Étude et dimensionnement d'un réfrigérateur solaire à adsorption dans la région saharienne d'Algérie

Abstract

L’objectif principal de ce travail était d’étudier la performance d’une machine frigorifique solaire à adsorption utilisant les quatre types de charbon actif et le méthanol comme réfrigérant. Pour ce faire, nous avons développé un code de calcul permettant de prédire les caractéristiques climatiques de la région d’EL-OUED, Algérie. Ensuite, une étude et analyse du fonctionnement de la machine basé sur la thermodynamique classique des bilans thermique des quatre phases du cycle. Donc, nous avons développé un deuxième code de calcul écrit en FORTRAN. Ce code de simulation a été validé par des données théorique un autre modèle, où des excellents accords ont été observés. Les résultats obtenu de cette thèse montrent que: • Le rayonnement solaire instantané reçu est bien maximale en utilisant la valeur d’angle optimale du capteur/adsorbeur. • Le COP thermique de 0.618 avec la quantité de froid produite, Qev, de 5398.60 kJ et la quantité de chaleur absorbée par l’adsorbeur, Qin, 8724.36 kJ. Ainsi, la production total de glace (mglace) quotidienne 11.16 kg à -3°C, ceci correspond à 21 kg de charbon actif (AC-35) à l'intérieur capteur/adsorbeur. Cela signifie que, 1kg de AC-35 à l'intérieur de l'adsorbeur produit une masse de glace quotidienne de 0.531kg à une température -3°C. • L’application de la machine dans la région d’El OUED peut amener à économie d'énergie électrique par jour d’environ 2.1kWh ou 1806 10-7 tep de combustible fossile. Ce qui correspond à 1365 10-3kg d'émission de CO2 empêché d'être libéré dans l'atmosphère en évitant une pénalité de taxe de 93 10-3 € en utilisant cette machine. • Le type le plus convenable de charbon actif utilisée comme adsorbant est basée sur le charbon en pierre (CarboTech C40/1) par rapport à d'autres types de charbon actif (AC-35, G32-H et NORIT RX3- Extra) associé avec du méthanol comme réfrigérant dans la machine. • L’augmentation de la température d’évaporation entraîne une augmentation des performances de la machine. Par contre, les températures de condensation et d’adsorption (ambiante) conduisent à une diminution de la performance de la machine. Alors que, la quantité de glace produite peut être améliorée lorsque la température initiale de l'eau est diminuée. Abstract This work presents the operating and performance of an adsorption refrigeration system driven by a solar collector. The system operates with activated carbon (AC) as adsorbent and methanol as refrigerant, and Dubinin-Astakhov (D-A) equation was used to describe this phenomena. So, the first of estimation of the solar radiation in EL-Oued region is very important for operation of the machine. The aim of this work is firstly to find, according to operating conditions, the suitable working pair for this system from an efficiency point of view. For this a comparative study, concerning four AC as adsorbent and methanol as refrigerant. Secondly this study aims to investigate the operative temperature influence on the system Performance. Based on this study the main conclusions found out are: • The solar radiation received is very high by using the optimum angle value of the collector/bed. • The cycle COP of 0.618 with a total cooling production Qev, of 5398.60 kJ and a total heat input to the system Qin of 8724.36 kJ. This corresponds to a total daily ice production of 11.16 kg at -3 °C. • Use of this machine, in the region, can save amount electrical energy about 2.1kWh or 1806 10-7 toe of fossil fuel. This corresponds to 1365 10-3 kg of CO2 emission prevented from being released into the atmosphere with avoided a penalty tax of 9310-3 € using this machine. • The most suitable type of AC used as adsorbent was the based on stone coal compared to other types of AC (AC-35, G32-H and NORIT RX3- Extra) associated with methanol as the adsorbate for the machine. • The better performance of the system can be obtained for low ambient and condensation temperature. Whereas, the optimum value of the system performance is obtained for the high evaporation temperature. Besides, the amount of produced ice can be improved when the initial water température is low. ملخص: الهدف الرئيسي لهذا العمل هو دراسة وتقييم أداء آلة تبريد شمسية بالامتزاز تعمل على أساس فحم المنشط كماز وميثانول كممتز. يعتمد نظام التبريد الشمسي قيد البحث على تقنية امتزاز الميثانول على الكربون المنشط لتحويل الطاقة الشمسية إلى تبريد, لهذا قمنا أولا بتطوير برنامج حسابي يسمح لنا بالتنبؤ بالإشعاع الشمسي في كل لحظة في اليوم حسب منطقة الوادي، الجزائر. بعد ذلك تم التطرق إلى دراسة مفصله لعملية تشغيل الآلة عن طريق التحليل الترموديناميكي الكلاسيكي للموازنات الحرارية المعتمدة في الأطوار الأربعة للدورة, حيث تعتبر معادلة دوبينا-استراكوف كمعادلة حالة للتوازن الترموديناميكي. من اجل تعيين الأداء الأمثل للألة، باشرنا في محاكاة عددية ثانية مكتوب بلغة الفوراترون. حيث تم التأكد من صحة نتائج المحاكاة عن طريق النتائج نظرية (بالمحاكاة)، هذا ما يسمح لنا بدراسة تأثير بعض المعالم المهمة على تشغيل الآلة. النتائج المتحصل عليها في هذه الأطروحة تظهر ما يلي: • للحصول على قيمة عظمى للإشعاع يجب وضع اللاقط المغذى للألة بزاوية ميل مثلى. • معامل الأداء الحراري يصل الى 0.618 مع كمية التبريد المنتجة Qev 5398.60 kJ وكمية الحرارة الممتصة Qin من طرف اللاقط تصل الى kJ 8724.36 . كذلك الانتاج اليومى من الثلج يكون حوالى 11.16 كغ عند درجة التبخر 3- درجة مئوية. • تطبيق الآلة في منطقة الواد يمكن أن يؤدي إلى تحقيق وفورة في الكهرباء أي 2.1 كيلوواط يوميا و حوالي 1806 10-7 top من الوقود الأحفوري. وهذا يتوافق مع 1.365 كيلوغرام من غاز ثاني اوكسيد الكربون المنبعثة في الجو مع تجنب فرض غرامة قدرها € 0.093 باستخدام هذه الالة. • الكربون المنشط الأكثر ملائمة للآلة يعتمد على الفحم الحجري من النوع (CarboTech C40/1) مع الميثانول كمبرد. • الزيادة في درجة حرارة التبخر يؤدي إلى الزيادة في أداء الآلة, بالمقابل الزيادة في درجة حرارة التكثيف والمحيطة يؤدي إلى إنقاص أداء الآلة. في حين أن: كمية الجليد المنتجة تتحسن بنقصان درجة حرارة الماء الابتدائية.

