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Simulation des cycles de machines frigorifiques à absorption

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par Sahraoui KHERRIS
Université Ibn Khaldoun TiaretTiaret - Magister - Conversion d'Energie 2007
  

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République Algérienne Démocratique et Populaire
Ministère de l'Enseignement Supérieur et de la Recherche Scientifique
Université Ibn Khaldoun - Tiaret
Faculté des Sciences et des Sciences de l'Ingénieur
Département de Génie Mécanique
Laboratoire de Recherche des Technologies Industrielles

MÉMOIRE

pour obtenir le Diplôme de

Magister

Spécialité : Génie Mécanique Option : Conversion d'Énergie

Thème

Simulation des cycles de machines
frigorifiques à absorption

Présenté par :
Monsieur KHERRIS Sahraoui

Soutenu le : ... / / 2007

Devant le jury : MM.

HADDOUCHE Kamel

M. de Conférences

Université de Tiaret

Président

MAKHLOUF Mohamed

M. de Conférences

Université de Sidi Belabbès

Examinateur

SETTOU Noureddine

M. de Conférences

Université de Ouargla

Examinateur

SAD CHEMLOUL Noureddine

Chargé de Cours

Université de Tiaret

Examinateur

ASNOUN Ahmed

M. de Conférences

Université de Tiaret

Rapporteur

Remerciements

A la fin de ce modeste travail j'ai réalisé que j'ai pu l'accomplir grâce à la contribution d'un grand nombre de personnes, et que quoi que je dise, je ne pourrai jamais tous autant les remercier.

Mais avant ça je remercie DIEU le tout puissant de m'avoir accordé son infinie bonté, le courage, la force et la patience pour réaliser cet humble travail.

Après cela, Je tiens à remercier profondément mon directeur de mémoire Monsieur ASNOUN Ahmed pour la confiance qu'il m'a témoignée tout au long de ce travail, pour son soutien et ses conseils ; grâce à qui mes efforts ont pu aboutir et avec qui j 'ai beaucoup appris.

Aussi je tiens beaucoup et avec un plaisir particulier à remercier Monsieur HADDOUCHE Kamel pour ses conseil avisés ainsi que pour son aide.

Un remerciement chaleureux est adressé à Monsieur SETTOU Noureddine, Maître de Conférence, chef du Département de Mécanique et Electronique à l'Université de Ouargla, pour l'intérêt qu'il a bien voulu porter à ce travail en acceptant de l'examiner et d'être membre du jury de ce mémoire.

Mes vifs remerciements s'adressent également à Monsieur MAKHLOUF Ahmed Maître de Conférence à l'Université de Sidi Belabbès, Monsieur CHEMLOUL S. Noureddine Docteur chargé de cours à l'Université de Tiaret, pour avoir accepté de faire partie du jury et pour leur intérêt à mon travail.

Je remercie aussi Monsieur KHIR Tahar Docteur à l'Université de JADDAH (Arabie Saoudite) pour ses encouragements, son aide et ses conseils.

Encore, je tiens à remercier le Professeur MICHEL Feidt directeur du Laboratoire d'Energétique et de Mécanique Théorique et Appliquée (France), pour m'avoir aidé à structurer le chapitre de la propriété thermodynamiques de la solution NH3-H2O, et Monsieur BENAOUDIA Mohamed Docteur à l'Université Technique de Construction BUCAREST pour ses conseils et son aide.

Sans oublier toute personne ayant participé de prés ou de loin à la réalisation de ce mémoire.

Dédicaces

Á mes très chères parents,

Á mes frères,

Á mes amis,

Et en particulier à une personne qui m'est très chère et qui a toujours su m'aider.

Table Des Matières

REMERCIEMENTS 2

Dédicaces 3

Table des matières 4

Nomenclature 8

???? 11

Résume 12

Abstract 13

Introduction générale 14

Chapitre I : Étude et recherche bibliographique sur les installations frigorifiques à absorption.

