Principe de production du froid > Cycle frigorifique tritherme

Cycle frigorifique tritherme théorique

Si l’on dispose d’une troisième source de chaleur, il est possible de remplacer l’apport de travailmécanique du cycle ditherme par un apport de "chaleurmotrice" à un niveau de température supérieur à la source chaude (une source donc très chaude !). De la chute de température entre le "très chaud" et le "chaud", il est possible d’obtenir un effet moteur.





Le principe d’un tel cycle est présenté dans la figure 1.10. Si on note Th la température de la troisième source, l’application du premier principe mène à :



Le second principe nous permet d’écrire, pour un cycle réversible et en supposant que les échanges de chaleur se font à la température des sources :



Le coefficient de performance d’un tel cycle frigorifique tritherme s’écrit :



soit en reportant l’équation 1.25 :



D’après 1.24 :



d’où :



et donc :



Remarquons que l’expression de ce coefficient de performance fait abstraction de la technologie employée. Il s’agit du COP théorique pouvant être obtenu par un cycle réversible entre trois sources de chaleur.

Cycle à absorption

Le cycle à absorption est une exemple de cycle tritherme. Il peut être vu comme un cycle à compression de vapeur dont la compression est réalisée de manière thermique. Ainsi on retrouve les principaux composants déjà cités, condenseur, détendeur, évaporateur.



Le compresseur est par contre remplacé par l’ensemble de composants constitué d’un absorbeur, d’une pompe et d’un bouilleur, comme présenté dans la figure 1.11.

Le fonctionnement de ce "compresseur thermique" peut être décrit de la manière suivante :

1. Le réfrigérant à l’état vapeur à la sortie de l’évaporateur est envoyé dans l’absorbeur où il est absorbé partiellement par le liquide. Ceci est un processus exothermique, il faut donc extraire de la chaleur de l’absorbeur
2. Une solution riche en réfrigérant est alors pompée de l’absorbeur vers le bouilleur (on passe alors de la basse pression à la haute pression, avec une consommation électrique très inférieure à ce que l’on aurait avec un compresseur)
3. La solution est chauffée par une source de chaleur à haute température afin de désorber le réfrigérant de la solution (phénomène endothermique). Les vapeurs libérées sont alors entraînées vers le condenseur.

Ce cycle met en oeuvre au moins 3 sources de chaleur. Une source de chaleur supplémentaire à haute température est en effet nécessaire au niveau du bouilleur afin de désorber le frigorigène contenu dans la solution.

Ce cycle était celui utilisé par Ferdinand Carré (solution eau-ammoniac) dans sa machine qui fabriquait des cubes de glace, invention présentée à l’exposition universelle de 1867.

Cycle à adsorption

Le cycle à adsorption est un autre exemple de cycle tritherme. On utilise cette fois la capacité qu’ont certains solides de fixer des molécules de vapeur à leur surface sans modifier leur nature chimique. On parle alors d’adsorption.



La figure 1.12 présente une machine frigorifique utilisant le rayonnement solaire comme troisième source de chaleur (gratuite). Ce cycle fermé est donc par nature un cycle intermittent, se décomposant en deux phases distinctes :

1. Phase 1 - Durant la période d’ensoleillement (le jour), les vapeurs du fluide (par exemple de l’eau) sont désorbées et migrent vers le condenseur, où elles sont condensées en échangeant avec l’air extérieur. La désorption est une réaction endothermique, l’énergie étant ici apportée par le rayonnement. Notons que lors de cette phase la vanne d’isolement est fermée.
2. Phase 2 - Lorsque l’ensoleillement cesse (la nuit), la vanne d’isolement est ouverte et l’eau migre vers l’évaporateur. Cette eau s’évapore en absorbant la chaleur du compartiment réfrigéré. Les vapeurs reviennent vers l’adsorbeur (le mécanisme d’adsorption jouant le rôle de "pompe") où elles sont à nouveau adsorbées (la sorption étant exothermique, la chaleur est ici dégagée dans l’ambiance).