Le père de ces systèmes est le français
FERDINAND Carré [03], qui breveta en 1859 la
première machine à absorption, utilisant le couple
frigorigène ammoniac-eau. Ces machines furent presque
immédiatement opérationnelles. Leur étude thermodynamique
ne débuta qu'en 1913 avec l'Allemand EDMUND Altenkirch et se poursuivit
durant la première moitié du 20ième siècle.
Il faut aussi citer les travaux de l'Italien GUIDO Maïuri
sur ces machines et ceux des SUÉDOIS Von Platen et MUNTERS sur le cycle
à absorption-diffusion pour les réfrigérateurs à
absorption sans pompe (1920) [03].
Depuis la machine frigorifique de Carré a fait l'objet
de nombreuses études et perfectionnements de la part des
différents concepteurs et chercheurs, ainsi que de la part de
scientifiques, parmi eux ALBERT Einstein.
En 1913, le projet est complété par la
conception de la première machine frigorifique à absorption
destinée au conditionnement d'air. Le début de la seconde guerre
mondiale va retarder sa présentation commerciale jusqu'en 1946. L'essor
de cette technologie est véritablement intervenu après la
deuxième guerre mondiale.
De 1950 à 1965, l'absorption connaît un
succès commercial important, en particulier aux Etats-Unis. Deux couples
sont alors en compétition : ammoniac/eau et eau/bromure de lithium ; le
premier est préféré pour les applications de faible
puissance, le deuxième pour la climatisation de plus grande
capacité. En 1965 environ 30 % des machines de fortes puissances aux
Etats-Unis utilisaient le principe de l'absorption (15 % en 1958)
[04].
L'année 1970 marque le début de la production et
de la commercialisation des groupes à absorption KWAZAKI (machine
eau/bromure de lithium, cycle double effet avec brûleur gaz).
Aujourd'hui, plusieurs études ont été
limitées aux applications de chauffage solaire utilisant le cycle
à absorption. Dans se qui suit on donne certaines études faites
sur la simulation des cycles à absorption :
G.C Vliet et all [05] ont
développé un code sur la simulation des machines à
absorption double étages utilisant le couple binaire H2O-LiBr.
Les algorithmes utilisés pour l'équilibre liquide vapeur
étaient extraits du manuel de principes fondamentaux d'ASHRAE (1977). Le
modèle a prévu un COP approximativement de 1.12
comparé à une valeur cité de 1.01.
N.E Wijegsundera [05] a discuté
l'utilisation des cycles idéaux à absorption avec des
irrévocabilités externes de transfert thermique pour obtenir les
limites de l'exécution des cycles à absorption utilisant
l'énergie solaire.
E.A Groll [05] a effectué une vue
d'ensemble détaillée des activités de recherches pendant
les 15 dernières années sur les cycles conventionnels de
compression de vapeur, et la technologie de l'absorption continuera dans un
proche avenir pour les applications dans la réalité.
G. Grossman [05] a décrit les
tendances actuelles dans les cycles à absorption simple, double et
triple étages. Il a conclu que la technologie de cycle à
absorption de base pour la climatisation peut être exploitée avec
l'énergie solaire.
R.M Lazzarin et all [06] ont fait une
étude expérimentale d'une machine frigorifique à
absorption simple étage fonctionnant avec le couple NH3-H2O.
Cette machine est étudiée pour une gamme de température de
(250 ÷ 260 K) au niveau de l'évaporateur et pour le
circuit du chauffage du bouilleur ; ils ont utilisé le gaz naturel et
l'air pour le circuit de refroidissement. Le coefficient de performance obtenu
est de (45 ÷ 55 %).
S.A Akam et all [07] ont fait une
étude expérimentale d'une boucle frigorifique à
absorption-diffusion. Les résultats expérimentaux sont obtenus
à l'aide d'un banc d'essai pour deux modes de chauffage :
l'énergie électrique et le gaz butane. Ils ont conclu que dans
les deux modes de chauffage, le fonctionnement de la machine ne pose aucun
problème et des résultats meilleurs du COP dans le cas
du chauffage électrique par rapport au chauffage par gaz butane.
A l'université de Ouargla, T Guermit
[08] a fait une analyse et simulation thermodynamique d'une machine
à absorption à simple étage (H2O-LiBr),
couplée à l'énergie solaire. Il a utilisé la
méthode de PHIBAR-F-CHART pour la détermination de la
fraction solaire annuelle. Les résultats obtenus ont été
comparés avec des résultats de la région de
constantine.
A Dobbi [09] a fait une étude sur la
climatisation solaire, système à absorption, l'étude
consiste en : la captation solaire ; la conception d'une machine frigorifique
solaire à absorption travaillant avec le couple binaire
H2O-LiBr ; élaboration des modèles de calcul du flux
thermique et l'étude du milieu à conditionner.
Khalid A. Joudi et all [10] ont
proposé un software pour la simulation d'un cycle à absorption
à simple étage utilisant la solution binaire H2O-LiBr
comme paire de fonctionnement. Ils ont utilisé la méthode des
volumes finis pour élaborer le transfert de chaleur et de masse au
niveau de l'absorbeur. C'est un nouveau modèle de calcul
présenté. Le programme est développé d'une
manière modulaire et les résultats sont comparés à
d'autres travaux.
Y. Kaita [11] a fait une analyse de
simulation des cycles à absorption à triple effet, pour trois
genres de cycles : courant parallèle (parallel-flow), courant en serie
(series-flow), et courant inverse (reverse-flow). Cette simulation montre que
les résultats d'un cycle à absorption de courant parallèle
donne un meilleur résultat que les autres cycles.