Introduction 16

I.1. Bref rappel historique 16

I.1.1. L'essor de la machine à absorption 16

I.1.2. Stade Actuel des machines à absorption dans le monde 20

I.2. Représentation schématique et principe de fonctionnement 24

I.2.1. Principe de fonctionnement 25

I.2.2. Machine à absorption avec NH3-H2O 26

I.2.2.1. Description 26

I.4.2.2. Fonctionnement : 26

I.2.3. Machine à absorption avec H2O-LiBr 29

I.2.3.1. Description 29

I.2.3.2. Fonctionnement 29

I.2.4. Avantages et inconvénients 31

I.2.4.1. Avantages 31

I.2.4.2. Inconvénients 31

I.3. Diagrammes thermodynamiques utilisés 32

I.3.1. Diagramme de Merkel 32

I.3.2. Diagramme d'Oldham 32

I.4. Mélanges pour une machine à absorption 35

I.4.1. Caractéristiques d'un couple binaire 35

I.4.2. Propriétés de l'agent d'absorption 36

Conclusion 36

Chapitre II :Étude thermodynamique des propriétés de la solution binaire NH3-H2O

Introduction 37

II.1. Paramètres fondamentaux des substances pures 38

II.2. Notion de potentiel chimique 38

II.2.1. Condition d'équilibre 39

II.3. L'équation d'état fondamentale choisie pour NH3-H2O 40

II.3.1. L'enthalpie libre 40

II.3.1.1. Phase liquide 41

II.3.1.2. La phase vapeur 42

II.3.2. Propriétés thermodynamiques 43

II.3.2.1. Pour la phase liquide 43

II.3.2.2. Pour la phase vapeur 43

II.4. Mélange ammoniac-eau 44

II.4.1. Mélange liquide 44

II.4.2. L'enthalpie, l'entropie et le volume massique de la solution liquide 46

II.4.3. Mélange vapeur 47

II.4.2. L'enthalpie, l'entropie et le volume massique du mélange vapeur 47

II.5. Conditions de saturation 48

II.5.1. Point de bulle 48

II.5.1. Point de rosée 48

II.6. Propriétés de transport de la solution NH3-H2O 50

II.6.1. Densité de la solution liquide 50

II.6.2. La viscosité dynamique de la solution liquide 51

II.6.3. La viscosité dynamique de la solution gazeuse 52

II.6.4. La conductivité thermique de la solution gazeuse 53

II.6.5. La conductivité thermique de la solution liquide 53

II.6.6. La chaleur spécifique isobare pour la solution gazeuse 54

II.6.7. La chaleur spécifique isobare pour la solution liquide 55

Conclusion 56

Chapitre III : Étude thermodynamique et thermique des différents organes d'une installation frigorifique à absorption.

Introduction 57

II.1. Optimisation et amélioration du cycle 58

III.1.1. Amélioration du cycle 58

III.1.1.1. Colonne de rectification 58

III.1.1.2. Échangeur solution riche-solution pauvre (économiseur) 59

III.1.1.3. Échangeur vapeur froide-condensat (échangeur Liq-Vap) 59

III.2. Calcul thermique de l'installation 60

III.2.1. Machine frigorifique à absorption à simple étage 60

III.2.1.1. Limites de fonctionnement de l'installation 60

III.2.1.1.1. Températures limites 60

III.2.1.1.2. Le taux de dégazage limite 60

III.2.1.2. Modèle de calcul du cycle thermodynamique 61

III.2.1.3. Stabilisation des niveaux de température, de pression et de concentration pour le fonctionnement

