Development of a new concept of compact and low-cost absorption chillers : application in solar cooling for hot climates

Développement d’un nouveau concept de refroidisseurs à absorption compact et à bas coût : application au cas du rafraichissement solaire pour des climats chauds

• Auteur / Autrice : Amín Altamirano Cundapi
• Direction : Benoît Stutz, Nolwenn Le Pierrès
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Energétique et Génie des Procédés
• Date : Soutenance le 14/01/2021
• Etablissement(s) : Chambéry
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale sciences et ingénierie des systèmes, de l'environnement et des organisations (Chambéry ; 2007-2021)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'optimisation de la conception et ingénierie de l'environnement (Le-Bourget-du-Lac, Savoie)
• Jury : Président / Présidente : Alberto Coronas
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Florine Giraud
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Frédéric Lefèvre, Wilfrido Rivera Gomez Franco

Mots clés

Mots clés contrôlés

Climatisation -- Appareils et matériel

Mots clés libres

Rafraichisseur à absorption

Climatisation solaire

Fluide de travail

Technologie d’échangeur

Film ruisselant

Échangeur adiabatique

Absorption chiller

Solar air conditioning

Working fluid

Exchanger technology

Falling film

Adiabatic exchanger

Résumé

La consommation énergétique mondiale augmente à vitesse alarmante. Dans le secteur du bâtiment, la consommation énergétique pour la climatisation a plus que triplé depuis 1990 et elle devrait encore tripler d'ici 2050, environ 70 % de cette augmentation provenant du secteur résidentiel. Aujourd'hui, ces besoins sont presque entièrement couverts par les systèmes à compression de vapeur. Cette dépendance à l'égard de l'électricité engendre déjà des problèmes de saturation des réseaux de distribution. Dans ce contexte, le cas du Mexique est particulièrement délicat car il est le deuxième pays au monde avec la plus grande proportion d'électricité utilisée pour le refroidissement des locaux (14%) et il dépend énergétiquement et économiquement des combustibles fossiles.Les refroidisseurs à absorption sont une alternative car ils utilisent des réfrigérants naturels et peuvent fonctionner avec des sources de chaleur non polluantes telles que l'énergie solaire et la chaleur résiduelle. Cependant, ces systèmes restent, jusqu'à présent, coûteux et encombrants. De ce fait, ils représentent un très petit marché de niche (1% des besoins totaux de refroidissement dans le secteur du bâtiment). Cette thèse décrit le développement d'une nouvelle génération de refroidisseurs à absorption basés sur une nouvelle technologie de sorption adiabatique. La technologie proposée a été étudiée pour des applications résidentielles avec une source solaire thermique dans des pays à forte irradiation solaire, comme le Mexique.Le Chapitre I fournit un état de l'art sur les fluides de travail étudiés et les technologies d'échangeurs pour les refroidisseurs à absorption. Puisqu'aucun paramètre normalisé pour la caractérisation des échangeurs à sorption n'a été trouvé dans la littérature, le Chapitre II présente les concepts d'efficacité thermique et massique généralisés pour les échangeurs à sorption non-adiabatiques (l'efficacité massique des échangeurs à sorption adiabatiques étant intrinsèquement incluse dans cette définition). La mise en œuvre de ces efficacités pour caractériser les échangeurs de sorption des refroidisseurs à absorption est montrée au travers d'applications avec le fluide de travail NH3-LiNO3. En outre, étant donné l'importance de la caractérisation des refroidisseurs à absorption, d'autres méthodes de modélisation de refroidisseurs à absorption avec différents niveaux de compréhension sont également présentées et discutées.L'étude d'un système de climatisation à absorption solaire-géothermique pour la ville de Monterrey (Mexique) a été abordée au Chapitre III. Dans une première partie, la comparaison des deux fluides de travail classiques (NH3-H2O et H2O-LiBr) et d'un fluide de travail innovant (NH3-LiNO3) a été réalisée à l'aide d'un modèle en régime stationnaire. En outre, le dimensionnement des composants du système et une brève étude de viabilité économique sont proposés. Dans la deuxième partie, un refroidisseur à absorption à simple étage avec une configuration bi-adiabatique innovante est présenté et étudié par le biais d'un modèle dynamique. Le modèle a d'abord été utilisé pour définir les conditions de fonctionnement nominales du refroidisseur à absorption et les performances minimales requises des composants. Par la suite, son utilisation pour refroidir une maison lors d'une journée ensoleillée typique dans les conditions climatiques de Monterrey est étudiée et analysée. Finalement, le dernier chapitre présente une nouvelle génération d'échangeur de sorption adiabatique à film ruisselant pour les refroidisseurs à absorption. La caractérisation de cet échangeur en désorption a été réalisée dans une large gamme de conditions de fonctionnement. Les résultats expérimentaux montrent des performances très élevées et valident le potentiel de la technologie de sorption adiabatique proposée. Par conséquent, sur la base de ces résultats, la construction d'un refroidisseur à absorption basé sur cette technologie semble très prometteuse.

