimental validation will then allow to realize an optimization of the whole chain of steam generation aimed at the improvement of the global compactness and at the increase of the performances of thermodynamic cycle. The vapor generation by boiling is the most usually used technic at the level of the generator of absorption machines with H2O / NH3. However, iIt comes along with a presence of water in the vapors that it is necessary to separate from ammonia to ensure an effective functioning of these machines. Then, various processes are used to cleanse the vapor : the distillation columns with tray, packed columns or spray columns as well as condensers with falling films. The energy cost of the vapor rectification is all the more important as the moisture content of vapors at the outlet of the generator is important. To limit this moisture content, generators with counterflow falling films are developed. Various machines implement generators with falling films about beams of horizontal tubes. For the low-power machines, some authors recommend to implement beams of micro-tubes to increase the compactness of the systems and to intensify the exchanges. Another technique seems particularly promising : liquid-gas contactors used in the processes of separation, in process engineering. This technique was studied in the case of single-plate heat exchanger. On one hand, it allows to increase the density of surface of exchange by unit of volume of heat exchanger, and on the other hand, to associate within the same component a rectification phase by contacting, on the high and not warmed part of the generator, the emitted vapor in the low part with the rich solution from the absorber. A barrier to be removed for the implementation of this technology lies in the etablishment of a liquid dispenser on the high part of plates, compatible with a vapors circulation against the falling films stream. A first concept of desorber with plate and falling films was studied and led to the conception of a first prototype which will soon be built and tested in INES in collaboration between the CEA and the LOCIE. This prototype will be used to confirm the digital model which will be used to design a desorber-rectifier with plate.