du cycle 61

III.2.1.4. Le calcul thermique 65

III.2.1.4.1. Le calcul des flux échangés 66

III.2.1.4.2. Le coefficient de performance de l'installation 67

III.2.2. Machine frigorifique à absorption à deux étages : 68

III.2.2.1. Description du cycle 68

III.3. Étude et calcul du matériel 69

III.3.1. Calcul des échangeurs 69

III.3.2. Les méthodes de dimensionnement des échangeurs 70

III.3.2.1. Méthode de NUT (nombre d'unité de transfert) 70

III.3.2.2. Méthode de différence logarithmique moyenne DTLM 74

III.4. Dimensionnement des principaux appareils 78

III.4.1. Dimensionnement du condenseur 78

III.4.1.1. Méthodologie de calcul du condenseur 78

III.4.1.2. Calcul de la DTLM 79

III.4.1.3. Température moyenne 79

III.4.1.4. Choix de l'appareil et calcul du coefficient de transfert sale Us 79

III.4.1.5. Calcul du coefficient de transfert propre Up 80

III.4.1.6. Calcul de la résistance d'encrassement Rs 82

III.4.1.7. Calcul des pertes de charges 82

III.4.2. Dimensionnement de l'évaporateur 83

III.4.2.1. Méthodologie de calcul de l'évaporateur 84

III.4.2.2. Calcul de la DTLM 84

III.4.2.3. Température moyenne 84

III.4.2.4. Choix de l'appareil et calcul du coefficient de transfert sale Us 84

III.4.2.5. Calcul du coefficient de transfert propre Up 84

III.4.2.6. Calcul de la résistance d'encrassement Rs 86

III.4.2.7. Calcul des pertes de charges 86

III.4.3. Dimensionnement du bouilleur 87

III.4.3.1. Méthodologie de calcul du bouilleur 87

III.4.3.2. Calcul du coefficient de transfert global U 88

III.4.3.2.1. Calcul de h0 côté eau 88

III.4.3.2.2. Calcul de hi côté solution binaire 89

III.4.3.2.3. Calcul du terme 89

III.4.3.3. Calcul de l'écart moyenne de température 89

III.4.3.4. Calcul de la surface d'échange extérieure 90

III.4.3.5. Calcul du nombre de tubes Nt 90

III.4.3.6. Choix de l'appareil et calcul du coefficient de transfert sale Us 90

III.4.3.7. Calcul des pertes de charges 91

III.4.4. Dimensionnement de l'absorbeur 91

III.4.4.1. Méthodologie de calcul de l'absorbeur 92

III.4.4.2. Calcul du débit d'eau de refroidissement 92

III.4.4.3. Calcul de l'écart moyenne de température 92

III.4.4.4. Choix de l'appareil et calcul du coefficient de transfert sale Us 92

III.4.4.5. Calcul du coefficient de transfert propre Up 92

III.4.4.6. Calcul du coefficient global de transfert de chaleur U 94

III.4.4.7. Calcul de la surface d'échange 94

III.4.4.8. Calcul de la longueur d'un tube 94

III.4.4.9. Calcul des pertes de charges 94

III.4.5. Dimensionnement du sous-refroidisseur 94

III.4.5.1. Méthodologie de calcul du sous-refroidisseur 95

III.4.5.2. Calcul de la DTLM 95

III.4.5.3. Calcul du coefficient global de transfert de chaleur U 95

III.4.5.4. Calcul de surface d'échange 97

III.4.5.5. La longueur total des tubes 97

III.4.5.6. Le nombre total des tubes 97

III.4.5.7. Surface d'échange par épingle 97

III.4.5.8. Calcul des pertes de charges 97

III.4.6. Dimensionnement de l'économiseur 98

III.4.6.1. Méthodologie de calcul de l'économiseur 98

III.4.6.2. Calcul de la DTLM 99

III.4.6.3. Calcul du coefficient global de transfert de chaleur U 99

III.4.6.4.Calcul des pertes de charges 99

Conclusion 99

Chapitre IV : Programme de simulation des cycles de machines frigorifiques à absorption.

