These Errougani

5/24/2018 These Errougani

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UNIVERSIT MOHAMMED V AGDAL

FACULT DES SCIENCESRabat

N dordre 2340

THESE DE DOCTORAT DETAT

Prsente par

Abdelmoussehel ERROUGANI

Discipline : PHYSIQUESpcialit : ENERGETIQUE

FABRICATION ET EXPERIMENTATION DUN REFRIGERATEUR SOLAIREA ADSORPTION UTILISANT LE COUPLE CHARBON ACTIF- METHANOL

DANS LE SITE DE RABAT

Soutenue le 23 Juin 2007 devant le jury compos de:

Prsident :Mr A. LFERDE Professeur la Facult des Sciences de Rabat

Examinateurs :

Mr M. BOUKALOUCH Professeur la Facult des Sciences de RabatMr M. BOUSMINA Directeur de recherche l'universit Laval, Canada

Mr S. KARBAL Professeur lEcole Normale Suprieure de Rabat

Mme F. LEMMINI Professeur la Facult des Sciences de Rabat

Mr A. MIMET Professeur la Facult des Sciences de Ttouan

Mr M. TAHIRI Professeur lEcole Mohammadia dIngnieurs, Rabat


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A la mmoire de mon pre

A ma mre

A ma femme, mes filles : Ilham et Inespour leur patience, leur encouragement et

leur soutient affectif sans lequel ce travailnaurait pu tre men bien

A tous ceux qui me sont chers


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Remerciements

Ce travail a t ralis au laboratoire dEnergie Solaire de la Facult des

Sciences de Rabat sous la direction de Madame Le Professeur F. LEMMINI.Cest avec le plus grand plaisir que je veux exprimer ma profonde

gratitude Madame F. LEMMINI, Professeur la Facult des Sciences deRabat, pour le dvouement et le dynamisme avec lequel elle a suivi et guid cetravail. Dans des conditions de travail parfois dlicates, son efficacit, sadisponibilit constante, ses encouragements dans des moments difficiles quine manquaient pas, ses conseils et les discussions scientifiques fructueusesont constitu un apport considrable dans la ralisation et laboutissement dece travail. Je tiens lui exprimer ici toute ma reconnaissance.

Monsieur le Professeur M. LFERDE, Chef du dpartement de Physique dela Facult des Sciences de Rabat, a accept de prsider le Jury. Quil soitassur de ma profonde reconnaissance.

Je tiens exprimer mes vifs remerciements Messieurs les ProfesseursM. BOUKALOUCH, Directeur du Laboratoire de Thermodynamique-Energtique de la Facult des Sciences de Rabat, M. BOUSMINA, Directeurde recherche l'universit Laval, Canada et S. KARBAL, de lEcole Normale

Suprieure de Rabat, de lintrt quils ont port mon travail et de lhonneurquils mont fait daccepter de participer au jury.

Jadresse mes sincres remerciements Monsieur, A. MIMET, Professeur la Facult des Sciences de Ttouan et Monsieur M. TAHIRI, Professeuret Directeur adjoint lEcole Mohammadia dIngnieurs de Rabat, davoiraccept de juger ce travail et faire partie du jury.

Ce travail a bnfici du financement du projet PARS (Programme dAppui

la Recherche Scientifique) du Ministre de l'Enseignement Suprieur sous lacoordination de Monsieur le Professeur S. BELCADI, Directeur du CentreNational pour la Recherche Scientifique et Technique (CNRST). Quil en soitvivement remerci

Je remercie galement Monsieur K. El MEDIOURI, Directeur gnral duCNESTEN, de nous avoir donner la permission de nous approvisionner en azoteliquide.

Je remercie trs chaleureusement Monsieur le Professeur M. PONS,Charg de Recherche CNRS et Responsable du Groupe Transferts Solide-


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Fluide au Laboratoire dadsorption du LIMSI Orsay, pour les multiples etfructueuses conversations et conseils lors de la ralisation de ce travail.

Jexprime mes remerciements Monsieur le Professeur P. Dind et

Madame C. Hildbrand, de lEcole dIngnieurs du Canton de Vaud de Suisse(EIVD) de nous avoir aid loctroi de matriel de rechange (vannes,flexibles, joints).

Je noublie pas de remercier lAcadmie des Sciences pour les Pays duTiers Monde (TWAS),de nous avoir accord un don de recherche qui nous apermis lors de la fabrication de lunit exprimentale, dacheter des lmentsde liaison.

Mes remerciements vont galement Madame R. CHERKAOUI ELMOURSLI, responsable du Laboratoire Physique Nuclaire, et Monsieur A.HAKAM, Professeur la Facult des Sciences de Rabat, de nous avoir confilutilisation de la pompe vide.

Je noublierai pas dassocier dans mes remerciements mes collgues, leschercheurs et les techniciens du Laboratoire dEnergie Solaire, et MessieursA. MOKHLI, BOUBKR et BOUCHAIB de leur coopration constante.


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SOMMAIRE

NOMENCLATURE

INTRODUCTION GENERALE...1

CHAPITRE I

THEORIES DU PHENOMENE DADSORPTION

I. 1 Principe de ladsorption4

I.2 Adsorbants utiliss dans le domaine de la rfrigration..5

I .2. 1Mise en forme des adsorbants..5

I .2. 2Mode de transfert de masse dans un lit dadsorbant.6

I .2. 3Caractrisation des adsorbants.7

I .2. 4 Les adsorbants8

I .2. 5 Les rfrigrants12

I. 3 Critres de slection du couple pour la production

de froid par adsorption13

I. 4 Cycle frigorifique intermittent adsorption.15

I. 4. 1 Principe du cycle.15

I. 4. 2 Principe de fonctionnement du cycle idal.17

I. 5 Dfinition des coefficients de performance dune

machine frigorifique solaire adsorption20

I. 6 Isothermes dadsorption.21

I. 6. 1 Le modle de Langmuir23

I. 6. 2 Modle de BET..26

I. 6. 3 Modles thermodynamique de Dubinin-Polanyi30


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I. 7 Isostres dadsorption32

CHAPITRE IIEXEMPLES DE PROTOTYPES DE REFRIGERATEURS SOLAIRES A

ADSORPTION

II. 1. Prototype utilisant le couple zolitheeau..35

II. 2. Prototype utilisant le couple charbon actif mthanol..37

II.3. Prototype utilisant le couple gel de silice eau..39

II. 4. Prototype utilisant le couple charbon actif- ammoniac.39

CHAPITRE III

DESCRIPTION DE LINSTALLATION EXPERIMENTALE

III.1 Composants de la machine frigorifique solaire adsorption..43

III.1. 1. Le capteur plan........43

III.1.2. Le condenseur air.....47

III. 1. 3. Lvaporateur et la chambre froide......48

III.2 Fabrication et soudure des diffrents

lments de linstallation........50

III.2.1. Exprience avec un capteur plan de 1 m2....50

III.3 Prparation prliminaire et dgazage de linstallation51

III. 3. 1 Vrification de ltanchit de chaque

lment de linstallation......51

III. 3. 2 Vrification de ltanchit de linstallation

sans mthanol......52


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III. 3. 3Dgazage de la machine frigorifique solaire

adsorption contenant le mthanol......53

CHAPITRE IV

EXPERIMENTATION DU REFRIGERATEUR SOLAIRE A

ADSORPTION

IV.1 Interventions manuelles quotidiennesappliques au rfrigrateur.55

IV.2 Influence des volets disolation..58

IV.3 Influence de la prsence dair dans linstallation.58

IV. 4 Rsultats exprimentaux.61

IV. 4. 1 Fonctionnement typique..61

IV. 4. 2 Analyse des rsultats.68

IV4. 3 Cycles exprimentaux et calcul des performances...76

IV4. 3 .1 Cycles exprimentaux76

IV4. 3 .2 Coefficients de Performances82

IV4. 3 .3 Pertes frigorifiques de la chambre froide..83

IV4.3 .4 Calcul de la rsistance thermique journalire au transfert

de la chaleur entre lambiance et la chambre froide89

IV. 4. 4 Masse adsorbe...94

CONCLUSION..96

ANNEXE A1 Elments de liaison et instruments de mesure..99

ANNEXE A2 Mthode de dgazage....103

ANNEXE A3 Cycles rels .........106

ANNEXE A4 Equation dtat ......121

ANNEXE A5 Equation dtat ......122

REFERENCES..............123


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NOMENCLATURE

Aav : surface de la face avant du capteur (m2)

b : constante de Langmuir

COPsol : coefficient de performance solaire

COPth : coefficient de performance thermique

CPcu :chaleur spcifique du cuivre (J kg-1K-1)

CPmeth : chaleur spcifique du mthanol (J kg-1K-1)

E : irradiation solaire (kJ m-2)

Eu : nergie utile pour chauffer le capteur et provoquer la dsorption (kJ m-2)

I : irradiance reue par la face avant du capteur (W m-2)

L : chaleur latente dvaporation du rfrigrant [J kg-1]

ma : masse du rfrigrant adsorbe par kg dadsorbant (kg kg-1)

Ma : masse de rfrigrant adsorbe [kg]

Mcu : masse de cuivre [kg]

md : masse de rfrigrant dsorbe par kg dadsorbant (kg kg-1)

Md : masse de rfrigrant dsorbe [kg]

Mmeth : masse de mthanol [kg]

P : pression (mbar)

: pourcentage de perte de la chambre froide (%)

Pc : pression du condenseur (mbar)

Pe : pression de lvaporateur (mbar)

q : fraction adsorbe

Qe : quantit de chaleur extraite de lvaporateur (kJ)


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Qs : chaleur sensible (kJ)

R : rsistance au transfert de chaleur par convection et par conduction (KW-1

)

r : coefficient de corrlation

t : dure de production de froid (s)

Ta : temprature ambiante (C)

Tads : temprature pendant ladsorption (C)

Taj : temprature ambiante du jour (C)

Tan : temprature ambiante de la nuit (C)

Tar : temprature de la face arrire du capteur (C)

Tav : temprature de la face avant du capteur (C)

Tc : temprature du condenseur (C)

TCA : temprature du charbon actif (C)

TCF : temprature de la chambre froide (C)

Tdes : temprature pendant la dsorption (C)

Te : temprature de lvaporateur (C)

V : vitesse du vent (ms-1)

Vj : vitesse moyenne du vent pendant le jour (ms-1)

Vn : vitesse moyenne du vent pendant la nuit (ms-1)

W : volume adsorb du rfrigrant par kg dadsorbant (m3kg-1)

W0 : volume maximal adsorbable du rfrigrant par kg dadsorbant (m3kg-1)


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INTRODUCTION

Le Maroc est dot dun potentiel solaire important. Lensoleillement annuel est

toujours suprieur 20 000 kJ par m2 de surface de captation. Il est donc

important dexploiter ce gisement, gratuit et non polluant, dans le domaine de la

production de froid, notamment dans les zones rurales isoles.

