I.2. Représentation schématique et
principe de fonctionnement
Le premier souci dans l'étude des différents
cycles de la machine à absorption est de choisir un mode de
représentation. En effet, il existe plusieurs façons de
représenter un même cycle.
L'objectif de l'étude des différentes
représentations schématiques du cycle est de distinguer parmis
toutes les représentations possibles celles qui conviennent mieux
à l'étude des cycles à changement de phase.
Donc, on peut représenter un cycle d'une machine
à absorption par la combinaison de deux cycles de Rankine d'une machine
thermique et une machine frigorifique en superposition et il en résulte
un cycle de machine à absorption simple étage
représenté dans la figure (I.6). La machine thermique joue le
rôle du moto-compresseur d'une machine frigorifique à
compression [19].
M. Ther
PAC
Pompe
Désorbeur
Bouilleur
Détendeur Secondaire
Evaporateur
Condenseur
Détendeur Principal
Figure I.6. Machine à absorption simple
étage par la superposition de deux cycles de Rankine d'une machine
thermique et PAC.
I.2.1. Principe de fonctionnement [20]
Le principe de fonctionnement de ces machines repose sur la
théorie et les propriétés des mélanges (ou couples)
binaires. Les mélanges utilisés dans ces machines comprennent un
« solvant » et un fluide frigorigène qui, en un certain point
du cycle est « absorbé » par le solvant d'où le nom
donné à ce type de machine ; et en un autre point est
libéré du solvant.
Afin d'obtenir ce résultat, il est nécessaire
que le solvant présente à froid une très grande
affinité pour le fluide frigorigène ; lorsque la
température du mélange s'élève, cette
affinité diminue et il y a dégagement du fluide
frigorigène du solvant.
Les deux principaux couples binaires utilisés
industriellement sont les couples suivants :
Couple
|
Solvant
|
Fluide Frigorigène
|
Ammoniac-Eau
|
Eau
|
Ammoniac
|
Eau-Bromure de lithium
|
Bromure de lithium
|
Eau
|
|
I.2.2. Machine à absorption avec
NH3-H2O
Cette machine utilise la propriété que
présente l'eau à basse température d'absorber l'ammoniac
(1000 fois son volume à 0°C) et de libérer par chauffage la
presque totalité du gaz absorbé (à 100°C)
[20]. Ces vapeurs d'ammoniac une fois condensées pourront donc
nous assurer la production de froid désirée dans un
évaporateur.
I.2.2.1. Description
Une telle machine comprend figure (I.7) :
- Un bouilleur (1) dans lequel sera chauffé la solution
ammoniacale.
- Un rectificateur-séparateur d'eau (2) libérant
l'ammoniac des gouttelettes d'eau entraînées.
- Un condenseur (3). - Un détendeur (4). - Un
évaporateur (5). - Un absorbeur (6). - Une pompe de circulation de
solution (7).
- Un échangeur thermique (8).
- Un robinet régleur de débit de solution (9).
I.4.2.2. Fonctionnement :
La solution ammoniac-eau est chauffée dans le
bouilleur (1) par le serpentin de vapeur. La solubilité de l'ammoniac
dans l'eau diminue, l'ammoniac gazeux se dégage sous une pression
très voisine de sa tension de vapeur saturante à la
température de la solution en ébullition. La solution restant
dans le bouilleur s'appauvrit en ammoniac d'où le nom de solution pauvre
qui lui est donné.
L'ammoniac gazeux se sépare des gouttelettes d'eau
entraînées mécaniquement par le fluide dans le
rectificateur-séparateur (2) et va se condenser dans le condenseur
(3).
b- Schéma technologique
(doc.
ClimgazPro).
Figure I.7. Machine à absorption
NH3-H2O.
L'ammoniac liquide est admis à travers le
détendeur (4) à l'évaporateur (5) où,
détendu, il s'y vaporise sous la pression P5 correspondant
à sa température d'évaporation T5. Les vapeurs
provenant de cette vaporisation sont acheminées vers l'absorbeur (6)
où elles rencontrent la solution pauvre venant du bouilleur et dont le
débit est réglé par le robinet de réglage (9).
L'absorbeur est maintenu à une température
très voisine de la température ambiante par une circulation
d'eau, afin de favoriser au maximum la dissolution de l'ammoniac dans la
solution pauvre, d'une part ; et d'autre part d'éliminer à
l'extérieur du système, la chaleur provenant de la dissolution de
l'ammoniac dans l'eau.
La solution ammoniacale pauvre ainsi enrichie par absorption
d'ammoniac ; d'où l'appellation de solution riche ; est prise en charge
par une pompe (7) permettant de compenser la différence de pression
existant entre l'absorbeur et le bouilleur.
