Procédé thermochimique de production de froid de forte puissance

Compression mécanique à détente de Joule-Thomson

   Ces systèmes nécessitent une source mécanique pour fonctionner (ou électrique via un moteur électrique). Longtemps inégalés en termes de performances, de coût et de rendement, les systèmes à compression mécanique de vapeur (CMV) représentent la majorité des systèmes de production de froid. Ils utilisent des gaz aux propriétés thermodynamiques optimisées pour la production de froid dans des gammes de températures données. Ces fluides, gazeux à température ambiante et à pression atmosphérique, ont pour la plupart des conséquences néfastes sur la couche d’ozone et/ou possèdent un fort potentiel de réchauffement par effet de serre [11]. Les systèmes CMV se basent sur un cycle thermodynamique comportant des changements d’état physique liquide/vapeur réalisés à des températures différentes par le biais d’un détendeur et d’un compresseur. Il s’agit d’une technologie mature où de constantes améliorations sont effectuées, notamment sur la phase de compression afin d’en réduire le coût énergétique. En effet, un gaz s’échauffe lorsqu’on le comprime, ce qui augmente le travail nécessaire à sa compression. L’une des solutions adoptée est d’échelonner judicieusement la phase de compression afin de trouver le meilleur compromis des ratios de compression. Après chaque compression partielle (ou chaque étage de compression), le fluide peut être à nouveau refroidi avec l’air ambiant et la compression sur l’étage suivant sera moins coûteuse. Dans la plupart des cas, une détente de Joule-Thomson (détente isenthalpique) assure la diminution de la pression et de la température du liquide à évaporer. La plupart des systèmes de réfrigération commerciaux pour des températures négatives a des COP supérieurs à l’unité lorsqu’il s’agit d’amplitudes de température modérées. Dans le domaine de la congélation pour des températures inférieures à -15°C, le COP est, souvent, inférieur à 2. Afin d’améliorer ces performances, on cherche à valoriser la chaleur produite lors d’une compression via une boucle secondaire de Rankine [12]. Cette boucle secondaire sera motrice et, accouplée au compresseur, allègera sa charge (cf. Figure I.1). Le gain en COP est plus élevé que si plusieurs compressions étagées et refroidies étaient effectuées. Ainsi, des COP supérieurs à 2 peuvent être obtenus avec des températures à l’évaporateur inférieures à -15°C.

Éjecteurs

   Le cycle à éjection a un fonctionnement analogue à celui de la compression mécanique, où le compresseur est remplacé par un éjecteur. Une source thermique chauffe et vaporise à haute pression, le fluide de travail d’une boucle primaire. Ce dernier entraine une boucle secondaire, faisant office de cycle frigorifique, par le biais de la dépression induite par effet Venturi dans l’éjecteur. La dépression engendrée permet ainsi l’évaporation du liquide dans la boucle secondaire. Les gaz de ces deux cycles étant mis en commun dans l’éjecteur sont condensés au niveau du condenseur. Ensuite, ils sont séparés à nouveau, dans une proportion adéquate, pour se diriger dans les évaporateurs de leurs boucles respectives. Pour atteindre des températures d’évaporation négatives (de l’ordre de -30°C/-40°C), il est nécessaire d’adopter un système en cascade pour éviter des différences de pression trop importantes, pouvant entrainer des problèmes au niveau de l’éjecteur [14]. Ces systèmes présentent un COP modeste, en dessous de 0,2 pour les applications de congélation visées. Ce type de système est plus adapté à une hybridation avec d’autres technologies pour améliorer le rendement global, puisqu’ils peuvent utiliser les rejets thermiques d’un autre système de réfrigération [15].

Compression hydraulique

   La compression hydraulique repose sur un principe développé par l’équipe TES du laboratoire PROMES où des cylindres remplis d’un liquide incompressible jouent le rôle de pistons. Dans ces cylindres, la détente et la compression de gaz à chaque extrémité du piston liquide entrainé par une pompe hydraulique sont réalisées de manière quasiment isentropique. Théoriquement, les pertes thermodynamiques sont donc plus faibles. Cette technologie toute récente est encore au stade de recherche [17], [18]. Le procédé fonctionne sur le principe d’une production pseudo-continue de froid en couplant deux cycles fonctionnant en opposition de phase, par un apport d’énergie thermique en continu. Il permet de mettre en œuvre différentes variantes de récupérations internes de travail via les phases gaz ou via le liquide de transfert. Le rendement théorique est élevé grâce à une transmission plus efficace entre le côté à haute pression et celui à basse pression. Un COP de 6 peut être envisagé d’après différents modèles développés pour une température d’évaporation de 2°C et une température de condensation de 45°C [18]. Concernant sa transportabilité, son incorporation dans un véhicule a été étudiée pour une application de climatisation. Cependant, aucune application n’a été réalisée dans le domaine de la réfrigération en dessous de 0°C. Ce système vise plutôt le domaine de l’habitat en tant que pompe à chaleur pour la climatisation [17], [19].

