Bibliographie & annexes
Présentation
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RÉSUMÉ
Cet article traite de la technologie des machines à absorption liquide ammoniac-eau dont les principales applications sont d’une part le froid industriel, à partir de vapeur surchauffée, d’eau chaude ou de gaz d’échappement, et d’autre part les pompes à chaleur domestiques utilisant le gaz naturel (ou du GPL) comme source d’énergie. Plusieurs modèles développés par les principaux constructeurs sont présentés et leurs performances énergétiques et environnementales sont analysées et comparées avec celles des technologies plus conventionnelles. Les systèmes à absorption-diffusion (réfrigérateur au gaz) et à absorption-compression (PAC Haute température) sont également présentés. La réglementation afférente à ces systèmes et leur marché sont finalement abordés.
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Lire l’articleAuteur(s)
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Francis MEUNIER : Professeur émérite au conservatoire national des arts et métiers - Directeur honoraire de l’IFFI (Institut français du froid industriel), Paris, France
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Pierre Neveu : Professeur des universités Université de Perpignan Via Domitia, France
INTRODUCTION
Les propriétés du mélange binaire ammoniac-eau NH3-H2O, présentées dans l’article [BE 9 736], permettent de concevoir des machines à absorption liquide qui sont décrites dans cet article. Ces machines à absorption se différencient des machines à absorption liquide H2O-LiBr sur plusieurs points (notamment le niveau de pression et le fait que la vapeur est un mélange) qui ont des conséquences importantes pour la conception des unités et la technologie utilisée.
Pour les applications industrielles avec production de froid à des températures négatives, le cycle à un étage est majoritairement utilisé conduisant à des valeurs de coefficient de performance COP dépendant de la température du froid produit mais inférieures à 0,5 pour des valeurs négatives. Ce cycle à un étage est également utilisé pour des unités de production d’eau glacée pour la climatisation à partir de l’énergie solaire. Ces unités présentent des COP allant de 0,47 pour du froid négatif à 0,7 pour des plafonds rafraîchissants.
Des cycles à 2 ou 3 étages sont mis en œuvre pour le froid industriel à plus basse température (allant jusqu’à – 50 °C voire – 60 °C) mais ils requièrent des températures de source chaude plus élevées pouvant atteindre 175 °C.
Le cycle GAX (Generator, Absorber, heat eXchanger) est utilisé pour les refroidisseurs de liquide pour la climatisation et pour les pompes à chaleur PAC au gaz naturel. Un COP de 0,7 est obtenu pour du froid positif à 7 °C et un COPchaud de 1,5 est obtenu pour une PAC air/eau (7/35 °C).
L’ammoniac étant un fluide toxique et légèrement inflammable, les unités contenant plus de 2,5 kg d’ammoniac sont soumises à des règles pour leur implantation dans des établissements recevant du public. Les pompes à chaleur PAC aérothermiques de puissance inférieure à 70 kW (contenant moins de 11 kg d’ammoniac) doivent être localisées à l’air libre alors que les PAC géothermiques peuvent être situées à l’intérieur dans un espace à accès autorisé uniquement. Les unités de froid industriel de plus forte puissance doivent respecter la norme NF EN 378 et être donc situées également dans des locaux à accès autorisé uniquement.
Les unités NH3-H2O de pompe à chaleur et de refroidisseur de liquide au gaz naturel (ou au GPL) sont fabriquées en moyenne série pour un marché limité comparé au marché des machines H2O-LiBr. Les unités de froid industriel, quant à elles, sont fabriquées à la demande suivant un cahier des charges spécifique.
De plus, des unités NH3-H2O de climatisation solaire ainsi que des unités utilisant un cycle à diffusion à faible COP mais ne comportant aucun composant mécanique et totalement silencieuses pour des applications en caravane, chambre d’hôtel, etc. sont proposées.
Avec la rénovation énergétique, ces systèmes NH3-H2O aspirent à se développer dans plusieurs directions :
-
les pompes à chaleur réversibles fonctionnant au gaz incorporant du biogaz ;
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les unités de froid industriel valorisant la chaleur fatale à des températures supérieures à 130 °C (hauts fourneaux, éco-parcs industriels, cycles combinés, etc.).
Comme il est d’usage dans la profession, les titres et les pourcentages, indiqués dans cet article, sont sauf précision contraire massiques et relatifs à l’ammoniac.