Energy consumption worldwide is increasing at alarming rates, especially in developing countries. In the building sector alone (most energy demanding sector), the energy consumption for space cooling has more than tripled in 16 years (from 1990 to 2016), and it is expected to triple again by 2050, with around 70% of this increase coming from the residential sector. Nowadays, the need for cooling is almost totally covered by conventional vapor compression systems. This dependence on electricity is already generating problems of electricity distribution grid saturation in hot-climate countries, reaching over 70% of peak residential electrical demand during hot days in some regions of the world. In this context, the Mexican case is especially delicate since it is the second country in the world with the highest share of electricity used for space cooling (14%). Moreover, Mexico depends energetically and economically on fossil fuels.Absorption chillers represent an alternative to vapor compression systems since they operate with natural refrigerants and can run on clean heat sources such as solar energy and waste heat. However, these systems are, until now, expensive and bulky. In spite of the efforts to address different aspects to reduce the manufacturing costs, size, and improve the efficiency of absorption chillers, they cover until now a very small niche market (1% of the total cooling needs in the building sector). The present PhD thesis shows the development of a new generation of absorption chillers based on a new adiabatic sorption technology. Specifically, the proposed technology was studied for small capacity residential applications with a solar thermal source in countries with high solar irradiation, such as Mexico.Chapter I provides a deep state of the art on the investigated working fluids and exchanger technologies for absorption chillers in small-capacity applications. Since no standard characterization parameter for the sorption exchangers was found in the literature, Chapter II presents the concepts of thermal and mass effectivenesses generalized for non-adiabatic sorption exchangers (the mass effectiveness of adiabatic sorption exchangers being intrinsically included in this definition). The implementation of these effectivenesses to characterize the sorption exchangers of absorption chillers is shown through examples at the component and at the system scales with the NH3-LiNO3 working fluid. Furthermore, given the importance of the characterization of absorption chillers, other absorption chiller modelling methods with different insight levels are also presented and discussed.The study of a solar-geothermal absorption air conditioning system in the Monterrey (Mexico) context was addressed in Chapter III. In the first part, the comparison of the two conventional working fluids (NH3-H2O and H2O-LiBr) and an innovative working fluid (NH3-LiNO3) was performed through a steady-state model. Moreover, the dimensioning of the components of the system and a short economic viability study are proposed. In the second part, a single-stage absorption chiller with an innovative bi-adiabatic configuration is presented and studied by means of a dynamic model. The model was first used to define the nominal operating conditions of the absorption chiller and the minimum performance requirements of the components. After this, its use to cool down a house on a typical sunny day in the Monterrey climate conditions is analyzed and discussed. Finally, the last chapter presents a new generation of adiabatic falling film sorption exchanger for absorption chillers. The characterization of this exchanger in desorption mode was performed for a wide range of operating conditions. The experimental results show very high performances and validate the potential of the proposed adiabatic sorption technology. Therefore, based on these results, the construction of an absorption chiller based on this technology seems very promising.