frigo thermochimique: bonne ou mauvaise idée ?

[douarn]

Bonjour à tous (c'est mon premier message ).

Il y a quelques temps, je me suis posé la question de savoir s'il ne serait pas possible de mettre à profit la propriété qu'a le sel de nitrate d'ammonium de consommer de l'énergie lorsque celui-ci est dissout dans l'eau.

Je vous ai fait un petit schéma pour synthétiser le principe sur le thème très théorique de sa mise en oeuvre dans le cadre de la réalisation d'un système de climatisation auto qui prendrait sa source d'énergie du circuit d'eau du moteur. Ce n'est qu'un exemple, bien sûr toute autre source de chaleur pourrait être utilisée pour faire du froid (mais aussi peut être de l'eau chaude en plus).

Le principe consiste à porter à 80°C une solution de nitrate d'ammonium et d'en évaporer l'eau (un bête marais salant en quelque sorte). On compresse légèrement l'air saturé d'humidité à 80°C (dépassement du point de rosée) dans un échangeur pour condenser et refroidir l'eau. En refroidissant la solution de nitrate d'ammonium sursaturée on la fait cristalliser. Enfin le remélangeant de l'eau distillée et de la solution de nitrate d'ammonium sursaturée, conduit à un fort abaissement de la température car la dissolution de sel de nitrate d'ammonium dans l'eau est endothermique.

Le second schéma essaie de dresser le bilan thermodynamique théorique du principe. Soyez indulgents, je ne suis pas physicien/thermodynamicien et il est probable qu'il y ait des erreurs à ce niveau.

Je vous soumet donc cette idée car j'aimerai savoir s'il n'y aurait pas quelque chose à creuser à partir de ce principe. Il y a probablement d'autres sels plus intéressant (dangereux?) que le nitrate d'ammonium (mais je n'avais que les données que pour ce seul sel). Enfin quid des problèmes d'entartrage/bouchage des tubes... Bref beaucoup de questions...

Merci d'avoir lu mes élucubrations
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[archeos]

Hello!
C'aurait été mieux si tu avais joint les schémas!

[douarn]

zut alors il me semblait pourtant ...

[Zozo_MP]

Bonjour Douarn

Avez-vous fait une première approche du bilan thermique et frigorifique.

Supposons que dans votre voiture en plein été (35°) vous vouliez avoir entre 18° et 21° il va falloir mettre dans le circuit du froid (combien de frigorie).

A partir de là combien d'eau/sel devra monter à 80° donc combien de calories le moteur devra-t-il dispenser pour que l'ensemble du circuit arrive au nombre de frigories utiles.

N'oublions pas une pompe pour faire circuler tout ça autrement que par thermosiphon.

A partir de là on doit pouvoir calculer (pas moi ! mais mes petits copains du forum) la taille des échangeurs qui doivent petits (être inférieur à celle d'une locomotive à vapeur pour que ce soit valable. Je plaisante )

Cordialement

[A voir en vidéo sur Futura]

[douarn]

Merci pour votre réponse. Dans un premier temps je précise que l'idée d'en faire une clim pour voiture ne visait qu'à en trouver une application concrète très théorique. Je me dis bien que beaucoup de paramètres doivent être considérés, ceux que vous évoquez auquel doit s'ajouter le poids, l'encombrement ... Du coup je commence à regretter d'avoir présenté le système sous cet angle...

Alors oui j'ai fait une première approche chiffrée du bilan, mais qui ne vaut que se qu'elle vaut dans le second schéma

[Zozo_MP]

Bonsoir

Ne regrettez rien c'est très bien de poser un problème ou une idée.

Le forum est fait pour cela.

D'ailleurs la solution est peut être valable pour un véhicule à moteur ou dans un autre environnement où l'on est moins contraint par la place et/ou le poids . Si d'aventure la taille des échangeurs ne permettait plus de le mettre dans un véhicule il y a plein d'applications industrielles.