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Marché et réglementation
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4. Autres cycles
4.1 Cycle à diffusion
Les cycles présentés précédemment nécessitent tous la présence d’une pompe permettant la circulation de la solution riche de la partie basse pression (évaporateur/absorbeur) vers la partie haute pression (désorbeur/condenseur). Par suite, ces systèmes consomment tous de l’énergie électrique, en quantité certes faible (environ 5 % de la puissance froid), mais nécessitant néanmoins la présence sur site d’une source électrique. Afin de s’affranchir de la présence d’une pompe de pressurisation, H. Geppert propose en 1899 (US Patent 666.690) d’ajouter un gaz inerte (il conseille de l’air) dans la partie basse pression, afin d’égaliser les pressions totales régnant dans les ensembles « évaporateur/absorbeur » et « désorbeur/condenseur ». La circulation de la solution riche de l’absorbeur vers le désorbeur, puis de la solution pauvre du désorbeur vers l’absorbeur peut alors être réalisée par un simple thermosiphon au vu des différences de densité existant entre les deux solutions. Malheureusement, le transfert de l’ammoniac produit par l’évaporateur vers la solution pauvre pulvérisée dans l’absorbeur est alors contrôlé par la diffusion au travers du mélange ternaire « air + eau + ammoniac », processus de transport qui s’avérera très limitant à l’expérience, et interdira le développement de cette solution technologique. Le problème sera résolu par B.C. Von Platen et C.G. Munters en 1928 (US Patent 1, 669,269) qui proposent l’hydrogène comme gaz inerte. La différence de masse molaire entre l’hydrogène (2 g) et l’ammoniac (17 g) implique une grande modification de densité lorsque le mélange ternaire (ammoniac-eau-hydrogène) s’enrichit ou s’appauvrit en ammoniac. Ce changement de densité peut être mis à profit pour le transport des phases gazeuses dans le dispositif, comme on va le décrire maintenant.
La figure 21 a présente schématiquement une machine Electrolux commercialisée aujourd’hui par la société Dometic. On retrouve sur ce schéma les cinq composants classiques à toutes machines à absorption : le bouilleur, le rectifieur, le condenseur, l’évaporateur, l’absorbeur et l’échangeur solution. L’échangeur...
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Autres cycles
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - COLIBRI - Experts in absorption refrigeration. - https://colibris.home.xs4all.nl/pdf_documents/english_docu/absorption_refrigeration_en.pdf (consulté le 5 août 2021)
-
(2) - BL Thermodynamics - Experience meets innovation. Ammonia absorption refrigeration. - https://bl-thermo.com/wp-content/uploads/2021/01/BL_Thermodynamics.pdf (consulté le 5 août 2021)
-
(3) - Pink Chiller PC19 - https://www.pink.co.at/inc.download.php?dlf=77 (consulté le 5 août 2021)
-
(4) - JAKOB (U.), SPIEGEL (K.), PINK (W.) - Development and experimental investigation of a novel 10 kW ammonia/water absorption chiller – CHILLII® PSC – for air-conditioning and refrigeration systems. - 9th International IEA Heat Pump Conference, Zürich, Switzerland, 20-22 mai 2008.
-
(5) - Le LOSTEC (B.), GALANIS (N.), MILLETTE (J.) - Experimental study of an ammonia-water absorption chiller. - International Journal of Refrigeration, vol. 35, issue 8 (2012) https://doi.org/10.1016/j.ijrefrig.2012.05.012
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DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
NORMES
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Systèmes frigorifiques et pompes à chaleur – Exigences de sécurité et d’environnement. Parties 1+A1, 2, 3+A1, 4+A1 - NF EN 378 - 2020
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Climatiseurs, groupes refroidisseurs de liquide et pompes à chaleur pour le chauffage et le refroidissement des locaux et refroidisseurs industriels avec compresseur entraîné par moteur électrique. Parties 1 à 4 - NF EN 14511 - 2018
-
Appareils à sorption fonctionnant au gaz pour le chauffage et/ou le refroidissement de débit calorifique sur PCI inférieur ou égal à 70 kW. Parties 1 à 7 - NF EN 12309 - 2015
ANNEXES
Règlement (UE) n° 813/2013 de la commission du 2 août 2013, Journal officiel de l’Union européenne, L 239/136, 6.9.2013.
Cahier des charges relatif à l’implantation d’unités de production thermodynamique reliées aux circuits de chauffage et/ou de production d’eau chaude sanitaire et/ou de climatisation d’immeubles collectifs d’habitation ou de maisons individuelles, décision ministérielle, CDC CNPG n° 001 version 05/2015.
HAUT DE PAGE
H. Geppert, Process Of Producing Cold, US Patent 666.690, 27 nov. 1900
Von Platen et C.G. Munters, Refrigeration, US Patent 1,669,269, 8 mai 1928
HAUT DE PAGE3.1 Constructeurs – Fournisseurs – Distributeurs (liste non exhaustive)
ago AG Energie + Anlagen, Am Goldenen Feld 23, D-95326 Kulmbach Tel : +49 9221 602-0, Fax : +49 9221 602-149 [email protected]...
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