Introduction 100

IV.1. La simulation des cycles à absorption 100

IV. 1.1. La simulation du cycle à simple étage 100

IV. 1.1.1. L'équilibre massique 100

IV. 1.1.2. L'équilibre énergétique 100

IV.1.2. La simulation du cycle à deux étages 101

IV.1.2.1. L'équilibre massique 101

IV. 1.2.2. L'équilibre énergétique 101

IV.2. La simulation du fonctionnement du système par le programme "SARM" : 103

IV.3. La méthode de simulation 106

IV.3. 1. Automatisation des diagrammes 106

IV.3. 1.1. Calculs et organigrammes 107

IV.3. 1.1.1. Corrélations thermodynamiques de l'agent d'absorption (eau) 107

IV.3. 1.1.2. Corrélations thermodynamiques du fluide frigorigène (ammoniac) 107

IV.3. 1.1.3. Corrélations thermodynamiques du mélange NH3-H2O 108

IV.3. 1.2. Automatisation du diagramme d'Oldham 110

IV.3.1.2.1 Organigramme de calcul 110

IV.3. 1.3. Automatisation du diagramme de Merkel 111

IV.3.1.3. Organigrammes de calcul 111

IV.3.2. Machine frigorifique à absorption à simple étage 116

IV.3.3. Machine frigorifique à absorption à deux étages 117

IV.4. La simulation du fonctionnement du système par le programme "ABSIM" 118

IV.4. 1. La structure du programme 118

Conclusion 121

Chapitre V : Analyse des résultats et validation du programme.

Introduction 122

V.1. Calculs et représentations des paramètres 122

V. 1.1. Le tracé des deux diagrammes thermodynamique 122

V.1.1.1. Diagramme de Merkel ( h, î ) 122

V.1.1.2. Diagramme d'Oldham ( Log P, T ) et ( Log P, -1/T ) 124

V.1.2. L'établissement des tables et des diagrammes thermodynamiques 126

V.1.2.1. Tables de l'ammoniac et de l'eau saturés 126

V.1.2.2. Table de la solution NH3-H2O 127

V.1.2.3. Diagrammes de Molier (Log P, h) pour l'ammoniac et de l'eau 127

V.1 .3. Calcul des paramètres thermodynamiques et de transport pour l'ammoniac et de l'eau saturés 128

V. 1.4. Exemple de calcul d'un cycle à simple étage 129

V.1.4.1.Tracé du cycle sur le diagramme d'Oldham 130

V. 1.5. Exemple de calcul d'un cycle à deux étages 131

V. 1.5.1. Tracé du cycle sur le diagramme de Merkel 132

V. 1.6. Dimensionnement d'un organe de cycle 133

V.2. Influence de certains paramètres sur la performance des cycles 135

V.2.1. Procédé de calcul 135

V.2.2. Machine à absorption à simple étage 135

V.2.3. Machine à absorption à deux étages 139

V.3. Validation des résultats 143
V.3.1. Validation des résultats de la chaleurs latente de vaporisation Lv , de la variation d'entropie et celle

du volume 143

V.3.1.1. Pour l'ammoniac 143

V.3.1.2. Pour l'eau 145

V.3.2. Validation du coefficient de performance d'une machine à absorption à simple étage 147

V.3.3. Validation du coefficient de performance d'une machine à absorption à deux étages 148

Conclusion 150

Conclusion générale et perspectives 151

Bibliographie 153

Liste des figures 158

Liste des tableaux 160

Liste des organigrammes 161

Annexes 162

Nomenclature

H : Enthalpie molaire (KJ/kmole)

h : Enthalpie massique (KJ/kg)

V : Volume molaire

: Vitesse

(m3/kmole) (m/s)

v : Volume massique (m3/Kg)

S : Entropie molaire (KJ/kmole.K)

s : Entropie massique (KJ/kg.K)

T : Température (°C, K)

Tp : Température de la paroi (°C, K)

?T : Gradient de température (°C, K)

(bar)

(-)

P : Pression

: Coefficient - équation (III.67)

M : Masse molaire (kg/kmole)

u : Energie interne

u : Potentiel chimique

: Viscosité dynamique

(KJ)

(KJ/kmole)
(micropois)

