The Design and Development of a Solar Powered Refrigerator/fr

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Données de localisation

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Emplacement	Bangkok , Thaïlande
Coordonnées	13° 45' 8,98" N, 100° 29' 36,63" E

RHB Exell, Sommai Kornsakoo, DGDC Wijeratna. Bangkok, Thaïlande : Asian Institute of Technology, 1976.

Ce livre a été adapté par Jianlang Mai , Scott Gennings , Graham Coote , Ana Lise Herrera et Howard Swartz .

Préface

Ce rapport de recherche décrit les travaux menés sur le développement d'un système de réfrigération à énergie solaire qui permettra à terme la production d'une machine à glaçons à l'échelle d'un village ou d'une unité de stockage frigorifique pour la conservation des aliments .

Ce sujet a été étudié par M. DGDC Wijeratna dans le cadre de son rapport de projet d'études individuelles (n° 34), et le dispositif expérimental a été conçu par le Dr RHB Exell. La construction et les essais de ce dispositif ont été réalisés par M. Sommai Kornsakoo dans le cadre de son mémoire de maîtrise.

L'Institut asiatique de technologie (AIT) est redevable à la Fondation John F. Kennedy, Thaïlande, pour son soutien financier sous la forme d'une subvention pour la recherche sur l'énergie solaire, accordée en réponse à une proposition faite en 1973 par le professeur HE Hoelscher, président de l'AIT, au Dr Tbanat Khoman, président de la Fondation.

Résumé

Un petit réfrigérateur à absorption intermittente ammoniac-eau, équipé d'un capteur solaire plan de 1,44 m² ^, a été testé comme première étape vers le développement d'une machine à glaçons villageoise. Ce système ne consomme ni pétrole ni électricité. La régénération a lieu le jour et la réfrigération la nuit. L'absorption rapide est obtenue grâce à un nouveau dispositif, initialement proposé par Swartman, qui permet de dissiper la chaleur d'absorption à partir du capteur plan.

Le générateur utilise 15 kg d'une solution aqueuse contenant 46 % d'ammoniac. Par temps clair, la température de la solution passe de 30 ^° C à 88 ^° C et 0,9 kg d'ammoniac pur se condense à 32 ^° C. Lors de la réfrigération, la température de l'ammoniac chute à -7 ^° C. Le coefficient de performance solaire global estimé (effet de refroidissement divisé par la chaleur solaire absorbée) est de 0,09, ce qui, bien que faible, est comparable aux résultats publiés précédemment. Les améliorations apportées à la conception sont discutées.

Contenu

I INTRODUCTION

Les fondements de l'étude de l'énergie solaire

Plusieurs raisons importantes justifient de considérer l'énergie solaire comme une ressource énergétique susceptible de répondre aux besoins des pays en développement. Premièrement, la plupart de ces pays se situent sous les tropiques ou à proximité et bénéficient d'un fort ensoleillement. Deuxièmement, l'énergie est un besoin vital pour ces pays, mais ils ne disposent pas de ressources énergétiques conventionnelles largement distribuées et facilement accessibles. Troisièmement, la plupart des pays en développement sont caractérisés par un climat aride, une population dispersée et difficile d'accès, ainsi qu'un manque de capitaux d'investissement. Ils se heurtent donc à des obstacles pratiquement insurmontables pour l'approvisionnement en énergie par des moyens conventionnels, comme l'électrification. À l'inverse, l'énergie solaire est facilement disponible et déjà distribuée aux utilisateurs potentiels. Quatrièmement, grâce à sa nature diffuse, l'énergie solaire a été développée à travers le monde à petite échelle, ce qui correspond bien au modèle économique rural.

Objectifs de l'étude

La présente étude s'inscrit dans le cadre d'un projet d'utilisation de l'énergie solaire à l'AIT, visant à développer un ou plusieurs prototypes démontrant l'utilité et la viabilité économique de l'énergie solaire pour les objectifs prévus.

L'objectif spécifique de l'argumentation présentée dans ce chapitre est d'identifier un domaine d'utilisation de l'énergie solaire utile aux pays en développement d'Asie et, de plus, de sélectionner un dispositif approprié pour le développement et une étude préliminaire.

Possibilités de recherche et de développement

La recherche sur l'énergie solaire semble avoir connu un essor considérable au cours des deux dernières décennies. Durant cette période, de nombreuses publications, séminaires et conférences ont été consacrés à ce sujet. L'une des études les plus récentes et les plus complètes sur les applications de l'énergie solaire est un rapport d'un groupe consultatif ad hoc du Conseil pour la science et la technologie au service du développement international, intitulé « L'énergie solaire pour les pays en développement : perspectives et enjeux », publié par l'Académie nationale des sciences (1972). Les conclusions de ce rapport, qui remplacent celles des études antérieures, sont résumées ci-dessous.

Le groupe d'experts constate que l'évaporation solaire est une méthode historique et traditionnelle d'obtention de sel à partir d'eau de mer ou de saumures ; elle demeure importante aujourd'hui, à petite comme à grande échelle, dans de nombreux pays. Il semble qu'il y ait peu de recherches qui ne puissent être menées par les industries utilisant ce procédé.

La technologie du chauffage de l'eau est bien établie et les développements nécessaires consistent principalement à l'adapter aux matériaux et aux capacités de production du pays concerné. Grâce à ces avancées, l'accès à l'eau chaude pour les hôpitaux, les écoles, les institutions et les familles pourrait être considérablement élargi. La nature de ces équipements permet leur fabrication dans les pays en développement, et leur adaptation à leurs conditions locales semble aisée.

La distillation solaire doit encore être considérée comme expérimentale, mais les alambics communautaires à petite échelle sont proches d'une application commerciale à grande échelle. Des modèles d'alambics solaires fonctionnels et utilisables avec une fiabilité raisonnable sont désormais disponibles. Les recherches futures dans ce domaine impliqueraient l'adaptation des technologies existantes aux besoins spécifiques des pays en développement, notamment par des modifications de conception permettant l'utilisation de matériaux et de composants disponibles localement.

L'énergie solaire est traditionnellement et largement utilisée pour le séchage, notamment des produits agricoles. La conception et le contrôle de ces installations pour des cultures spécifiques ou d'autres matières à sécher constituent des axes de recherche susceptibles de déboucher sur des applications plus concrètes dans les pays en développement, permettant ainsi une meilleure utilisation des ressources alimentaires.

Les travaux de recherche et développement sur le chauffage solaire se sont presque exclusivement concentrés sur les applications dans les climats tempérés des pays industrialisés. Le groupe d'experts ignore presque tout de l'ampleur réelle des besoins en chauffage des bâtiments dans les pays en développement, ainsi que du rôle potentiel de l'énergie solaire pour y répondre.

Les études sur la climatisation, principalement destinées aux États-Unis et à l'Australie, n'en sont qu'à leurs débuts. La faisabilité technique semble assurée ; la faisabilité économique est actuellement à l'étude. Les meilleures méthodes pour obtenir un refroidissement par énergie solaire dans les pays en développement sont loin d'être claires à l'heure actuelle, et l'urgence et l'ampleur des besoins en climatisation restent inconnues.

De nombreux cycles et systèmes de réfrigération peuvent être envisagés pour la réfrigération solaire. Il reste à déterminer l'échelle optimale d'exploitation des réfrigérateurs solaires dans les pays en développement. De nombreuses questions demeurent quant à la réfrigération, et son application offre la perspective intéressante d'une meilleure utilisation des denrées alimentaires disponibles si elle pouvait être mise en œuvre efficacement.