Réfrigération thermoacoustique

  La réfrigération thermoacoustique (TAR) exploite le passage d’une onde acoustique pour engendrer un gradient de température. Elle se base sur des compressions et détentes locales d’un gaz inerte, provoquées par le passage d’une onde acoustique stationnaire, à travers un « stack » (empilement de plaques à faible espace de passage) ou un milieu poreux, confinés dans un tube résonant. Le dimensionnement du tube, l’intensité et la fréquence de l’onde, doivent s’ajuster selon les différences de températures et les puissances visées. C’est aux extrémités du « stack » que s’effectue le « pompage » de chaleur. Son principe de fonctionnement, ramené le long d’une plaque, est décrit schématiquement en Figure I.5. Le passage d’une onde comprime localement le gaz à une extrémité de la plaque (1). Le gaz échauffé transmet sa chaleur sur cette extrémité de la plaque (2). Lors du retour de l’onde, le gaz est localement détendu (3) et refroidi ; il absorbe de la chaleur de l’autre extrémité de la plaque (4). Le régénérateur constitué d’un matériau poreux et isolant thermiquement, permet d’obtenir un gradient de température suffisant pour permettre des échanges thermiques. Typiquement, l’onde sonore est générée par un haut-parleur, alimenté électriquement, dans la gamme des basses fréquences (dans le registre des graves, <1kHz)  mais avec forte intensité acoustique. Les fluides employés pour cette technologie sont des gaz nobles pressurisés (Helium en général) et restent donc bénins pour l’environnement. L’usure des composants est limitée et les matériaux utilisés restent conventionnels. Utilisé en cryogénie, il est possible d’atteindre de très basses températures  (-65°C) [30]. Le COPfroid pour produire une température froide comprise entre -40°C et -30°C, depuis la température ambiante, est inférieur à 1 (de l’ordre de 0,8) [30]. L’onde acoustique peut aussi être générée par un moteur thermoacoustique, opérant avec une différence minimale de température de 300K entre la source et le puits de chaleur. La modélisation dynamique d’un prototype de réfrigérateur thermoacoustique solaire concentré pronostique un COP de 0,21 avec une température froide à environ -20°C et une puissance de froid de 400W [31]. Des études expérimentales révèlent un COP de 0,16 pour une puissance de réfrigération de 340W à une température de -20°C [32]. Une nouvelle voie s’est ouverte pour les générateurs d’ondes acoustiques avec un fonctionnement analogue au moteur Stirling qui augmente le rendement significativement [33] et ouvre la voie à son industrialisation [34]. Cette technologie pourrait être adaptée pour valoriser la chaleur résiduelle récupérable à l’échappement d’un moteur thermique. De nouvelles recherches visent des conceptions plus complexes afin de favoriser la compacité et les performances de ces dispositifs pour être incorporés dans des véhicules, et également dans l’habitat pour les besoins de climatisation [35], [36]. Cette technologie simple à mettre en œuvre reste encore à maitriser.

Changement de phase liquide-gaz (vaporisation d’un liquide)

   L’utilisation de PCM exploitant la chaleur de vaporisation est une autre application possible en réfrigération. Pour les applications en dessous de 0°C, il s’agit principalement d’utiliser des gaz liquéfiés, tels le CO2 ou le N2 ne présentant pas de toxicité et d’impact pour l’atmosphère afin d’être vaporisés directement sur les produits ou dans l’enceinte à refroidir. La projection de sprays d’azote liquide sur une surface est une solution très efficace pour la refroidir, [50], [51], et ne présente pas de toxicité ni d’impact pour l’atmosphère. En effet, des coefficients de transferts thermiques très élevés de plus de 20 kW/m2 .K sont obtenus [52], induisant un refroidissement très rapide de la surface. Cependant cette méthode s’avère peu efficace énergétiquement : en effet un COP de 0,12 peut être évalué pour une température froide de -196°C. Le coût de cette technique n’en justifie pas son usage pour la surgélation des aliments [53]. Cette technologie est plutôt adaptée à la cryoconservation [54].

