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Avancées des recherches sur les systèmes frigorifiques à absorption à l’ammoniac

Un article récent a passé en revue la littérature sur les refroidisseurs à absorption qui utilisent l’ammoniac comme frigorigène, avec de l’eau (H2O), du nitrate de lithium (LiNO3), et un mélange de nitrate de lithium + eau (LiNO3 + H2O) comme substances absorbantes. 

Les systèmes frigorifiques à absorption sont assimilables à des systèmes frigorifiques à compression qui utilisent des compresseurs thermiques. Ils offrent l’avantage d’une consommation réduite d’électricité et n’utilisent pas de frigorigènes nocifs pour l’environnement tels que les CFC et HFC. Malgré des coûts d’investissement élevés, les coûts d’entretien sont relativement faibles. Toutefois, les systèmes frigorifiques à absorption sont des équipements lourds dont le COP (coefficient de performance) est inférieur à celui des systèmes frigorifiques à compression de vapeur. Afin d’améliorer l’efficacité et la performance des systèmes frigorifiques à absorption, le choix des fluides actifs (frigorigènes et absorbants) est crucial. 

 

Un article récent a passé en revue la littérature sur les refroidisseurs à absorption qui utilisent l’ammoniac comme frigorigène, et l’eau (H2O), le nitrate de lithium (LiNO3), et le mélange nitrate de lithium + eau (LiNO3 + H2O) comme substances absorbantes. Les principaux aspects examinés par les auteurs étaient les propriétés thermodynamiques des mélanges, les corrélations numériques, l’amélioration des processus de transfert de chaleur et de masse dans le compresseur thermique, les études énergétiques et exergétiques, les applications actives et passives utilisant l’énergie solaire, ainsi que les prototypes et équipements alternatifs disponibles. 

 

Propriétés thermodynamiques des fluides actifs 

 

Les auteurs de l’article de synthèse ont constaté que les mélanges commerciaux LiBr/H2O et NH3/H2O présentaient plusieurs inconvénients tels que la corrosion, les problèmes de cristallisation, le fonctionnement à basse pression et le problème de toxicité. En comparaison, les mélanges NH3/LiNO3 et NH3/(LiNO3 + H2O), ont montré de meilleurs résultats, en particulier lorsque l’on envisage l’utilisation de l’énergie solaire comme source d’énergie pour le système.  

 

L’ajout d’eau comme absorbant dans le mélange avec du NH3 a permis une meilleure performance dans le processus d’absorption et de désorption. Le mélange ternaire a conduit à des performances encore meilleures lorsque des échangeurs thermiques à plaques étaient utilisés, permettant une réduction de la taille et du coût du refroidisseur à absorption, ainsi qu’une facilité d’installation. 

Par ailleurs, les auteurs ont identifié des études soutenant l’utilisation de fluides ioniques dans la solution pour augmenter l’efficacité des processus de transfert de chaleur et de masse dans les systèmes frigorifiques à absorption.

Dans l’ensemble, les études thermodynamiques ont été un moteur dans la recherche de fluides actifs alternatifs, et dans la recherche de systèmes de froid à absorption plus efficaces, compacts et flexibles, pour des applications résidentielles et industrielles. 

 

Les configurations utilisant de l’énergie solaire 

 

En raison d’une température d’alimentation plus basse, les refroidisseurs à absorption qui utilisent des fluides actifs alternatifs (NH3/LiNO3 et NH3/LiNO3 + H2O) peuvent être activés avec de l’énergie thermique obtenue via des capteurs solaires. L’un des principaux avantages est une réduction de la consommation d’électricité. Cependant, l’utilisation de systèmes de stockage thermique et de capteurs devient obligatoire pour une meilleure efficacité lorsque l’énergie solaire est utilisée dans les refroidisseurs à absorption.  

Ceci a été résolu avec des configurations alternatives, tels que des refroidisseurs à absorption à effets multiples (double et triple effet avec des COP plus élevés). En outre, plusieurs études ont montré que les composants d’un système à éjection amélioraient l’efficacité thermique et électrique. 

 

En utilisant l’énergie solaire comme source d’énergie dans les systèmes à absorption avec des fluides actifs alternatifs, les auteurs ont trouvé des valeurs de COP comparables à celles des refroidisseurs à absorption à effet unique conventionnels, autour de 0,6-0,7. Néanmoins, ces valeurs de COP ont été obtenues avec des températures d’alimentation d’environ 60-90 °C, qui sont inférieures aux températures d’alimentation dans les systèmes conventionnels. Ces résultats encouragent l’utilisation de l’énergie solaire dans les refroidisseurs à absorption aux configurations avancées, notamment pour les applications résidentielles.  

Les auteurs de l’article de synthèse ont identifié plusieurs études présentant des prototypes qui semblent techniquement et financièrement viables. Toutefois, à la connaissance des auteurs, il n’y a actuellement aucune commercialisation de masse de systèmes frigorifiques à absorption qui utilisent l’ammoniac avec différents absorbeurs à eau. 

 

Recommandations pour de futures recherches 

 

Sur la base des connaissances actuelles sur les systèmes frigorifiques à absorption, d’autres recherches sont encore nécessaires pour améliorer leurs performances. Les auteurs suggèrent les priorités suivantes pour de futures recherches :  

  • Réduire le coût et la taille des refroidisseurs à absorption, en développant une meilleure configuration des échangeurs de chaleur, en particulier, les absorbeurs et générateurs pour le compresseur thermique.  
  • Développer des fluides ioniques alternatifs pour augmenter le transfert de chaleur et de masse, et réduire la quantité de fluide actif transporté pour le système frigorifique à absorption, afin de réduire la taille et donc le coût.   
  • Étudier d’autres fluides actifs alternatifs fonctionnant à des températures plus basses et utilisant des sources d’énergie renouvelable, telles que l’énergie solaire. Ces systèmes fourniraient du froid pour des applications résidentielles et pour des bâtiments de petite et moyenne capacité. 

 

 

Source 

Lima, A.A.S.; Leite, G.d.N.P.; Ochoa, A.A.V.; Santos, C.A.C.d.; Costa, J.A.P.d.; Michima, P.S.A.; Caldas, A.M.A. Absorption Refrigeration Systems Based on Ammonia as Refrigerant Using Different Absorbents: Review and Applications. Energies 2021, 14, 48. https://doi.org/10.3390/en14010048