Les applications potentielles d'une conversion réussie et économique de l'énergie solaire pour répondre aux besoins en énergie mécanique ou électrique sont vastes. Cette conversion demeure un problème complexe mais fascinant. La cuisson solaire semble être une technologie simple et présenterait des avantages considérables si elle pouvait être appliquée avec succès. Des cuiseurs solaires ont été développés avec des performances techniques satisfaisantes, permettant de couvrir au moins une partie des besoins culinaires des familles. Cependant, des essais à grande échelle menés en Inde, au Mexique et au Maroc n'ont jusqu'à présent pas abouti à l'acceptation sociale de ces appareils. Les conclusions du groupe d'experts sont résumées comme suit : les procédés solaires actuellement utiles ou susceptibles d'être développés pour produire des résultats concrets dans les plus brefs délais sont l'évaporation, le séchage, la distillation et le chauffage de l'eau. Un développement plus poussé dans les domaines de la réfrigération, du chauffage solaire, du refroidissement et de la conception thermique des bâtiments devrait rendre certaines de ces applications pratiques d'ici la fin de la décennie. Les applications de l'énergie solaire nécessiteront un développement important de nouvelles technologies.

Justification du choix de la réfrigération solaire

La discussion de la section précédente indique que, parmi les applications de l'énergie solaire encore au stade expérimental, le chauffage et la climatisation des bâtiments ne constituent pas des besoins prioritaires en Asie. La conversion en énergie mécanique ou électrique est mieux adaptée aux laboratoires bien équipés des pays industrialisés, et l'acceptation sociale de la cuisson solaire reste incertaine. Il apparaît donc que la réfrigération solaire représente une piste de recherche prometteuse. Afin de sélectionner un dispositif à développer, il convient de répondre aux questions suivantes : quel est le besoin pour un tel dispositif dans les pays en développement, notamment en Asie ? S'agirait-il d'un réfrigérateur ou d'une machine à glaçons ? Quelles dimensions devraient-il avoir ? La suite de cette section est consacrée à la recherche de réponses à ces questions.

Un éminent scientifique solaire d'Asie du Sud-Est, écrivant anonymement, fait les commentaires suivants dans un article intitulé « Plaidoyer pour une machine à glace solaire », ANON., (1963).

Après huit années d'étude des problèmes liés à l'application de l'énergie solaire dans un pays en développement, je suis convaincu que la piste de recherche la plus prometteuse consiste à développer une machine à glaçons. L'objectif serait de concevoir une machine autonome et fiable, capable de produire au moins 4,5 kg de glace par jour ensoleillé, pour un coût d'un centime de dollar américain par livre (environ 1,25 €/kg), en utilisant uniquement l'énergie solaire et l'eau. Dans les pays tropicaux, d'importantes quantités de fruits, de légumes et de poissons frais sont perdues ou voient leur valeur diminuer à cause de la détérioration. Cette détérioration pourrait être évitée en les congelant. La glace est une denrée commerciale importante, pouvant atteindre 10 centimes de dollar américain la livre (environ 1,25 €/kg) dans les régions reculées en raison du coût élevé de son transport (due à la fonte en cours de route) ou du coût élevé de sa production locale, par exemple à l'électricité ou au carburant. Un réfrigérateur électrique importé coûte environ 250 dollars américains ; le coût d'une machine à glaçons solaire comparable serait d'au moins 250 dollars américains. Il peut paraître étrange qu'une machine à glaçons solaire à 250 dollars américains soit achetée alors que les cuiseurs solaires ne sont pas aussi populaires. 10 $ US l'unité. L'explication est que la machine à glaçons solaire serait achetée par les commerçants et les propriétaires de boutiques qui peuvent facilement se permettre ce prix et qui utiliseraient la glace pour conserver leurs précieux stocks de fruits frais, de poisson, etc. De plus, les personnes pauvres qui produisent ces fruits frais, ces poissons, etc., peuvent se permettre d'acheter de la glace à environ un ou deux centimes de dollar américain la livre, car il ne s'agit que d'un petit investissement à court terme d'environ 10 ou 20 centimes de dollar américain, qu'elles peuvent récupérer en quelques jours après la vente de leurs produits congelés.

BA HLI et al. (1970) ont étudié les possibilités de développement de machines à glaçons en Birmanie. Ils affirment que les machines à glaçons et les réfrigérateurs solaires sont assurés de réussir, du seul point de vue météorologique. Ils observent également que les installations de production de glace solaire peuvent être de taille domestique ou communautaire, selon les conditions locales. Les machines à glaçons et les réfrigérateurs solaires domestiques doivent être aussi automatisés que possible afin de concurrencer les réfrigérateurs électriques. Les machines à glaçons solaires communautaires peuvent nécessiter une intervention humaine, puisqu'un opérateur est disponible pour chaque machine. Le coût de production de la glace par les usines locales est d'environ un demi-centime de dollar américain par livre de glace sortie d'usine, mais le prix de la glace pour le consommateur est d'environ un centime de dollar américain par livre en saison froide et bien plus élevé en saison chaude. Ils concluent que, dans ces conditions, si une machine à glaçons solaire peut produire de la glace partout en Birmanie pour environ un centime de dollar américain par livre, cette glace pourrait être une aubaine pour le pays.

MERRIAM (1972), évoquant les applications possibles de l'énergie solaire dans les pays en développement, observe ce qui suit :

Une application très prometteuse est la réfrigération. Elle englobe les réfrigérateurs domestiques, le refroidissement des locaux, la climatisation des bâtiments, etc., mais j'ai choisi de concentrer mon attention sur un dispositif particulier : une machine à fabriquer de la glace. Ce choix se justifie par plusieurs raisons, à la fois technologiques et socio-économiques. D'une part, la conversion du rayonnement solaire en glace résout les problèmes d'intermittence et de stockage. La glace peut être conservée pendant des mois. De plus, elle est transportable… Un cycle ammoniac-eau est envisagé… Plusieurs machines à glaçons et réfrigérateurs utilisant ce cycle et l'énergie solaire ont été construits. Le modèle que j'ai en tête serait construit en acier doux et serait robuste et simple, sans pièces mobiles. La production serait de 60 à 70 kg/jour de glace à -10 ^° C, l'apport serait de 10 à 12 m de rayonnement solaire et le travail d'un opérateur non qualifié à temps plein.

Les réponses aux questions posées au début de cette section peuvent maintenant être fournies, à savoir :

La réfrigération solaire est l'un des domaines les plus prometteurs pour le développement futur. Une machine à glaçons semble être l'appareil le plus utile dans les pays en développement. Si la glace peut être produite à environ un centime de dollar américain la livre, la viabilité commerciale est assurée. Une unité communautaire produisant 50 à 70 kg de glace par jour, nécessitant une intervention manuelle, est préférable pour le développement initial. Les réfrigérateurs domestiques doivent être automatisés autant que possible.

Le premier objectif de l'étude a été atteint grâce aux conclusions précédentes, à savoir la sélection d'un dispositif adapté à la poursuite du développement. La prochaine étape consiste à réaliser une étude préliminaire en vue de la mise au point d'une machine à glaçons solaire à usage communautaire. Dans un premier temps, une machine à glaçons expérimentale sera conçue et construite afin d'acquérir l'expérience nécessaire aux développements ultérieurs.

II. RÉFRIGÉRATION SOLAIRE

Ce chapitre présentera certains concepts théoriques utiles à l'analyse des performances des réfrigérateurs solaires. Une brève analyse du cycle ammoniac-eau sera également proposée, car ce cycle sera utilisé dans le réfrigérateur expérimental.

Indices de performance

Tout dispositif de refroidissement solaire se compose essentiellement de deux parties : une unité de refroidissement utilisant un cycle thermodynamique similaire à celui des réfrigérateurs classiques, et une source de chaleur solaire alimentée par un capteur plan ou à concentration. L’indice habituel de performance d’un réfrigérateur est son coefficient de performance (COP), défini comme le rapport entre le froid produit et la chaleur fournie. Ce même principe s’applique à l’unité de refroidissement, et un rapport de refroidissement peut ainsi être défini.

chaleur absorbée par le fluide frigorigène pendant la réfrigérationchaleur absorbée par le contenu du générateur pendant la réfrigération

Les performances du capteur solaire peuvent être définies par un rapport de chauffage donné par

chaleur absorbée par le contenu du générateurrayonnement solaire incident sur le capteur

Le ratio de performance global peut désormais être défini comme le produit des deux ratios définis ci-dessus, ou plus explicitement comme

chaleur absorbée par le fluide frigorigène pendant la réfrigérationrayonnement solaire incident sur le capteur

Les concepts de rapport de chauffage et de rapport de refroidissement sont particulièrement utiles lors de l'analyse de systèmes où le capteur et le générateur sont séparés.

