Analyse thermodynamique des absorbeurs à film tombant pour l'amélioration de l'efficacité des machines à absorption

Thermodynamic analysis of falling film absorbers to improve the absorption machines efficiency

• Auteur / Autrice : Arnat Mahamoudou
• Direction : Nolwenn Le Pierrès, Julien Ramousse
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Energétique et Génie des Procédés
• Date : Soutenance le 05/10/2022
• Etablissement(s) : Chambéry
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale sciences, ingénierie, environnement (Chambéry ; 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 : Lingai Luo
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Romuald Rullière, Pierre Neveu

Mots clés

Mots clés contrôlés

Processus irréversibles

Échangeurs de chaleur

Mots clés libres

Film tombant

Création d'entropie

Analyses locale et globale

Absorbeur

Evaporateur

Machines à absorption

Falling film

Entropy generation

Local and overall analysis

Absorber

Evaporator

Absorption machines

Résumé

L'augmentation de la demande d'énergie est principalement due à l'augmentation de la consommation d'énergie dans les secteurs du bâtiment et du tertiaire où 20% de la consommation d'énergie est consacrée à la climatisation en raison de l'augmentation de la température moyenne mondiale de 1°C. Or, l'utilisation des appareils de chauffage et de climatisation conventionnels a un impact considérable sur l'environnement car ils contribuent au réchauffement climatique. Agir dans le secteur du bâtiment en produisant du froid et de la chaleur bas carbone permettrait de réduire considérablement son impact environnemental.Ces dernières années, les systèmes à sorption ont suscité l'intérêt de la communauté scientifique en raison de leur bonne efficacité énergétique, haute densité énergétique, de leurs faibles pertes de chaleur et de leur utilisation potentielle pour le stockage de l'énergie solaire pendant les périodes saisonnières. Les systèmes à absorption, en particulier, semblent être une bonne alternative à la compression mécanique des systèmes de réfrigération standards pour différentes raisons. Le fonctionnement de ces machines thermodynamiques est basé sur la mise en oeuvre de différents échangeurs de chaleur et de masse (absorbeur, désorbeur, évaporateur et condenseur). L'objectif de ce projet de recherche est de caractériser en détail les phénomènes de transferts couplés de masse et de chaleur, non seulement à l'échelle locale mais aussi à l’échelle du composant, l’échangeur le plus critique et le moins connu des machines à absorption à savoir l'absorbeur. L'approche adoptée est basée sur l'analyse thermodynamique de ces échangeurs, selon les développements récents de la Thermodynamique des Processus Irréversibles (TIP), dans le but d'identifier les différentes sources d'irréversibilités responsables d'une dégradation des performances globales du système.Le chapitre I présente un état de l'art des modèles de transferts couplés de chaleur et de masse et des applications de la thermodynamique des processus irréversibles à l’absorbeur, afin de comprendre les principales hypothèses et les limites des différents modèles. Pour une meilleure compréhension des sources d’irréversibilités dans les échangeurs simples, le chapitre II est consacré à l'étude d'un évaporateur avant d’introduire les phénomènes plus complexes observés dans l’absorbeur. Les bilans thermiques du fluide caloporteur et du film sont résolus simultanément à travers un modèle 2D utilisant un schéma implicite de différences finies. Des analyses locale et globale ont été réalisées afin d'étudier l'impact de paramètres tels que les nombres de Reynolds du fluide caloporteur et du film mais aussi la température du film en entrée sur la création d'entropie (irréversibilités thermique et visqueuse) et sur les efficacités thermique et d'évaporation pour les configurations à co et contre-courant. Le chapitre III développe un modèle 2D d'absorbeur. Afin d'étudier le cas réel de l'absorbeur, le fluide caloporteur est supposé s'écouler à contre-courant et différents régimes d'écoulement du fluide caloporteur sont étudiés et comparés aux cas limites - parois adiabatique et isotherme. Une formulation locale de la création d'entropie est proposée pour identifier les différentes sources d'irréversibilités dans le but de les localiser et de les quantifier. Le chapitre IV permet une analyse globale du comportement des différentes sources de création d'entropie en considérant différentes conditions de fonctionnement. Le facteur d'équilibre est introduit pour étudier l'impact des débits du fluide caloporteur et du film sur le débit massique absorbé, le flux transféré et la création d'entropie. Une optimisation multi-objectifs est également réalisée. Deux approches d'optimisation ont été utilisées afin de déterminer le front de Pareto et de valider les solutions optimales.

The current increase of the energy demand is mainly due to the increase in energy consumption in the building-tertiary sector where 20% of the energy consumption is dedicated to air conditioning due to the increase of the average global temperature of 1°C. However, the use of conventional chiullers and heat pumps has a considerable impact on global warming. Acting in the building sector would therefore make it possible to considerably reduce its carbon impact and its consequences.Sorption systems have raised the interest of the scientific community in recent years due to their energy efficiency, high energy density, and potential use for solar heat during summer periods. Absorption systems, in particular, appear to be a good alternative to the mechanical compression refrigeration systems for different reasons such as their low electrical consumption. The operation of these thermodynamic machines is based on the implementation of various heat and mass exchangers (absorber, desorber, evaporator and condenser). The objective of this present research is to characterize in detail the phenomena of coupled mass and heat transfer at the local and component scales in the most critical exchangers: the evaporator and the absorber. The approach adopted is based on the thermodynamic analysis of these exchangers, according to the recent developments of the Thermodynamics of Irreversible Processes (TIP), with the aim of identifying the various local sources of irreversibilities, responsible for a degradation of the overall performance of the system.Chapter I provides a state of the art of the coupled heat and mass transfer models and applications of the thermodynamic of irreversible processes in the absorber, in order to understand the main assumptions and limits of the different models. For a deep understanding of entropy generation sources in simpler exchangers, Chapter II is devoted to the study of an evaporator before including the coupled heat and mass transfer encountered in absorbers in the next chapters. The heat transfer fluid and film energy balances are solved simultaneously through a 2D model using an implicit finite difference scheme. Local and overall analysis are performed in order to study the impact of parameters such as the heat transfer fluid and film Reynolds numbers and inlet film temperature on entropy generation (thermal and viscous irreversibilities) and on thermal and evaporation efficiencies for both co and counter-current configurations. The model is then, extended to the absorber. Thus, Chapter III investigates real absorber case by modelling coupled heat and mass transfers. The heat transfer fluid is assumed to flow in counter-current with the falling film and different heat transfer fluid flow regimes are studied and compared to the limit cases – adiabatic and isothermal walls. A local entropy generation formulation is set to identify the different sources of irreversibilities with the aim of locating and quantifying them. Chapter IV is divided in two parts. The first part allows an overall analysis of the different sources of entropy generation when considering different operating conditions. Further, an equilibrium factor is introduced to study the impact of the heat transfer fluid and film flow rates in the absorbed mass flow rate, transferred heat and entropy generation. The second part focuses on a multi-objective optimization. Two optimization approaches were used in order to determine the Pareto front and to validate the optimal solutions.