Cordialement

[richard 31]

bonjour,
désolé je ne vais pas aussi loin dans quelque calcul que ce soit,
mais il me semble y voir un système bien connu sur le principe (quoique) le froid via un système a absorption a base d'ammoniac qui lui ne nécessite aucun système compressif ou tournant,
une source de chaleur y suffit(température du circuit de refroidisssement moteur par exemple) pour effectuer le transfert de calories (zozo "frigories", j'aime pas trop ce terme par principe mais bon ne pas m'en vouloir !!! (pas taper!!! suis fragile)

[douarn]

le système fonctionne différemment du couple NH3/CaCl2. Pour ce que j'en sais de ce dernier, il y a désorption du gaz ammoniac par la chaleur du premier réservoir et condensation du gaz ammoniac vers un second réservoir qui lui est relié. Lorsque la source de chaleur "s'éteint", la pression à l'intérieur du système chute, l'ammoniac passe à l'état gazeux ("phase de la fabrication du froid") et est réadsorbé par le CaCl2 du premier réservoir. Le cycle peut recommencer.

Dans le cas présent, le principe repose sur la dissolution endothermique de sel de nitrate d'ammonium dans l'eau (enthalpie de solvatation = 26,2 KJ/mol). D'autres sels pourraient être aussi intéressant comme KNO3 (34,9 KJ/mol) ou KClO4 (52 KJ/mol)

[alopex]

Bonsoir,

Le système que vous décrivez est bien un système à absorption comme le dit richard31 mais se rapproche du système existant utilisant comme sel le bromure lithium. Système utilisé couramment aux USA pour les clim tertiaires.

[douarn]

Merci Alopex, après mûre réflexion c'est effectivement un système à absorption dont le couple est le suivant NH₄NO₃/H₂O, le principe semble donc valable.

J'irai faire une recherche approfondie à partir des mots clefs que vous mettez.

D'autre part je n'y avais jamais vraiment pensé avant mais à ma connaissance il n'a jamais été développé un systeme de climatisation auto puisant son énergie sur le circuit de refroidissement d'un moteur (énergie "gratuite" donc).... qu'il fonctionne à partir du couple NH₃/CaCl₂ ou n'importe quel autre. Me trompe-je?

[alopex]

Hello
@Douarn: chapeau quand même d'avoir "réinventé" ce système ce qui témoigne d'une bonne culture scientifique et d'un esprit créatif.
Tu ne trouveras pas grand chose en français par contre avec "absorption chiller" et sur les sites de Trane et Carrier tu devrais trouver
plein de choses intéressantes.
Ces machines sont la base de la climatisation solaire qui est une application très intéressante des EnR: plus il fait chaud, plus on obtient de froid dont on a alors besoin (exemple rare d'adéquation besoin/ressource).
En France ou l'électricité coute moins cher que la chaleur, la rentabilité est très aléatoire sauf en valorisation de chaleur "secondaire".

[chatelot16]

les machine frigorifique a bsorbtion se comporte exactement comme le couplage d'un moteur thermique et d'une machine frigorifique a compression

quel que soit les produit chimique utilisé le rendement maximum sera determiné par 2 cycles de carnot

le probleme est qu'on commence avec une source chaude pas tres chaude , donc un mauvais rendement

donc les machine a absorbtion on un rendement bien plus faible qu'une machine frigorifique classique

meme quand on a du combusdtible a bruler une machine a vapeur plus une machine a compression fait mieux : le seul interet et le silence pour les tout petit frigidaire : mais ce n'est meme pas simple ...

utiliser la chaleur de l'echappement pour faire une clim a absorbtion : trop lourd et encombrant

j'y ai pensé pour les tracteur agricole ou les engin de travaux public , ou le poid est moins genant : sans interet : il y a des tas d'element de ces machine qui ont des mauvais rendement pour reduire le prix : il y a plus d'economie d'energie a faire en mettant plus de prix dans des element principaux qu'en s'emcombrant avec une clim a absorbtion

[invite2313209787891133]

Bonjour

Ce ne sont pas les températures qu'il faut prendre en compte mais les quantités d'énergie.