Fonctionnement du système intermittent ammoniac-eau

Les figures 2.1 et 2.2 illustrent un système simple composé de deux cuves reliées par une conduite aérienne. La cuve de droite contient une solution aqueuse d'ammoniaque et fait office de générateur-absorbeur. La cuve de gauche contient de l'ammoniaque pure et fait office de condenseur-évaporateur.

Le fonctionnement du système intermittent eau-ammoniac se divise en deux phases : la régénération et la réfrigération. Lors de la régénération, la chaleur est fournie au générateur-absorbeur contenant une solution d’ammoniac à forte concentration. Le chauffage de la solution entraîne une augmentation de la pression ; une fois la pression de condensation atteinte, l’ammoniac se distille et se condense dans l’évaporateur-condenseur immergé dans un bac d’eau (Fig. 2.1).

Durant la phase de réfrigération, la source de chaleur est retirée et le générateur-absorbeur est laissé refroidir. La pression diminue et l'ammoniac commence à s'évaporer, absorbant la chaleur ambiante et produisant ainsi un refroidissement. La solution d'ammoniac diluée présente dans le générateur-absorbeur absorbe l'ammoniac évaporé et le processus se poursuit jusqu'à ce que tout l'ammoniac contenu dans le condenseur soit évaporé (Fig. 2.2).

Analyse du cycle idéal

Dans l'analyse suivante du cycle d'absorption ammoniac-eau, tous les processus thermodynamiques sont supposés réversibles.

L'énergie est transférée sous forme de chaleur à trois niveaux de température, c'est-à-dire :

• température atmosphérique T_{_a} , à laquelle la chaleur est rejetée dans le condenseur et l'absorbeur,
• la température à laquelle la chaleur est prélevée de la chambre froide T _c ,
• la température à laquelle la chaleur est reçue dans le générateur T _g .

Il est possible d'imaginer un agencement de machines réversibles réalisant une fonction équivalente à celle de l'installation à absorption, Fig. 2.3. Premièrement, un moteur thermique réversible reçoit une quantité de chaleur Q _g , à une température T _g et rejette de la chaleur à une température T _a tout en produisant une quantité de travail W _ga avec un rendement,

WcunQg=Tg−TunTg,

où toutes les températures sont mesurées sur l'échelle thermodynamique. Deuxièmement, un réfrigérateur réversible reçoit une quantité de chaleur Q_{_c} à la température T _{_c} et rejette de la chaleur à la température Ta tout en absorbant une quantité de travail W _{_ca} . Le coefficient de performance du réfrigérateur est

−QcWcun=TcTun−Tc.

Si W _ga est égal à - W _ca, cette installation sera équivalente à un réfrigérateur à absorption. Le coefficient de performance de l'installation combinée peut être défini comme Q _c / Q _g , ce qui, en combinant les deux expressions précédentes, devient :

C.O.P=Qc/Qg=Tc(Tg−Tun)Tg(Tun−Tc).

L'importance pratique de ce résultat est que si le COP du cycle considéré est connu, T _g peut être calculé, puisque T _a est fixe et T _c est choisi par le concepteur.

Analyse rigoureuse du cycle ammoniac-eau

CHINNAPPA (1961) présente une analyse rigoureuse du cycle théorique eau-ammoniac. Deux formes de ce cycle permettent une comparaison avec le cycle réel. Ces deux cycles sont représentés sur un diagramme pression-température-concentration (ptX) pour le système eau-ammoniac. La première forme du cycle théorique, appelée « cycle d'absorption à pression constante », est représentée sur la figure 2.4 par 2-3-4-5-2. La seconde forme, appelée « cycle d'absorption à température constante », est représentée sur la même figure par 1-3-4-6-1.

Bien que le cycle à pression constante soit plus efficace, sa mise en œuvre pratique est difficile. C'est pourquoi le cycle à température constante est étudié plus en détail.

Dans le cycle d'absorption à température constante, la régénération se compose de deux processus 1-3 et 3-4. Dans la phase de réfrigération, lors du processus de refroidissement 4-6, la solution est refroidie, généralement par immersion dans un bain d'eau, à une température t ₆ qui est égale à la température initiale t _1. La réfrigération effective a lieu pendant le processus 6-1.

L'expression de la quantité de réfrigération est

Qc=W'6Lm

où

Lm= chaleur latente moyenne du réfrigérant pendant le processus 6-1.

W'6= poids du réfrigérant au point 6.

La chaleur fournie pendant le processus de régénération 1-3-4 est donnée par

Qg=W4H4−W1H1+∫W4W1HvdW,

où

w= poids de la solution, suffixe indiquant le point du cycle,

H= enthalpie spécifique de la solution, suffixe indiquant le point du cycle,

Hv= enthalpie spécifique de la vapeur s'évaporant du liquide,

dW= masse différentielle de la vapeur s'échappant du liquide.

L'expression du COP devient donc

W'6LmW4H4−W1H1+∫W4W1HvdW

Développement historique

D'après l'étude sur la réfrigération solaire réalisée par SWARTMAN, HA et NEWTON (1973), la première étude explorant l'utilisation de l'énergie solaire pour la réfrigération remonte probablement à 1936, à l'Université de Floride, par Green. La vapeur alimentant un réfrigérateur à jet de vapeur était produite en chauffant de l'eau circulant dans un tuyau placé au foyer d'un réflecteur cylindro-parabolique.

En 1937, Oniga rapporta que des chercheurs brésiliens avaient tenté d'adapter un réflecteur parabolique à un réfrigérateur à absorption, mais que le système n'avait jamais dépassé le stade expérimental.

En 1954, Kirpichev et Baum, en Russie, annoncèrent le bon fonctionnement d'un ensemble de réfrigérateurs solaires produisant 250 kilogrammes de glace par jour. Ces réfrigérateurs étaient de type classique à compression de vapeur, entraînés par un moteur thermique alimenté par la vapeur produite par une chaudière placée au foyer d'un grand miroir. Cependant, il est généralement admis que le faible rendement de l'énergie solaire, le coût très élevé des équipements et la complexité de ce type de système constituent des freins à son développement futur. Depuis la construction de ce système, l'intérêt pour la réfrigération solaire est resté limité.

Le premier projet d'envergure portant sur un système de réfrigération entièrement solaire par absorption a été réalisé par Trombe et Foex (1964). La figure 2.5 illustre le schéma général du système, dont les principales caractéristiques sont les suivantes : une solution d'ammoniaque circule depuis un réservoir froid à travers un tuyau placé au foyer d'un réflecteur cylindro-parabolique. La solution d'ammoniaque chauffée et vaporisée dans la chaudière est ensuite condensée dans un serpentin de refroidissement. L'évaporateur est un serpentin entourant le conteneur servant de glacière. Le réflecteur cylindro-parabolique mesurait 1,5 m². Lors des essais du prototype, la production journalière de glace était d'environ 6 kilogrammes, soit environ 4 kilogrammes de glace par mètre carré de surface de captation pour un chauffage de quatre heures.

Fig. 2.6 - Le réfrigérateur à absorption intermittente de base alimenté à l'énergie solaire

Le projet de Trombe et Foex est très prometteur et mérite d'être étudié plus en détail, même si des modifications peuvent s'avérer nécessaires au niveau du capteur solaire, de la chaudière et du condenseur.

En 1957, Williams et ses collègues de l'Université du Wisconsin ont construit une petite chambre froide destinée aux zones rurales sous-développées. L'appareil se composait de deux récipients reliés par un tuyau (voir figure 2.6). L'énergie était fournie par un miroir parabolique en polystyrène moulé de 1,27 mm d'épaisseur, recouvert d'un film de polyester mylar aluminisé et rigidifié sur son pourtour par un tube métallique. Les solutions frigorifiques utilisées étaient un mélange d'ammoniaque et d'éther glycolique R-21. Cette étude a démontré qu'il était possible d'obtenir une réfrigération grâce à des cycles frigorifiques à absorption intermittents. Bien que les performances soient limitées par les caractéristiques du cycle intermittent, la simplicité du système explique la basse température atteinte dans l'évaporateur. Enfin, l'étude a montré que le mélange d'ammoniaque présentait des performances supérieures à celles de l'éther glycolique R-21 dans un système de réfrigération intermittent.