Pour les pays en voie de dveloppement, dot dun ensoleillement favorable, en

particulier dans les zones hors datteintes du rseau lectrique, les machines de

rfrigration solaire adsorption semblent une voie prometteuse pour

lamlioration des conditions de vie dans ces zones du point de vue sanitaire et

conomique tels que :

-La diminution du gaspillage important des ressources alimentaires. En

effet, les denres alimentaires (viande, lait, ufs,) et les rcoltes

pourrissent sur les lieux, cause de linsuffisance des quipements

frigorifiques ;

-Lamlioration dexploitation du poisson pour les zones rurales ctires

isoles ;

-La conservation des produits pharmaceutiques.

Les units de rfrigration solaire adsorption sont donc les plus adaptes car :

- Elles oprent sans aucune pice mobile, avec une absence de

nuisance sonore ;

- Elles utilisent des rfrigrants (que ce soit lammoniac, leau ou les

alcools) qui sont bnins pour lenvironnement ;

- Leur entretien est facile ;

-Leur matriau de fabrication est recyclable.

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Dans ce travail, nous proposons un rfrigrateur solaire charbon actif -

mthanol, fabriqu, pour la premire fois au Maroc, entirement avec des

matriaux locaux, au Laboratoire dEnergie Solaire et test sur sa terrasse dans

des conditions climatiques relles.

Cette tude est structure de la manire suivante :

Le premier chapitre contient un rappel des connaissances du processus

dadsorption, du point de vue thermodynamique. Les principaux adsorbants et

rfrigrants utiliss dans le domaine de la rfrigration solaire sont cits ainsi

que leurs caractristiques. Une description et une analyse dtaille de laquestion du choix du couple adsorbant rfrigrant pour la production du froid

est donne dans ce chapitre. Le mode de fonctionnement du rfrigrateur

solaire adsorption ainsi que les diffrentes approches descriptives du

phnomne dadsorption sont traits.

Au chapitre II, nous donnons des exemples de prototypes de rfrigrateurs

solaires adsorption tests exprimentalement. Nous nous sommes intresss

aux principaux couples utiliss dans ce domaine : Zolithe- eau, charbon actif-

mthanol, gel de silice- eau et charbon actif- ammoniac.

La description du prototype de rfrigrateur solaire utilisant le couple

AC35-mthanol que nous avons fabriqu au Laboratoire est reprsente dans le

troisime chapitre de ce manuscrit. Nous accordons une attention particulire

la fabrication et la soudure des diffrents lments car le rfrigrateur,

fonctionnant des pressions infrieures la pression atmosphrique, doit treparfaitement tanche. Les tapes de vrification de ltanchit du rfrigrateur

et la ralisation du vide, qui sont trs utiles pour le bon fonctionnement de

lunit, sont traites la fin de ce chapitre.

Le quatrime chapitre prsente le mode opratoire et les rsultats

exprimentaux du rfrigrateur solaire adsorption. Au dbut de ce chapitre,

nous donnons les interventions manuelles quotidiennes appliques au

rfrigrateur. Limpact des volets disolation du capteur sur les performances de

la machine est tudi. Comme la machine fonctionne sous vide, nous montrons

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linfluence de la prsence de lair dans linstallation. Le fonctionnement typique

du rfrigrateur est donn pour quatre jours de conditions climatiques

diffrentes car, comme ces units solaires fonctionnent en plein air, les

conditions mtorologiques influencent les performances de lunit.

Au chapitre IV, ltude des performances de lunit, en fonctionnement continu,

est faite pour deux squences de jours contenant des journes de conditions

climatiques diffrentes. Les cycles exprimentaux sont tracs dans le

diagramme de Clapeyron et les coefficients de performances journaliers sont

calculs. Une attention particulire est donne la chambre froide, lment du

rfrigrateur, o est produit et conserv le froid. En effet, cet lment, expos des conditions mtorologiques variables dune journe lautre, subit des

pertes frigorifiques variables qui sont estimes dans ce chapitre. Une

corrlation, permettant de prdire les performances de ce rfrigrateur dans

dautres climats, est tablie entre la masse adsorbe, lensoleillement et la

temprature ambiante.

Enfin des annexes contenant des dtails complmentaires ont t ajoutes afin

de faciliter la lecture.

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CHAPITRE I: THEORIES DU PHENOMENE DADSORPTION

I. 1 Principe de ladsorption

Ladsorption est le processus au cours duquel les molcules dun fluide (gaz ou

liquide), appel adsorbat dans le cas gnral ou rfrigrant dans les procds de

production de froid, se fixent sur la surface dun solide appel un adsorbant.

Le terme surface du solide correspond la totalit des surfaces externes et

internes engendres par le rseau de pores et cavits lintrieur de ladsorbant.

Quand une molcule sapproche dune surface solide, elle peut se fixer de deux

manires:

soit par ladsorption chimique ou chimisorption correspondant des

liaisons chimiques fortes dont lnergie de liaison est assez grande de lordre

de 50 400 kJ/mole [1] se traduisant par une raction chimique entre les

molcules du fluide adsorbat et la surface du solide adsorbant , cest un

phnomne irrversible.

soit par ladsorption physique ou physisorption correspondant des

liaisons physique plus faible, avec des nergies dinteractions de lordre

20 kJ/mole [1], qui ne modifie pas la nature chimique de la molcule de

ladsorbant. Cette fixation des molcules du fluide sur la surface du solide se

fait essentiellement par les forces de Van der Waals et les forces dues aux

interactions lectrostatiques de polarisation, diple et quadriple pour les

adsorbants ayant une structure ionique. Cette liaison faible de molcules

dadsorbat sur le solide nentrane aucune modification de la structure

molculaire du solide mais une simple variation de sa masse. Ainsi,

ladsorption physique est parfaitement rversible c'est--dire que les molcules

adsorbes peuvent tre facilement dsorbes en augmentant la temprature.

Les procds dadsorption industriels notamment la rfrigration font intervenir

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gnralement les proprits de la rversibilit de ladsorption physique. Par

consquent seule ladsorption physiquesera aborde dans ce travail.

Du point de vue thermodynamique, ladsorption physique est considre comme

une transformation dtat du fluide dune phase gazeuse une phase adsorbe.

Cette transformation seffectue pression et temprature constantes. Elle

saccompagne toujours dun effet thermique d la chaleur isostrique

dadsorption, ce qui peut conduire un chauffement du solide et une rduction

des quantits adsorbes.

Lexothermicit dun systme dadsorption est caractrise par les chaleurs

dadsorption qui peuvent tre mesures par des techniques calorimtriques ou

estimes partir des isothermes dadsorption diffrentes tempratures.

I.2 Adsorbants utiliss dans le domaine de la rfrigration

Gnralement, tous les solides sont des adsorbants. Mais seuls les adsorbants

ayant une surface spcifique suffisante au-del de 100 m2/g peuvent avoir des

intrts pratiques dans le domaine industriel notamment dans la production du

froid. Ces adsorbants sont ncessairement microporeux avec des tailles de pores

infrieures 2nm ou msoporeux avec des tailles de pores comprises entre 2 nm

et 50 nm (selon la classification de l International Union of Pure and Applied

Chemistry (IUPAC).

I .2.1 Mise en forme des adsorbants

Gnralement, les adsorbants doivent dabord tre agglomrs laide de liantpour obtenir des grains de dimensions convenables (de lordre du millimtre),

de bonne porosit et de rsistance mcanique suffisante. Ces grains peuvent

tre cylindriques (obtenus par extrusion) ou sphriques (obtenus par

granulation).

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La mise en forme des grains dadsorbant donne naissance une structure

double porosit avec deux types de pores (figure I. 1) de natures trs

diffrentes :

Les micropores, contenus dans les cristaux ou les microparticules,

" sites actifs " o seffectue ladsorption ;

Les macropores, forms entres les cristaux, sont appels pores de

transport.

Surface interne

Matrice solide

MacroporeMicropore

Surface externe

Figure I.1:Reprsentation dune microstructure dun adsorbant microporeux

I .2.2 Mode de transfert de masse dans un lit dadsorbant

Le processus dynamique de ladsorption (figureI.2) seffectue de la faon

suivante :

Le gaz est convect aux travers des espaces intergranulaires, ensuite, il est

diffus dans les macropores et enfin dans les micropores o a lieu le

changement de phase responsable de ladsorption.

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PorositintraparticulePorosit

interparticule

FigureI. 2 : Porosit dun assemblage de particule poreux

La porosit interne favorise non seulement la pntration du gaz adsorbable

dans le solide, mais surtout sa condensation dans les micropores. Cette

condensation se traduit par une capacit importante dadsorption du gaz dont

la fixation de ses molcules est de aux micropores qui permettent soit de fixer

une quantit considrable de vapeur (puit de vapeur), soit de gnrer une

grande quantit de vapeur (source de vapeur). Cest ces phnomnes qui

confrent ces adsorbants des proprits remaquables utilises dans les

procds industriels.

I .2.3 Caractrisation des adsorbants

Elle est base sur la dtermination du volume poreux et de la distribution de la

taille des pores. Exprimentalement le volume poreux est dtermin en utilisant

de lhlium et du mercure :

En effet, lhlium pntre dans tous les pores sans tre adsorb et donne le

volume poreux total alors que le mercure ne pntre pas dans les pores et de

ce fait ne donne que le volume interparticulaire. La technique de porosimtrie

mercure (qui consiste faire pntrer sous pression contrle le mercure dans

les pores) permet de mesurer la distribution des pores suprieurs 100alors

que ladsorption de lazote permet de dterminer la distribution des pores entre

10 et 25. La figure I.3 donne la distribution de la taille des micropores pour

diffrents adsorbants utiliss dans le domaine de la rfrigration.