F : Enthalpie libre (Helmotz) (KJ/kmole)

G : Enthalpie libre (Gibbs) (KJ/kmole)

(Kg de NH3/kg de

î : Concentration massique mélange)

: Taux de dégazage (-)

x : Concentration molaire de la phase liquide mélange liquide)

y : Concentration molaire de la phase vapeur (kmole de NH3 /kmole de

mélange vapeur)

(kmole de NH3 /kmole de

R : Constante des gaz

: Coefficient - équation (III.68)

(KJ/ kmole.K) (-)

Cp : Chaleur spécifique à pression constante (KJ/kg K)

a, b, c, d : Coefficients (-)

A, B, C, D, E, F : Coefficients adimensionnelles (-)

m : Masse (Kg)

ñ : Densité (Kg/m3)

ë : Conductivité thermique (W/m.K)

fc : Facteur de circulation (-)

WP : Puissance spécifique de la pompe (KW/Kg)

ö : Flux de chaleur (KW)

q : Flux massique (KJ/Kg)

m a : Débit massique de la vapeur d'ammoniac (Kg/s)

m~sr : Débit massique de la solution riche (Kg/s)

m sp : Débit massique de la solution pauvre (Kg/s)

m e : Débit massique de l'eau de refroidissement du (Kg/s)

condenseur

m ch : Débit massique de l'eau chaude du bouilleur (Kg/s)

m ef : Débit massique de l'eau froide de l'évaporateur (Kg/s)

m eab : Débit massique de l'eau de refroidissement de (Kg/s)

l'absorbeur

ç : Rendement des échangeurs (-)

COP : Coefficient de performance (-)

Cmin : Débit thermique unitaire (KW/K)

E : Efficacité de l'échangeur (-)

NUT : Nombre d'unité de transfert (-)

DTLM : Différence de température logarithmique moyenne (K)

U : Coefficient de transfert globale (W/m2.K)

US : Coefficient de transfert sale (W/m2.K)

UP : Coefficient de transfert propre (W/m2.K)

A : Surface d'échange (m2)

Am : Surface mouillée (m2)

f : Facteur de correction (-)

nC : Nombre de calandre en série (-)

Nt : Nombre des tubes du faisceau (-)

di/d0 : Diamètre intérieur et extérieur du tube (m)

Di /D0 (m)
: Diamètre intérieur et extérieur du tube concentrique extérieur

atb : Section par passage côté tube (m2)

aCl : Section par passage côté calandre (m2)

G : Vitesse massique (Kg/s.m2)

B : Espacement entre chicanes transversales (m)

DCl : Diamètre de la calandre (m)

Deq : Diamètre équivalent (m)

et : Epaisseur du tube (m)

fr : Coefficient de friction (-)

GH (Kg/s)
: Débit de condensât par unité de longueur de tube

horizontal

hC : Coefficient de film de condensation (KW/m2.K)

hi : Coefficient de film interne (KW/m2.K)

hi0 : Coefficient de film externe (KW/m2.K)

Ptb : Pas des tubes (distance centre à centre) (m)

l : Longueur d'un tube (m)

Rs : Résistance d'encrassement (m2.s.K/kcal)

nt : Nombre de passe côté tube (-)

?P : Perte de charge (Kg/cm2)

Re : Nombre de Reynolds (-)

Nu : Nombre de Nusselt (-)

Pr : Nombre de Prandtl (-)

Jh : Coefficient de Colburn (-)

ö : Facteur de correction, pour chauffage ou (-)

refroidissement

öpr : Flux de chaleur de la zone de préchauffement (KW/m2.K)

övp : Flux de chaleur de la zone de vaporisation (KW/m2.K)

ag : Nombre d'épingles (-)

LV : Chaleur latente de vaporisation (KJ/Kg)

?s : Variation d'entropie (KJ/kg.K)

Sd : Ecart-type (-)

T : Statique (test de Student) (-)

r : Coefficient de corrélation (-)

