Étude expérimentale et simulée d'une installation de thermofrigopompe pour la production de froid et le dessalement

Experimental and simulation study of a heat pump for simultaneous cooling and desalination

• Auteur / Autrice : Ahmadou Tidiane Diaby
• Direction : Thierry Maré, Paul Byrne, Ousmane Sow
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Énergétique, Thermique, Combustion
• Date : Soutenance le 30/11/2017
• Etablissement(s) : Rennes 1 en cotutelle avec Université Cheikh Anta Diop (Dakar)
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences de l'ingénierie et des systèmes (Centrale Nantes)
• Partenaire(s) de recherche : ComuE : Université Bretagne Loire (2016-2019)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de génie civil et génie mécanique (LGCGM)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Eau salée -- Dessalement

Réfrigération et appareils frigorifiques

Mots clés libres

Thermofrigopompe

Couplage

Production de froid

Dessalement

Air gap membrane distillation

Prototype

Isobutane

R600a

R290

R1234yf

R744

Heat pump

Simultaneous

Cooling

Desalination

Coupling

Air gap membrane distillation

Isobutane

R600a

R290

R1234yf

R744

Résumé

Une thermofrigopompe (TFP) est une machine frigorifique qui produit du froid et de la chaleur utiles. L’objectif de ces travaux est de développer le concept de thermofrigopompe pour la production de froid et le dessalement. Le dessalement est réalisé en utilisant la chaleur rejetée au condenseur de la TFP. La technique de dessalement retenue après étude bibliographique est l’AGMD (air gap membrane distillation) pour ses températures de fonctionnement compatibles avec la température de condensation des machines frigorifiques classiques. Ce procédé de distillation a été caractérisé grâce à une installation pilote pour diverses conditions de températures, de débits, d’épaisseurs d’air gap et de compositions de solutions. Une étude de longue durée associée à une observation au MEB a permis évaluer le niveau colmatage des membranes. Un modèle numérique a ensuite été développé à partir des premiers résultats expérimentaux. Des simulations ont permis de dégager des tendances de comportement d’une machine couplée TFPMD. Enfin, un prototype a été construit à partir d’un petit réfrigérateur et d’une cellule d’AGMD fabriquée par impression 3D. Les mesures expérimentales ont permis de valider le concept de TFPMD et d’obtenir de premiers résultats de performance prometteurs. La valorisation de l’énergie thermique perdue par les équipements frigorifiques pour effectuer du dessalement semble donc une solution intéressante au manque d'eau douce qui peut survenir dans de nombreuses régions de la planète.

A heat pump or a refrigerating device produces simultaneously cooling and heating energies. The objective of this research is to develop the concept of heat pump for simultaneous cooling and desalination. Desalination is carried out by recovering the heat rejected by the condenser of the machine. The desalination technique, chosen thanks to the literature review, is AGMD (air gap membrane distillation) because of the compatibility of operating temperatures with the condensing temperature of standard heat pumps. AGMD was characterized using a pilot for different conditions of temperature, flow rate, air gap thickness and solution compositions. A long term study associated to scanning electron microscope images enabled to evaluate the fouling level of the membrane. A numerical model was then developed using the first experimental results. Simulations have revealed patterns of behaviour for a coupled heat pump and AGMD machine. Finally, a prototype was built with a small refrigerator and an AGMD cell manufactured by 3D printing. Experimental measurements were used to validate the concept of heat pump for simultaneous cooling and desalination and to obtain promising performance results. The valorization of the heat lost by refrigeration equipment for desalination seems therefore an interesting solution to overcome the lack of fresh water that can occur in many regions of the planet.