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100

f

10000

g

1000100501

e

a

10

cb

5Pourcentagedespores

50

0

Diamtre du pore ()

Figure I. 3: Distribution de la taille des micropores pour diffrentsadsorbants :(a) zolithe 3A, (b) 4A, (c) 5A, (d) 10X, (e) 13X, (f) MSC,(b), (g) charbon actif

I .2. 4 Les adsorbants

Parmi les principaux adsorbants utiliss dans le domaine de la rfrigration

adsorption, on peut citer :

Les charbons actifs

Le charbon actif est le premier matriau adsorbant utilis. De par ses proprits

mdicinales, il tait dj employ en Egypte antique. Les charbons actifs sont

des carbones que lon a prpars afin daccrotre leur pouvoir adsorbant. En

effet ils sont fabriqus partir de matriaux de bases telles que le bois, le

charbon, la noix de coco, etc.; ces derniers subissent, aprs un traitement

initial, des processus :

dagglomration ;

de premier traitement thermique de 400 500C afin dliminer les

lments volatils produisant ainsi de grands pores ;

de second traitement thermique de 800 1000C pour crer la

microporosit.

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Des traitements ultrieurs de surface permettent de modifier de faon

importante la capacit dadsorption. Ces procds crent lintrieur de

ladsorbant des pores de diamtres infrieurs 20 " micropores" etsuprieurs 500 " macropores" donnant ainsi une trs grande surface

spcifique interne de lordre 2000 m2 par gramme dadsorbant, la plus grande

parmi les adsorbants, donnant ainsi une grande capacit dadsorption.

La structure interne du compos ainsi obtenu est constitue dun assemblage

alatoire de cristallites lmentaires de graphite. Lespace entre ces cristallites

constitue la microporosit du charbon, et laspect alatoire de la distribution de

taille de pores rend la slectivit du matriau trs faible. La surface des

charbons actifs est essentiellement non polaire, mme si une lgre polarit

peut se produire par une oxydation de surface.

Les applications du charbon actif dans les procds industriels sont

nombreuses, et vont du traitement des eaux la dcoloration de liquides

organiques (sucres,..) en passant par la purification de lair et la production du

froid. Les principales proprits physiques des charbons actifs sont donnes

dans le tableau I.1.

AdsorbantSurface spcifique

(m2.g

-1)

Taille des pores

(nm)

Porosit

interne

Charbons actifs 400 2 000 1.0 4.0 0.4 0.8

Tamis molculaire

carbons300 600 0.3 0.8 0.35 0.5

Zolites 500 800 0.3 0.8 0.3 0.4

Gels de silice 600 800 2.0 5.0 0.4 0.5

Alumines actives 200 400 1.0 6.0 0.3 0.6

TableauI. 1 : Principales caractristiques physiques des adsorbants[2]

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Molecular Sieve Carbon(MSC) " Tamis Molculaires carbons"

Du fait de leur distribution assez large des tailles de pores, les charbons actifs

ont des slectivits plutt faibles pour ladsorption des molcules de tailles

diffrentes. Pour augmenter les slectivits, il est possible de prparer des

charbons actifs avec une distribution de pores trs troite par des processus

dactivation spcifiques, en utilisant par exemple un post-traitement des

charbons actifs par le craquage ou la polymrisation de certaines espces

comme le benzne ou lactylne sur la surface. Les charbons actifs ainsi

obtenus sont appels tamis molculaires carbons. Cest ce type de charbonsactifs qui est utilis pour la production de N2 partir de lair avec un procd

de sparation bas sur des slectivits cintiques.

Ces charbons prsentent une distribution de tailles de pores beaucoup moins

tale que celle des charbons actifs (figure I. 3) dont les principales proprits

physiques sont donnes dans le tableau I. 1.

Les zolithes ou tamis molculaires

Les zolithes qui existent ltat naturel sont des minraux. Ce sont des

assemblages de cages aluminosilicates cristallises comprenant des cations

alcalins tels que le sodium, le potassium, le calcium etc. Ces cations jouent

un rle majeur dans de nombreuses applications de la zolithe, ce sont

notamment eux qui attirent les molcules polaires (leau en particulier).

Structurellement, une zolithe est un assemblage priodique prsentant des

cavits appeles cages qui sont interconnectes par lintermdiaire de

"fentres ". Louverture des fentres des cages est contrle par les cations et

peut varier entre 3 et 10 ().

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ba

Figure I. 4 :a) Cage lmentaire cubooctadrique de cristalde zolithe A ou X.

b) Zolithe de type A (LTA Linde Type A)Les cubooctadres sont assembls par les

faces carres.

La zolithe existe sous plusieurs formes diffrentes de composition chimique

voisine de celle du sable. La synthse industrielle de la zolithe peut tre soit

une amlioration, par le biais de raction chimique, dun type naturel, soit une

transformation dun mlange homogne de sable, bauxite et de soude vers un

systme cristallin. Les zolithes de type A (figure I.4 b), X et Y sont les plus

souvent utiliss en sparation et purification de gaz par adsorption. Les

principales proprits physiques des zolites sont donnes dans le tableau I.1.

Gel de silice

Le gel de silice (SiO2.nH2O) est une silice synthtique amorphe, dont la

structure des pores, cre par lagglomration des microparticules

sensiblement sphriques de dimension peu prs uniforme, est comprise entre

2 et 20 nm. Il prsente lavantage dadsorber beaucoup deau (400g/kg) une

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pression de vapeur deau proche de la saturation. Les principales proprits

physiques des gels de silice sont donnes dans le tableau I.1.

Alumine act ive

Prpare partir de gibbsite Al(OH)3, elle prsente une trs grande affinit

pour leau. Les alumines actives sont donc trs hydrophiles et sont

couramment utilises pour le schage. Les principales proprits physiques

des alumines activs sont donnes dans le tableau I.1.

I .2. 5 Les rfrigrants

Parmi les rfrigrants, neutre pour lenvironnement, utiliss dans les systmes

frigorifiques adsorption on peut citer leau, le mthanol et lammoniac. Le

tableau I.2 donne les proprits thermodynamiques de ces rfrigrants.

Leau, possdant la meilleure chaleur latente de vaporisation, a lavantage

davoir une grande stabilit et dtre non toxique. Sa prise en glace 0C, limite

son utilisation pour la production de froid aux basses tempratures.

Lammoniac et le mthanol, de chaleur latente infrieure celle de leau, ont

lavantage sur ce dernier de pouvoir produire du froid des tempratures plus

basses.

Il est important de noter que leau et le mthanol ont de faibles pressions

dutilisation, et ncessitent des units hermtiques fonctionnant sous vide.

Par contre lammoniac prsentant des pressions de fonctionnement leves

pose des problmes de scurit au niveau de linstallation.

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RfrigrantTemprature

(C)

Chaleur latente

de vaporisation

(kJ kg-1

)

Pression vapeur

(bar)

0 2485 0.0063

20 2442 0.0236EAU

40 2397 0.0747

-30 1359 1.195

-10 1296 2.909

0 1262 4.294Ammoniac

30 1146 11.665

-50 1190 0.01

-10 1182 0.04Mthanol

30 1155 0.25

Tableau I.2 :Proprits thermodynamiques de leau, de lammoniac

et du mthanol[3]

I.3 Critres de slection du couple pour la production de froid

par adsorption

La production du froid par adsorption dpend de la compatibilit du couple

rfrigrant-adsorbant. Pour que les molcules du fluide frigorigne sadsorbent sur

le solide, il est ncessaire que ladsorbant choisi ait des pores plus grands que les

molcules du gaz adsorber.A ce critre sajoutent les facteurs suivants :

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Pour le solide adsorbant, il est gnralement choisi en fonction de sa :

conductivit thermique qui doit tre grande pour avoir un bon transfert de

chaleur au sein du lit dadsorbant ;

capacit dadsorption qui doit tre :

plus leve basse temprature et la pression dquilibre dans

lvaporateur,plus faible temprature leve du cycle associe la pression

dquilibre dans le condenseur,

stabilit des tempratures infrieures ou gales 120C ;

grande surface spcifique dadsorption ;

largement disponible.

Pour le fluide frigor igne, le choix est fait de telle sorte que le fluide :

ait une molcule facilement adsorbable par ladsorbant choisi.

possde une chaleur latente de vaporisation L leve afin de produire le

maximum de froid lvaporateur;

soit aisment adsorbable basse temprature et plus difficilement haute

temprature;

ait une viscosit faible ;

soit stable chimiquement dans lintervalle des tempratures dutilisation ;

ne provoque pas la corrosion des lments de la machine.

De lanalyse des proprits, diffrentes, de ces fluides, il ressort que le choix du

fluide dans les procds de production du froid solaire par adsorption dpend

aussi :

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des critres technologiques ou de scurit qui peuvent ventuellement

prendre le pas sur les critres thermodynamiques ;

du domaine dapplication vise :

climatisation,

vaporation infrieure 0C,

Bas sur les critres de choix cits antrieurement, les couples les plus tudis

dans le cas de la production du froid sont : zolithe-eau, charbon actif-mthanol,

charbon actif-ammoniac et silicagel-eau [4] [5] [6] [7] [8] [9 ].

I. 4 Cycle frigorifique intermittent adsorption

I. 4. 1 Principe du cycle

La ralisation du cycle adsorption est base sur le principe de la rversibilit

de ladsorption physique: fixation de la vapeur du rfrigrant " adsorbat " sur

ladsorbant lorsquil est refroidi et libration de celle-ci lorsquil est chauff. A

lquilibre thermodynamique,le systme est donc bivariant. Cela signifie que la

masse de rfrigrant adsorbe m lquilibre est une fonction de la

temprature T et de la pression P :

(I .1)m = f(T,P)

Lquilibre peut tre dcrit par :

Des isobares donnant, pour des pressions constantes, la masse adsorbe

en fonction de la temprature;

15


25/137

Des isothermes ( tempratures constantes) donnant la masse adsorbe en

fonction de la pression, pour plusieurs tempratures de ladsorbant ;

Des isostres ( m adsorbe constante) donnant, pour plusieurs masses

adsorbes fixes, la pression P en fonction de la temprature T.

Gnralement les isostres se reprsentent de manire pratique dans le

diagramme de Clapeyron (lnP, -1/T). Les droites parallles de la figure I. 5

reprsentent un exemple disostres.

Lorsquon relie un changeur de chaleur, dans lequel se trouve une masse

dadsorbant, contenant un rfrigrant, un condenseur et un vaporateur on

ralise un cycle frigorifique adsorption.

-1/T

ln Pm

FigureI. 5: Exemple disostres dans le diagramme de Clapeyron

16


26/137

I. 4. 2 Principe de fonctionnement du cycle idal

Le principe de fonctionnement dun cycle thermodynamique adsorbant-

rfrigrant est reprsent dabord pour un cycle idal.