La dissolution d'une mole de NH4NO3 permet d'absorber environ 25kj, mais pour évaporer ensuite l'eau il faut la même quantité d'énergie, plus environ 182 kj, soit 207 kj, autrement dit on consomme environ 200 kj pour en absorber 25.

La surface des radiateurs est à prendre en compte également, un calcul à la louche montre qu'il faut environ 10 à 15 fois plus de surface pour condenser l'humidité contenue dans l'air que pour dissiper la chaleur de l'eau du circuit de refroidissement, en considerant l'échange parfait, c'est à dire aucun delta de temperature dans les échangeurs.

[douarn]

Je vous remercie tous de vous être intéressé à mon petit problème.

En fait la condensation de l'humidité de l'air est effectuée par la légère surpression et le dépassement du point de rosée (ce que j'ai indiqué par "air sursaturé" dans le schéma), la température est abaissée ensuite par l'échangeur. Bon comme je le précise tous les deux messages, je ne suis pas un spécialiste et ce peut être une mauvaise option. En ce qui concerne la taille des échangeurs, c'est clair je n'ai aucune idée de leurs dimensions.

En fait ce système pourrait produire de l'eau chaude + du froid. Son utilisation serait probablement plus à même d'intéresser les dispensaires de pays en voie de développement ou on est pas contraint par la place mais seulement par le coût du système (pas de forte pression et des matériaux qui se trouvent probablement dans toutes les casses automobiles).
Merci

[chatelot16]

vous pouvez faire les calcul complet avec toutes les energie echangé , mais c'est trop compliqué pour moi

je prefere me contenter de considerer l'ensemble comme une machine thermique dont le rendement maxi est limité par carnot

si le procedé consome de la chaleur a 500°C on peut esperer un bon rendement , si ca consome de la chaleur a moins de 100°C le rendement sera minable

bien sur dans un echapement de voiture il y a de la chaleur gratuite , mais en quantité limité : si le rendement est trop faible on obtiendra beaucoup moins que ce qu'il faut pour une climatisation

l'interet des cycle chimique est different : ne pas marcher en circuit fermé : separer la machine qui recupere la chaleur , et celle qui fait le reste du cycle

par example transformer un pot d'echappement en four a secher du chlorure de calcium : operation couteuse en chaleur qui deviendrait gratuite

[alopex]

Hello,
@Chatelot: tu es un peu dur avec les machines à absorption qui ont quand même des applications intéressantes. Effectivement, si on a du combustible, on peut faire un moteur de 30% de rendement avec une machine à compression de cop 3 et on a bien 90% d'efficacité comme avec une machine à absorption (en double effet on atteint 110 à 120%). L'intérêt, c'est d'utiliser de la chaleur à basse température style panneau solaire thermique pour lequel on ne peut pas faire de moteur efficace pour faire du froid ET du chaud.
C'est pareil en trigénération ou on a meilleur temps de vendre l'électricité et d'utiliser une partie de la chaleur du circuit de refroidissement (température suffisante) pour faire du froid.

[chatelot16]

@Chatelot: tu es un peu dur avec les machines à absorption

alopex on est a peu pres d'accord : les machines a absorbtion on un rendement assez faible et sont utile quand on a une source de chaleur gratuite et abondante

mais il ne faut pas se faire d'ilusion je trouve l'atelage moteur thermique + machine frigorifique plus performant

[douarn]

@Dudulle

on consomme environ 200 kj pour en absorber 25

J'en déduis que le rapport est de 25/200=0,125.

