Conception et modélisation numérique d’un générateur à plaques et films tombants pour la production de froid dans une machine à absorption eau-ammoniac

Dans un contexte de réchauffement climatique et d’accroissement de la population urbaine, les besoins en froid pour les bâtiments commerciaux, institutionnels et pour les applications industrielles sont en flagrante augmentation. La valorisation de sources de chaleur fatale, de l’énergie solaire thermique ou des réseaux de chaleur est un enjeu sociétal fort dans le cadre actuel. L’utilisation de machines à absorption est une solution permettant de produire du froid, à partir de ces sources de chaleur. Le couple de fluides de travail  NH3/ H2O offre la possibilité de produire du froid négatif (jusqu’à -30∘C), pour des températures ambiantes allant jusqu’à 55∘C. Néanmoins, le faible écart de volatilité entre l’absorbant ( H2O) et le réfrigérant ( NH3) nécessite l’utilisation d’un rectificateur de vapeur afin d’éliminer les traces d’eau dans la vapeur d’ammoniac générée. Un élément clé du développement de machines  NH3/ H2O compactes et efficaces est le développement d’un nouveau générateur, combinant directement dans un même composant la partie génération de vapeur et la partie rectification, ceci permettant de produire de la vapeur d’ammoniac la plus pure possible, garantissant ainsi une performance optimale de la machine. Dans le cas de notre étude, la technologie choisie est un générateur à plaques et films tombants. La génération de vapeur se fait en partie basse, grâce à l’apport de chaleur d’un fluide caloporteur circulant à contre-courant de la solution. La partie haute de l’échangeur, est dédiée à la distribution de la solution sur des plaques adiabatiques. La vapeur y est rectifiée par absorption partielle par la solution sous-refroidie circulant à contre-courant.

Pour concevoir ce générateur, un modèle numérique a été développé décrivant les bilans de masse, d’espèces et d’enthalpie. Il met en oeuvre des corrélations de transfert de chaleur et de masse ainsi que des équations d’équilibre à l’interface. Afin de résoudre ce problème non linéaire, un schéma itératif explicite quasi-stationnaire est mis en oeuvre. La convergence et la stabilité du modèle dépendent des conditions aux limites et de l’état initial, nécessitant l’utilisation d’un facteur de sous-relaxation dans certaines situations. Ce modèle permet de décrire les processus de réchauffement et de désorption de la solution, ainsi que le processus de rectification de la vapeur.

L’influence de différents paramètres géométriques (longueur de plaque, nombre de plaques, ratio longueur adiabatique/longueur chauffée) est étudiée pour des conditions nominales données, permettant de proposer un nouveau design de générateur. L’évolution des performances de ce composant est étudiée en adéquation avec la gamme de conditions de fonctionnement de la machine.