Un cycle idal, est un cycle thorique qui ne prsente pas de rsistance aux

transferts de masse et de chaleur. Dans le diagramme de Clapeyron, le cycle

idal est form par deux isostres et deux isobares (figure I.6).

Le trajet thermodynamique dcrit par un couple adsorbant -rfrigrant lors

dun cycle est constitu de deux phases principales:

Phase de chauffage dsorption-condensation (Figure I.7)

Chauffage isostrique (AB):

Dbut de journe: Le capteur, isol du condenseur et de lvaporateur, se

trouve la temprature Tads(Ta) et la pression Pede lvaporateur. Le

rayonnement solaire chauffe le capteur. La temprature de ladsorbant et

la pression du rfrigrant augmentent tandis que la masse totale du

rfrigrant adsorbe reste constante (au chemin isostrique).

Tdes

md

-1/T

lnP

Pc

Pe

Tads

B C

D

Masse adsorbe croissante

ma

A

Te Tc

Figure I. 6 : Reprsentation du cycle thorique adsorption dans le diagramme

de Clapeyron

17


27/137

Cette priode est quivalente la"compression " dans le cycle de

compression classique.

JOUR

Tdes

md

-1/T

lnP

Tads


B C

D

ma

A

Te Tc

rfrigrant

EvaporateurChambre

froide

Condenseur

Vannedisolement

Pc

Pe

Figure I. 7 : Phase chauffement et dsorption

Echauffement : Dsorption-condensation(BC)

Une fois la pression dans le capteur atteint la pression de saturation

correspondante la temprature Tc du condenseur, ce dernier est mis en

communication avec le capteur (point B). Lnergie solaire permet

simultanment laugmentation de la temprature du capteur et la dsorption

du rfrigrant contenu dans ladsorbant. Les vapeurs de rfrigrant libres

par ladsorbant vont se condenser dans le condenseur et cette phase

pression impose par le condenseur se poursuit tant que la temprature de

ladsorbant augmente. La dsorption sachve au point C quand ladsorbant

atteint la temprature maximale Tdes. Le condensat est vacu vers

lvaporateur par simple gravit lors de sa formation. Cette priode est

quivalente la"condensation" dans le cycle de compression classique.

18


28/137

Phase de refroidissement adsorption-vaporation (Figure I.8)

Refroidissement isostrique(CD)

lorsque le flux solaire diminue. La temprature de l'adsorbant diminue ainsi

que la pression selon lisostre (CD). Cette priode est quivalente "la

dtente"dans le cycle de compression classique.

NUIT

Tdes

md

-1/T

lnP

Tads


A

B C

D

ma

TcTe

Pc

Pe

Figure I. 8: Phase de refroidissement adsorption -condensation

Refroidissement : Adsorption -Evaporation(DA)

La nuit, le capteur, connect l'vaporateur qui impose sa pression,

continue se refroidir. Ladsorbant se trouvant dans le capteur adsorbe le

rfrigrant qui svapore en produisant du froid dans lvaporateur. Cette

priode est quivalente "l'vaporation " dans le cycle de compression

classique.

19


29/137

Ce cycle a la particularit dtre intermittent du fait que ladsorbant est chauff

le jour et refroidi la nuit, ce qui sadapte bien lintermittence de lnergie

solaire. La production du froid na lieu que pendant une partie du cycle

(la nuit). Ce qui pose le problme de stockage du froid produit lvaporateur.

I. 5Dfinition des coefficients de performance dune machine

frigorifique solaire adsorption

Lvaluation des performances de la machine est dtermine partir des

quantits de chaleur Qe, Euet E o :

Qe: est la quantit de chaleur extraite de lvaporateur

Qe=Ma L - MdCp( Tc- Te)

Ma masse de rfrigrant adsorbe [kg]

L chaleur latente de vaporisation du rfrigrant [J kg-1]

Md masse de rfrigrant dsorbe [kg]

CP chaleur spcifique du rfrigrant [J kg-1K-1]

Tc temprature du condenseur [K]

Te temprature de lvaporateur [K]

Le premier terme de Qe correspond au froid produit lvaporateur lors de

lvaporation de Ma. Le deuxime terme de Qe correspond la chaleur

sensible du rfrigrant pour lamener de Tc Te.

Eu: est lirradiation ncessaire pour effectuer la dsorption augmente

de la chaleur sensible des diffrents composants du capteur.

dsorptionladefin soleildulever dt)t(AE avu

(I .2)

(I .3)

20


30/137

E: est lirradiation globale reue par la face avant du capteur.

soleiledcouch soleildulever dt)t(E avAav

sol

A : surface avant du capteur [mo 2]

I : irradiance reue par la face avant du capteur [Wm -2]

(I .4)

Le coefficient de performance thermique COPthet le coefficient de performance

solaire COP sont donns par les relations suivantes :

COPsol=(I.5)Qe

E

COPth=QeEu

(I.6)

Le rendement de captation est donn par :

=COPth

COP lso=EuE

(I.7)

I. 6 Isothermes dadsorption

La quantit de rfrigrant maadsorbe lquilibre pour une temprature donne

T est fonction de la pression P :

m = f(P)a T I.8

Les isothermes dadsorption sont souvent dtermines exprimentalement en

utilisant des mthodes gravimtriques, volumtriques ou chromatographiques

[10] [11].Ces mesures exprimentales sont ensuite corrles par des modles

mathmatiques qui doivent reprsenter au mieux les isothermes dadsorption

21


31/137

exprimentales, dans une plage tendue de pression et de tempratures. En

pratique, il est toujours recommand de rechercher et dutiliser des modles ayant

la fois une signification physique, en accord avec les lois fondamentales de la

thermodynamique et des facilits de traitement numrique pour les simulations

des procds dadsorption.

Les isothermes dadsorption ont des formes variables et peuvent tre regroupes

en cinq types (figure I.9) selon LANGMUIR, BRUNAUER, EMETT et TELLER [ 2]

[ 12] [ 13] :

Type I : Sont gnralement obtenus dans le cas des

adsorbants microporeux avec une saturation

progressive des sites dadsorption sensiblement

quivalents.

Type II et III : Sont observs avec les adsorbants ayant des

distributions larges des tailles de pores avec une

transition continue de ladsorption en monocouche

ladsorption en multicouche jusqu la condensation

capillaire.

Type IV : Peut rsulter de la formation de deux couches

successives dadsorbat la surface du solide quand

les interactions entres les molcules du rfrigrant et

la surface solide sont plus fortes que les interactions

entre les molcules adsorbes. Dans ce cas, les sites

dadsorption de la seconde couche ne commencent

se remplir que quand la premire couche est peu

prs complte.

Type V : Contrairement au type IV les forces dinteraction

entre les molcules adsorbes sont plus fortes que

les forces dinteraction entre les molcules du

rfrigrant et le solide.

22


32/137

m m m

Plusieurs modles disothermes dadsorption ont t dvelopps, bass soit sur

une approche de surface qui considre que ladsorption est un phnomne de

surface, soit sur une approche de volume qui considre que ladsorption est un

phnomne de remplissage de volume. Parmi les approches les plus courantes

de la thorie dadsorption physique citons :

I. 6. 1 Le modle de Langmuir

Langmuir (1916) a dvelopp le modle dadsorption monomolculairefond

sur des bases thoriques en faisant les hypothses suivantes:

La chaleur dadsorption est la mme pour toutes les molcules de

rfrigrant ;

Ladsorption se produit en une seule couche c'est--dire si une

molcule de rfrigrant arrive sur une surface dj occupe par une

molcule adsorbe, elle sera immdiatement rflchie (Figure I. 10);

Figure I. 9:les diffrents types disothermes dadsorption

Ps: est la pression saturante de ladsorbat

P/Ps

TypeI TypeIIITypeII

P/Ps P/Ps

11

TypeIV TypeV

mm

1

P/Ps P/PsP/Ps

1

23


33/137

Il ny a pas dinteractions entre les molcules adsorbes.

Quand le comportement des molcules adsorbes ne dvie pas beaucoup des

hypothses de Langmuir les isothermes dadsorption sont donnes par [2] [14]

avec q : la fraction adsorbe,

m : la masse de rfrigrant adsorbe par unit de masse

dadsorbant,m0 : la masse de rfrigrant ncessaire pour remplir une couche

monomolculaire par une masse dadsorbant ,

P : la pression dquilibre dadsorption,

b : la constante de Langmuir.

Le paramtre b dpend de la temprature selon la relation de Vant Hoff :

Q est la chaleur d'adsorption.

(I.9)

(I.10)

m

mq=

bP1

bP= 0

= RTQexpbb 0

24


34/137

Le modle de Langmuir reprsente bien les isothermes dadsorption de type I.

Aux basses pressions, bPest ngligeable devant 1, et qtend vers bP, la

quantit adsorbe crot linairement avec la pression : cest la loi de

Henry.

Vers les pressions leves, 1est ngligeable devant bPet qtends vers

1(la couche est sature).

Entre les faibles Pressionso qvarie linairement avec P, et les fortes

Pressions o q est gale 1, on trouve le modle empirique de

Freundlicho :

kPqn/1= (I.11)

avec

ions entre ladsorbat

et ladsorbant.

I. 11 rsume lensemble des expressions de qen fonction de la pression

k la constante de Freundlich,

n une constante caractristique des interact

La figure

relative.

q

P/Ps

q = 1

q = kP1/n

q =bP

bP1q = bP

Figure I. 11 : Reprsentations de Henry, Langmuir et de Freundlich de ladsorptionen monocouche

25


35/137

Les isothermes de Freundlich et de Langmuir sappliquent la partie arrondie

de la courbe q= f(P/PS). Les deux asymptotes correspondent aux cas limites.

Les isothermes dadsorption de Langmuir, uniquement valables pour des

surfaces nergtiquement homognes, sappliquent relativement bien au cas

de ladsorption chimique. Notons qu lorigine Langmuir a tabli son quation

pour le cas de ladsorption chimique.

Certains solides, par contre, prsentent des surfaces htrognes o les sites

dadsorption sont de nature diffrente. Par exemple la structure ionique des

zolithes leur confre une surface htrogne. Pour les charbons actifs

lhtrognit est due aux pores de diffrentes tailles.

Le modle de Langmuir- Freundlich permet dans ce cas l de reprsenter les

isothermes dadsorption :

P1

bPq n

n

= (I.12)

avec n une constante caractristique des interactions entre le rfrigrant

et ladsorbant, qui est gnralement infrieur 1.

Le modle de Langmuir-Freundlich se rduit au modle de Langmuir pour

n= 1.

