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1 Laboratoire d’ Informatique pour la Mécanique et les Sciences de l’Ingénieur

1 Laboratoire d’ Informatique pour la Mécanique et les Sciences de l’Ingénieur LE FROID SOLAIRE M. Pons CNRS-LIMSI , Rue J. von Neumann, BP133, 91403 Orsay Cedex http://perso.limsi.fr/mpons/ Master 2 OMEBA 1 1 Laboratoire d’ Informatique pour la Mécanique et les Sciences de l’Ingénieur LE FROID SOLAIRE M. Pons CNRS-LIMSI , Rue J. von Neumann, BP133, 91403 Orsay Cedex http://perso.limsi.fr/mpons/ Master 2 OMEBA 1 Laboratoire d’ Informatique pour la Mécanique et les Sciences de l’Ingénieur Une application de l’énergie solaire bien adaptée • On a plutôt besoin de réfrigération (conservation aliments, climatisation) quand et là où il y a du soleil • A priori, bonne adéquation dans le temps et dans l’espace entre les besoins de froid et l’énergie disponible Master 2 OMEBA 2 Ensoleillement journalier de janvier à décembre (Odeillo) 2 Laboratoire d’ Informatique pour la Mécanique et les Sciences de l’Ingénieur Le froid solaire est-il paradoxal ? Peut-on « faire du froid avec du chaud » ? • On sait que spontanément la chaleur se transmet du « chaud » vers le « froid » et que ce flux de chaleur tend à uniformiser la température (c’est donc le contraire de la réfrigération). • On sait qu’il faut brancher un réfrigérateur (congélateur / climatiseur, etc.) pour qu’il fonctionne, il faut lui fournir de l’énergie. • Utiliser la thermodynamique pour expliquer comment de l’énergie thermique peut être convertie en production de froid. Master 2 OMEBA 3 Laboratoire d’ Informatique pour la Mécanique et les Sciences de l’Ingénieur Plan de ce premier cours • PRINCIPES GÉNÉRAUX DE LA RÉFRIGÉRATION, RAPPELS • RÉFRIGÉRATION SOLAIRE : PRINCIPES GÉNÉRAUX, CAPTEURS SOLAIRES • CYCLES ET MACHINES À SORPTION  Deux équilibres liquide-vapeur Cycle à absorption liquide Performances et intégration au bâtiment : calcul, dépendances exercices • SUITE EN JANVIER • ANNEXES Master 2 OMEBA 4 3 Laboratoire d’ Informatique pour la Mécanique et les Sciences de l’Ingénieur Rappel sur les phénomènes endothermiques • Principaux phénomènes endothermiques • - les changements d’état : solide -> liquide -> vapeur (liquéfaction, vaporisation, sublimation) (p.ex. fusion glace – ébullition eau - neige carbonique) • - la détente d’un gaz (ou extension de corps élastique) avec ou sans production de travail ; Master 2 OMEBA 5 Therm… + Endo… = chaleur + à l’intérieur = Le flux de chaleur est dirigé vers l’intérieur = le système considéré refroidit son extérieur Laboratoire d’ Informatique pour la Mécanique et les Sciences de l’Ingénieur Autres phénomènes endothermiques • - le passage d’un courant électrique à travers la soudure de deux métaux différents (effet Peltier) • - la dissolution d’un solide, liquide ou gaz dans un autre corps • - la désaimantation (adiabatique) de substances paramagnétiques, • - … • Suite du cours : changement d’état [liquide – vapeur] ! Master 2 OMEBA 6 4 Laboratoire d’ Informatique pour la Mécanique et les Sciences de l’Ingénieur Rappels sur la réfrigération par compression • Très familière Gamme Température : climatiseurs, réfrigérateurs, ou congélateurs ; Gamme Taille : ménagers, commerciaux ou industriels. Master 2 OMEBA 7 Principe : 1. Faire s’évaporer un fluide à « basse » pression 2. Comprimer la vapeur 3. Faire se condenser la vapeur à « haute » pression 4. Dépressuriser le liquide. basse pression = basse température = production de froid, compresseur = apport d’énergie mécanique ou électrique, = rejets de chaleur à une température T > Tambiante, Diaphragme, vanne de détente (adiabatique). Laboratoire d’ Informatique pour la Mécanique et les Sciences de l’Ingénieur réfrigération par compression : composants, bilan d’énergie • Composants : Un évaporateur + un compresseur + un condenseur + un détendeur + un fluide frigorigène. Qevap Tfroid Tamb Qcond Wcomp Énergie motrice mécanique = apport d’énergie au compresseur Master 2 OMEBA 8 Condenseur Compresseur Evaporateur Détendeur Condenseur Compresseur Evaporateur Détendeur 5 Laboratoire d’ Informatique pour la Mécanique et les Sciences de l’Ingénieur Cycle thermodynamique à compression • Chauffage (->) ou refroidissement (<-) isobare • Compression, sans échange de chaleur (adiabatique) ou avec (refroidissement ou chauffage). • Détente sans échange d’énergie avec l’extérieur (adiabatique). Master 2 OMEBA 9 Condenseur Compresseur Evaporateur Détendeur 1 2 3 4 1 2 3 4 Tfroid Tamb Qevap Qcond Wcomp Laboratoire d’ Informatique pour la Mécanique et les Sciences de l’Ingénieur Bilan d’énergie, performance et conséquence • Critère de performance : Coefficient Of Performance COP, = rapport du froid produit sur l’énergie mécanique apportée. Master 2 OMEBA 10 Condenseur Compresseur Evaporateur Détendeur (1 1/ ) cond evap comp evap Q Q W Q