En 1962, CHINNAPPA a construit à Colombo, à Ceylan, un réfrigérateur intermittent simple fonctionnant grâce à un capteur solaire plan (voir figure 2.7). Le générateur-absorbeur de ce réfrigérateur était constitué de tubes soudés et intégrait un capteur solaire plan et un absorbeur refroidi à l'eau. Le capteur solaire était une plaque de cuivre de 152,4 cm × 106,7 cm et de 0,76 mm d'épaisseur, peinte en noir. Cette plaque était collée à six tubes en acier de 6,35 cm de diamètre, eux-mêmes soudés à des collecteurs. Le capteur était recouvert de trois plaques de verre, soutenues par des bandes de liège. Une solution aqueuse d'ammoniaque servait de fluide caloporteur.

Fig. 2.7 - Schéma d'un réfrigérateur solaire fonctionnant avec un capteur plan par CHINNAPPA (1962)

Bien qu'il soit généralement admis que le capteur plan soit plus adapté aux basses températures de production requises pour la climatisation, les essais menés par CHINNAPPA (1962) ont démontré qu'il est possible d'utiliser un capteur plan intégré à un générateur pour produire du froid jusqu'à -12 °C. On note que ce réfrigérateur peut produire un kilogramme de glace par jour et par 0,7 m² ^de surface de captation solaire. Les résultats de cette étude, bien que modestes, ont montré qu'un réfrigérateur intermittent simple, utilisant un dispositif de captation de chaleur à basse température tel qu'un capteur plan, peut produire du froid.

SWARTMAN et SWAMINATHAN (1971) ont construit un système de réfrigération intermittent simple, intégrant un générateur-absorbeur et un capteur plan de 1,4 m² ^, à l'Université de Western Ontario. La figure 2.8 illustre schématiquement ce système. L'ensemble capteur-générateur était constitué de tubes en acier de 1,27 cm de diamètre reliant un alimentateur de 5,1 cm et un collecteur de 15,2 cm. De fines feuilles de cuivre étaient soudées aux tubes, et l'ensemble était placé dans un caisson en bois, le fond étant isolé et le dessus recouvert d'un double vitrage. Des solutions aqueuses d'ammoniaque de concentrations variant de 58 à 70 % ont été testées. Les essais ont été relativement concluants ; les températures de l'évaporateur ont atteint -12 °C, mais en raison d'une faible absorption, le taux d'évaporation de l'ammoniaque était faible.

Une autre étude menée à l'Université de Western Ontario en 1970 a porté sur une solution d'ammoniac-thiocyanate de sodium dans le même système que celui décrit précédemment. Les résultats ont montré que les coefficients de performance de NH₃ _- NaSCN variaient de 0,11 à 0,27, contre 0,05 à 0,14 pour NR₃-H₂O obtenus lors de l'étude précédente. Néanmoins, le système était

Fig. 2.8 - Réfrigérateur solaire intermittent construit à l'Université de Western Ontario

Fig. 2.9 - Machine à glaçons solaire construite à l'Université de Floride par FARBER (1970)

L'évaporateur ne parvenait toujours pas à produire une quantité significative de glace. Il a été conclu que le mélange NH₃-NaSCN offrait de meilleures performances que le mélange NH₃ _- H₂O _. De plus, son coût était inférieur car il ne nécessitait pas de colonne de rectification grâce à la faible volatilité du sel NaSCN. Une concentration optimale de 54 % a été proposée pour la réfrigération intermittente.

Farber (1970) a conçu le système de réfrigération solaire le plus performant à ce jour. Il s'agissait d'une machine à glaçons solaire compacte utilisant un capteur plan comme source d'énergie. La figure 2.9 illustre le schéma de fonctionnement du système. Le capteur-générateur solaire, d'une surface de 1,49 m², était ^composé d'un collecteur supérieur de 6,35 cm de diamètre. Les tubes de 2,54 cm de diamètre étaient espacés de 10,2 cm et soudés à une tôle d'acier galvanisée de calibre 20. L'ensemble était placé dans un caisson en tôle galvanisée, muni d'un couvercle en verre et d'une isolation en polystyrène expansé de 2,5 cm d'épaisseur derrière l'élément absorbeur-générateur. Outre les composants habituels (condenseur, évaporateur, bac à glace, échangeur de chaleur), le système comprenait une colonne d'absorption d'ammoniac de type tubulaire et deux pompes assurant la circulation de l'ammoniac liquide et de l'eau glacée dans l'évaporateur. Il a été rapporté que le capteur collectait en moyenne environ 42 200 kJ d'énergie solaire par jour et produisait environ 18,1 kilogrammes de glace. Cela correspond à un coefficient de performance global d'environ 0,1 et à une production de 12,5 kilogrammes de glace par m² de surface de capteur et par jour.

En matière de réfrigération solaire, ce système s'est avéré le plus performant. Toutefois, il convient de préciser qu'il n'était pas entièrement alimenté à l'énergie solaire, car deux pompes fonctionnaient à l'électricité. Ce système ne serait pas utilisable dans les zones non desservies par le réseau électrique.

III CONCEPTION DE L'UNITÉ EXPÉRIMENTALE

Choix de la configuration

Il a été mentionné précédemment qu'un réfrigérateur solaire se compose de deux éléments : un générateur solaire et un système de réfrigération. Le générateur solaire repose sur deux concepts principaux : les capteurs plans et les capteurs à concentration.

Les capteurs plans sont des surfaces planes noircies qui absorbent le rayonnement solaire direct et diffus. Des écrans transparents et une isolation arrière peuvent être utilisés pour limiter les pertes de chaleur. L'énergie solaire absorbée est convertie en une forme d'énergie souhaitée, généralement de la chaleur, et un système permet de l'évacuer, le plus souvent sous forme d'eau chaude ou d'air chaud. Les capteurs plans sont généralement conçus pour une installation fixe.

L'élément de base d'un capteur solaire focalisé est un dispositif optique, par exemple un réflecteur parabolique, qui concentre le faisceau du rayonnement solaire sur un récepteur plus petit que le réflecteur. Ce capteur peut produire un flux énergétique plus élevé. Bien qu'il atteigne des températures plus élevées qu'un capteur plan, son fonctionnement est plus complexe. De plus, pour une petite unité expérimentale, il s'avère plus coûteux. C'est pourquoi un capteur plan a été choisi pour cette étude.

Le groupe frigorifique peut être un système à absorption continue ou intermittente. Le système à absorption continue est inutilisable si les pompes nécessitent de l'énergie. Par conséquent, dans les zones rurales non desservies par l'électricité, on privilégie le système à absorption intermittente.

Le système est privilégié. Le cycle frigorifique intermittent comprend deux opérations principales : la régénération et la réfrigération. La régénération consiste à chauffer le fluide frigorigène-absorbant pour éliminer la vapeur de fluide frigorigène et la condenser dans un récipient séparé. La réfrigération se produit lorsque le fluide frigorigène liquide se vaporise, produisant un effet de refroidissement autour de l'évaporateur. Le fluide frigorigène est ensuite réabsorbé par l'absorbant. Ce réfrigérateur étant un dispositif purement expérimental, il a été décidé de le concevoir aussi simple que possible. La configuration choisie est illustrée à la figure 3.1. La simplicité a été obtenue en faisant du condenseur l'évaporateur et du générateur l'absorbeur.