I. 6. 2 Modle de BET

Les isothermes dadsorption de type I c'est--dire dont la courbe tend vers une

valeur constante (saturation) supposent que ladsorption se fait en

monocouche. Cependant lorsque les forces entre les molcules du rfrigrant

et la surface du solide sont suffisamment grande, il y a transition de ladsorption

en monocouche ladsorption en multicouche.

Langmuir et autres aprs lui ont essay dtablir une quation pour les

isothermes dadsorption dans le cas de ladsorption en multicouches.

26


36/137

Le travail qui a eu le plus de succs est celui de Brunauer, Emmett et

Teller(1938).

Ce travail connue sous le nom de modle de BET est base sur une adsorption

en multicouche o chacune des couches obit la thorie de Langmuir [12].

En effet, quand on tudie les isothermes dadsorption des gaz des basses

tempratures sous des pressions pouvant atteindre les pressions de saturation

du gaz liqufi, on obtient des courbes du type II, avec une partie concave

(vers laxe des pressions), aux basses pressions, et au contraire une partie

convexe aux hautes pression (figure I.9). Brunauer, Emmett et Teller ont

donn une interprtation thorique lisotherme type II, en tendant le

raisonnement de Langmuir ladsorption plurimolculaires. Daprs eux,

suivant les points, la surface peut tre recouverte de 0, 1, 2, 3,,i,..

couches molculaires de ladsorbat (figure I. 12).

27


37/137

Soit :

S0 la portion de surface inoccupe du solide ;

S1 la portion de surface occupe par une couche dadsorbat ;

S2 la portion de surface occupe par deux couches dadsorbat ;

Si la portion de surface occupe par i couches dadsorbat ;

Sn la portion de surface occupe par n couches dadsorbat ;

Sur chaque couche, il y a quilibre dynamique entre le nombre de molcules

qui sadsorbent et celles qui se dsorbent. On peut donc, sur chaque couche lquilibre, admettre que la surface demeure constante. Par exemple, la couche

dordre 2 se forme par adsorbtion sur la couche dordre un plus la dsorption de

la couche dordre 3. La disparition de cette couche dordre 2 se fait par

dsorption de cette couche plus la formation de la troisime couche.

on suppose ensuite que la vitesse dvaporation des molcules adsorbes dans

une couche dordre j est gale la vitesse de condensation sur la couche

dordre j-1, et queseul la formation de la premire couche est nergtique, les

autres couches subissent une simple condensation. En se basant sur ces

hypothses, Brunauer, Emmett et Teller [12] [14], proposent une quation de

forme gnrale en considrant un nombre fini de couches n:

n

1n

1n(

n

)P/P(C)P/P(1)(C1

)P/P()P/1)(n1

)P/P(1

)P/P(C

m

mq

SS

SS

S

S

0

P(I.13)

avec q : la fraction adsorbe,

m : la masse adsorbe par unit de masse dadsorbant,

m0 : la masse dadsorbat ncessaire pour former une couche

monomolculaire par une masse dadsorbant ,

n : le nombre de couches molculaires dadsorbat,

28


38/137

C : la constante caractristique de ladsorbat, qui prend la

valeur approximative :

)RT

QQ

exp(C

L1= de la formation

des couches suprieures.

rante de ladsorbat la

temprature considre.

gmuir. Pour un nombre infini

de couches (n), lquation (I.13)scrit donc :

on Brunauer, Emmett et Teller peut avantageusement tre mise sous la

forme :

Cette forme est commode, car, elle montre que

avec Q1est la chaleur dadsorption de la premire couche,

QL est la chaleur de liqufaction, donc

P : la pression dquilibre dadsorption,

Ps : la pression de vapeur satu

Pourn= 1, lquation (I.13)se rduit celle de Lan

Lquati

ss PP(I.14)

(I.15)P

P

Cm

1-C

Cm

1

m)P-P(

P

ss 00

= s

P

)1-C(1

1

)

P

-1(

P

PC

m

mq

0

m)PP(

P

s est une fonction

linaire de)(

Ps

Pdordonne lorigine

Cm0

1et de pente

Cm0

De cette ordonne lorigine et de la pente on dduit aussitt la valeur de m

1C.

0,

masse du gaz correspondante la formation dune monocouche. La thorie de

29


39/137

BET a rendu des services prcieux en fournissant ainsi un moyen destimer la

surface spcifique dun adsorbant. La mthode consiste dterminer la

quantit adsorbe sur la premire couche partir dune isotherme

dadsorption, gnralement obtenue avec lazote une temprature

cryognique (T=78 K) ; la surface des pores est ensuite calcule en supposant

que les molcules dadsorbat recouvrent compltement la surface solide [2]

[16]. Ceci constitue lapplication la plus importante de lquation de BET. La

linarit de lquation BET nest en gnral observe que dans un intervalle de

ression relative limit est telle que :

des tailles conduit

gnralement des isothermes dadsorption de type IIou III.

volume dadsorbat West uniquement une fonction du potentiel de ce champ :

av

P la pression dquilibre.

0.05< P/PS < 0.35

W = f(

p

Le modle de BET est utile pour dcrire les systmes gaz-adsorbant avec

condensation capillaire dans les pores dont la distribution

I.6. 3 Modles thermodynamique de Dubinin-Polanyi

Il sagit de modles o le concept de recouvrement en surface, dans le modle

molculaire, est remplac par la notion de remplissage en volume des pores

notamment pour les adsorbants contenant un grand nombre de micropores

avec lapplication de la thorie du potentiel de Polanyi [13][15]. Avec cette

approche, on considre que les interactions entre les molcules du rfrigrant

et la surface dadsorbant sont dtermines par un champ de potentiel et que le

) (I.16)

o = RTln(Ps/P),ec Ps la pression saturante,

30


40/137

Le modle empirique propos par Dubinin-Radushkevich est donn par :

ale adsorbable par unit de masse dadsorbant,

un paramtre de normalisation.

duit un paramtre supplmentaire n li la distribution des tailles de

pores :

ramme dadsorbant la temprature T et la

ression P est donne par :

rant prise approximativement gale

celle du liquide la mme temprature.

male du rfrigrant adsorbe par kg dadsorbant est aussi

do

yi rside dans leur

inconsistance thermodynamique aux faibles pressions [2].

m0=(T) w0 (I.20)

W = W0 exp(-k2/2)(I.17)

avec W le volume adsorb par unit de masse dadsorbant,

W0 le volume maxim

k une constante,

Un autre modle utilisant la mme approche est propos par Dubinin-Astakhov.

qui intro

W = W0 exp(-kn/n) (I.18)La masse adsorbe par kilog

p

m(T,P) = (T) W (I.19)

(T) est la masse volumique du rfrig

La masse maxi

nne par :

Un des dfauts majeurs des modles de Dubinin-Polan

31


41/137

I. 7 Isostres dadsorption

isostres sont reprsentes par l'quation empirique de type Clausius Clapeyron :

Q est la chaleur dadsorption,

La relation donnant les pressions dquilibre en fonction de la temprature pour

une quantit de rfrigrant m constante est appele isostre. Gnralement les

V est la variation de volume molaire entre la phase

gazeuse et la phase adsorbe.

ans la phase gazeuse, et si on suppose que le gaz est parfait, on peut crire :

est la constante des gaz parfait ;

I. 22),

intgration de lquation (I. 23) permet dcrire :

Si lon nglige le volume molaire du corps adsorb en comparaison avec celui

d

R

et, par suite daprs lquation (I. 21) et (

L

CRT

Q-Pln

(I.21)VTQ

T

P

m

(I.22)PV=

(I.23)2m RT

Q

T

Pln =

(I.24)

RT

32


42/137

o C est une constante.

Donc lnP est une fonction linaire de 1/T) qui peut scrire pour un couple(-

donn sous la forme :

T

BAPln

A et B sont respectivement labscisse lorigine et la pente pour chaque

ture, les isostres sont linaires dans le diagramme de Clapeyron, donc A

t B sont fonction de m seule nt, on peut alors crire daprs lquation (I.24) et

A(m)et B(m)sont des fonctions polynomiales de m seulement, et le trac des

dsorption peut donc tre dtermine partir dune droite

Des exemples dquations dquilibre et de chaleurs dadsorption sont donnes

dans le tableau I. 3 pour plusieurs couples adsorbant rfrigrant.

(I.25)

isostre m.

Si dans un certain domaine de temprature Q et C sont indpendants de la

tempra

e me

(I.25) :

C= A(m) et B(m) =R

(I.26)Q

O

isostres exprimentales permet de les calculer [17] [18].

De ce fait, la chaleur da

reprsentant la variation de ln P en fonction de (-1/T) dans le diagramme de

Clapeyron (figure I. 5).

33


43/137

34

rfrences Equation dquilibre Adsorbant- rfrigrant C

[17]

ln(p) = a(w) + b(w)/T ;

a(w) = a0+a1w+a2w2+a3w

3 ;

b(w) = b0+b1w+b2w2+b3w

3

Charbon actif -

mthanolb(w)= b

[19]

ln(p) = a(w) + b(w)/T ;

a(w) = a0+a1w+a2w2+a3w

3 ;

b(w) = b0+b1w+b2w2+b3w

3

zolithe 4A- eau,

zolithe 13X- eaub(w)= b

[20]

m = K(Ps

P)n

K= 0,346 Kg/Kg et n= 1, 6;

ln PS = 25, 1948 T 26,5098

Gel de silice -eau

[7]Equation Dubinin-Astakhov :

w= w0exp[-D(T/)n(lnP/Ps)

n]

Charbon actif-mthanol

Charbon actif -

ammoniac

H =

[18] m =w0(T)exp[-D(Tln(Ps(T)/P)n ]

Charbon actif-mthanol Equation de

[21] ln(P/Ps) = anmn+1/Tbnm

n zolithe 13X- eau

Tableau I.3 : Exemples dquations dquilibre et de chaleurs dadsorption


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CHAPITRE II: EXEMPLES DE PROTOTYPES DE

REFRIGERATEURS SOLAIRES A ADSORPTION

A travers le monde, des quipes de recherche sintressent ce type de machinede production de froid. Ces quipes se sont consacres au dbut ltablissement

de modles de machines frigorifiques solaires [22] [23] [24]permettant de simuler le

fonctionnement de la machine frigorifique partir des donnes solaires relles.

Dautres quipes sont passes au stade de lexprimentation sous un soleil artificiel

[25] [26] [9] o rel [27] [28]. Nous allons citer, selon le couple adsorbant

rfrigrant utilis, quelques ralisations exprimentables de machines frigorifiques

solaires adsorption qui ont t couronnes de succs.

