La rectification-inverse

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  • AVERTISSEMENT

    Ce document est le fruit d'un long travail approuv par le jury de soutenance et mis disposition de l'ensemble de la communaut universitaire largie. Il est soumis la proprit intellectuelle de l'auteur. Ceci implique une obligation de citation et de rfrencement lors de lutilisation de ce document. D'autre part, toute contrefaon, plagiat, reproduction illicite encourt une poursuite pnale. Contact : ddoc-theses-contact@univ-lorraine.fr

    LIENS Code de la Proprit Intellectuelle. articles L 122. 4 Code de la Proprit Intellectuelle. articles L 335.2- L 335.10 http://www.cfcopies.com/V2/leg/leg_droi.php http://www.culture.gouv.fr/culture/infos-pratiques/droits/protection.htm

  • ECOLE NATIONALE SUPERIEURE DES INDUSTRIES CHIMIQUES

    LABORATOIRE DES SCIENCES DU GENIE CHIMIQUE

    THE SE

    prsente

    L'INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE LORRAINE

    Sujet:

    pour l'obtention du titre de

    Docteur de L'INPL

    Spcialit : GENIE DES PROCEDES

    par

    JALEL LABIDI

    Ingnieur en Gnie Chimique Ecole Nationale des Ingnieurs de Gabes (TUNISIE)

    LA RECTIFICATION-INVERSE MODELISATION ET APPLICATIONS AUX

    THERMOTRANSFORMATEURS ET THERMOFRIGOPOMPES

    Soutenue publiquement le 26 Novembre 1992 devant la commision d'examen

    Jury: Prsident: M. P. LEGOFF

    Rapporteurs : M. M.BARKAOUI M. D.CLODIC

    Examinateurs : M. K.DALI M. S. SCHUFFENECKER M G. VALENTIN

  • A mes parents pour leur amour

    A mes frres et soeurs pour leur encouragement

  • AVANT- PROPOS

    Le prsent mmoire a t effectu au Laboratoire des Sciences du Gnie Chimique

    (LSGC), laboratoire propre du Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)

    abrit par l'cole Nationale Suprieure des Industries Chimique, au sein de l'quipe

    ESVE dinge par Monsieur le Professeur Pierre LE GOFF.

    Je tiens lui exprimer ma gratitude et ma reconnaissance pour la confiance qu'il

    m'a accord, pour l'aide et l'encadrement prcieux qu'il m'a apport tout au long de mes

    travaux de recherche ainsi que pour l'important complment de formation que j'ai pu

    acqurir ses cts.

    J'adresse mes remerciements M. BARKA OUI, Professeur et Directeur de

    l'Ecole Suprieure de Technologie (MAROC) et M. CLODIC, Professeur l'Ecole des

    Mines de Paris, pour avoir accepter d'examiner et de juger ce travail, malgr leurs

    nombreuses occupations.

    Mes remerciements vont galement M. SCHUFFENECKER, Professeur

    l'INPL (ENSIC), M. VALENTIN, Directeur de Recherche au CNRS (LSGC) et M K.

    DALI, Prsident Directeur Gnral de l'Agence de Matrise de l'Energie de Tunisie pour

    l'honneur qu'ils me font dejuger ce travail.

    Je tiens exprimer ma sincre amiti et reconnaissance pour tous mes collgues de

    l'quipe ESVE : Thierry Cachot, Ricardo Rivero, Barbara Schwarzer, Arnold

    Soetrisnanto, Herv Le Goff, M'Baye Niang, Mojtaba Semnani, Eric Thomas, Silvio De

    Oliveira Jr., Mohamed R. Jeday, Baiqi Liu, Alain Lasalle, Pascal M. Ranger et Hitoki

    Matsuda, qui ont su rendre mon sjour parmi eux agrable et enrichissant.

    Je ne saurais oublier la contribution de Christine Maunier la ralisation de la

    partie exprimentale de ce travail. Qu'elle reoive mes remerciements.

    J'adresse mes hommages respectueux Madame J. Le Goff, qui part ses qualits

    humaines et sa prsence a su crer une ambiance familiale au sein de l'quipe.

    Un grand merci aussi Dominique Stork et Christelle Chan pour la promptitude et la qualit de la frappe de ce rapport.

  • RESUME

    Le principe de la "rectification-inverse" repose sur la possibilit de rcupration du "travail de sparation", fourni prcdemment dans une sparation effectue par rectification directe (=distillation fractionne). 11 s'agit en somme d'une opration de mlangeage de deux corps pouvant se prter de telles oprations.

    L'association d'une colonne de rectification directe et d'une colonne de "rectification-inverse" constitue une pompe chaleur d'un nouveau type, qui prsente de nombreuses avantages :

    -La possibilit d'utiliser n'importe quel couple, mme les mlanges idaux, ce qui constitue une rvolution dans le domaine des pompes chaleur absorption o les mlanges utiliss jusqu' prsent taient limits quelques uns et prsentaient souvent des inconvnients ds a leurs proprits physico-chimiques.

    -L'utilisation d'un appareillage classique conu pour les oprations unitaires du gnie chimique.