Fonctionnement du système

Pendant la régénération, la vanne A est ouverte et la vanne B fermée. La solution concentrée contenue dans le générateur, chauffée par le capteur plan, bout et produit de la vapeur à haute pression. La solution diluée retourne du collecteur supérieur au collecteur inférieur par les tuyaux de retour isolés. La vapeur présente dans le collecteur supérieur est principalement de l'ammoniac, car l'eau est beaucoup moins volatile que l'ammoniac. Cette vapeur d'ammoniac passe dans le condenseur, immergé dans un réservoir d'eau froide pour le maintenir à basse température. La pression est uniforme dans tout le système. Lorsque le chauffage s'arrête, la vanne A se ferme et la pression de vapeur dans le générateur diminue. La concentration dans le générateur est alors inférieure à ce qu'elle était avant la régénération. Avant le démarrage de la réfrigération, le réservoir d'eau de refroidissement est vidé et la vanne B est ouverte. Le condenseur fonctionne alors comme un évaporateur. L'ammoniac se vaporise en raison de la différence de pression entre le générateur et l'évaporateur. Cette vaporisation absorbe la chaleur du système.

Fig. 3.1 - La première unité expérimentale

L'environnement de l'évaporateur produit ainsi un effet frigorifique. La vapeur d'ammoniac provenant de l'évaporateur traverse le tuyau menant au collecteur inférieur du générateur, de sorte que la vapeur entrante forme des bulles à travers la solution aqueuse d'ammoniac, facilitant ainsi son absorption. Les couvercles en verre du capteur sont retirés afin que la chaleur d'absorption puisse être dissipée vers l'atmosphère par les colonnes montantes du générateur. La réfrigération se poursuit jusqu'à ce que tout l'ammoniac liquide contenu dans l'évaporateur se soit vaporisé. Un cycle complet de fonctionnement est alors achevé. Pour compenser la disponibilité intermittente de l'énergie solaire, la réfrigération est effectuée pendant la journée et se poursuit la nuit, lorsque le rayonnement solaire n'est plus disponible.

Concentration d'Aqua-Ammonia

L'objectif est d'atteindre une température de 17 °F dans l'évaporateur. La pression de vapeur saturante de l'ammoniac anhydre à cette température est de 45 psia. La température de l'absorbeur est la température ambiante, supposée être de 86 °F. Ainsi, dans l'absorbeur, on trouve un mélange eau-ammoniac à une température de 86 °F, la pression de vapeur d'ammoniac étant de 45 psia. Par conséquent, d'après le diagramme ptx de l'eau-ammoniac, la concentration est de 0,46, ce qui détermine le point de départ du cycle frigorifique, représenté par le point 1 sur la figure 3.2.

Phase de régénération du cycle

La température du condenseur est de 86 °F. D'après le diagramme ptx, la pression de saturation de l'ammoniac anhydre à cette température est de 170 psia. Le point 2 du cycle peut être déterminé, puisque la pression et la concentration (qui

Fig. 3.2 - Cycle thermodynamique idéal

Les valeurs au point 2 du processus l-2 restent inchangées. Le point 3 du cycle est fixé par la température maximale de la solution pouvant être atteinte avec le collecteur, supposée être de 189 °F. Ceci détermine le point 3 et donc la concentration, qui est de 0,40 d'après le diagramme ptx.

Phase de réfrigération du cycle

Idéalement, lors de la phase de réfrigération du cycle, la solution est d'abord refroidie à la pression d'absorption de 45 psia, ce qui, à une concentration de 0,40, correspond à une température d'absorption initiale de 103 °F. Ceci fixe le point 4. Le cycle est complété par le processus 4-l au cours duquel l'ammoniac s'évaporant à 17 °F est réabsorbé dans la solution.

Spécifications du groupe collecteur-générateur

Il a été décidé de concevoir un ensemble aussi compact que possible. Ainsi, une surface frontale de 1,22 m x 1,22 m a été choisie pour le collecteur-générateur. Des tubes sans soudure en fonte noire ont été utilisés pour résister à la corrosion par le mélange ammoniac-eau et à la pression liée aux concentrations élevées d'ammoniac. Une plaque de cuivre de 1,22 m x 1,22 m et de 1,5 mm d'épaisseur a servi de plaque collectrice et a été peinte en noir mat. Cette plaque a été soudée à douze tubes de 2,54 cm de diamètre, espacés de 10,16 cm. Les extrémités de ces tubes ont été soudées à des collecteurs. Afin d'assurer une séparation adéquate de l'eau et des vapeurs d'ammoniac à la sortie du collecteur-générateur, un tube de 10,16 cm de diamètre a été utilisé pour le collecteur supérieur. Ce tube de 1,42 m de long offrait une surface de contact avec le liquide de 1,56 m² ^lorsque le collecteur était à moitié plein. Le niveau du liquide était visible grâce à des indicateurs de niveau situés aux deux extrémités du collecteur. Un tube de 5,08 cm de diamètre et de 1,37 m de long a été utilisé pour le collecteur inférieur. La disposition du collecteur-générateur est illustrée sur la figure 3.3.

Fig. 3.3 - Capteur solaire - Générateur

Pour éviter les déperditions de chaleur à l'arrière du générateur-collecteur, une isolation en mousse de polystyrène de 10 cm d'épaisseur a été utilisée. Les traverses supérieure et inférieure ainsi que les colonnes montantes à chaque extrémité du collecteur ont également été isolées thermiquement avec de la mousse de polystyrène. Deux plaques de verre, soutenues par un cadre en bois, étaient placées devant la surface de captation. Du verre ordinaire de 6 mm d'épaisseur a été utilisé. L'espace entre les tubes collecteurs et la première plaque de verre était de 6 mm ; entre les deux plaques de verre, l'espace était de 20 mm. Les plaques de verre étaient amovibles.

L'inclinaison du plan du générateur était de 20 degrés par rapport à l'horizontale, l'unité étant orientée plein sud.

Le volume du générateur

Le volume du générateur calculé ci-dessous à partir des dimensions standard des tuyaux est utilisé pour déterminer la quantité d'ammoniaque dans le système et pour déterminer les variations du niveau de liquide dans le générateur tout au long du cycle.

En-tête supérieure (à moitié pleine)

1. 667 pi x 0,5 x 0,0882 pi³/pi = 0,206 pi³

14 colonnes montantes 14 x 4 pi x 0,00585 pi³/pi = 0,328 pi³ Traverse inférieure

1. 5 pi x 0,0233 pi³/pi = 0,105 pi³

Volume total = 0,639 pi³

Surface du liquide dans le collecteur supérieur à moitié plein

Volume spécifique d'aqua-ammoniaque

Au point 1, V1 = 0,0192 pi³/lb

Point 2, V2 = 0,0205 pi³/lb Point 3, V3 = 0,0202 pi³/lb Point 4, V4 = 0,01895 pi³/lb

Niveau de liquide dans le générateur : Commencez avec 0,639 ^pi³ d'ammoniaque à 0,46 g/L à 86 °F (30 °C). Son poids est de 0,639/0,0192 = 33,281 lb (15 100 g)

Le volume de 33,281 livres d'ammoniaque à 0,46 lb à 170 °F est de 33,281 x 0,205 = 0,682 pi³ ^.

L'augmentation de volume est de 0,682 – 0,639 = 0,043 pi³ ^.

La montée du niveau de liquide est de 0,043/1,565 = 0,027 pi

Lorsque la concentration, X = 0,46

Poids de l'ammoniac + poids de l'eau = 33,281 livres

Par conséquent, le poids de l'ammoniac est de 15,309 livres et le poids de l'eau est de 17,972 livres.

Lorsque la concentration X = 0,40

Poids de l'ammoniac = 11,981 livres

Poids de l'eau = 17,972 livres

Poids total = 29,953 lbs

Par conséquent, le poids d'ammoniac distillé est de 3,328 livres.

Après distillation de 3,328 livres d'ammoniaque, nous obtenons 29,958 livres d'ammoniaque aqueuse à 0,40 % à 139 °F.

Volume = 29,953 x 0,0202 = 0,605 ^pi³

La diminution du volume par rapport au volume initial au point 1 est de 0,034 ^pi³ .

La baisse du niveau de liquide sous le centre est de 0,034/1,565 = 0,022 pi

La diminution du volume par rapport au volume initial au point 1 est de 0,071 pi3.

