Réfrigérateur à absorption de gaz
Le réfrigérateur à absorption de gaz utilise une source de chaleur pour faire tourner le cycle qui permettra d'extraire la chaleur, à la place du compresseur utilisé habituellement. Ce mode de fonctionnement est intéressant lorsque l'électricité n'est pas disponible facilement (trop rare, trop chère, compliqué à produire par exemple dans un camping car), ou bien lorsque l'on dispose d'une source de chaleur pratiquement gratuite (fort ensoleillement, gaz ou liquide chaud issu d'une turbine ou d'un procédé industriel, etc.).
Principes
Comme dans les réfrigérateurs à compression, c'est l'évaporation d'un liquide à basse température qui absorbe la chaleur du milieu à refroidir. La différence réside dans la façon dont on crée la haute et la basse pression. Pour le réfrigérateur à compression, c’est le compresseur qui crée la haute et la basse pression. Pour le réfrigérateur à absorption, c’est le phénomène d'absorption qui crée la basse pression alors que la haute pression est obtenue par chauffage.
Ce réfrigérateur utilise deux fluides au lieu d'un seul : le fluide réfrigérant (par exemple l'ammoniac) et un fluide appelé absorbeur qui fait office de compresseur à l'échelle moléculaire (l'eau pour notre exemple, ou plutôt de l'ammoniaque, car il reste toujours de l'ammoniac en solution dans cette eau, à une concentration variable selon les étapes[N 1]).
Description du cycle
Le cycle de refroidissement se déroule en quatre étapes :
- l'ammoniac liquide est vaporisé du côté froid, en absorbant de la chaleur ; il se transforme en ammoniac gazeux[1] ;
- cet ammoniac est absorbé par l'ammoniaque à basse concentration, formant une solution d'ammoniaque concentrée ;
- cette solution est chauffée dans un bouilleur : l'ammoniac s'évapore, sa pression et sa température augmentent, tandis que la solution s'appauvrit et régénère l'ammoniaque à basse concentration[1] ;
- la solution (ammoniaque chaud et peu concentré) est refroidie dans un absorbeur puis retourne dans le compartiment d'absorption ;
Parallèlement, l'ammoniac gazeux à haute pression et haute température passe dans un condenseur pour y être refroidi (évacuant au passage les calories du système), ce qui suffit à le faire retourner à l'état liquide, pour un nouveau cycle[1].
Utilisation
L'absence de compresseur permet un fonctionnement silencieux, ce qui le rend indiqué notamment dans les chambres d'hôtel et les camping-cars.
Il peut être utilisé pour la trigénération pour la production simultanée d'électricité, d'eau chaude et d'air conditionné entre autres.
Aménagements pratiques indispensables
- l'ensemble est sous une pression telle que le fluide réfrigérant (l'ammoniac) est liquide à la température usuelle
- l'exposé de principe suppose que l'ammoniac liquide se vaporise du côté froid, et non du côté du radiateur où on régénère le liquide à partir du gaz chaud. C'est la différence de pression qui permet de réaliser cette condition, mais, sans un artifice, maintenir une différence de pression adéquate est impraticable. L'artifice utilisé consiste à utiliser un troisième gaz, qui ne se dissout pas dans l'eau et qui reste en permanence du côté froid (par exemple, de l'hydrogène) : ce gaz remplit le volume, ce qui pour l'ammoniac est équivalent à un vide partiel (voir pression partielle) qui favorise l'évaporation, et ce, seulement du côté où se trouve ce gaz auxiliaire.
