Machine frigorifique à ab/adsorption

Le principe consiste à pulvériser de l’eau en fines gouttelettes dans un récipient sous vide. Du fait de la basse pression, l’eau s’évapore. Pour cela elle a besoin d’une certaine quantité de chaleur qui est extraite de l’eau à rafraîchir, circulant dans un circuit à travers le récipient.

Mais ce système ne peut fonctionner très longtemps : rapidement, le récipient sous vide sera saturé de vapeur d’eau, et l’eau dispersée ne s’évaporera plus. Il faut donc un moyen pour maintenir ou recréer le vide dans le récipient !

C’est là qu’intervient le sorbant. C’est soit un liquide, on parle alors d’absorbant, ou un solide poreux, on parle alors d’adsorbant. Il “boit” la vapeur d’eau contenue dans l’ambiance, et la retient. Au fur et à mesure qu’il ab/adsorbe de la vapeur, sa capacité d’ab/adsorption diminue jusqu’à être nulle, à saturation. Le sorbant est alors chauffé à une certaine température et “rend” la vapeur d’eau. Il récupère alors toutes ses propriétés d’ab/adsorption.

La machine à absorption

La machine frigorifique à absorption se divise en quatre composants principaux :

1. l’évaporateur,
2. l’absorbeur,
3. le concentrateur,
4. le condenseur.

1. Dans l’évaporateur, le réfrigérant (ici de l’eau) est pulvérisé dans une ambiance à très faible pression. L’évaporateur est parcouru par un circuit à eau. En s’évaporant, le réfrigérant soustrait sa chaleur à cette eau qui est ainsi refroidie.
   Une partie du réfrigérant pulvérisé ne s’évapore pas et tombe dans le fond de l’évaporateur où elle est pompée pour être à nouveau pulvérisée.

2. La vapeur d’eau créée dans l’évaporateur est amenée à l’absorbeur. Il contient la solution absorbante (LiBr) qui est continuellement pompée dans le fond du récipient pour y être pulvérisée. Le LiBr absorbe la vapeur d’eau hors de l’évaporateur et y maintient ainsi la basse pression nécessaire à la vaporisation du réfrigérant.

Au fur et à mesure qu’elle absorbe la vapeur d’eau, la solution absorbante est de plus en plus diluée. Elle finirait par être saturée et ne plus rien pouvoir absorber.

3. La solution est donc régénérée dans le concentrateur. Elle est réchauffée, par une batterie à eau chaude (environ 85°C) et une partie de l’eau s’évapore. La solution régénérée retourne à l’absorbeur.

4. Enfin, la vapeur d’eau extraite du concentrateur est amenée dans le condenseur, où elle est refroidie par une circulation d’eau froide. L’eau condensée retourne à l’évaporateur.

Deux compléments au système augmentent son efficacité :

• Une circulation d’eau froide dans l’absorbeur.
  Le phénomène d’absorption génère de la chaleur. La circulation d’eau froide dans le fluide absorbant évite sa montée en température, ce qui diminuerait son efficacité.
  Remarque : l’eau de refroidissement de l’absorbeur peut ensuite passer dans la batterie de refroidissement du condenseur.

• Un échangeur de chaleur sur le circuit du fluide absorbant.
  Le fluide chaud sortant du concentrateur qui retourne à l’absorbeur préchauffe le fluide qui va vers le concentrateur, économisant ainsi une partie de l’énergie nécessaire pour chauffer le fluide à régénérer.

La machine à adsorption

L’adsorbant étant solide, il est impossible de l’amener au fur et à mesure vers la source de chaleur pour être régénéré.

La machine fonctionne donc de manière cyclique. Deux récipients servent, tour à tour, d’adsorbeur et de désorbeur. Dans la première période, le premier adsorbant est utilisé pour la production de froid, tandis que l’autre est parcouru par l’eau chaude, et ainsi régénéré. Dans la seconde période, lorsque le premier adsorbant est saturé, il est remplacé par le second pour la production de froid, et est alors lui-même régénéré.

Bien que la machine à sorption semble assez différente de la machine frigorifique traditionnelle, le principe de base de fonctionnement reste le même :

• circulation d’un fluide réfrigérant,
• évaporation du fluide avec production de froid,
• compression du fluide demandant un apport d’énergie,
• condensation du fluide avec production de chaleur.

La différence réside dans :

• Le moyen de comprimer le fluide,
  • mécanique dans le cas d’une machine traditionnelle,
  • thermochimique dans le cas de la machine à sorption.

• Le type d’énergie nécessaire à cette compression
  • électrique dans le cas d’une machine traditionnelle,
  • calorifique dans le cas de la machine à sorption.

Une machine frigorifique est énergétiquement efficace si elle demande peu d’énergie pour fournir une puissance frigorifique donnée.

On évalue son efficacité par le calcul du COP (coefficient de performance) : rapport entre la puissance frigorifique produite et la puissance fournie au compresseur.

• Dans le cas d’une machine frigorifique traditionnelle, la puissance fournie est électrique. Le COP d’une telle machine peut atteindre la valeur de 3, voire plus.

• Dans le cas d’une machine frigorifique à absorption, le COP réel tourne autour de 0.7; celui d’une machine à adsorption varie entre 0.5 et 0.6.

Quel est alors l’intérêt d’une telle machine ?

Un premier avantage réside dans l’absence de compresseur mécanique, donc de vibrations et de bruits. D’où le fait que ces machines demandent un entretien limité et présentent une grande longévité.

Le second avantage vient de la possibilité de valoriser une énergie calorifique disponible et d’éviter ainsi la consommation électrique d’un compresseur.