II. 1 Prototype utilisant le couple zolitheeau

Leau ne pouvant svaporer des tempratures infrieures zro C, le couple

zolitheeau est limit au domaine o la temprature est suprieure ou gale zro

C. Sil sagit simplement de maintenir un volume quelques degrs au dessus de

zro C, une vaporation zro C suffit. De ce fait, ce couple est plus adapt au

domaine de la climatisation.

A la fin des annes 70 Tchernev [29] a tudi ce couple pour la climatisation.

Wang [30]a aussi utilis ce couple pour la climatisation dune locomotive de train.

Meunier, un des pionniers dans le domaine de ladsorption, a tudi thoriquement

et exprimentalement le couple zolithe eau [31] [32] [33]et montr que ce couple

est le plus adapt pour lobtention de tempratures suprieures o gales 0C. Son

quipe a ralis deux installations exprimentales:

Une glacire solaire de volume de 150 litres. Le capteur, de surface gale

0.8 m2, contient 23kg de zolithe13X [34].La quantit moyenne de glace

produite lvaporateur est de 7.5 kg par m2de capteur. Le coefficient de

performance solaire obtenu est de lordre de 0,1.

Grenier et al [35]ont tudi un entrept frigorifique de volume 12 m3

munide 24 capteurs plans dont la surface est 20 m2. Les performances ont

35


45/137

montr que le COP solaire est toujours voisin de 0.1, correspondant une

production de glace dans lvaporateur de 7kg par m2 de capteur et

permettant de maintenir un cart de 20C entre la temprature ambiante et

les produits entreposs dans la chambre froide.

FigureII.1 : photode lentrept frigorifique solaire adsorption

II.2 Prototype utilisant le couple charbon actif - mthanol

36


46/137

Le couple le plus tudi dans le domaine de la rfrigration solaire par adsorption est

le charbon actif mthanol en raison de sa capacit produire du froid des

tempratures infrieures 0C.

Unemachine glace solaire adsorption a t ralise par lquipe de Meunier

Orsay[22]en France. La surface du capteur plan est de 6m2et la masse du charbon

actif est 135 kg. La masse de glace produite lvaporateur tait de 30 35 kg et le

COP solaire variait entre 0.07 et 0.12.

Trois machines glace, ralises et commercialises par la socit BLM France

sous licence CNRS LMSI, ont t exprimentes dans le site dAgadir (Sud du

Maroc) [36]. Lanalyse des rsultats obtenus, durant la priode 22 mai - 17 juillet1990, montre que le COP solaire obtenu variait entre 0.08 et 0.12 du mme ordre de

grandeur que celui de la machine glace solaire exprimente au LIMSI [22]et que

la masse de glace produite lvaporateur, chaque jour, tait de 5.2 kg par m 2de

surface de captation solaire.

Anyanwu et Ezekwe[37]ont fabriqu et test un prototype de rfrigrateur solaire

charbon actif- mthanol. Contrairement aux autres ralisations que nous venons de

citer, le capteur, de surface 12 m2, est constitu de 6 tubes en acier inoxydable

remplis de charbon actif AC35. Les tempratures obtenues dans la chambre froide

du rfrigrateur taient comprises entre 1C et 8.5 C pour une temprature

ambiante entre 18.5 C et 34 C.

A luniversit de Jiao Tang de Shangai en chine, lquipe de Li et Wang a tudi une

installation hybride [38] [39]utilisant le couple charbon actifmthanol. Ce systme

comporte un chauffe -eau solaire et une machine glace adsorption. Linstallation

est reprsente sur la figureII.2.

37


47/137

43

2

Eausanitaire

froide

Eausanitairechaude

1

5

6

7

8

1Chauffe eau solaire

2 Rservoir deau3 Capteur contenant ladsorbant4 Condenseur5 Rservoir mthanol6 Vanne7 Evaporateur8 Chambre froide

FigureII. 2: schma de la machine hybride solaire adsorption

Dans ce cas dexprimentation, le gnrateur sous forme cylindrique (contenant le

charbon actif) est plac dans un rservoir deau.

Le jour, le chauffe-eau solaire chauffe leau du rservoir contenant le gnrateur. La

nuit, leau chaude, retire du chauffe-eau, est stocke dans un autre rservoir pour

une utilisation ultrieure domestique et remplace ensuite par leau du rseau. Ainsi,

le gnrateur refroidi provoque la production de la glace dans lvaporateur. Ce

systme permet, pour un capteur de 2 m2, de produire 60 litres deau chaude des

tempratures autour de 80 C et 10 kg de glace par jour.

A luniversit de la province de Yunnan en Chine, lquipe de Li et Wang ont

construit et test une machine glace solaire autonome, sans vannes et sansrservoir de mthanol [40], utilisant le couple charbon actifmthanol.

Cette machine teste dabord sous des conditions climatiques relles a donn des

COP solaires entre 0.12 et 0.13. Ensuite elle a fonctionn lintrieur du laboratoire

sous un ensoleillement artificiel (reproduisant les valeurs des ensoleillements rels

reus par lunit sous des conditions climatiques relles).

Les COP solaires obtenus taient situs entre 0.137 et 0.146 plus importants que

lorsque lunit tait sous ensoleillement rel. De ce travail, on peut remarquer que le

38


48/137

conditions climatiques (temprature ambiante, vitesse du vent, ensoleillement...)

influencent les performances de la machine. Ceci sera montr dans ce travail.

II.3 Prototype utilisant le couple gel de silice eau

Le couple gel de silice-eau a t moins tudi que les couples zolithe eau et

charbon actif-mthanol.

Sakoda [41]a tudi un prototype exprimental utilisant le couple silicagel-eau. Le

capteur, de 0.25 m2 de surface et dpaisseur 5 cm, contient 1kg de gel de silice.

Lunit a pu atteindre un COP thermique de 0.2 pour une journe claire dinsolation

gale 19.3 MJ par m

2

. Daprs Sakoda, le COP thermique peut atteindre 0.4 pourun capteur solaire de 0.4 m2.

En Suisse, au sein du Laboratoire dEnergtique Solaire et de Physique du Btiment

(EIVD), lquipe de Philippe Dind a construit et expriment, durant le mois de

septembre 2000, un prototype de rfrigrateur solaire adsorption [42]utilisant le

couple gel de silice-eau. Dans ce travail le capteur tubes dont la surface est de 2

m2est muni dun double- vitrage. Test au laboratoire sous ensoleillement artificiel,

les performances du systme ont montr que le COP solaire brut pouvait atteindre

0.19. Cette valeur est suprieure celles atteintes par dautres systmes de

rfrigration solaire sous des conditions climatiques relles.

II.4 Prototype utilisant le couple charbon actif- ammoniac

Le couple charbon actif-ammoniac a t tudi principalement par Critoph [7] [43]

[44] [45] [46] qui a montr que (lorsque les pressions de fonctionnement sont

suprieures la pression atmosphrique) lammoniac est le rfrigrant le mieux

adapt pour la production du froid quand ladsorbant est du charbon actif.

Sous ensoleillement artificiel, Critoph a tudi un rfrigrateur solaire adsorption

utilisant le couple charbon actif ammoniac [25]. Le capteur compos de 14 tubes,

de 2 m de long, en acier inoxydable, a une surface de captation denviron 1.43 m2.

Ces tubes sont revtus dune surface slective (MaxorbTM). Une masse de 17 kg de

charbon actif est rpartie dans les tubes du capteur. Un condenseur eau, form par

un tube de 4 m de long en acier inoxydable, est immerg dans un rservoir de 100

39


49/137

litres. Lvaporateur, form par un tube en spiral en acier inoxydable est immerg

dans un volume de 0.4 litre deau. Le COP solaire atteint est de 0.061 pour une

nergie incidente de 19.98 MJ et la temprature lvaporateur est de lordre de

0.9C.

Critoph a aussi tudi un systme, de conditionnement dair avec le couple charbon

actif-ammoniac [44]. Ce systme est bas sur lutilisation de modules tubulaires

adsorption. Chaque module comprend un gnrateur et un vaporateur-

condenseur. Le gnrateur est un tube en acier, de 12.7mm de diamtre extrieur,

contenant 3 mm dpaisseur de charbon actif concentrique au tube. Le module,

fabriqu et test sur un banc dessai, a t chauff par un flux dair chaud (150C) et

refroidi par un flux dair la temprature ambainte. Se basant sur les rsultats

exprimentaux dun seul module, Critoph a tabli un modle comprenant 16 modules

dont chacun est de 1m de longueur et de 0.0127 m de diamtre. La temprature du

flux dair de chauffage est de 200 C et le temps pour raliser un cycle est 864 s.

Daprs les rsultats de la simulation la temprature moyenne dvaporation est de

lordre de 8.9 C et le COP thermique est de lordre 0.6.

Bougard a tudi une machine frigorifique solaire domestique utilisant le couple

charbon actif-ammoniac [47]. Le capteur, de surface 1.32 m2, est constitu de 4

tubes ailetts longitudinalement et connects en parallle. La masse de charbon actif

utilise est de 13.25 kg. Des essais, sous ensoleillement artificiel, ont donn, pour

une temprature ambiante de 25C et une vaporation -5C, une masse cycle de

1.24 kg dammoniac. Cette masse cycle permet la production de 1 kg de glace.

Mimet a ralis un prototype fonctionnant avec le couple charbon actif-ammoniac

[48]. Le gnrateur utilis est un rservoir cylindrique double enveloppe en acier.

Le tube central, de volume 2.215 litres, contient le charbon actif. Ce gnrateur est

chauff par une source de chaleur haute temprature et refroidi par leau du

rseau. Lexprimentation de ce prototype a montr que la quantit de froid produite

lvaporateur se fait bien entre 0C et -10C. Mimet a montr aussi quune masse

de 3kg de charbon actif peut fabriquer 1 kg de glace quand la temprature de

rgnration est de 100C.

40


50/137

Rcemment, Wang a conu et fabriqu une machine glace avec caloduc [49]pour

les bateaux de pche. Lutilisation du caloduc (enceinte cylindrique ferme

possdant une haute conductivit thermique grce lutilisation des phnomnes

dvaporation et de condensation du fluide interne) a permis dune part de mettre en

jeu des puissances trs leves pour chauffer le capteur et dautre part de rsoudre

le problme de corrosion entre leau de mer et lacier de ladsorbeur contenant

lammoniac. Pour une amlioration des performances dadsorption, un compos de

charbon actif et de chlorure de calcium a t utilis. De plus lutilisation de deux lits

dadsorption avec rcupration de chaleur a permis datteindre des tempratures

dvaporation plus basses, au dessous de -42C, et un COP thermique de lordre de

0.41.

