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Objet

L'objectif est d'acquérir une expertise dans l'optimisation des cycles ouverts à adsorption au moyen de l'analyse entropique. Cette analyse entropique a donc d'abord été développée sur un prototype expérimental testé à Kumamoto. Les variations des irréversibilités avec divers facteurs sont bien mises en évidence.

Description

Un climatiseur à cycle ouvert avec roue adsorbante (gel de silice) comporte en plus de la roue (D sur Figure 1), un échangeur régénérateur (SHE), deux évaporateurs ``flash`` (EV1 et EV2) et un système de chauffage (HS) qui est la source d'énergie du cycle. L'air extérieur traverse la machine en suivant le trajet 1->4, l'air extrait de la pièce climatisée suit le trajet 5->9. L'analyse du procédé met en évidence le caractère ouvert du cycle et sa consommation en eau liquide, cette dernière étant rejetée sous forme vapeur dans l'atmosphère. Le bilan entropique est établi en imaginant deux systèmes ``virtuels`` (notés C et E dans la Figure 1) qui permettent de fermer le cycle, l'ensemble (A+C+E) n'échangeant plus que de la chaleur avec l'extérieur. Les bilans des systèmes C et E intègrent donc les échanges de masse et de chaleur avec l'air extérieur et l'air climatisé. Le bilan entropique fait apparaître les productions d'entropie dues aux échanges dans les systèmes C et E. Ces irréversibilités ne sont donc pas attachées à un composant de la machine mais à son caractère ouvert.

En outre, toutes les productions d'entropie sont adimensionnalisées dans une échelle [0-1] où 1 correspond au COP de Carnot du cycle tritherme et où 0 correspond à un COP nul.

Enfin, cette analyse a été validée sur des résultats expérimentaux obtenus à Kumamoto University (Figure 2a). Les valeurs numériques montrent que la différence entre le COP de Carnot et le COP du cycle réel ne s'explique complètement qu'en prenant en compte les irréversibilités dans les systèmes C et E (Figure 2b).

Résultats et perspectives

Parmi les paramètres opératoires dont l'influence est étudiée, la température de source chaude T_h est particulièrement complexe car elle influence aussi le COP de Carnot. Notre analyse adimensionnelle permet de présenter très simplement les variations des différentes irréversibilités avec cette température (Figure 3). Cette analyse donne des pistes intéressantes pour l'augmentation des performances du cycle.

Ainsi établie, cette méthode d'analyse va maintenant être appliquée à une pompe à chaleur à lit de zéolite dans le cadre d'une collaboration avec le ZAE Bayern (Allemagne).

Elle ouvre aussi la voie pour l'analyse entropique de systèmes ouverts plus complexes, par exemple ceux modélisés en Mécanique des Fluides Numérique.

Références

[1] Pons M. and Kodama A. : ``Second law analysis of the open cycle for solid desiccant air conditioners'', Proc. Int. Sorption Heat Pump Conf., Munich March 24-26, pp. 389-394, 1999.
[2] Pons M. and Kodama A. : ``Entropic analysis of adsorption open cycles for air-conditioning'', part 1: first and second law analyses, sous presse in Int. J. Energy Research.
[3] Kodama A. , Jin W., Goto M., Hirose T. and Pons M.: ``Entropic analysis of adsorption open cycles for air-conditioning'', part 2 : interpretation of experimental data, sous presse in Int. J. Energy Research.

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