Pompe à chaleur à vaporisation (par pulvérisation et atomisation).

L'énergie à dépenser pour faire fonctionner une pompe à chaleur est utilisée principalement pour la compression de la vapeur du frigorigène,
 soit mécanique (pompe à chaleur à compression), soit thermique (pompe à chaleur à absorption).

Dans le système décrit, c'est la vaporisation (par pulvérisation et atomisation) du frigorigène dans un gaz support à haute pression qui permet d'obtenir le frigorigène à haute pression :
l'énergie nécessaire à la pulvérisation (atomisation) étant inférieure à l'énergie nécessaire à la compression (en comparant avec un système à compression), le coefficient de performance sera plus élevé.


1. DESCRIPTION.








Le couple NH3/H2O a été choisi comme exemple mais d'autres couples pourraient convenir.
De même, le gaz support pour la vaporisation peut être un autre gaz que l'air.

Quatre éléments principaux constituent le système (figure 1) :
- dans la zone basse pression :
1) le désorbeur qui reçoit des calories de la source froide et libère NH3 gaz,
2) le condenseur dans lequel le gaz NH3 se condense grâce au refroidissement dans le vaporisateur (spray), un échangeur reliant les deux éléments,
- dans la zone haute pression :
3) le vaporisateur (spray) dans lequel le réfrigérant liquide (NH3 liquide) est vaporisé par pulvérisation dans le gaz support (air) avec diminution de la température et apport de calories du condenseur,
4) l'absorbeur dans lequel le gaz NH3 contenu dans l'air est absorbé avec apport de calories à la source chaude.

Il faut y ajouter :
- un échangeur solution absorbeur/solution désorbeur,
- un échangeur air/air+NH3,
- pompes, circulateur, robinet de laminage et régulation de l'ensemble.


2. ENSEMBLE VAPORISATEUR(SPRAY) - CONDENSEUR.






Voir figure 2.
Condition principale : la température dans le vaporisateur doit être suffisamment basse pour permettre la condensation de NH3 dans le condenseur.

t3 : température de NH3 gaz entrant dans le condenseur
tc : température de condensation de NH3 dans le condenseur (tc < t3)

t1 : température de l'air entrant dans le vaporisateur
tmin : température minimum dans le vaporisateur
t2 : température de l'air saturé en NH3 en sortie du vaporisateur.

a) t3 = t2 + pincement
   t1 = t2 + pincement
d'où : t1 = t3.

b) Calcul de tmin.

1) Teneur x en NH3 dans l'air (en kg/kg).

Si on accepte l'approximation des gaz parfaits, on a :
pour un kg d'air sec : P(air) * V = R(air) * T
pour x kg de gaz NH3 : P(NH3) * V = x * R(NH3) * T
R(air) = 29,24 m/)K
R(NH3) = 49,87 m/°K
P(totale) = P(air) + P(NH3) (Loi de Dalton)

On obtient : x = 0,586 * P(NH3)/(P(totale)-P(NH3)) (1)

2) Enthalpie.
Voir figure 2.
Pour 1 kg d'air sec : i = 0,24 * t1 (en Kcal/kg).
Pour 1 kg d'air saturé de x kg de NH3 : i = 0,24 * tmin + x * (i(vap sat) - i(liq sat)) = 0,24 * tmin + x * Q(vap)
(x et Q(vap) considérés à la température tmin).

La transformation est consdérée comme isenthalpique.
On a : 0,24 * t1 = 0,24 * tmin + x * Q(vap)
soit : tmin = t1 - (x * Q(vap)) / 0,24  (2)

3) Exemple.
Le système doit être constitué de deux étages A et B (voir figure 3) pour obtenir une température supérieure suffisante.
On peut estimer valablement la différence de température entre tc (température de condensation de NH3 dans le condenseur) et tm (température minimum dans le vaporisateur) à minimum 20°C pour assurer la condensation de NH3.



Etage A.

Données suivant figure 3 :
t1 = t3 = -25°C
tc = -42°C
pression inférieure : 0,7 kg/cm²
pression supérieure : 5 kg/cm²
Par approximations successives, on obtient tmin = -42 -23 = -65°C

Vérification.
Données suivant le tableau des constantes de la vapeur saturée de NH3, à -65°C :
p'= 0,223 kg/cm²
Q(vap) = 343,9 kcal/kg

D'où : x = 0,586 * 0,223/(5 - 0,223) = 0,0274 kg/kg

tmin = -25 - (0,0274*343,9)/0,24 = -25 - 39,26 = -64,26°C






Etage B.

Données suivant figure 3 :
t1 = t3 = 10°C
tc = -10°C
pression inférieure : 3 kg/cm²
pression supérieure : 20 kg/cm²
Par approximations successives, on obtient tmin = -10 -23 = -33°C

Vérification.
Données suivant le tableau des constantes de la vapeur saturée de NH3, à -33°C :
p'= 1,0576 kg/cm²
Q(vap) = 326,54 kcal/kg

D'où : x = 0,586 * 1,0576/(20 - 1,0576) = 0,0327 kg/kg

tmin = 10 - (0,0327*326,54)/0,24 = 10 - 44,49 = -34,49°C

Nous obtenons donc bien, pour chaque étage A et B, une différence de température un peu supérieure à 20°C, entre la température de condensation de NH3
et la température minimum dans le vaporisateur.

Remarque : en pratique, l'élément "condenseur" peut être constitué simplement d'un tube en spirale (ou autre forme d'échangeur)  à l'intérieur de l'élément "spray".




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