@chatelot16
rendement de carnot = (Tc-Tf) / Tc
Si j'utilise les Températures de mes calculs du schémas bilanThermo.jpg j'en déduis que le rendement maxi = (353-303)/353=0,141

Dans mon bilan thermo, en partant de l'utilisation de 10KWh j'en avais calculé l'absorption de 1,28KWh soit 1,28/10=0,128. J'en déduis que mes calculs de bilans ne devait pas être si faux que cela
Bon cela ne fait qu'une machine qui n'a qu'un médiocre rendement d'environ 10%... pour faire du froid, et rejette 90% de l'énergie mais une énergie qui peut être valorisée pour faire de l'eau chaude sanitaire par exemple.

[chatelot16]

je viens de voir tes schema qui n'etait pas validé aui debut

ce principe semble plus pratique que le frigidaire a absorbsion a amoniaque , car dans ton systeme il n'y a pas de pression

pourquoi 80°C ca oblige a melanger a de l'air : le condenseur devra etre enorme : au dessus de 100° en fesant bouillir la solution directement dans le bloc moteur ca sera plus simple

ensuite il ne suffit pas de calculer la chaleur absorber , il faut aussi calculer les debit a faire passer dans les tuyaux : c'est la que j'ai peur , que ca demande des tuyaux trop gros

je me mefie de la circulation entre le reservoir chaud et le reservoir froid : si l'echangeur n'est pas assez efficace ca va gaspiller tout le froid produit

je prefererai que le chauffage fasse une concentration methodique : et si il faut chauffer bien plus que 100° pour faire bouillir une solution tres concentré ca ne sera que mieux pour le rendement : et en plus ca reduira le debit a faire circuler et reduira l'importance de l'echangeur

[douarn]

Merci Chatelot16 de ta réponse.
je me suis permis de poser ces conditions de températures pour 2 raisons :
1- l'idée de base étant d'utiliser des sources de chaleur peu intéressantes car trop basses pour des machines classiques (au détriment il est vrai du rendement) : refroidissement moteur, panneau solaire, rejet d'eau chaude d'usines, ...
2- ce faible rendement doit être contre-balancé par le fait que le système nécessite peu d'investissement au départ et peu de coût d'entretien : pas de pression, pas de machine qui tourne vite (et donc pas d'usure), constructible par un honnête bricoleur à partir de pièces simples et couramment utilisées, pas de produit chimique onéreux (juste un peu d'engrais : NH₄NO₃)

80°C c'est la conséquence de tout cela. De plus dans l'exemple que j'ai développé on utilise du sel de nitrate d'ammonium (le seul dont j'avais les données nécessaires à mes calculs) (NH₄NO₃), un engrais (aussi appelé ammonitrate) qui a déjà défrayé la chronique pour son caractère explosif. Je pense que pas mal de gens ici m'auraient fait remarquer ce point important. Donc on ne chauffe pas trop de l'ammonitrate : 80°C c'est aussi pour cela. Toutefois, comme je le précisais dans un message précédent, d'autres sels peuvent être plus intéressants dans d'autres gammes de température dont le nitrate de potassium (KNO₃ peu onéreux) et probablement le bromure de lithium (LiBr) moins courant et qui doit coûter beaucoup plus cher.

La raison pour laquelle j'ai présenté ce système ici est, il est vrai, lié au fait que je touche aux limites de mes compétences. Je suis sûr que passer à plus de 100°C serait intéressant tant en terme de rendement que de dimensionnement de tubes, mais je suis fichetrement embêté pour préciser tout cela.
Ceci pour dire que cette petite idée dormait au fond de mon disque dur depuis un bout de temps, déjà sans qu'elle ne me serve à rien et pire, sans que je ne sache si c'est vraiment une bonne ou une mauvaise idée .... alors je me suis lancé sur ce forum au risque d'être ridicule 5 min

[invite2313209787891133]

(NH₄NO₃), un engrais (aussi appelé ammonitrate) qui a déjà défrayé la chronique pour son caractère explosif. Je pense que pas mal de gens ici m'auraient fait remarquer ce point important. Donc on ne chauffe pas trop de l'ammonitrate : 80°C c'est aussi pour cela.