    - Les pompes chaleur fonctionnant selon le principe de la rectification-inverse, sont caractriss par un fonctionnement proche de la rversibilit, ce qui amliore leurs performances.

    Dans cette tude, nous dveloppons, dans le premier chapitre, les bases thermodynamiques du principe de la "rectification-inverse" et les diffrentes modes de couplage d'une colonne de rectification-inverse et d'une colonne de rectification directe. Le second chapitre est consacr la simulation du fonctionnement de diffrentes structures de mlangeur, tandis que le chapitre suivant est une validation exprimentale des rsultats de la simulation.

    Le quatrime et le cinquime chapitre sont des applications du principe de la rectification-inverse pour laborer respectivement des thermotransformateurs et des thermo-frigo-pompes.

    Le dernier chapitre traite des critres de choix des couples : absorbant 1 rfrigrant.

  • ABSTRACT

    A new type of absorption heat pump is proposed, in which a rectification column (fractional distillation column) and a "reverse-rectification" column are combined. The two components of a working pair are separated in the frrst column and re-mixed in the second. This new absorption heat pump can operate as a type I, a type II, a refrigerator, or a heat-cold pump and presents several advantages:

    * a very wide choice for the working pair : even ideal mixtures can be used. *a quasi-reversible operation, which maximizes the exergy efficiency. * a conventional technology using fractionating columns already used in the chemical industries.

    In this work, we have developed the thermodynamic bases of the reverse-rectification principle. Different ways of coupling a rectification column and a reverse rectification column are described.

    Four different structures of the reverse-rectification column are modelled and compared by numerical simulation.

    A laboratory scale reverse-rectification column was constructed and operated under atmospheric pressure with the working mixture: water-ethylene glycol.

    Two applications of such a new type of heat pump are presented : a heat transformer and a heat-cold pump.

    Different criteria have been developed to select suitable couples for beat pumps working with the reverse-rectification principle.

  • PLAN GENERAL

    INTRODUCTION GENERALE p. 1

    CHAPITRE 1 : LA RECTIFICATION-INVERSE p. 4

    CHAPITRE II : SIMULATION DES MELANGEURS OPERANT SELON LE PRINCIPE DE LA RECTIFICATION-INVERSE p. 36

    CHAPITRE III : ETUDE EXPERIMENTALE p. 107

    CHAPITRE IV : THERMOTRANSFORMATEUR p. 135

    CHAPITRE V: FRIGOPOMPE ET THERMO-FRIGO-POMPE p. 169

    CHAPITRE VI : NOUVEAUX COUPLES p. 191

    CONCLUSION GENERALE p. 203

    ANNEXES

  • INTRODUCTION

    1

  • INTRODUCTION

    La recherche de meilleures conditions de vie et de confort a conduit l'homme une intensification de la consommation de l'nergie sous ses diffrentes formes: ptrole, gaz, charbon, lectricit ...

    Cette tendance a engendr des effets nfastes pour notre plante : pollution de l'atmosphre, effet de serre, progression des dserts, fonte de la banquise, altration de la couche d'ozone atmosphrique ...

    La prise de conscience mondiale des dangers qui guettent la terre, a conduit les chercheurs et les industriels dvelopper l'utilisation rationnelle et efficace de l'nergie dans les procds industriels.

    Dans ce contexte, la revalorisation des chaleurs rsiduaires gnres par de nombreux procds industriels, par le biais des pompes chaleur, est une mesure attractive aux niveaux nergtique et conomique.

    Pour atteindre cet objectif, trois catgories de pompe chaleur peuvent tre envisages :

    - les pompes chaleur compression - les pompes chaleur sorption - les pompes chaleur chimiques.

    Les pompes chaleur compression sont les plus rpandues, ce qui relguait les deux autres types des utilisations limites voir marginales. Mais l'interdiction rcente de l'utilisation des CFC comme fluides de travail dans les pompes chaleur compression mcanique, cause de leurs implications dans la destruction de la couche d'ozone offre une perspective de dveloppement des pompes chaleur chimiques et sorption et particulirement les pompes chaleur absorption.

    Le Professeur P. LE GOFF a appliqu depuis les annes 80 une dmarche originale pour dvelopper les pompes chaleur absorption et leurs applications en axant les recherches de son quipe sur trois thmes :

    - l'amlioration technologique des diffrents organes d'une pompe chaleur absorption (absorbeur, dsorbeur ... )

    - l'utilisation de nouveaux concepts et la transposition des concepts classiques du gnie chimique pour dvelopper des nouvelles pompes chaleur plus performantes.

    - la recherche de nouveaux couples de travail notamment pour les hautes tempratures (>200C).

    Le prsent travail s'inscrit dans cette dmarche ambitieuse, et constitue la suite chronologique de travaux, effectus par d'autres membres de l'quipe ESVE.

    Ds lors que toute pompe chaleur absorption fait intervenir deux processus : la sparation et le mlangeage ; il est ncessaire, voir impratif, de s'intresser chacun des deux processus, en vue de perfectionner les pompes chaleur absorption