4.8.6   Cycle d’absorption

L’absorption est l’absorption de gaz par des liquides ou des solides sous la forme d’une liaison physique. Toutefois, une absorption ne se produit que si la matière absorbante et le gaz à absorber (couple de substances de travail) sont chimiquement « compatibles » et seulement à un rapport pression/température spécifique qui est différent pour chaque couple de substances de travail.
Un processus d’absorption est aussi réversible, c’est-à-dire que le gaz absorbé peut être rejeté à un rapport température/pression différent. Ainsi toute la séquence peut être définie comme un cycle (fig. 4-57).

fig. 4-57 Cycle d’absorption (schéma fonctionnel)

                1              Compresseur thermochimique

                2              Condensateur

                3              Appareil d’étranglement/dosage

                4              Évaporateur

                w1,2        Circuit comme pompe à chaleur

                C1,2        Circuit comme machine frigorifique

Si on compare le cycle réfrigérant de la machine frigorifique par absorption avec celui de la machine frigorifique par compression (fig. 4-57), on reconnaît immédiatement les quatre composants fonctionnels  : évaporateur (4), compresseur (1), condensateur (2) et appareil étranglement/dosage (3). Dans le cycle d’absorption aussi, un réfrigérant pur (par ex. : eau) est vaporisé dans un évaporateur à basse pression avec un apport externe de chaleur. La vapeur à pression et température plus élevées se condense, se liquéfie dans le condensateur en évacuant sa chaleur de condensation à un caloporteur externe et se détend à basse pression dans une vanne d’expansion.

La seule différence fondamentale est qu’à la place du compresseur, il y a un circuit de solvant ayant les fonctions suivantes :

·    Au lieu du processus d’aspiration dans le compresseur, il y a absorption de la vapeur du réfrigérant à basse pression par un solvant liquide approprié ou un couple de substances de travail dans l’absorbeur.

·    Au lieu de la compression et de l’expulsion de la vapeur chaude comprimée du réfrigérant sortant du compresseur, le solvant liquide enrichi de réfrigérant est transporté dans le détendeur. Dans ce dernier, de la chaleur externe est apportée au solvant. Cela entraîne une augmentation de la température et de la pression du solvant et ainsi le réfrigérant s’évapore et s’écoule dans la conduite de gaz chaud du circuit du réfrigérant jusqu’au condensateur.

Ainsi, dans le cas de la machine à absorption, le compresseur mécanique est remplacé par le circuit de solvant, qui est donc aussi appelé le « compresseur thermochimique ». Tous les autres composants du cycle de réfrigération, tels que le condensateur, l’appareil d’étranglement/dosage et l’évaporateur restent fondamentalement identiques à ceux de la machine à compression. Au lieu d’une énergie motrice mécanique requise par le compresseur, l’énergie est fournie sous forme de chaleur (vapeur, eau chaude, brûleur à huile/gaz, etc.) pour maintenir le cycle d’absorption. Une énergie mécanique est nécessaire pour commander la pompe à solvant.

                                            4.8.6.1                Couples de substance de travail

Les couples de substances de travail les plus connus actuellement pour les machines frigorifiques/pompes à chaleur par absorption sont :

–  eau-bromure de lithium (LiBr) (l’eau étant le réfrigérant) et

–  ammoniaque-eau (l’ammoniaque étant le réfrigérant).

Autres couples de substances de travail utilisés dans des installations spéciales et par conséquent moins connus :

–  ammoniaque-nitrate de lithium

–  méthylamine-eau et

–  méthanol-bromure de lithium,

la première substance nommée de chaque paire étant le réfrigérant. Alors que l’ammoniaque, réfrigérant reconnu, est principalement utilisé pour des températures d’évaporation de 0°C à –60°C, dans le domaine de le climatisation on utilise aujourd’hui surtout le couple bromure de lithium-eau. L’eau, cependant, ne permet que des températures d’évaporation supérieures à 0°C car sinon elle gèle.

Une autre différence très importante entre l’ammoniaque-eau et le bromure de lithium-eau réside dans les pressions de service des systèmes. Alors que les machines à ammoniaque fonctionnent à des pressions entre 1.5 et 16 bar environ, les pressions de service pour les machines à eau-lithium de bromure sont très en-dessous de la pression atmosphérique dans l’évaporateur et l’absorbeur : la pression de l’évaporateur est d’environ 0.008 bar, ce qui correspond à une température d’évaporation d’environ 3°C et une pression du condensateur d’environ 0.1 bar correspondant à une température de condensation d’environ 50°C. Ces basses pressions demandent une parfaite étanchéité et une exécution stable de la machine.