Le nitrate d'ammonium est très stable par nature, tu peux jeter un sac dans un feu ça n'explosera pas.
Cet engrais est d'ailleurs transporté en solution dans l'eau à 130°C, dans des citernes calorifugées et chauffées, pour augmenter la miscibilité. La seule limite concerne la température d'ébullition.

[chatelot16]

la temperature de l'eau de refroidissement d'un moteur est inferieure a 100° pour eviter l'ebulition , mais si le but est de faire de la vapeur ce n'est pas un probleme de le laisser chauffer a 100°c ou meme plus

les moteur a refroidissement a air depassent largement 100° sans probleme

faire bouillir directement dans le bloc moteur evite un echangeur

evaporer l'eau a une temperature inferieure a l'ebulition serait a mon avis trop lent ou necessiterait une trop grande surface

reste a savoir si la solution d'amonitrate est corosive ?

[chatelot16]

on peut aussi utiliser une temperature inferieure a 100°c non pas en diluant avec de l'air mais en reduisant la pression ( vide )

[douarn]

@Chatelot16 :

on peut aussi utiliser une temperature inferieure a 100°c non pas en diluant avec de l'air mais en reduisant la pression ( vide )

c'est vrai et c'est très possible dans le cas de certaines applications mais là on a besoin de faire une dépression plus ou moins poussée. Dans ce cas je sortais des conditions que je m'étais fixé :

2- ce faible rendement doit être contre-balancé par le fait que le système nécessite peu d'investissement au départ et peu de coût d'entretien : pas de pression, pas de machine qui tourne vite (et donc pas d'usure), constructible par un honnête bricoleur à partir de pièces simples et couramment utilisées, pas de produit chimique onéreux (juste un peu d'engrais : NH4NO3)

Un bon site pour avoir une idée du point d'ébulition de l'eau en fonction de la température et de la pression (équation d'Antoine) est le suivant : http://webbook.nist.gov/cgi/cbook.cg...nits=SI&cTP=on
=> l'eau bout à 350°K (~ 80°C) à une pression de 0,42 Bar (c'est pas une très grande dépression mais il faut de l'energie pour la créer et je ne suis pas sûr que le bilan énergétique global soit favorable dans ce cas)


Cela pourrait être envisageable que la solution puisse bouillir dans le moteur. Je verrai deux précautions à prendre :
1- s'assurer de la compatibilité des matériaux
2- toujours assurer un "mouvement" de la solution à l'intérieur du moteur, car si de la solution stagne trop en certains points, il y a fort à parier qu'il y ait des phénomènes d'entartrages (ie cristallisation du nitrate d'ammonium). Les moteurs ne semble pas fait pour refroidir à partir d'une solution saline, je crois d'ailleurs que les liquides de refroidissement du commerce sont fabriqué à partir d'eau déminéralisée.

@Dudulle :
je ne connaissais pas ce mode de transport de l'ammonitrate. Il semble donc qu'il n'y ait pas trop de précaution à prendre de ce côté. Au fait avez vous les solubilités=f(température) pour l'ammonitrate? je sais que ce sel est très soluble mais je n'ai qu'une confiance limitée dans les données qui sont à ma disposition.

Merci

[chatelot16]

si le circuit est bien etanche , la pompe a vide ne fonctione qu'une fois pour faire le vide , ensuite il n'y a plus que les eventuelle fuite a evacuer : il n'y aura pas de puissance perdue

par contre la dilution avec de l'air necesitera de faire circuler un gros debit d'air : prix et poid de gros tuyaux , puissance perdue dans le ventilateur

[douarn]

si le circuit est bien etanche , la pompe a vide ne fonctione qu'une fois pour faire le vide , ensuite il n'y a plus que les eventuelle fuite a evacuer : il n'y aura pas de puissance perdue

OK ça y est je pige la manip.