COP      • Conséquence sur les rejets de chaleur à l’ambiante Chaleur rejetée = froid produit + énergie mécanique apportée Bilan d’énergie en fonctionnement périodique : 0 evap comp cond Q W Q    evap comp Q COP W  • COP typiques de l’ordre de 3 pour les machines à compression 6 Laboratoire d’ Informatique pour la Mécanique et les Sciences de l’Ingénieur Comment produire du froid avec de la chaleur ? • 1°) En couplant une production d’électricité à partir de chaleur avec un cycle frigorifique à compression : transfert d’énergie électrique. • Question : Quel est le COP de l’ensemble ? (froid produit / chaleur fournie) • Et à partir d’énergie solaire ? Master 2 OMEBA 11 Condenseur Compresseur Evaporateur Détendeur Laboratoire d’ Informatique pour la Mécanique et les Sciences de l’Ingénieur Photovoltaïque + cycle à compression • Panneaux photovoltaïques = production d’électricité, plans (direct + diffus) ou avec concentration (direct) Rendement de conversion 0,10 en moyenne, • Stockage électricité sur batteries plus onduleur éventuel (pour produire du courant alternatif), • Production de froid : machine à compression classique COP 2-2,5 en moyenne • COPsol 0.2 (Démarrages, charges partielles, etc. pris en compte). • Possibilité stock froid ; souplesse vis-à-vis apport électrique. Master 2 OMEBA 12 1 7 Laboratoire d’ Informatique pour la Mécanique et les Sciences de l’Ingénieur Comment produire du froid avec de la chaleur ? • 1°) En couplant une production d’électricité à partir de chaleur avec un cycle frigorifique à compression : transfert d’énergie électrique. • Question : Quel est le COP de l’ensemble ? (froid produit / chaleur fournie) • 2°) En associant les deux cycles (moteur et réfrigérateur) au sein d’une même machine, avec transfert d’énergie sous une forme ou sous une autre du cycle moteur vers le cycle frigo. Master 2 OMEBA 13 Condenseur Compresseur Evaporateur Détendeur Laboratoire d’ Informatique pour la Mécanique et les Sciences de l’Ingénieur • PRINCIPES GÉNÉRAUX DE LA RÉFRIGÉRATION, RAPPELS • RÉFRIGÉRATION SOLAIRE : PRINCIPES GÉNÉRAUX, CAPTEURS SOLAIRES • CYCLES ET MACHINES À SORPTION  Deux équilibres liquide-vapeur Cycle à absorption liquide Performances et intégration au bâtiment : calcul, dépendances exercices • SUITE EN JANVIER • ANNEXES Master 2 OMEBA 14 8 Laboratoire d’ Informatique pour la Mécanique et les Sciences de l’Ingénieur Produire du froid directement à partir du soleil ? • À ma connaissance, il n’existe pas de moyen de transformer directement du rayonnement visible en production de froid. • Il est donc nécessaire de mettre en jeu une forme d’énergie intermédiaire. • Rayonnement solaire --> Électricité --> Réfrigération cellules photovoltaïques cycle à compression • Soleil --> Chaleur --> Réfrigération capteurs thermiques cycle à sorption • Les aspects « solaire » et « machine frigorifique » sont relativement découplés. Master 2 OMEBA 15 Evaporateur Condenseur Laboratoire d’ Informatique pour la Mécanique et les Sciences de l’Ingénieur • Le Soleil, source d’énergie forcément instationnaire, aléatoire, mais aussi assez répétitive. Master 2 OMEBA 16 Nécessité d’un stockage • Le Froid, une demande assez impérative : - Congélation : Tproduits < -20°C !!!! (–30°C), - Réfrigération : +2°C < Tproduits < 6-8°C !!, (denrées alimentaires, vaccins) - Climatisation : Tair < 25°C ou normes confort adaptatif. • Entre l’aléatoire et l’impératif, il faut UN STOCKAGE … … soit sous la forme d’énergie intermédiaire (électricité ou chaleur), … soit un stockage de froid, … soit les deux. 9 Laboratoire d’ Informatique pour la Mécanique et les Sciences de l’Ingénieur Schéma général d’un réfrigérateur solaire • Apport solaire Master 2 OMEBA 17 Qamb (<0) Apports électriques pour auxiliaires : circulation fluides caloporteurs, évacuation Qamb, contrôle, mesures Waux Qfroid 0 sol froid amb aux Q Q Q W     En fonctionnement périodique : Qsol • Rejets à l’ambiante • Production de froid Capteurs solaires Stock chaud Unité frigorifique Stock froid Laboratoire d’ Informatique pour la Mécanique et les Sciences de l’Ingénieur Critère de performance thermodynamique No 1 • Critère No 1 : le COP solaire Master 2 OMEBA 18 Qamb (<0) Waux froid sol sol Q COP Q  COPsol = produit [rendement moyen de captation (capteur)] x [COP moyen de la machine (COPmachine)]. Qfroid Qsol Avec Qfroid et Qsol intégrés sur un temps suffisamment long pour être représentatif (démarrages matins, arrêts soirs, nuages, mauvais jours, pannes, maintenance, …) Rendementcapteur COPmachine . Qsol --------------------------> Eintermédiaire ----------------------> Qfroid. 10 Laboratoire d’ Informatique pour la Mécanique et les Sciences de l’Ingénieur Critère de performance thermodynamique No 2 • Critère No 2 : Master 2 OMEBA 19 Froid produit par unité d’énergie uploads/Science et Technologie/ cours-froid-solaire-mpons-part-1-2.pdf