Table des matières

Nomenclature
Introduction générale
État de l’art sur la production de froid négatif de forte puissance pour applications mobiles et autonomes
I. Introduction
I.1- Technologies de production de froid autonomes couplées à un système de stockage externe
I.1.1- Systèmes à compression de vapeur
I.1.2- Systèmes thermoélectriques
I.1.3- Réfrigération magnétique
I.1.4- Réfrigération thermo-acoustique
I.2- Technologies de production de froid incluant la fonction stockage
I.2.1- Stockage par changement de phase
I.2.2- Cycle à air et stockage par air comprimé
I.3- Réfrigération par cycle à sorption et stockage thermochimique
I.3.1- Procédés à absorption liquide-gaz et application au stockage
I.3.2- Procédé à sorption solide/gaz
I.4- Comparaison des performances des différentes technologies
I.4.1- Méthodologie pour la comparaison des performances
I.4.2- Discussions sur les performances
I.5- Conclusions
PARTIE A : Évaluation de nouveaux concepts de procédés thermochimiques pour la production de froid de forte puissance
Introduction
AI.1- Conditions opératoires et évaluation des besoins frigorifiques
AI.2- Problématique des fortes puissances dans les systèmes thermochimiques : choix des mises en œuvre des matériaux réactifs
Chapitre A1 : Configurations de procédés thermochimiques permettant l’obtention d’une forte puissance frigorifique
A1.1- Procédé de base (C0)
A1.2- Description de différents concepts de procédés thermochimiques
A1.2.1- Système de base intégrant un PCM (C1)
A1.2.2- Procédé intégrant deux réacteurs couplés thermiquement (C2)
A1.2.3- Procédé comportant trois réacteurs fonctionnant séquentiellement (C3)
A1.2.4- Procédé mettant en œuvre une cascade thermique (C4)
A1.2.5- Procédé comportant des réacteurs intégrés avec régénération (C5)
A1.2.6- Procédé comportant deux ensembles de réacteurs intégrés fonctionnant de manière séquentielle (C6)
A1.3- Évaluation et comparaison des performances des différentes configurations
A1.3.1- Évaluation des masses
A1.3.2- Comparaison des différentes configurations
A1. Conclusions sur l’évaluation en régime stationnaire des differentes configurations
Chapitre A2 : Modélisation dynamique des procédés thermochimiques
A2.1- Modèle dynamique global du procédé de base (C0)
A2.1.1- Bilans énergétiques sur les divers composants du procédé
A2.1.3- Développement de l’outil de simulation
A2.2- Validation expérimentale du modèle de base C0
A2.2.1- Identification du coefficient cinétique de transformation globale du réacteur
A2.2.2- Identification des coefficients d’échange
A2.2.3- Identification du coefficient cinétique d’évaporation
A2.3- Modélisation dynamique des nouveaux concepts de procédés
A2.3.1- Modélisation du procédé C2
A2.3.2- Modélisation du procédé C3
A2.3.3- Modélisation du procédé C5
A2.3.4- Modélisation du procédé C6
A2. Conclusion
Chapitre A3 : Evaluation et analyse des concepts de procédés thermochimiques en fonctionnement dynamique
A3.1- Études paramétriques des différentes configurations
A3.1.1- Procédé de référence C0
A3.1.2- Procédé aux réacteurs imbriqués C2
A3.1.3- Procédé aux réacteurs séquentiels C3
A3.1.4- Procédé aux réacteurs imbriqués avec régénération C5
A3.1.5- Procédé aux réacteurs imbriqués et séquentiels C6
A3.1.6- Conclusion sur l’étude paramétrique des différents concepts
A3.2- Analyse et comparaison des performances des différents concepts
A3.2.1- Comparaison des performances des différents concepts
A3.2.2- Analyse des différents concepts
A3.2.3- Pré-dimensionnement d’un système C0 visant la forte puissance
A3. Conclusion
Conclusion première partie
PARTIE B : Analyse et caractérisation de dysfonctionnements d’un réacteur thermochimique
Introduction
Chapitre B1 : Méthodologie d’analyse de la réponse dynamique d’un  réacteur thermochimique
B1.1- Méthodologie de diagnostic de dysfonctionnement possibles de réacteurs
B1.1.1- Causes de dysfonctionnements possibles
A1.1.2- Grandeurs mesurables représentatives de ces défauts
B1.1.3- Principe de la détection et l’identification
B1.2- Modélisation phénoménologique d’un réacteur thermochimique
B1.2.1- Modèle local de transformation de réacteur en géométrie 2D
B1.2.2- Caractérisation de la qualité du transfert de masse dans les réacteurs
B1. Conclusion
Chapitre B2 : Analyse expérimentale de la réponse dynamique d’un réacteur thermochimique
B2.1- Conception et dimensionnement du banc de caractérisation
B2.1.1- Nature des tests expérimentaux envisagés
B2.1.2- Description du banc expérimental de caractérisation
B2.2- Expérimentations et validation des modèles
B2.2.1- Expérimentation en réaction, validation et identification des paramètres du modèle local
B2.2.2- Validation et exploitation du modèle de perméabilité globale équivalente
B2.3- Bibliothèque de simulations de défauts
B2.3.1- Simulations de réacteurs défaillants
B2.3.2- Perspectives sur la détection et l’identification des défauts
B2. Conclusions et perspectives sur la caractérisation de réacteurs thermochimiques
Conclusion deuxième partie
Conclusion générale
Bibliographie
Annexes

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