La baisse du niveau de liquide sous le centre est de 0,071/1,565 = 0,045 pi = 0,544 po.

Dimensions du récepteur d'ammoniac

Poids de l'ammoniaque distillée = 3,328 livres

Ce volume d'ammoniac (à 86°F) = 3,328/37,16 = 0,089 pi3.

Supposons que le récepteur d'ammoniac soit fabriqué à partir d'un tuyau de calibre 40, de 4 pouces. La longueur requise est de 0,089/0,0882 = 1,015 pi = 12,18 po.

Par conséquent, le récepteur d'ammoniac (condenseur-évaporateur) était fabriqué à partir d'un tuyau en fer noir de 4 pouces et de 16 pouces de long.

Chaleur de génération

Soit l'enthalpie de 29,953 lb d'ammoniac aqueux 0,40 à 189 °F = H ₃ , l'enthalpie de 3,328 lb de vapeur d'ammoniac à la température de génération moyenne (environ) 178 ° = H _A , l'enthalpie de 33,281 lb d'ammoniac aqueux 0,46 à 86 °F = H ₁ .

D'après la fig. 3.2 : H _l = 33,281 x (-55) = -1830 Btu.

H _A = 3,328 x 627 = 2086 Btu.

H ₃ = 29,953 x 75 = 2246 Btu.

Par conséquent, la chaleur de génération = H ₃ + H _A – H _l = 6162 Btu.

Rayonnement solaire global quotidien sur une surface horizontale = 400 ^{Cal.cm⁻² jour⁻¹}

Par conséquent, l'énergie solaire incidente sur le capteur est 3,7 fois supérieure à la chaleur générée.

Chaleur de condensation

Après rectification, l'ammoniac a une température de 120°F.

Enthalpie de 3,328 livres de vapeur d'ammoniac à une température de 120 °F

Enthalpie de 3,328 livres d'ammoniac liquide à une pression de 170 psia et une température de 86 °F = 3,328 x 138,9 = 462 Btu. Chaleur totale de condensation = 2110 - 462 = 1648 Btu.

Le condenseur était maintenu à une température constante à 1 °F près en l'immergeant dans 135 gallons (80 x 80 x 80 cm3) d'eau froide pendant le cycle de génération. Le réservoir d'eau reposait sur un support en bois.

Détails supplémentaires concernant la conception

Un tuyau de 25 mm (1 pouce) de diamètre reliait le générateur au réservoir d'ammoniac. Un tronçon de 71 cm (28 pouces) de ce tuyau, s'élevant verticalement depuis le collecteur supérieur, servait de redresseur pour éliminer l'eau de l'ammoniac distillé. La conduite d'absorption était constituée d'un tuyau de 6 mm (¼ pouce) de diamètre, raccordé au collecteur inférieur, comme illustré sur la figure 3.4.

Fig. 3.4 - Petit réfrigérateur solaire

Fig. 3.5 - Réfrigérateur solaire

Le système était contrôlé par deux vannes d'arrêt d'ammoniac. La pression était indiquée par deux manomètres à ammoniac de type Bourdon : l'un était fixé au générateur et l'autre en haut du tube menant au réservoir d'ammoniac. Un thermomètre, placé en haut du redresseur, permettait de mesurer la température des vapeurs d'ammoniac.

IV TESTS EXPÉRIMENTAUX

Relation entre la température de la plaque et la température de la solution

Le générateur-collecteur a d'abord été rempli d'eau, puis des mesures de température ont été effectuées afin de déterminer la relation entre la température de la plaque (T_{_P} ) et la température de la solution (T_{_L}). Cinq essais ont été réalisés (voir Fig. 4.1). Il a été constaté que la température de la solution était inférieure d'environ 1,4 °C à la température correspondante de la plaque. Cependant, on a observé qu'en début et en fin de journée, les deux températures étaient identiques. Les valeurs moyennes des différences de température T_{_P} - T _{_L} sont présentées sur la figure 4.2. Cet étalonnage était nécessaire car aucun thermomètre haute pression n'avait été installé sur le générateur pour mesurer les températures internes.

Résultats expérimentaux

Après évacuation, le système a été rempli d'une solution aqueuse d'ammoniaque à 0,46 mM (voir annexe A). Les résultats obtenus lors de quatre essais sont présentés dans les figures 4.3 à 4.14. Ces essais ont été réalisés par temps quasi sans nuages.

La figure 4.3 illustre la température de la plaque (T _{_p} ), la température de la solution (T_{_L} ) déduite de l'étalonnage présenté figure 4.2, la pression de vapeur de la solution (P_{_l} ), la température de la vapeur d'ammoniac à la sortie du redresseur (T _₂ ) et la température de l'eau de refroidissement du condenseur (T _₃ ) pendant la période de génération. La pression et la température de l'évaporateur, déduites de la pression, ainsi que la pression et la température d'absorption pendant la période de réfrigération sont présentées figure 4.4. Les cycles théorique et réel de la solution dans le générateur-collecteur sont respectivement représentés par l-2-3'-4' et l-2-3-4-5 sur la figure 4.5.

Fig. 4.1 - Observation des températures de la plaque et de la solution

Fig. 4.2 - Différences entre la température de la plaque et celle de la solution (T _P -T _L ) : Moyenne de cinq essais.

Fig. 4.3 - Observation lors de l'essai de réfrigération du 9 mai 1975

Fig. 4.4 - Observation lors de l'essai de réfrigération du 9 mai 1975

Fig. 4.5 - Cycles de résolution réels et théoriques pour l'essai du 9 mai 1975

Fig. 4.6 - Observations lors du test de régénération du 10 mai 1975

Fig. 4.7 - Observations lors de l'essai de réfrigération du 10 mai 1975

Fig. 4.8 - Cycles de résolution réels et théoriques pour l'essai du 10 mai 1975

Fig. 4.9 - Observations lors du test de régénération du 14 mai 1975

Fig. 4.10 - Observations lors de l'essai de réfrigération du 14 mai 1975

Fig. 4.11 - Cycles de résolution réels et théoriques pour l'essai du 14 mai 1975

Fig. 4.12 - Observations lors du test de régénération du 17 mai 1975

Fig. 4.13 - Observations lors de l'essai de réfrigération du 17 mai 1975

Fig. 4.14 - Cycles de résolution réels et théoriques pour l'essai du 17 mai 1975

L'analyse du test du 14 mai 1974 (9Figure 4.9, 4.10 et 4.11) est donnée à titre d'exemple ci-dessous.

Quantité d'ammoniaque distillée

Au départ, nous avons :

Concentration de la solution = 0,46

Poids total de la solution = 33,281 lbs

Poids de l'ammoniac = 15,309 livres

Poids de l'eau = 17,972 livres

Après régénération, la concentration finale de la solution dans le collecteur-générateur est de 0,416, comme indiqué sur la figure 4.11.

 Poids de l'ammoniacPoids de l'ammoniac + Poids de l'eau=0.416

Depuis

Le poids de l'eau = 17,972 livres,

Poids de l'ammoniac en solution = 12,800 lbs.

Donc

Quantité d'ammoniaque distillée = 2 509 livres.

La quantité d'ammoniac distillée a également été déterminée en observant le niveau de liquide dans le récepteur. La figure 4.15 illustre la géométrie de la section transversale du récepteur.

Laisser

Soit A l'aire de la section transversale du liquide,

Soit R le rayon de la section transversale du récepteur,

soit h la hauteur du niveau du liquide au-dessus du centre du récepteur,

1 soit la longueur du récepteur ;

Soit v le volume du tuyau d'évacuation situé sous le récepteur. Le volume du liquide est alors égal à Al + v.

Fig. 4.15 - Coupe transversale du récepteur d'ammoniac.

Où

UN=ΠR22+hR2−h2+R2

Nous avons R = 2,013 pouces, l = 1,25 pied et v = 0,00105 touffe ; et après cet essai, h a été observé à 0,3 pouce. Cela donne

Volume d'ammoniac liquide distillé = 0,0666 toft

Ce volume d'ammoniac liquide a été observé à 7h00 du matin après la régénération ; la pression de vapeur de l'ammoniac était de 169 psi.

