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Article

1 - PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT

2 - DIAGRAMMES THERMODYNAMIQUES DU MÉLANGE AMMONIAC-EAU

3 - CYCLE À 1 ÉTAGE

4 - CYCLE GAX

5 - CYCLES À DEUX ÉTAGES

6 - ANNEXE

7 - CONCLUSION

8 - GLOSSAIRE

Article de référence | Réf : BE9736 v2

Conclusion
Machines à absorption liquide - Systèmes ammoniac-eau. Théorie

Auteur(s) : Francis MEUNIER, Pierre NEVEU

Date de publication : 10 févr. 2022

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RÉSUMÉ

Les propriétés thermodynamiques du mélange binaire ammoniac-eau et les possibilités qu’il offre pour la réalisation de machines à absorption sont discutées en s’appuyant sur des diagrammes. Les différents cycles utilisés pour ces machines sont présentés et analysés à l’aide d’une feuille de calcul permettant de simuler leurs performances en fonction des conditions opératoires.

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ABSTRACT

Absorption chillers and heat pumps- Ammonia-water systems.Theory

The thermodynamic properties of the binary ammonia-water mixture and the possibilities it offers for the realization of absorption machines are discussed with the help of diagrams.The different cycles used for these machines are presented and analyzed with the help of a freeware allowing to simulate the performances of these cycles according to the operating conditions

Auteur(s)

  • Francis MEUNIER : Professeur émérite au conservatoire national des arts et métiers - Directeur honoraire de l’IFFI (Institut Français du Froid Industriel), Paris, France

  • Pierre NEVEU : Professeur des universités - Université de Perpignan Via Domitia, France

INTRODUCTION

Le mélange binaire ammoniac-eau (NH3-H2O) est destiné à des machines à absorption liquide qui sont des convertisseurs thermiques trithermes [BE 9 734] 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.

Ce mélange binaire se différencie du mélange eau-bromure de lithium H2O-LiBr [BE 9 735] notamment par le niveau de pression et par le fait que la vapeur est un mélange, ce qui a des conséquences importantes pour la conception des machines à absorption et la technologie utilisée. Comme dans le cas H2O-LiBr, le fluide frigorigène n’a aucun impact sur l’effet de serre ni sur la couche d’ozone.

Par rapport aux systèmes H2O-LiBr, les machines à un étage NH3-H2O permettent d’accéder à des températures d’évaporation bien au-dessous de 0 °C, ce qui les rend très attractives, que ce soit pour le froid industriel ou le fonctionnement en pompe à chaleur appliquée au chauffage de l’habitat. Par contre, elles conduisent à des coefficients de performance (COP) moins élevés.

Le cycle GAX (Generator, Absorber, heat eXchanger) profite de la forte amplitude de température de la solution pour effectuer une récupération de chaleur sur l’absorbeur en valorisant une partie de la chaleur latente d’absorption, ce qui permet d’augmenter le COP. Ce cycle fonctionne dans de bonnes conditions lorsque l’amplitude thermique entre la désorption et l’absorption est importante et que celle entre la condensation et l’évaporation n’est pas très élevée.

Les applications de ces différents cycles dans des machines à absorption liquide sont présentées dans l’article [BE 9 738] dédié à leur technologie.

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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KEYWORDS

chiller   |   heat pump   |   GAX cycle   |   rectification   |   industrial refrigeration

VERSIONS

Il existe d'autres versions de cet article :

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v2-be9736


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7. Conclusion

Le mélange binaire NH3 – H2O se différencie fortement du mélange binaire H2O-LiBr, ce qui permet de concevoir des cycles pour des applications différentes car il n’y a plus de limites vers les basses températures. Des unités de froid industriel sont ainsi accessibles. Par ailleurs, l’absence de cristallisation permet de fonctionner avec des écarts importants de température entre la condensation et l’évaporation, ce qui est précieux pour la climatisation.

Le fait que le fluide frigorigène, dans le cas NH3 – H2O, soit une solution aqueuse présente des conséquences importantes dont il faut tenir compte pour la conception des unités. D’une part l’évaporateur produit un mélange diphasique liquide-vapeur et d’autre part le désorbeur doit être doté d’un rectifieur.

La plage d’utilisation des cycles à 1 étage est très grande, puisque de tels cycles permettent des températures de production de froid jusqu’à – 50 °C, même avec des températures du circuit de refroidissement élevées (35 °C). Les COP varient de 0,6/0,7 pour une production frigorifique à 0 °C, à 0,3/0,4 pour des températures de – 40 °C. Pour des régimes présentant une différence de température modérée entre source froide et circuit de refroidissement, le cycle GAX permet un gain sur le COP non négligeable (de l’ordre de 20 %) mais réduit grandement la plage d’utilisation.

Les propriétés du mélange binaire ammoniac-eau permettent de concevoir d’une part des unités de froid industriel à partir de vapeur surchauffée, d’eau chaude, de gaz d’échappement ou autres modes de chauffage permettant d’obtenir une température supérieure à 130 °C suivant les conditions d’utilisation et d’autre part des pompes à chaleur à partir du gaz naturel (ou du GPL), et en rejetant, dans les deux cas, de la chaleur à la température ambiante.

La conception ainsi que les performances réelles de telles unités sont décrites dans l’article [BE 9 738]...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - ALEFELD (G.), RADERMACHER (R.) -   Heat conversion systems.  -  Crc Press, ISBN 978-0849389283 (1993).

  • (2) - HEROLD KEITH (E.), RADERMACHER KEITH (E.), KLEIN SANFORD (A.) -   Absorption chillers and heat pumps.  -  Second Edition, CRC Press, ISBN 978-1498714358 (2016).

  • (3) - ZIEGLER (B.), TREPP (C.) -   Equation of state for ammoniac-water mixtures.  -  International Journal of Refrigeration 7, n° 2, 101 6., mars 1984   https://doi.org/10.1016/0140-7007(84)90022-7

  • (4) - IPU -   Coolpack.  -  https://www.ipu.dk/products/coolpack/

  • (5) - QUAIST -   Review on testing procedures and quality standards for thermally driven chillers.  -  Task Report 5.3.3, QAIST project (2012) http://www.qaist.org/

  • (6) -   Performances techniques des pompes à...

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1.1 Constructeurs – Fournisseurs – Distributeurs (liste non exhaustive)

ago AG Énergie + Anlagen, Am Goldenen Feld 23, D-95326 Kulmbach [email protected], https://www.ago-energie.de/

Bassols & Lebrequer GmbH, Karmeliterstraße 9, 52064 Aachen, Germany [email protected], https://bl-thermo.com/

Colibri B.V, Tentstraat 5a, 6291 BC Vaals, The Netherlands [email protected], https://colibris.home.xs4all.nl/

France Air (distributeur Robur), Rue des Barronières – Beynost, 01708 Miribel cedex, France [email protected], https://www.france-air.com/

Pink GmbH, Bahnhofstrasse 22, 8665 Langenwang, Österreich [email protected], https://www.pink.co.at

ROBUR S.p.A, Via Parigi 4/6, 24040 Verdellino/Zingonia (Bergamo), Italia [email protected], https://www.robur.com/

SolarNext AG, Chiemgaustr. 2, D-83233 Bernau am Chiemsee, Germany [email protected], https://solarnext.de

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