- dans le bouilleur, de l'eau aussi s'évapore. Il est important d'empêcher cette eau de polluer l'ammoniac, aussi organise-t-on la circulation de telle sorte que l'eau reprend sa forme liquide et retourne dans la solution. On en profite pour mettre la solution en mouvement : l'eau condensée et l'ammoniac liquide sont récupérés en haut du circuit, ce qui fournit l'énergie potentielle pour leur mouvement
Variantes
- il existe des variantes utilisant d'autres fluides : de l'eau (fluide réfrigérant) et une solution salée (absorbeur), entre deux compartiments (l'eau sous vide partiel pour l'évaporation de l'eau, l'autre à plus haute pression où on fait bouillir la solution pour récupérer la vapeur d'eau avant de la recondenser pour un nouveau cycle)
- une variante sans cycle, dénommée "Icy Ball", a également été commercialisée dans les années 1920, en Amérique du Nord : une fois son pouvoir refroidissant épuisé (i.e., une fois l'ammoniac évaporé et absorbé), c'est l'utilisateur lui-même qui devait ébouillanter l'engin côté chaud pour forcer l'évaporation, tout en refroidissant le côté froid pour y recondenser l'ammoniac, et remettre l'icy ball en état de servir. On comprend que le frigo ait facilement supplanté ce système.
- la réfrigération par dissolution de sel, connue des cuisinières dépourvues de congélateur pour la fabrication de sorbets, est semblable dans son principe (mélanger de la glace et du sel produit une solution à température négative ; une fois que cette solution a servi, on peut récupérer le sel en évaporant l'eau, et recommencer)
- la chaleur apportée pour faire bouillir la solution est entièrement perdue, ce qui nuit beaucoup au rendement thermique global de la machine
- le fluide frigorifique, outre les qualités usuelles demandées pour cette fonction doit en plus présenter une affinité suffisante avec l'absorbeur, ce qui réduit encore plus le choix. L'ammoniac est un gaz dangereux, qui a été supplanté par le fréon dans les frigo à compression mais pas dans les frigo à absorption. Ce dernier gaz, jugé dangereux pour l'écosystème, est remplacé progressivement puis systématiquement depuis 2001.
Histoire
- Le réfrigérateur à absorption utilise le même principe que le réfrigérateur à adsorption (noter la 2e lettre qui est différente), qui fut inventé par Michael Faraday en 1821[N 2], mais au lieu d'utiliser un solide comme adsorbant, utilise un liquide comme absorbant.
- Le réfrigérateur à absorption fut inventé par Ferdinand Carré en 1859. Ce premier système utilisait l'eau comme absorbant et l'ammoniac comme réfrigérant.
- Un cycle plus complexe utilisant trois fluides fut inventé par Baltzar von Platen et Carl Munters en 1922, pendant leurs études au Royal Institute of Technology de Stockholm, Suède. L'intérêt de cette configuration, connue sous le nom de Platen-Munters est de ne pas requérir de compresseur mécanique. La source chaude est l'unique origine du procédé, d'où un fonctionnement très silencieux. La production commerciale débuta en 1923, et en 1925, la compagnie (AB Arctic) est rachetée par la société Electrolux qui commercialise toujours le système pour les hôtels[N 3] et les camping-cars[N 4], sous la marque Dometic[N 5].
- Albert Einstein et Leó Szilárd ont inventé une autre variante en 1930.
Notes et références
Notes
- On peut utiliser un autre binaire: le bromure de lithium comme absorbant et l'eau pure comme réfrigérant
- https://en.wikipedia.org/wiki/Adsorption_refrigeration
- qui ont besoin d'un système très silencieux
- qui ont besoin d'un système nécessitant peu d’électricité
- https://www.dometic.com/en-us/food-and-beverage/refrigerators?sortBy=Relevance&count=24&v_skuproductgroupdisplay=Absorption+Refrigerators
Références
- B. Réfrigérateur a absorption, sur le site traaad.info
Annexes
Bibliographie
- (en) Andrew Delano (1998). Design Analysis of the Einstein Refrigeration Cycle, sur le site me.gatech.edu
- (en) Theory of Heat Pump Operation, sur le site rcl.eng.ohio-state.edu
- (en) Mark W. Zemansky dans « Heat and Thermodynamics », 4e édition, McGraw-Hill Book Company, 1957, page 235
- (sv) Baltzar von Platen and Carl Munters, Om alstring av kyla (1925)
Articles connexes
Liens externes
- [PDF]+(en) Air Conditioning Thermodynamics, sur le site arb.ca.gov