Nous avons maintenant, d'après les tableaux d'ammoniac :

Température de l'ammoniac = 86 °F

Densité de l'ammoniac liquide = 37,16 lb ^pi³

Par conséquent, le poids de l'ammoniac liquide distillé est de 2,48 livres.

Ce résultat concorde avec la quantité de 2,509 lb calculée précédemment à partir de la variation de la solution d'ammoniaque. Si 2,48 lb d'ammoniaque sont distillées, la concentration finale dans le générateur est de 0,4165, ce qui confirme le cycle thermodynamique réel illustré à la figure 4.11.

Rapport de refroidissement

Le rapport de refroidissement du cycle mesure la performance du système et est défini comme suit :

Cooljengruntjeo=n=QcQg

Où

Qc = refroidissement disponible pendant la période de réfrigération, et

Qg = chaleur absorbée par le générateur de capteur pendant la régénération.

Le refroidissement disponible pendant la période de réfrigération peut être calculé comme suit :

2,509 livres d'ammoniac liquide à 86 °F (169,2 psia) ont une enthalpie

= 2,509 x 138,9 Btu

= 3,48,9 Btu

2,509 livres de vapeur d'ammoniac à 19 °F ont une enthalpie

= 2,509 x 617,5 Btu

= 1549,30 Btu

Par conséquent, le refroidissement obtenu

= 1540,30 – 348,50

= 1200,8 Btu

Chaleur absorbée par la solution pendant la régénération

Soit l'enthalpie de 30,772 livres d'une solution aqueuse d'ammoniaque à 0,416 g/mol.

à 193°F = H3,

enthalpie de 2,509 livres de vapeur d'ammoniac à la température moyenne de génération

à 180°F = HA,

et l'enthalpie de 33,281 livres d'ammoniaque à 0,46 g

à 86°F = H1

D'après la figure 4.11,

H1 = 33,281 x (-55) = -1830 Btu

HA = 2,509 x (625) = 1568 Btu

H3 = 30,772 x (79) = 2431 Btu

Chaleur totale absorbée par la solution

= H1 + HA + H3

= 5829 Btu

Par conséquent, le rapport de refroidissement

= 1200,8/ 5829

= 0,209

Coefficient de performance solaire

Le COP solaire est défini comme le rapport entre le refroidissement obtenu et la quantité d'énergie solaire absorbée par la plaque collectrice. La quantité d'énergie solaire absorbée par la plaque collectrice peut être calculée comme indiqué en détail dans l'annexe B. Pour l'essai du 14 mai, la quantité d'énergie solaire absorbée par la plaque

= 13 237 Btu.

Par conséquent, le COP solaire

= 1200,8/ 13 237

= 0,0907

Les résultats des quatre essais expérimentaux sont résumés dans le tableau 4.1.

Tableau 4.1 Résumé des résultats expérimentaux

Fig. 4.16 – Processus de réfrigération – La photographie du bas montre du givre sur l'évaporateur.

Discussion

Bien que le système fonctionne, le rendement de refroidissement et le COP solaire restent faibles, comme dans les études précédentes de CHINNAPPA (1962) et de SWARTMAN et SWAMINATHAN (1971). Il est difficile de contrôler les pertes de chaleur du système. Cependant, contrairement à ce que Swartman a constaté, le processus d'absorption est lent, ce qui n'a pas posé de problèmes de ce type lors de la réfrigération. L'absorption s'est achevée en deux heures et la formation de glace sur la surface extérieure de l'évaporateur a pris une demi-heure (Fig. 4.16).

V. CONCLUSIONS ET PERSPECTIVES DE RECHERCHES ULTÉRIEURES

Conclusions

Les capacités d'AIT en matière de conception, de construction et d'exploitation de systèmes de réfrigération solaire ont été démontrées. De plus, les conditions de fonctionnement se sont avérées quasiment conformes aux spécifications de conception. Le principe du système est donc bien compris. La nouvelle caractéristique qui consiste à acheminer la vapeur d'ammoniac provenant de l'évaporateur vers le collecteur inférieur du générateur, afin de dissiper la chaleur d'absorption lors du processus de réfrigération sur la plaque plane, a permis de résoudre la difficulté rencontrée par les travaux précédents pour obtenir une absorption suffisamment rapide et un fonctionnement satisfaisant.

Considérations économiques

La fabrication de cette unité expérimentale a coûté 15 500 bahts. Si l'amortissement et la maintenance annuels représentent 10 % de ce coût, le coût journalier s'élève à 4 bahts. L'effet de refroidissement obtenu par temps favorable permet de produire 2 kilogrammes de glace. Des études sur le rayonnement solaire montrent qu'en moyenne, sur une année, le rendement serait d'environ 1 kilogramme de glace par jour. Par conséquent, 1 kilogramme de glace coûterait 4 bahts, soit onze fois le prix de gros de la glace à Bangkok (0,375 baht le kilogramme). Cependant, l'objectif de cette unité expérimentale était simplement de démontrer l'effet de réfrigération produit par l'énergie solaire et d'acquérir une expérience pratique ; aucune tentative n'a été faite pour optimiser les performances du système ou minimiser les coûts. Il semble donc qu'une machine à glace solaire économiquement viable soit à portée de main.

Modifications

Des travaux sont actuellement en cours pour tester deux nouvelles fonctionnalités du réfrigérateur. La première est un détendeur avec un serpentin d'évaporation à sec, relié entre le réservoir d'ammoniac et les entrées d'absorption. Ce serpentin servira à refroidir un bac de fabrication de glace. La seconde fonctionnalité est un miroir plan destiné à optimiser le chauffage solaire du générateur. Différentes positions de fixation du miroir seront testées. Ces deux nouveautés sont illustrées sur la figure 5.1.

Le développement d'une fabrique de glace villageoise

Une machine à glaçons solaire peut être conçue pour un usage domestique ou villageois. Les unités de plus grande taille, destinées aux villages, seraient plus efficaces et donc relativement moins coûteuses. L'objectif principal sera donc de concevoir, construire et tester une machine à glaçons solaire produisant 100 kilogrammes de glace par jour sans consommer de pétrole ni d'électricité. Elle devra être robuste et facile à utiliser. Une unité produisant 100 kilogrammes de glace par jour nécessite une surface de captation solaire d'environ 20 mètres carrés. L'efficacité du système sera améliorée de plusieurs manières. Les températures de génération élevées seront évitées en maintenant constante la concentration d'ammoniac dans le générateur grâce à un réservoir contenant une solution en excès. La capacité thermique du capteur solaire sera réduite en utilisant un séparateur à colonne garnie au lieu d'un collecteur de plus grand diamètre. Des échangeurs de chaleur seront utilisés pour économiser la chaleur pendant la régénération et le froid pendant la réfrigération. Le système est illustré sur la figure 5.2.

Fig. 5.1 - La petite machine à glaçons solaire

Fig. 5.2 – Nouveau système de fabrication de glace à énergie solaire proposé

En journée, lors de la régénération, la vanne A est ouverte et la vanne B fermée. La solution concentrée, provenant du haut du réservoir, traverse l'échangeur de chaleur jusqu'au bas du réchauffeur, tandis que la solution diluée retourne au fond du réservoir. La vapeur d'ammoniac issue du séparateur se condense dans un serpentin immergé dans de l'eau froide statique, et l'ammoniac liquide est recueilli dans le récepteur. La nuit, lors de la réfrigération, la vanne A est fermée et la vanne B ouverte. L'ammoniac provenant du récepteur traverse l'échangeur de chaleur, le détendeur B et l'évaporateur. La vapeur est ensuite absorbée par la solution aqueuse d'ammoniac diluée provenant du réservoir inférieur. La chaleur de la solution est dissipée par le capteur solaire, et la solution concentrée retourne en haut du réservoir. De plus, l'eau statique entourant le condenseur est refroidie par le rayonnement nocturne. Le fonctionnement de chaque élément de ce système a été démontré dans la littérature, mais leur combinaison de cette manière est inédite. Cependant, il est peu probable que le système présente des problèmes techniques majeurs.