41


51/137

CHAPITREIII: DESCRIPTION DE LINSTALLATION

EXPERIMENTALE

La machine frigorifique solaire adsorption que nous avons fabrique entirement et

exprimente au laboratoire dnergie solaire de la Facult des Sciences de Rabat,

depuis lan 2000, utilise les performances du couple charbon actif- mthanol. Le

choix du couple et le dimensionnement de la machine reposent sur les travaux

effectus au laboratoire dnergie solaire de la Facult des Sciences de Rabat[23]

[24] [50] [51] [52].

Le type de charbon actif utilis dans ce travail est le AC35, bas sur les travaux de

simulation raliss antrieurement dans notre laboratoire sur le site de Rabat [50].

Le dimensionnement du capteur repose sur une tude comparative, ralise

Orsay, sur deux capteurs solaires plans de 1 m2 de surface de captation o les

paisseurs de la couche de charbon actif AC35taient respectivement de 5 cm et de

6 cm. Cette tude a montr que lpaisseur 5 cm correspondant 19 kg de AC35

donne les meilleures performances dans le climat de Paris [53].

Comme les conditions mtorologiques de Rabat sont assez diffrentes de celles de

Paris, Lemmini [17] a test, par simulation en utilisant les donnes mtorologiques

relles (Ensoleillement, Temprature ambiante) du site de Rabat, cinq paisseurs

correspondant 13, 15, 19, 23 et 27 kg de AC35par m2de capteur. La comparaison

des performances, effectue sur la priode dt et dhiver, a montr que le froid

produit moyen nest pas trs sensible la masse dadsorbant (figure III. 1).

Cependant, les meilleurs rsultats sont obtenus pour une masse dadsorbant de 19kg par m2 de capteur, correspondant la valeur observe exprimentalement

Orsay.

42


52/137

2050

2100

1850

1800

1900

13

2000

15 19 23

1950

27

FROIDPRODUITMOYEN(KJ/m2)

Figure III.1 : Influence de la masse dadsorbant sur le froid produit[17]

MASSE DE CHARBON ACTIF en kg/m2

III.1 Composants de la machine frigorifique solaire adsorption

Les lments essentiels de lunit sont le capteur plan, le condenseur et

lvaporateur.

Lunit a t entirement fabrique au laboratoire dnergie solaire de la Facult des

Sciences de Rabat.

III.1. 1. Le capteur plan

Le capteur plan, fabriqu partir de plaques en cuivre dpaisseur 1,2 mm est

reprsent sur la figure III.2.

Cest un paralllpipde de ct 85 cm (dont le choix de la dimension sera

expliqu au paragraphe III.2.1).

Lpaisseur du capteur est constitue :

43


53/137

- dun espace de 5 cm rempli de 14.5 kg de charbon actif AC35, sous forme de

grain cylindrique. 13 ailettes en cuivre assurent le transfert de chaleur entre la face

avant et lintrieur du capteur (figure III.3)

44


54/137

Figure III. 3: Photo du capteur avec ailettes

- Dun espace vide de 1 cm, amnag entre le lit de charbon actif et la plaque

arrire du capteur laide dune grille en inox (figure III.4 a).

Grille en inox

Cet espace permet une bonne rpartition de la vapeur de mthanol, pour quelle

puisse transiter vers le condenseur sans rsistance. Pour la tenue mcanique de

la grille, 24 entretoises en cuivre sont places sur la plaque arrire du capteur

a)

1cm

Orifice

b)

Fi sgure III.4 : Schmas descriptifs du capteur plan (a) et Photo du capteur avec leentretoises (b)

45


55/137

(figure III.4 b). Elles sont conues de telle faon laisser transiter librement le

gaz.

La face avant du capteur de surface de 0,73 m2(figure III.2), destine recevoir le

rayonnement solaire, a t pralablement traite par une peinture noire

permettant une bonne absorption du rayonnement solaire dans le spectre visible

et une faible mission dans le spectre du proche infrarouge.

Pour favoriser le chauffage du capteur le jour, celui-ci est plac dans un botier

carr couvert dune plaque en verre afin de produire leffet de serre (figure

III.5).

Pour rduire les pertes calorifiques au niveau du capteur, le jour, des volets

disolation contenant de laine de verre sont utiliss pour isoler la face arrire et les

cts du capteur plan.

46


56/137

Lisolation de la plaque arrire est conue de faon tre enleve le soir lors du

refroidissement du capteur.

III.1.2. Le condenseur air

Le condenseur air, que nous avons ralis (figures III.6 (a) et (b)) est constitu

de 4 tubes en cuivre de longueur 5,2 m, dpaisseur de 1mm et de diamtre

intrieur 26 mm. Il contient 380 ailettes espaces de 10 mm. Chaque ailette en

cuivre a une forme carre de 100 mm de ct et dpaisseur 0,5 mm. La surface

dchange du condenseur est de 7,5 m2. Son volume est gal 2,8 l.

Le condenseur est positionn dans linstallation frigorifique solaire de manire que

le condensat scoule, par lun des orifices, facilement sous leffet de la gravit,vers lvaporateur (figureIII. 6 (b)).

ailettes

Figure III. 6 (a) : Schma du condenseur air

47


57/137

Figure III. 6 (b) : Photo du condenseur

III. 1. 3 Lvaporateur et la chambre froide

Lvaporateur (figure III. 7)est constitu de tubes en cuivre dpaisseur 1mm et

de diamtre intrieur 38 mm permettant davoir une surface dchange de 0,61

m2. Il a t dimensionn en tenant compte de la quantit de mthanol cycle, de

la surface dchange avec lair ambiant de la chambre froide et de lespace vide

qui devrait tre laiss lintrieur de lvaporateur pour faciliter lvaporation et la

circulation de la vapeur du mthanol. La quantit de mthanol introduite

initialement dans lvaporateur est de 3 litres.

35 cm

27.4cm

44 cm

21

48


58/137

La chambre froide reprsente sur les figures III. 8 (a) et (b), a un volume de 113

litres. Elle contient lvaporateur qui permet son refroidissement pendant la phase

de production de froid.

Pour minimiser le transfert de chaleur entre lambiance et la chambre froide, nous

avons isol cette dernire avec 10 cm de laine de verre.

(a)

Photo de la chambre froide

45 cm

56cm

(b)

FigureIII. 8 : La chambre froide

49


59/137

III.2 Fabrication et soudure des diffrents lments de

linstallation

Au cours de la fabrication des diffrents lments de la machine notamment lecapteur, lment moteur de la machine, un soin particulier a t observe pendant la

soudure, car le rfrigrateur fonctionne des pressions trs infrieures la pression

atmosphrique. Pour la soudure du cuivre, elle a t ralise avec de largent dont la

fluidit permet une bonne infiltration entre les surfaces en cuivre. Le choix du cuivre

pour la fabrication du capteur, du condenseur et de lvaporateur est d non

seulement au fait quil soit bon conducteur de la chaleur, mais aussi pour des raisons

techniques lies aux contraintes dune soudure tanche.

III.2.1 Exprience avec un capteur plan de 1 m2

Le premier capteur plan ralis avait une surface de 1 m2 et t constitu de 6

plaques spares ncessitant les soudures sur 12 arrtes. Aprs soudure, les

tests dtanchit du capteur avaient rvl des micro fuites, impossible dceler

lendroit exacte car ceci ncessitait un dtecteur de micro fuites hlium dont

loctroie tait au dessus des moyens financiers du laboratoire.Aussi nous avons opt pour la fabrication dun deuxime capteur, essayant de

minimiser les cts souder afin de rduire les risques de fuites.

Pour ce faire, une seule plaque est utilise pour former la face arrire et les cts

latraux constituant lpaisseur de 6 cm du capteur. La figure III. 9 montre

comment la plaque arrire du capteur est plie sur les bords pour former

lpaisseur du capteur. Cette faon de procder a permis de rduire le nombre de

ct souder 8 au lieu de 12.

Cependant comme les plaques en cuivre, qui sont disponibles dans le commerce,

ont les dimensions 1m x 2m, le paralllpipde obtenu a un ct de 85 cm au lieu

de 1m ce qui rduit la surface de captation solaire 0.73 m2 au lieu de 1 m2.

50


60/137

FigureIII.9 : Schma de la plaque arrire et les cts latraux du capteur

III.3 Prparation prliminaire et dgazage de linstallation

Comme nous lavons dj signal au chapitre II, la machine frigorifique solaire

adsorption fonctionne des pressions infrieures la pression atmosphrique,

ltanchit de ces units est primordiale pour le bon fonctionnement du couple

adsorbant rfrigrant.

Ainsi avant de procder la mise en fonctionnement de la machine frigorifique

solaire adsorption, des tapes prliminaires et principales sont trs utiles pour

son bon fonctionnement.

La premire tape consiste vrifier ltanchit de chaque lment (capteur,

condenseur, vaporateur). Ces lments sont ensuite connects entre eux pour

former la machine. Ltanchit du rfrigrateur est vrifie avant lintroduction du

mthanol. Enfin, on introduit le mthanol et on procde au pompage de lunit qui

doit fonctionner sous vide.

III. 3. 1 Vrification de ltanchitde chaque lment de linstallation

Chaque lment, bien nettoy, est soumis un pompage pouss de longue dure

(Figure III. 10) jusqu la pression limite de la pompe (voir annexe A1).

51


61/137

Figure III.10 : Test de ltanchit du condenseur au laboratoire

Le capteur de pression (voir annexe A1) reli llment tester et au systme

dacquisition permet de suivre lvolution de la pression en fonction du temps.

Ltanchit est parfaite si la pression reste faible (en variant lgrement avec la

temprature ambiante) pendant une dure de plusieurs jours (3 4 jours).

III. 3. 2 Vrification de ltanchit de linstallation sans mthanol

Lorsque ltanchit de chaque lment a t vrifie, la machine a t monte,

sur le toit du laboratoire, en utilisant des vannes et des tuyaux flexibles pour

connecter les lments entre eux (annexe A1, figure A1.1). Pour les besoins de

lexprimentation, un capteur de pression et des thermocouples sont installs

(annexe A1).

Un pompage pouss a permis de faire baisser la pression et dvacuer lair

introduit dans lunit. Le dtail du processus du pompage et du dgazage du

prototype de rfrigration est dcrit en annexe A2.