Nous avons donc une circulation de deux fluides :
- L'ammoniac pratiquement pur qui, entre la sortie du bouilleur
et l'entrée à l'absorbeur, subit les transformations habituelles
d'un fluide frigorigène ;
- La solution ammoniacale, alternativement pauvre et riche qui
circule entre le bouilleur et l'absorbeur.
L'échangeur thermique (8) a pour but
d'améliorer le rendement de la machine en refroidissant la solution
pauvre avant son admission à l'absorbeur, et en réchauffant la
solution riche avant son retour au bouilleur, les deux solutions circulant
à contre-courant dans l'échangeur de chaleur.
Les détendeurs (4) et (9), ainsi que la pompe (7),
assurent la délimitation des circuits haute et basse pressions
rôle que jouait à lui seul le détendeur dans les machines
à compression mécanique.
Donc le schéma nous montre que le seul organe
mécanique de l'installation est la pompe à solution (7).
I.2.3. Machine à absorption avec
H2O-LiBr
Ce sont des machines dans lesquelles on utilise
l'affinité du bromure de lithium pour l'eau, le bromure de lithium
étant le solvant et l'eau agissant en tant que fluide
frigorigène. Les puissances frigorifiques de ces machines sont
très élevées. Leur gamme s'étend de 170 KW
à 3500 KW environ [20]. Elles sont très
utilisées en conditionnement d'air, notamment aux
U.S.A. L'innocuité du fluide frigorigène (eau) a
contribué à leur développement ainsi que certaines
simplifications de matériels rendues possibles grâce aux
caractéristiques physiques de l'eau.
I.2.3.1. Description
La machine figure (I.8) comporte toujours les organes
essentiels déjà cités, soit : bouilleur (1), condenseur
(2), évaporateur (5), absorbeur (6), échangeur (8) et pompe de
circulation de solution (7).
L'examen du schéma de principe de cette machine et
celui d'une machine réelle, nous permet de constater que le
rectificateur séparateur d'eau a disparu, sa fonction est inutile
étant donné la nature du fluide frigorigène ; par contre,
nous voyons apparaître une pompe (9) qui a pour rôle d'assurer une
circulation de l'eau à vaporiser à l'évaporateur dans des
pulvérisateurs destinés à accroître la surface de
contact entre l'eau à refroidir, et une troisième pompe (10) qui
a pour but de maintenir en (5) le vide poussé nécessaire à
la vaporisation de l'eau.
I.2.3.2. Fonctionnement
La solution eau-bromure de lithium chauffée dans le
bouilleur libère par chauffage l'eau sous forme de vapeur, la solution
restante s'enrichit donc en bromure de lithium (contrairement à la
solution ammoniac-eau qui, elle, s'appauvrit dans le bouilleur). La vapeur
d'eau libérée est condensée dans le condenseur d'où
elle est ensuite acheminée vers l'évaporateur où elle se
vaporise.
La vapeur d'eau produite est absorbée par la solution
pauvre (en provenance du bouilleur) dans l'absorbeur (5). La solution
s'enrichit en eau. La pompe (7) assure le retour de cette solution au bouilleur
pour un nouveau cycle.
a- Schéma de principe
b- Schéma technologique (doc. York).
|
|
|
Figure I.8. Machine à absorption
H2O-LiBr.
Les faibles pressions régnant au bouilleur et au
condenseur, d'une part (1,6 bar absolu en moyenne), et à
l'évaporateur et à l'absorbeur, d'autre part, quelques
millimètres de mercure, soit environ (800 Pa) ont permis de concentrer
en deux blocs sous la forme de cylindre :
- bouilleur et condenseur. - évaporateur et absorbeur.
La très faible pression régnant dans l'ensemble
évaporateur-absorbeur oblige à maintenir un vide poussé
dans cette partie de l'installation afin que la température de
vaporisation de l'eau soit proche de 0° C. Ce vide est entretenu
par la pompe (10).
La nature même du fluide frigorigène implique une
température d'évaporation minimale de 0° C et réserve
donc ces machines aux applications du conditionnement d'air.
I.2.4. Avantages et inconvénients I.2.4.1.
Avantages
9 Elles consomment essentiellement de l'énergie
calorifique ;
9 Leurs utilisations sont intéressantes si on dispose
d'une source de chaleur (chaleur gratuite perdue) ;
9 Intérêt d'avoir de l'eau comme fluide
frigorigène : pas de toxicité ;
9 Machines silencieuses et sans vibrations.
I.2.4.2. Inconvénients
9 COP faible face aux machines à compression ; 9
Puissances thermiques importantes à évacuer ; 9 Fonctionnement en
très basse pression :
> Problème de construction ;
étanchéité importante. > Cristallisation de l'eau
(panne).
| 
