L’intégration énergétique des systèmes de production de froid activés par chaleur résiduaire à basse température

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Le marché potentiel d’utilisation de la chaleur résiduelle offert dans les secteurs industriels et la production d'électricité au Canada a été estimé à 1700 PJ / an. La réfrigération par les machines à absorption à partir de ces rejets présente une alternative intéressante par rapport aux machines actuelles qui utilisent des sources à haute température (souvent du gaz). L’objectif général à long terme de ce projet est de produire des avancées technologiques dans le domaine de systèmes intégrés de production de froid, en utilisant des rejets thermiques dans la plage 60C < T < 90C, de façon énergétiquement efficace et rentable. Plus précisément le projet vise à étudier la possibilité de réduire les températures d’évaporation dans les machines à absorption, fonctionnant à partir de chaleur à basse température, par l’intégration d’éjecteurs diphasiques en remplacement partiel des détendeurs. Le travail de détente, perdu lors de ce processus, est récupéré par l’éjecteur, permettant la réduction de la pression à l’évaporateur et l’augmentation de la pression à l’entrée de l’absorbeur, ce qui diminue la température du froid produit et augmente le COP du système. Un premier défi que soulève une telle intégration origine de ce que sa configuration n’est pas unique et peut même impliquer l’installation d’un évaporateur complémentaire, ce qui nécessite la production de froid à deux niveaux de température. Un autre défi résulte du fait que les études sur les éjecteurs diphasiques sont peu nombreuses et leur modélisation est embryonnaire en raison notamment de la structure complexe de l’écoulement. L’intégration de tels systèmes fait appel à l’optimisation structurelle et paramétrique ainsi qu’à l’étude approfondie expérimentale et numérique de l’influence des géométries des éjecteurs sur la température du froid produit et la capacité frigorifique du système intégré. Dû au large espace de recherche opérationnelle le problème s’avère très complexe. Afin de le diviser en une série d’étapes et ainsi simplifier la recherche d’optimum il est proposé d’utiliser une prémisse thermodynamique, qui s’est avérée fructueuse dans les travaux antérieurs du requérant. Dans le contexte de la demande actuelle, elle peut être formulée de la manière suivante : la puissance exergétique d’un éjecteur non intégré et la puissance exergétique du système intégré passent par un maximum pour les mêmes dimensions optimales d’éjecteur, indépendamment du positionnement des éjecteurs sous contrainte que la surface d’échange thermique totale du système reste constante. Afin de vérifier et modifier si nécessaire cette hypothèse 4 tâches inter-reliées doivent être réalisées: 1) la modélisation thermodynamique des éjecteurs diphasiques, 2) la validation de ces modèles avec les données expérimentales obtenues avec le banc d’essai de l’Université de Sherbrooke, 3) le développement d’une méthode analytique permettant d’évaluer l’impact de la variation de la puissance exergétique de l’éjecteur sur la puissance exergétique du système entier; elle servira à optimiser la structure du système et les paramètres d’opération pour une puissance exergétique maximale, 4) la validation des résultats numériques d’optimisation par comparaison avec les données expérimentales obtenues à l’aide d’un banc d’essai d’absorption disponible au LTE-Hydro-Québec. Un tel projet permettrait des gains économiques pouvant atteindre quelque 3 milliards $/ an au Canada. Il permettrait également l’élaboration d’une nouvelle approche d’intégration énergétique applicable non seulement à la réfrigération mais aussi aux différentes technologies de l’utilisation des rejets thermiques : cycles ORC, thermo-transformateurs etc... Trois étudiants gradués feront partie de l’équipe de réalisation de ce projet.