Les machines frigorifiques / pompes à chaleur à absorption fonctionnent avec deux circuits dont les étapes se recoupent parfois, mais qui peuvent être décrits séparément en ce qui concernent les fonctions (fig. 4-58). D’un côté, il s’agit d’un :

·    circuit du réfrigérant avec le compresseur, le condensateur, l’appareil d’étranglement/dosage et l’évaporateur et de l’autre d’un

·    circuit du solvant, qui joue le rôle d’un compresseur au sein du circuit du réfrigérant.

                                            4.8.6.2                Circuit du réfrigérant

La vapeur chaude de réfrigérant s’écoule du détendeur du circuit de solvant à une pression de condensation et se dirige vers le condensateur. Là, elle entre en contact avec les coudes froids des tuyaux et se condense. La chaleur d’évaporation ainsi libérée est transmise au caloporteur ainsi réchauffé. Ce réchauffement du caloporteur correspond à la puissance de chauffe effective de la pompe à chaleur. Pour la machine frigorifique, cela correspond à la chaleur évacuée.

fig. 4-58 Processus d’absorption avec circuit de solvant

                1.             Compresseur avec circuit de solvant

                1.1           Absorbeur

                1.2           Pompe à solvant

                1.3           Appareil de transfert thermique

                1.4           Apport de chaleur

                1.5           Détendeur

                2              Condensateur

                3              Appareil d’étranglement/dosage

                4              Évaporateur

                5              Circuit de chauffage (pompe à chaleur)

                6              Circuit de refroidissement (machine frigorifique)

Le réfrigérant à l’état liquide, encore à la pression de condensation, est détendu dans l’appareil d’étranglement à basse pression et est vaporisé dans l’évaporateur sur les coudes des tuyaux. La pression est maintenue si basse dans l’évaporateur que le réfrigérant (par ex. :l’eau) peut déjà s’évaporer à +3 à +5°C. Ainsi, lorsque de l’eau froide à une température moyenne d’environ +10°C circule dans les coudes des tuyaux, le réfrigérant en contact avec les tuyaux s’évapore. La chaleur d’évaporation requise pour ce processus est soustraite au circuit de refroidissement qui se refroidit de ce fait. Ce refroidissement représente la capacité de réfrigération de la machine frigorifique. La vapeur de réfrigérant à basse pression ainsi produite retourne au compresseur ou à l’absorbeur du circuit de solvant.

                                            4.8.6.3                Circuit de solvant

Le circuit de solvant est expliqué ici en utilisant l’exemple du couple de substances de travail eau-LiBr. Le LiBr réagit à l’eau comme le sel de cuisine. Dans l’absorbeur, le solvant est vaporisé avec une concentration élevée de LiBr. La vapeur de réfrigérant (vapeur d’eau) provenant de l’évaporateur entre donc en contact direct avec le nuage de solvant et est ainsi absorbée par lui. Cette réaction chimique libère de la chaleur de réaction qu’il faut évacuer. Ceci est réalisé à l’aide d’un serpentin de tuyaux à travers lequel circule le même caloporteur qui est ensuite utilisé pour refroidir le condensateur dans le circuit de réfrigération.

Le solvant, maintenant « dilué » avec du réfrigérant à concentration faible de LiBr est pompé dans le détendeur par la pompe à solvant via l’appareil de transfert thermique. De la chaleur externe est apportée au détendeur (aussi appelé « générateur » ou « réchaud »). Il peut s’agir d’un chauffage à vapeur, à eau chaude ou électrique ou d’un chauffage direct par combustion de fuel, gaz ou d’un combustible solide. Cet apport de chaleur crée l’augmentation de pression et de température nécessaire, entraînant l’évaporation du réfrigérant hors du solvant. Alors que la vapeur du réfrigérant ainsi produite passe dans le condensateur du cycle de réfrigération, le solvant, de nouveau à une concentration élevée en LiBr retourne à l’absorbeur via l’appareil de transfert thermique où le cycle de solvant reprend depuis le début.

Le solvant froid provenant de l’absorbeur est préchauffé dans l’appareil de transfert thermique par le solvant chaud qui revient du détendeur. Il s’agit donc d’un processus interne de récupération de la chaleur.