This work presents the operating and performance of an adsorption refrigeration system driven by a solar collector. The system operates with activated carbon (AC) as adsorbent and methanol as refrigerant, and Dubinin-Astakhov (D-A) equation was used to describe this phenomena. So, the first of estimation of the solar radiation in EL-Oued region is very important for operation of the machine. The aim of this work is firstly to find, according to operating conditions, the suitable working pair for this system from an efficiency point of view. For this a comparative study, concerning four AC as adsorbent and methanol as refrigerant. Secondly this study aims to investigate the operative temperature influence on the system Performance. Based on this study the main conclusions found out are: • The solar radiation received is very high by using the optimum angle value of the collector/bed. • The cycle COP of 0.618 with a total cooling production Qev, of 5398.60 kJ and a total heat input to the system Qin of 8724.36 kJ. This corresponds to a total daily ice production of 11.16 kg at -3 °C. • Use of this machine, in the region, can save amount electrical energy about 2.1kWh or 1806 10-7 toe of fossil fuel. This corresponds to 1365 10-3 kg of CO2 emission prevented from being released into the atmosphere with avoided a penalty tax of 9310-3 € using this machine. • The most suitable type of AC used as adsorbent was the based on stone coal compared to other types of AC (AC-35, G32-H and NORIT RX3- Extra) associated with methanol as the adsorbate for the machine. • The better performance of the system can be obtained for low ambient and condensation temperature. Whereas, the optimum value of the system performance is obtained for the high evaporation temperature. Besides, the amount of produced ice can be improved when the initial water température is low.

الهدف الرئيسي لهذا العمل هو دراسة وتقييم أداء آلة تبريد شمسية بالامتزاز تعمل على أساس فحم المنشط كماز وميثانول كممتز. يعتمد نظام التبريد الشمسي قيد البحث على تقنية امتزاز الميثانول على الكربون المنشط لتحويل الطاقة الشمسية إلى تبريد, لهذا قمنا أولا بتطوير برنامج حسابي يسمح لنا بالتنبؤ بالإشعاع الشمسي في كل لحظة في اليوم حسب منطقة الوادي، الجزائر. بعد ذلك تم التطرق إلى دراسة مفصله لعملية تشغيل الآلة عن طريق التحليل الترموديناميكي الكلاسيكي للموازنات الحرارية المعتمدة في الأطوار الأربعة للدورة, حيث تعتبر معادلة دوبينا-استراكوف كمعادلة حالة للتوازن الترموديناميكي. من اجل تعيين الأداء الأمثل للألة، باشرنا في محاكاة عددية ثانية مكتوب بلغة الفوراترون. حيث تم التأكد من صحة نتائج المحاكاة عن طريق النتائج نظرية (بالمحاكاة)، هذا ما يسمح لنا بدراسة تأثير بعض المعالم المهمة على تشغيل الآلة. النتائج المتحصل عليها في هذه الأطروحة تظهر ما يلي: • للحصول على قيمة عظمى للإشعاع يجب وضع اللاقط المغذى للألة بزاوية ميل مثلى. • معامل الأداء الحراري يصل الى 0.618 مع كمية التبريد المنتجة Qev 5398.60 kJ وكمية الحرارة الممتصة Qin من طرف اللاقط تصل الى kJ 8724.36 . كذلك الانتاج اليومى من الثلج يكون حوالى 11.16 كغ عند درجة التبخر 3- درجة مئوية. • تطبيق الآلة في منطقة الواد يمكن أن يؤدي إلى تحقيق وفورة في الكهرباء أي 2.1 كيلوواط يوميا و حوالي 1806 10-7 top من الوقود الأحفوري. وهذا يتوافق مع 1.365 كيلوغرام من غاز ثاني اوكسيد الكربون المنبعثة في الجو مع تجنب فرض غرامة قدرها € 0.093 باستخدام هذه الالة. • الكربون المنشط الأكثر ملائمة للآلة يعتمد على الفحم الحجري من النوع (CarboTech C40/1) مع الميثانول كمبرد. • الزيادة في درجة حرارة التبخر يؤدي إلى الزيادة في أداء الآلة, بالمقابل الزيادة في درجة حرارة التكثيف والمحيطة يؤدي إلى إنقاص أداء الآلة. في حين أن: كمية الجليد المنتجة تتحسن بنقصان درجة حرارة الماء الابتدائية