52


62/137

III. 3. 3Dgazage de la machine frigorifique solaire adsorption contenant le

mthanol

Une fois lunit est parfaitement tanche on procde, lintroduction du mthanol

dans lvaporateur. Un autre pompage est donc ncessaire pour vacuer cet air.

Cependant comme le mthanol est toxique et trs volatile, un soin particulier doit

tre observ pendant lopration de pompage qui ncessite lutilisation dun pige

froid pour piger les vapeurs de mthanol qui risquent dtre libres lors du

dgazage du prototype. Le dtail du processus de pompage avec un pige froid

est dcrit en annexe A2.

Lorsque ltanchit de lunit contenant le couple AC35 mthanol a t vrifie,

on procde lexprimentation de la machine qui est place sur le toit du

laboratoire dEnergie Solaire de la Facult des Sciences de Rabat. La

figure III.11 donne la photo de linstallation frigorifique solaire.

FigureIII.11 Photo de la machine frigorifique solaire adsorption fabrique auLaboratoire dEnergie Solaire

53


63/137

Les performances du rfrigrateur sont calcules partir de la connaissance de

lvolution des tempratures du capteur, du condenseur, de lvaporateur et de la

chambre froide, ainsi que celle des pressions du rfrigrant dans le capteur, le

condenseur et lvaporateur.

Les instruments de mesures utiliss (voir annexe A1), dots dune sortie analogique,

sont branchs sur une centrale dacquisition permettant la lecture et lenregistrement

des mesures (la figure III. 12). Lacquisition des donnes est faite partir de trois

cartes de conversion analogique - numrique de 20 canaux chacune, installes sur

une unit dacquisition Hewlet Packard 3497 A.

Le programme dacquisition, denregistrement et de traitement des donnes

journalires, est excut en Turbo Pascal sur un micro-ordinateur li lunit

dacquisition Hewlet Packard 3497 A. Le pas de temps utilis pour stocker les

mesures exprimentales est de 6 minutes.

Terrasse

1 : capteur de mesure de pression.

2 : condenseur air.

3 : pige froid.

4 : pompe vide.

: vannes disolement Edwards.

: vannes disolement.

: tubes flexibles.

capteur

Chambrefroide

3

4

2

1

ordinateur

Chane

dacquisition

Figure III.12 : Schma gnral de linstallation

54


64/137

CHAPITRE IV: EXPERIMENTATION DU REFRIGERATEUR SOLAIREA ADSORPTION

Dans ce chapitre, Nous prsentons le mode opratoire et les rsultats

exprimentaux de la machine frigorifique solaire adsorption utilisant le couplecharbon actif- mthanol.

IV.1 Interventions manuelles quotidiennes appliques au rfrigrateur

Le rfrigrateur effectue un cycle de 24 heures. Des interventions manuelles

quotidiennes sont ncessaires le matin et le soir pour mettre (ou enlever) lisolation

arrire du capteur et pour fermer (ou ouvrir) la vanne entre le capteur et le

condenseur ou la vanne entre le capteur et lvaporateur.

Le jour: (figure IV. 1)

Dbut de journe: A 8h30, on ferme la vanne capteur vaporateur . Les

autres vannes ( et ) tant fermes et on isole la face arrire du capteur.

231

Le rayonnement solaire chauffe le capteur en faisant augmenter progressivement

sa temprature ce qui entrane une lvation de la pression de vapeur du rfrigrant

dans le capteur.

3

Volet

disolation

2

1

Figure IV. 1 : Intervention au dbut de journe.

55


65/137

Milieu de matine: Lorsque la pression dans le capteur atteint la valeur de la

pression de vapeur saturante du mthanol correspondant la temprature du

condenseur on ouvre la vanne (figure IV. 2). La dsorption commence et les

vapeurs de mthanol vont se condenser dans le condenseur.

1

Lnergie solaire reue par le capteur sert augmenter sa temprature et la

dsorption du rfrigrant contenu dans le charbon actif.

2

3

1

Figure IV.2 : Intervention au milieu de matine.

Fin daprs midi : Lorsque lnergie solaire commence diminuer, on ferme la

vanne et on enlve lisolation arrire du capteur (figure IV.3). La temprature du

capteur dcrot entranant une baisse de pression dans le capteur. A 18h on ouvre

la vanne pour permettre au mthanol, sous forme liquide, de passer dans

lvaporateur. Cette vanne est ferme ensuite pour isoler lvaporateur du

condenseur et on ouvre la vanne .

1

3

2

56


66/137

Nuit :Le capteur se refroidit (sa pression diminue) par convection naturelle avec

lair ambiant (figure IV. 4). Plus la temprature ambiante est faible, plus le

refroidissement est meilleur. La vitesse du vent favorise aussi le refroidissement du

capteur.

Le charbon actif en se refroidissant adsorbe le rfrigrant qui svapore en

produisant du froid dans lvaporateur ce qui refroidit la chambre froide.

Figure IV. 3 : Intervention la fin daprs midi.

3

1

2

Figure IV.4 : Etat de linstallation la nuit.

3

21

57


67/137

IV.2 Influence des volets disolation

Pour voir limpact des volets disolation sur les performances de la machine, nous

avons choisi deux journes typiques, le 29 et le 30 Aot 2003, de mme

conditions climatiques (mme ensoleillement et mme temprature ambiante)

(figure IV. 5 (a)). Pour la journe du 29 Aot la partie arrire du capteur nest pas

dote de volet disolation.

La figure IV. 5 (b) montre que pour la journe du 29 Aot le gradient de

temprature entre la face avant et la face arrire du capteur est suprieur 30C,

et que la face arrire atteint difficilement 50C. Par contre, lorsque la face arrire

du capteur est quipe de volets disolation (journe 30 Aot 2003) le gradient de

temprature entre la face avant et la face arrire est plus faible et la temprature

de la face arrire dpasse 65C. Ainsi la prsence des volets disolation, favorise

le chauffage du capteur le jour et donc la dsorption. Cependant, durant la phase

dadsorption o le capteur doit tre bien refroidit, les volets disolation doivent tre

retirs.

IV.3 Influence de la prsence dair dans linstallation

La prsence dair, lment isolant, affecte le transfert thermique dans le capteur

et les performances du cycle de fonctionnement. Cet effet est illustr par les

rsultats des premiers jours de fonctionnement de la machine frigorifique

(figure IV.6). On remarque (figure IV.6b) que lunit produit du froid seulement le

28 et le 30 Septembre o les tempratures des faces arrire et avant atteignent

respectivement des tempratures suprieures 70C et 80C. Daprs les

rsultats publis par Meunier et al [54] [55], les tempratures seuil du charbonactif pour la dsorption sont plus faibles, ce qui nous a conduit supposer quil y a

une prsence dair dans lunit. De plus, la production du froid lvaporateur est

trs faible mme si le rayonnement solaire reu par le capteur est important

(figure IV. 6a). Un pompage dair, plus pouss, a permis damliorer les

performances comme nous allons le montrer ci-aprs.

58


68/137

(a)

Temps(h)

0

200

400

600

800

1000

1200

4 12 20 4 12 20 4

Solarirradiation(w/m

2)

20

24

28

32

36

40

Tem

erature(C)

Temprature(C

)

E(W/m2)

Tam

I (w/m2)

Ta

Irradiance(w/m

2)

( b)

4 12 20 4 12 20 4

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Temps(h)

Tav

Tar

TavTar

Temperature(C)

Temprature(C)

29Aot 2003 30 Aot 2003

Figure IV.5 : Evolution le 29 et le 30 Aot de :

Le premier jour le capteur nest pas dot de volets disolation, le deuxime

(a) lirradiance reue par le capteur et la temprature ambiante moyenne.

(b) la temprature de la face avant et de la face arrire du capteurjour l

e

capteur est muni de volets disolation.

59


69/137

60

1200

1000

800

600

400

200

00 12 0 12 0 12 0 12 0 12 0 12

20

I (w/m2)

Ta

28(a)

26

Temprature(C)

Irradiance(w/m2)

24

22

100

90

80

70

60

50

40

30

20

10

0

(b)

0 12 0 12 0 12 0 12 0 12 0 12

30/09/03 1/10/0329/09/0328/09/0326/09/03 27/09/03

Temps(h)

TavTarTe

Temprature(C)

Figure IV. 6 : Evolution, du 26 Septembre au 1erOctobre de : (a) la temprature

ambiante et lirradiance reue par le capteur. (b) la temprature de

la face avant, et arrire, du capteur et de lvaporateur.


70/137

IV. 4 Rsultats exprimentaux

Parmi les rsultats exprimentaux obtenus nous allons prsenter deux squences

de fonctionnement. La premire stend du 13 au 26 Mars 2004 [56] [57], la

seconde est obtenue pour la priode du 2 au 15 Avril 2004 [58] [59].

Le tableau IV. 1 donne les caractristiques climatiques de chaque jour pour les

deux squences.

IV. 4. 1 Fonctionnement typique

Pour illustrer le fonctionnement du rfrigrateur dans le climat de Rabat, nous

avons choisi quatre jours de la squence dAvril de conditions climatiques

diffrentes (voir tableau IV. 1):

un jour clair et bien ensoleill (11 Avril 2004) ;

un jour clair le matin avec quelques passages nuageux laprs midi

(4 Avril 2004) ;

un jour densoleillement moyen (5 Avril 2004) ;

un jour de mauvaises conditions climatiques avec des claircies

(8 Avril 2004).

Les figures IV. 7, IV. 8, IV. 9etIV. 10,donnent, pour ces jours, lvolution :

-(a)de lirradiation solaire ;

-(b)des tempratures du condenseur et de lambiance ;

-(c)de la pression dans linstallation ;

-(d)des tempratures de la chambre froide et de lvaporateur.

On remarque que lunit produit toujours du froid mme pour la journe de

mauvais ensoleillement.

61


71/137

jour

E(kJ/m2)

Eu(kJ/m2)

Ta(C)

Taj(C)

Tan(C)

Vj(m/s)

Vn(m/s)

13/03 15312 11350 13.6 13.8 13.4 2.9 1.3

14/03 17479 8843 13.5 14.5 12.5 1.4 0.4

15/03 21671 15226 14.3 15.4 13.2 1.6 1.1 Passages

16/03 25513 18933 15.6 16.6 14.5 2.1 0.5

17/03 25576 17230 16.1 17.2 15.0 2.0 0.3

18/03 22944 1726616.2

17.1 15.3 1.7 1.4 Passages

19/03 23417 16578 16.5 16.9 16.1 2.3 1.0

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