Dr (HDR) Sylvain Serra

Résumé : Cette thèse s'inscrit dans le cadre du projet SCRIB (“dispositif Solaire de Climatisation Réversible Intégré au Bâti”) porté par la société Helioclim. Ce projet est financé par l'état français dans le cadre des « Investissements d'avenir » pilotés par l'ADEME (Agence de l'Environnement et de la Maîtrise de l'Energie). Le but de ce projet est de développer une solution de climatisation solaire réversible capable de répondre à l'ensemble des besoins thermiques des bâtiments industriels et tertiaires (climatisation, chauffage, production de froid industriel, eau chaude sanitaire). Le système est constitué d'une machine à absorption réversible, alimentée par un système de capteurs solaires innovants. Le cycle de la machine à absorption est en configuration GAX (Generator-Absorber heat eXchange – échange de chaleur entre le générateur et l'absorbeur).

Ce travail de thèse s'est intéressé au développement d'un outil logiciel aidant à la conception et au contrôle d'une telle machine. Un modèle de connaissance prenant en compte les paramètres de fonctionnement et de dimensionnement a été ainsi mis en œuvre. L'originalité de ce travail repose sur les points suivants :

- L'outil logiciel propose plusieurs modules qui permettent de simuler différentes configurations de machine à absorption (mono ou multi-étagée).

- Les propriétés thermodynamiques des mélanges ont été modélisées à l'aide de modèles basés sur l'utilisation d'une équation d'état ou d'un modèle d'enthalpie libre d'excès. Ainsi, le couple fluide pourra être facilement changé.

- Un modèle de « Flash Positif » permet de prédire l'état de chaque courant (liquide sous-refroidi, liquide-vapeur ou vapeur surchauffée) sans poser d'hypothèses a priori. Chaque courant est considéré multiconstituant.

- Les bilans matière et d'énergie sont écrits pour les différents appareils (évaporateur, absorbeur, détenteur,...).

- Le générateur est modélisé par un empilement d'étages théoriques. Les équations MESH (Mass balance, Equilibrium, Summation, Heat balance) ont été écrites pour chaque étage.

- Les inerties thermiques et de matière sont prises en compte.

Les résultats de simulation obtenus à l'aide de cet outil logiciel ont été comparés avec succès à une étude publiée qui concernait un cycle GAX fonctionnant avec le couple ammoniac/eau. A l'aide de cet outil, le régime permanent et le comportement dynamique du système soumis à une perturbation peuvent être simulés, ce qui peut constituer une aide importante dans le développement de la politique de contrôle du système.

Mots-clés : Climatisation Solaire, Machine à absorption, Modèle Dynamique, Equation d'état, Flash Positif, Etage théorique.

Abstract: This PhD thesis was carried on in the framework of the SCRIB project (“dispositif Solaire de Climatisation Réversible Intégré au Bâti”) led by the Helioclim company. This project is funded by the French government (“Investissements d'Avenir” operated by the French Agency for Energy and Environment, ADEME). The goal of this project is to develop a reversible solar cooling system which can respond to a set of thermal requirements in industrial and tertiary building sector (cooling system, heating system, industrial cooling system and domestic hot water). Thus an ammonia/water absorption chiller prototype, powered by innovative thermal solar concentrators, has been built. This absorption chiller has a GAX (Generator-Absorber heat eXchange) configuration.

This PhD work focused on the development of a support tool for the conception and the control of such device. A software tool has been developed implementing knowledge-based model, which took into account the operating and design parameters of the absorption chiller. The key originalities of the proposed work are as follows:

- The software has been designed in a modular way allowing the simulation of various absorption chiller configurations (single or multi-stage).

- The thermodynamic properties of the mixture have been modeled by equation of state or excess Gibb's energy model. The working fluids can then be changed easily.

- A “Positive Flash” model allows the description of all the possible states (sub-cooled, super-heated, biphasic...) of the various streams which are all considered as multicomponent mixtures, without a priori assumptions.

- The various devices (evaporator, absorber, valves, etc.) are modeled from balance equations (mass, energy).

- The generator is modeled using the concept of theoretical plates. MESH equations (Mass balance, Equilibrium, Summation, Heat balance) have been written for each stage.

- Both thermal and material inertia are considered.

Simulation results obtained with this software have been successfully compared to an earlier published experimental study for a GAX configuration absorption chiller which used ammonia/water as working fluids. Thanks to this tool, the steady state and the transient behavior of the system submitted to a perturbation can be simulated, which can be helpful for the development of the control policy of the absorption chiller.

Key words: Solar cooling, Absorption Chiller, Dynamic Model, Equation of State, Positive Flash, Theoretical plates.