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RÉSUMÉ
Le comportement des mélanges diffère profondément de celui des corps purs, du fait que la pression et la température ne restent pas constantes lors des changements d'état. Dans cet article, nous expliquons ce phénomène dans une première partie, avant de fournir des exemples de diagrammes de mélanges et d'y représenter trois types de cycles. La troisième partie traite quant à elle des mélanges utilisés dans les cycles à absorption.
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Lire l’articleAuteur(s)
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Renaud GICQUEL : Professeur à l’École des mines de Paris - Directeur du Centre d’énergétique
INTRODUCTION
Cet article et le suivant Diagrammes thermodynamiques- Mélanges humides et combustion font suite aux articles Diagrammes thermodynamiques- Généralités et Diagrammes thermodynamiques- Fluides purs, azéotropes et gaz idéaux dans lesquels ont été présentés les diagrammes relatifs aux corps purs et aux mélanges azéotropiques. Ils traitent des diagrammes utilisés pour représenter les propriétés des mélanges de fluides thermodynamiques les plus employés dans les divers domaines d’application du génie énergétique, à l’exception de la cryogénie, qui ne sera pas abordée ici. Dans la totalité des cas, sauf pour la partie relative à la combustion (dans Diagrammes thermodynamiques- Mélanges humides et combustion), les mélanges considérés dans ces articles sont non réactifs.
L’article BE 8 042 est composé de deux parties correspondant à des domaines d’application distincts :
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l’étude des diagrammes des fluides frigorigènes dits à glissement de température, extension, pour des mélanges de vapeurs de composition fixée, des diagrammes présentés dans le paragraphe 1 de l’article [BE 8 041] ;
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la présentation des diagrammes utilisés pour analyser les cycles de réfrigération à absorption, mélanges de composition variable d’un sorbant et d’un réfrigérant (en pratique eau-ammoniac ou bromure de lithium-eau).
Enfin, précisons que cet article et le suivant font, avec l’autorisation des Presses de l’École des mines de Paris, de très larges emprunts aux ouvrages de l’auteur intitulés « Systèmes Énergétiques ». Les notations sont celles de ces livres, à quelques variantes près effectuées par souci d’homogénéité avec d’autres articles des Techniques de l’Ingénieur.
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MOTS-CLÉS
Diagrammes Fluides thermodynamiques Réfrigération Cycles organiques de Rankine Conversion de l'énergie Machines thermiques
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- Version courante de oct. 2015 par Renaud GICQUEL
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3. Diagrammes utilisés pour les cycles de réfrigération à absorption
Le principal intérêt des cycles de réfrigération à absorption liquide est qu’ils ne requièrent qu’une faible puissance mécanique comparativement à leurs homologues à compression de vapeur (moins de 1 %). Utilisant un cycle thermodynamique tritherme, ils permettent d’utiliser directement de la chaleur à moyenne ou haute température pour produire du froid, sans nécessiter ou presque d’apport d’énergie mécanique. À ce titre, ils ont théoriquement des rendements globaux en terme d’énergie primaire supérieurs aux cycles à compression de vapeur.
De surcroît, ils mettent en jeu des fluides dont l’impact sur la couche d’ozone et sur l’effet de serre est nul : ODP = GWP = 0. En revanche, ils nécessitent un apport de chaleur à température moyenne ou élevée, de telle sorte que leur impact indirect n’est pas nécessairement nul : tout dépend de la source d’énergie utilisée.
Un autre avantage des cycles à absorption liquide est qu’ils peuvent être utilisés dans des installations énergétiques intégrées produisant à la fois de la puissance mécanique, de la chaleur à moyenne température et du froid. On parle alors de trigénération, et les rendements totaux obtenus sont extrêmement élevés.
Les cycles à absorption liquide mettent en jeu au moins deux fluides : un solvant et un soluté (le réfrigérant). Bien que d’autres couples soient étudiés, les seuls qui soient utilisés en pratique pour la quasi-totalité des applications sont les deux couples LiBr-H2O et NH3-H2O . Parmi les conditions requises pour que le couple pressenti soit approprié, il faut d’une part que le solvant ait une grande affinité vis-à-vis du soluté, et d’autre part que ce dernier soit beaucoup plus volatil que le solvant, afin que la séparation des deux constituants soit la meilleure possible.
Les courbes de la figure 14 visualisent, pour le couple eau-ammoniac, la relation existant entre la fraction massique de liquide et celle de la vapeur d’ammoniac, pour différentes pressions (1, 2, 5, 10 et 20 bar). Elle montre clairement que, dès lors que la fraction massique liquide du soluté x dépasse 0,4, la teneur en ammoniac de la vapeur y dépasse 0,95. Pour le mélange bromure de lithium-eau, la séparation est encore plus nette, au point que l’on peut...
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - REID (R.C.), PRAUSNITZ (J.M.), POLING (B.E.) - The properties of gases and liquids, - 4th Edition, McGraw-Hill (1987).
-
(2) - CLAUDEL (B.) - Propriétés thermodynamiques des fluides. - Propriétés thermodynamiques des fluides, Techniques de l’Ingénieur, traité Génie énergétique (1996).
-
(3) - DUMINIL (M.) - Machines thermofrigorifiques. - , , , Doc. B 9 733, , et , Techniques de l’Ingénieur, traité Génie énergétique (1996).
-
(4) - ASHRAE - Fundamentals Handbook (SI) Thermophysical properties of refrigerants - (2001).
-
(5) - ZIEGLER (B.), TREPP (Ch.) - Equation of state for ammonia-water mixtures, - Revue Internationale du Froid, Vol. 7, No 2, Butterworth, mars 1984.
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(6) - GICQUEL (R.) - Systèmes énergétiques, - ...
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