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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 :
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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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1. Technologie NH3-H2O
Bien qu’étant des systèmes trithermes à absorption comme les systèmes eau-bromure de lithium (H2O-LiBr), les systèmes ammoniac-eau (NH3-H2O) diffèrent sensiblement du point de vue de la technologie des cycles H2O-LiBr et ce, pour plusieurs raisons :
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le fluide frigorigène est une solution aqueuse très riche en ammoniac ;
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la pression de fonctionnement est élevée et généralement supérieure à la pression atmosphérique ;
-
l’évaporateur produit un mélange diphasique liquide-vapeur ;
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un échangeur liquide vapeur (ELV) est utilisé afin de sous-refroidir le condensat en sortie du condenseur et de terminer la vaporisation du fluide frigorigène issu de l’évaporateur, et éventuellement de surchauffer la vapeur produite ;
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les différents composants sont situés individuellement dans des enceintes hermétiques contrairement au cas H2O-LiBr qui comportait uniquement deux enceintes pour le cycle simple effet ;
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l’absorbant, l’eau, se vaporise si bien que la vapeur n’est plus du fluide frigorigène pur mais est un mélange, ce qui nécessite une étape de rectification ;
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il n’y a plus de limite vers les basses températures ni de problème de cristallisation ;
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l’ammoniac est un fluide toxique et faiblement inflammable ce qui impose de respecter des normes de sécurité spécifiques.
Les unités commercialisées correspondent à plusieurs types d’application dont nous allons décrire les unités correspondantes :
-
les unités de froid industriel à un étage ;
-
les unités de froid industriel à plusieurs étages ;
-
les unités de climatisation à cycle GAX ;
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les unités de pompe à chaleur à cycle GAX ;
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les réfrigérateurs à cycle à diffusion ;
-
les pompes à chaleur à compression/absorption.
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Technologie NH3-H2O
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
-
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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