H.T. Chua et all [12] ont
présenté un modèle de modélisation thermodynamique
d'un refroidisseur d'eau à absorption à ammoniac-eau utilisant
les équations de transfert de Colburn. Les résultats sont
comparés à d'autres travaux.
N. Ben Ezzine et all [13] ont fait une
simulation thermodynamique d'un cycle à absorption NH3-H2O
à deux étages entraîné par l'énergie solaire.
Ils ont appliqué une analyse du deuxième principe de la
thermodynamique pour mesurer l'irréversibilité de chaque
composant du cycle, les résultats obtenus montrent que l'absorbeur, les
échangeurs de solution et de vapeur froide-condensât et le
condenseur ont le plus grand potentiel pour l'amélioration de
l'efficacité énergétique du cycle.
N. Chekir et all [14] ont fait une
simulation d'une machine frigorifique à absorption fonctionnant avec des
mélanges binaires d'alcanes. Dix mélanges ont été
considérés et comparés avec deux modes de refroidissement
du condenseur et de l'absorbeur : l'air ambiant à 35 °C et
l'eau à 25 °C. Ils ont conclu que dans le cas d'un
refroidissement avec de l'air, le COP atteint une valeur de
0.37 pour le système n-butane/octane comparé
à 0.27 pour une installation au mélange NH3-H2O
sous les mêmes conditions. Pour un refroidissement avec l'eau, les
systèmes n-butane/octane et propane/octane donnent un COP
de 0.63, valeur comparable à celui des systèmes
NH3-H2O. Ils ont montré aussi que l'utilisation du n-butane
comme fluide frigorigène, l'installation fonctionne sous une
pression de condensation ne dépassant pas 5 bar.
Donc, la littérature montre qu'un code informatique
flexible de simulation sera un outil de conception puissant de recherche.
I.1.2. Stade Actuel des machines à absorption
dans le monde
Les machines frigorifiques à absorption constituent un
sujet de recherche d'actualité. Elles présentent une alternative
intéressante en raison de la pureté de la solution et elles
éliminent le problème de pollution par les composés
chlorofluorés.
En Europe, les écoles allemandes ont
développé des centres de recherche qui ont abordé ce sujet
; ainsi qu'en France. Il existe aujourd'hui plusieurs installations de
climatisation solaire à absorption. En Hollande, l'école de
l'université technique de Delft, a commencé dès les
années 80 en période de la crise pétrolière, un
programme de recherche qui a été matérialisé par
des applications concrètes plus intéressantes, dont bientôt
trois en France (Banyuls, Diren en Guadeloupe et CSTB à Sophia
Antipolis) [15].
Aux Etats-Unis, le laboratoire national de Oak Ridge (Tennessee)
est l'un des centres de recherche les plus importants au niveau mondial.
Le Japon, à cause du besoin des ressources naturelles,
a développé sous le contrôle du gouvernement un programme
de recherche dans le domaine des systèmes à absorption. Une
contribution importante a été faite par le Professeur TAKAMOTO
Saito de l'université du Tokyo (spécialement les systèmes
à absorption en solution H2O-LiBr). Les constructeurs Japonais sont les
premiers au monde dans le domaine d'absorption. Le nombre d'installations des
réfrigérateurs à absorption vendus en 1996 a
dépassé les 6600 unités ce qui représente un record
mondial, figure (I.1) [04].
7000
6000
5000
4000
JAPON USA
3000
2000
1000
0
1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000
Année
Figure I.1 Les ventes des
réfrigérateurs à absorption aux
Etats-Unies et le Japon.
La Corée est le 3ième producteur
mondial de groupe à absorption, le nombre vendu en 1996 a
dépassé les 1800 après le Japon et la Chine les 2500, ceci
pour des raisons de politique énergétique.
En Chine, grâce au développement
économique rapide du pays, la climatisation centralisée des
bâtiments est fortement demandée, et Comme la distribution
d'électricité est insuffisante et coûteuse, c'est
l'absorption qui est favorisée.
En Inde, Thermax est le premier constructeur de climatiseurs
à absorption, il a fourni plus de 300 installations en 1997, la plupart
fonctionnent à la vapeur.
Citons quelques constructeurs des machines à absorption
de différents pays [16],[17] :
USA (Carrier, York et Trane) ;
Japon (Yazaki, Sanyo, Voltas, Ebara, Mitsubishi, Toshiba,
Hitashi, Kawasaki et Takuma) ; Germany (Entropie, Hans
Güntner Gmbh absorptionskälte KG) ; Korea (LG
Machinery, Kyung won centry) ; China (Broad) ;
Netherlands (Clibri-stork).
La Colibri-Stork [18], propose des machines
pouvant aller jusqu'à -60 °C avec des cycles à
simple et double effet. La figure (I.2) présente un exemple de machine
à absorption (ARP-S) en cours de réalisation.
Figure I.2. Machine frigorifique à
absorption NH3-H2O en cours de montage (document Colibri).
Les installations frigorifiques ARP-S, sont des
machines à absorption de petites dimensions avec des capacités de
100 KW à 600 KW. Elles sont construites pour fonctionner
à des températures de : -30 °C jusqu'à
-50 °C. La capacité de réfrigération
dépend de la température d'évaporation, la
température de la source thermique et la température du fluide de
refroidissement.
L'essentiel de la gamme couverte par ce constructeur
(Colibri) est donné dans le tableau (I.1) et les performances de
processus d'absorption NH3-H2O à simple étage qu'il
annonce sont présentées dans la figure (I.3).