Alternatives

Gupta (1976) a récemment rapporté que R.L. Datta et son équipe développent un système ammoniac-thiocyanate de sodium capable de produire 75 kg de glace par jour. Le coefficient de performance est trois fois supérieur à la valeur précédemment obtenue et les problèmes de rectification inhérents aux systèmes ammoniac-eau seront évités. Un capteur parabolique cylindrique de 25 m² sera utilisé pour chauffer le générateur.

DATTA (1976) a lui-même fait remarquer que

Il est bien plus facile de refroidir à 10 ou 15 °C et de réduire l'humidité que de réfrigérer les aliments à une température glacée. Des recherches approfondies devraient être menées sur des équipements locaux peu coûteux permettant d'assurer ce refroidissement dans les caves, même partiellement enterrées. Des capteurs plans fixes à surface sélective pourraient être utilisés à la place de capteurs à focalisation mobiles, et leur exploitation par la main-d'œuvre locale dans les zones rurales des pays en développement serait moins onéreuse que celle de machines automatiques nécessitant des investissements plus importants. L'exploitation de ces refroidisseurs solaires dans les régions isolées non desservies par l'électricité représente un défi de taille.

Les remarques précédentes montrent que le développement de technologies de réfrigération solaire destinées aux pays en développement est un domaine dynamique, et que plusieurs pistes de recherche restent à explorer. L'AIT suivra de près ces évolutions et est en mesure d'y apporter une contribution significative.

Références

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BA HLI, F., et al (1970). Possibilités pour les machines à glaçons solaires. Conférence de la Société internationale de l'énergie solaire, Melbourne, Australie.

CHINNAPPA, JCV, (1961), Étude expérimentale du cycle de réfrigération par absorption de vapeur intermittente utilisant les systèmes réfrigérant-absorbant d'ammoniac-eau et d'ammoniac-nitrate de lithium, Solar Energy 5 pp. 1-18.

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DATTA, CL, (1976), L'énergie solaire – sa pertinence pour les pays en développement. Document de travail, Groupe de travail d'experts sur l'utilisation de l'énergie éolienne et solaire, mars 1976, Division des ressources naturelles, CESAP, Bangkok.

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MERRIAM, MF, (1972), Sources d'énergie décentralisées pour les pays en développement, Institut de technologie et de développement Centre Est-Ouest, Document de travail n° 19

ACADÉMIE NATIONALE DES SCIENCES (1972), L'énergie solaire dans les pays en développement : perspectives et enjeux. Académie nationale des sciences, Washington, D.C.

SWARTMAN, RK, HA, VH, NEWTON, AJ, (1973) Étude sur la réfrigération solaire, Société américaine des ingénieurs en mécanique, août 1973, 73-WA/Sol-6

SWARTMAN, RK et SWAMINATHAN, C., (1971), Réfrigérateur à énergie solaire, Génie mécanique, juin 1971, Vol. 6, pp. 22-24.

Trombe, F., et FOEX, M., (1964), Bilan économique de la fabrication de glace avec une machine à absorption utilisant le soleil comme source de chaleur, Nouvelles voies de l'énergie, vol. 4, Publication des Nations Unies n° 63.I.38, p. 56-59

Annexe A

Chargement

Pour cette recherche, une solution d'ammoniaque dans l'eau était nécessaire. Il est parfois plus économique d'acheter de l'ammoniaque anhydre et de la dissoudre directement dans l'eau dans des conditions contrôlées afin d'obtenir une solution de la concentration souhaitée. Le réfrigérateur solaire étant un système fermé, il ne nécessitait pas de recharge périodique. Une recharge était toutefois nécessaire en cas de fuite ou de perte d'ammoniaque, quelle qu'en soit la raison.

Équipement

1. Bouteille d'ammoniac liquide

2. Réservoir d'eau déminéralisée

3. Réservoir d'aqua-ammoniaque

4. Manomètre

5. Tuyau en caoutchouc

6. Dichromate de potassium

7. Balance, 0-200 lb

8. Vannes

9. Pompe à vide.

Procédure

Installez l'équipement comme indiqué sur les figures A1 et A2. Il est impératif d'éliminer l'air du système, car sa présence nuit à son bon fonctionnement. Une pompe à vide est donc nécessaire. Il est conseillé d'ajouter du dichromate de potassium (30 g pour 27 kg) à l'eau déminéralisée afin de minimiser la corrosion interne du système de réfrigération solaire.

La procédure de chargement comprend les étapes suivantes :

a) Ouvrez V-6, V-1, V-2, V-3 pour évacuer l'air du système à l'aide d'une pompe à vide, puis fermez toutes les vannes.

b) Peser le réservoir vide d'eau-ammoniaque.

c) Ouvrez V-1, V-2 et V-5 pour laisser entrer 18,9 livres d'eau dans le réservoir d'aqua-ammoniaque ; fermez V-5 et V-2.

d) Ouvrez doucement V-3 et V-4 pour laisser entrer lentement 16,1 livres d'ammoniac liquide dans le réservoir, puis fermez V-3 et V-4.

e) Laissez le réservoir refroidir pendant environ six ou huit heures, après quoi la pression diminuera jusqu'à un faible niveau.

f) Vider l'unité de réfrigération solaire à l'aide d'une pompe à vide.

g) Retirez le réservoir d'eau-ammoniaque de l'équipement de mélange et fixez-le à l'unité de réfrigération comme indiqué sur la figure A3.

h) Pour que le générateur reçoive le flux de charge du réservoir d'ammoniaque, la pression de vapeur dans le réservoir doit être supérieure à celle du générateur. Par conséquent, le générateur est refroidi par arrosage et le réservoir est chauffé par le soleil.

i) Le processus de charge est arrêté lorsque le collecteur supérieur du générateur est à moitié plein.

Figure A1 – Équipement de mélange

Fig. A2 – Équipement de mélange

Fig. A-3 Équipement de charge

Annexe B

Estimation du rayonnement solaire incident

On suppose que le rayonnement diffus à Bangkok en mai est de 200 cal cm⁻² jour⁻¹. On suppose également que le rayonnement diffus sur un plan incliné est une fonction linéaire de l'angle d'inclinaison et qu'il est égal à la moitié de sa valeur maximale lorsque le plan est vertical. L'angle d'inclinaison est de 20 degrés par rapport à l'horizontale. Par conséquent, le rayonnement diffus sur le capteur incliné (D') est estimé à 200 – 20/90 × 100 = 178 cal cm⁻² jour⁻¹. Le rayonnement global total quotidien à l'Institut asiatique de technologie (AIT) a été enregistré à l'aide d'un actinographe bimétallique installé sur le toit du bâtiment d'ingénierie nord de l'AIT. Les résultats sont présentés sur la figure B1. Pendant la période des tests, le soleil est passé très près du zénith à midi. On a donc supposé, par approximation, que puisque le capteur (orienté vers le sud) était incliné à 20° par rapport à l'horizontale, la composante verticale du rayonnement solaire direct devait être multipliée par un facteur cos 20° afin d'estimer la composante du rayonnement direct incident normalement sur le capteur. Le rayonnement global (Q)

= rayonnement direct + rayonnement diffus.

Rayonnement total sur le collecteur incliné (Q')

= D' + (Q-200)cos20°

= 178 + (Q-200)x0,94 calcm-2jour-1,

où Q représente le rayonnement global quotidien.

Fig. B1 – Rayonnement solaire global quotidien à l'Institut asiatique de technologie

pour l'essai du 14 mai 1975

Q = 467 calcm-2jour-1.

Donc,

Q = 429 calcm-2jour-1

= 24 514 Btu/jour sur une surface de captation de 1,2 m x 1,2 m

= 16,342 Btu par 8 heures

En supposant une transmission de 90 % par la vitre de protection, environ 90 % de l'énergie solaire incidente initiale seront transmises par la première vitre de protection et 90 % supplémentaires par la seconde.

La chaleur qui parvient à la plaque collectrice est donc d'environ 13 237 BTU.

Il convient de souligner que les estimations obtenues par cette méthode sont très approximatives.

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