Production d'eau glacée par une machine à absorption ou à adsorption

Les machines à sorption (absorption et adsorption) peuvent être caractérisées par trois températures :

Un paramètre clé pour décrire l'efficacité d'une machine à sorption est le COefficient de Performance thermique (COP), défini par le rapport entre la chaleur extraite de l'eau glacée (production de froid) et la chaleur motrice du processus : COP thermique = Q froid / Q chaud. Ce paramètre est différent du COP conv d'un groupe de froid classique à compression électrique, défini par : COP conv = Q froid / E électrique, où E électrique représente la consommation électrique du groupe de froid.

La définition du COP thermique n'inclut pas les consommations électriques annexes. Une comparaison plus satisfaisante des différentes technologies nécessite la prise en compte de l'ensemble des consommations énergétiques (chaleur motrice, consommations électriques des pompes et ventilateurs). On peut noter que, plus le COP est faible, plus la quantité de chaleur à fournir au système et celle qui doit être évacuée dans la tour de refroidissement sont élévées. A l'inverse, une valeur élevée du COP est un avantage permettant de réduire à la fois le besoin en chaleur motrice et la consommation électrique des pompes.

La température de l'eau glacée dépend du système de distribution installé dans les pièces. Lorsqu'une déshumidification de l'air est nécessaire, la température de l'eau glacée doit être inférieure au point de rosée (6° - 9°C en général). Lorsque l'on souhaite uniquement un abaissement de la température, sans déshumidification, une température d'eau glacée de 12° - 15°C est suffisante, conduisant à de meilleures performances de la machine.

Machines à absorption

Ce sont les machines les plus répandues. La compression thermique est obtenue en utilisant un couple réfrigérant/liquide absorbant, et une source de chaleur qui remplace la consommation électrique du compresseur mécanique. En climatisation c'est le coupe eau/bromure de lithium (H2O/LiBr) qui est utilisé, l'eau étant le réfrigérant. La plupart des systèmes utilisent une pompe à solution, très faiblement consommatrice d'électricité. dans un système H2O/LiBr, la cristallisation de la solution doit être évitée par un contrôle interne de la température du circuit de refroidissement.

La production de froid est basée sur l'évaporation du réfrigérant (l'eau) dans l'évaporateur à très basse pression. La vapeur d'eau est alors aspirée dans l'absorbeur, contribuant à la dilution de la solution H2O/LiBr. L'efficacité du processus d'absorption nécessite un refroidissement de la solution. Cette dernière est pompée en continu dans le générateur où elle est chauffée (chaleur motrice). La vapeur d'eau ainsi générée est envoyée dans le condenseur, où elle se condense. L'eau liquide après passage dans une vanne de détente retourne à l'évaporateur.

Les puissances frigorifiques des machines à absorption est sont généralement de l'ordre de plusieurs centaines de kW froid. Elles sont généralement alimentées par un réseau de chaleur, de la chaleur résiduelle ou une cogénération. La température de la source chaude est généralement au dessus de 80°C pour des machines à simple effet, avec un COP entre 0,6 et 0,8. Les machines double effet, utilisant la chaleur motrice sur 2 niveaux, nécessitent des températures supérieures à 140°C, pour des COP pouvant atteindre 1,2.

Quelques machines à absorption de capacité inférieure à 50 kW sont disponibles. Pour le rafraichissement solaire à absorption, ce sont souvent ces petites machines qui sont utilisées. Une machine, développée récemment pour des petites capacités, permet un fonctionnement à charge partielle, avec une température de 65°C et un cOP d'environ 0,7 ; ce qui la rend particulièrement intéressante pour une alimentation solaire. Ceci montre le fort potentiel d'amélioration qui existe encore pour ce type de machines.

Machines à adsorption

Au lieu d'une solution liquide, on utilise un matériau solide. Les systèmes disponibles sur le marché utilisent l'eau comme réfrigérant et le silica-gel comme adsorbant.
La machine comprend deux compartiments remplis d'adsorbant, un évaporateur et un condenseur.

L'adsorbant du premier compartiment est régénéré par chauffage (eau chaude solaire), la vapeur d'eau ainsi générée étant envoyée dans le condenseur où elle se condense. L'eau liquide, via une vanne de détente, est envoyée à basse pression dans l'évaporateur où elle s'évapore (phase de production de froid).

L'adsorbant du deuxième compartiment maintient la basse pression en adsorbant la vapeur d'eau. Ce compartiment doit être refroidi pour entretenir le processus d'adsorption. Lorsque la production de froid diminue (saturation de l'adsorbant en vapeur d'eau), les fonctions des deux compartiments sont permutées par ouverture et fermeture de clapets.

Actuellement, seuls deux fabricants asiatiques proposent ce type de machines à adsorption.
Avec une température de source chaude d'environ 80°C, ces systèmes obtiennent des COP d'environ 0,6 mais peuvent fonctionner jusqu'à des températures d'environ 50°C. La capacité des machines va de 50 à 500 kW froid.

La robustesse de ces machines à adsorption est un atout. Il n'y a, d'autre part, aucun danger de cristallisation et donc, pas de contrainte sur la température intermédiaire de refroidissement. Il n'y a pas de pompe à solution, les consommations électriques sont donc particulièrement réduites. Seuls leur poids et leur taille élevés sont un inconvénient. Il existe cependant un potentiel important d'amélioration au niveau des échangeurs dans les compartiments d'adsorption, et donc de réduction de poids et de volume pour les futures générations de machines à adsorption.
D'autre part, étant donné le faible nombre de machines produites, leur cout reste actuellemnt élevé.

Laurent FABAS Conseil
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