Xi : distribution relative aux résultats du R. KUZMAN (-)

Yi : distribution relative aux nos résultats (-)

di : distribution des différences (-)

d : moyenne empirique de di (-)

t

(-)

á - : Statique pour le seuil (á/2) lue sur la table de Student à
n1, (n-1) degré de liberté

2

Indices : Indices supérieurs :

c : Critique E : Excès de Gibbs

C : Condensation ml : Mélange liquide

eb : Ebullition mg : Mélange vapeur

t : Triple ? : Estimé

NH3 : Ammoniac

H2O : Eau

L : La phase liquide

g : La phase gazeuse

0 : Evaporation

: Etat de référence

B : grandeur de référence

r : Grandeur réduite

m : massique

d : point de rosée

ch : chaud

f : froid

1,2 Entrée, sortée

ec : économiseur

b : bouilleur

ab : absorbeur

cd : condenseur

srf : sous-refroidisseur

min : minimale max : maximale

i, 0 : intérieur et extérieur

i0 : intérieur, rapporté à la surface extérieur

eq : équivalent

sp : Solution pauvre

sr : Solution riche

a : anneau

Cl : calandre

tb : tube

p : propre

s : sale ou encrassement

Tv : transversal

Lg : longitudinal

e : eau

ef : eau de refroidissement de l'évaporateur

eab : eau de refroidissement de l'absorbeur

Ltb : longueur totale des tubes

ec : L'eau de refroidissement du

condenseur

pr : préchauffement

vp : vaporisation

HP : Haute pression BP : basse pression

.

.

)

(

. (CFC)

:

NH3-H2O V,

SARM (Simulation of Absorption Refrigeration Machine) :

NH3-H2O V,

(h, î) (Log P, -1/T) ? V,

:

0 0.1

 

· :
·

 

· :
·

 

K 515.15 213.15

( V,

: ARM

a.S. GALLAGHER æ R. KUZMAN
·:
·

NH3-H2O

· :
·

. (Modular Simulation of Absorption Systems)

ABSIM

.

-

Résumé

Le nombre d'installations des machines à absorption est en nette progression ces dernières années.

Bien que le coût de son investissement est plus important qu'une machine à compression, la machine à absorption est plus rentable à leur terme.

La double motivation de cette étude est basée, d'une part sur les problèmes rencontrés par les installations frigorifiques à compression mécanique, utilisant des machines vibrantes et grosses consommatrices d'énergie (travail) et coûteuses, et d'autre part ces dernières ont été reconnues comme principales sources d'effets néfastes sur la couche d'ozone (CFC).

Le but de cette étude a été :

V' La conception d'un programme de simulation d'un système de réfrigération à absorption (simple et à deux étages), fonctionnant avec le couple binaire NH3-H2O, et qu'on a baptisé SARM (Simulation of Absorption Refrigeration Machine) ;

V' La création d'une base de données contenant les propriétés thermodynamiques et
physiques pour l'ammoniac, l'eau et leurs mélanges à différentes concentrations ;

V' La conception assistée par ordinateur des deux diagrammes thermodynamiques d'Oldham (Log P, - 1/T) et de Merkel (h, î) à noter que dans cette étude on a élargi la plage d'utilisation de ce dernier :

+ Pour la pression de : 0.1 jusqu'à 50 bars ;

+ Pour la température de : 213.15 jusqu'à 513.15 K ;

V' Dimensionnement des différents organes (échangeurs mono et diphasiques) de l'installation ;

Pour la validation de notre programme de simulation, on a confronté nos résultats :

V' D'une part, à ceux de R. KUZMAN, et ceux de J.S. GALLAGHER, concernant les propriétés thermodynamiques du couple binaire NH3-H2O ;

V' D'autre part, a ceux obtenu par le logiciel ABSIM (Modular Simulation of Absorption Systems), concernant les performances des cycles à absorption.

Pour les deux cas, on a obtenu des résultats satisfaisants.

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