LES INSTALLATIONS EN AU NH3 (partie 1/2)

## Objectifs et prérequis **À la fin de ce chapitre, l’élève sera capable de :** - Décrire le principe de fonctionnement d’une installation à absorption utilisant le couple NH₃‑H₂O. - Identifier les principaux composants (générateur, condenseur, évaporateur, absorbeur, pompe à solution) et leur rôle. - Réaliser un TP comparatif entre une installation à compression vapeur et une installation à absorption, en mesurant températures, pressions et débits. - Calculer le coefficient de performance (COP) des deux cycles et interpréter les résultats. - Appliquer les règles de sécurité spécifiques à l’ammoniac (toxique, inflammable sous certaines conditions) et aux installations frigorifiques. **Prérequis :** - Notions de thermodynamique appliquée (premier et deuxième principe, changements d’état). - Connaissance du cycle de compression vapeur (compresseur, condenseur, détendeur, évaporateur). - Manipulation de base d’instruments de mesure (thermomètres, manomètres, débitmètres). - Règles d’hygiène et de sécurité en atelier technique (port des EPI, ventilation). --- ## Introduction contextualisée Au Cameroun, la demande en froid industriel et en climatisation augmente avec le développement des agro‑industries (transformation du poisson, du lait, des fruits) et du secteur tertiaire (hôtels, bureaux). L’ammoniac (NH₃) reste un fluide frigorigène privilégié pour les grandes installations grâce à son potentiel de réchauffement global (PRG) nul et son excellente capacité thermique. Cependant, sa toxicité et sa légère inflammabilité imposent des contraintes de conception et de sécurité strictes. Ce chapitre présente d’abord les installations à absorption, qui utilisent la chaleur (souvent issue de récupération ou de sources renouvelables) au lieu de l’énergie mécanique d’un compresseur. Ensuite, deux séances de travaux pratiques permettent de comparer directement ce système à la traditionnelle compression vapeur, en mettant l’accent sur les performances énergétiques, les coûts d’exploitation et les aspects environnementaux. --- ## I. Leçon 19 : Les installations à absorption ### A. Principe de l’absorption > **Définition** : L’absorption est un procédé où un fluide frigorigène (NH₃) est absorbé par un solvant (H₂O) dans un absorbeur, puis libéré par chauffage dans un générateur, créant un cycle frigorifique sans travail mécanique de compression. Le cycle NH₃‑H₂O repose sur la forte affinité de l’ammoniac pour l’eau à basse température et sa faible solubilité à haute température. Lorsqu’on chauffe la solution riche en NH₃ dans le générateur, l’ammoniac se vaporise, laissant derrière lui une solution appauvrie qui retourne à l’absorbeur après détente. ### B. Composants principaux | Composant | Fonction | Matériau habituel (Cameroun) | |-----------|----------|------------------------------| | Générateur | Chauffage de la solution riche → vaporisation NH₃ | Acier carbone avec revêtement anti‑corrosion | | Condenseur | Refroidissement de la vapeur NH₃ → liquide | Tubes en cuivre, eau de refroidissement | | Evaporateur | Vaporisation du liquide NH₃ → production de froid | Tubes en acier inoxydable | | Absorbeur | Absorption de la vapeur NH₃ par l’eau pauvre | Acier carbone, revêtement époxy | | Pompe à solution | Circulation de la solution riche/pauvre | Pompe centrifuge, étanchéité aux NH₃ | | Détendeur (ou vanne de réduction) | Réduction de pression avant l’évaporateur | Vanne à aiguille en laiton | ### C. Fonctionnement du cycle d’absorption NH₃‑H₂O 1. **Absorbeur** : La vapeur NH₃ provenant de l’évaporateur est absorbée par l’eau pauvre → solution riche, libération de chaleur (Qₐ). 2. **Pompe** : La solution riche est pressurisée et envoyée au générateur. 3. **Générateur** : Apport de chaleur extérieure (Qg) → vaporisation de NH₃, solution appauvrie renvoyée à l’absorbeur. 4. **Condenseur** : La vapeur NH₃ se condense en cédant sa chaleur latente (Qc) à l’eau de refroidissement. 5. **Détendeur** : Pression du liquide NH₃ réduite → température d’évaporation basse. 6. **Evaporateur** : Le NH₃ liquide s’évapore en absorbant la chaleur utile (Qu) du milieu à refroidir. Le bilan énergétique du cycle s’écrit : \[ Q_g + Q_u = Q_c + Q_a \] où \(Q_u\) représente l’effet frigorifique utile. ### D. Avantages et limites **Avantages** : - Pas de compresseur mécanique → moindre consommation d’électricité. - Possibilité d’utiliser de la chaleur résiduelle (fumées, solaire thermique). - PRG du NH₃ = 0, bon pour l’environnement. **Limites** : - Nécessite une source de chaleur relativement élevée (≥ 80 °C). - Plus volumineux que la compression pour une même puissance frigorifique. - Risque de corrosion et de fuite d’ammoniac (toxique, odeur forte). ### E. Sécurité et normes > **Règle de sécurité** : Toute installation NH₃ doit être équipée d’un détecteur d’ammoniac (seuil d’alarme 25 ppm) et d’un système de ventilation d’urgence pouvant renouveler l’air du local au moins 6 fois par heure. Au Cameroun, le texte de référence est l’Arrêté n° 001/MINESEC du 12 janvier 2018 relatif aux installations frigorifiques utilisant des fluides toxiques. Il impose : - Un périmètre de sécurité de 3 m autour des équipements contenant du NH₃ sous pression. - Un entretien semestriel des soupapes de sûreté et des détecteurs. - La formation obligatoire du personnel au port d’un appareil respiratoire filtrant (ARF) en cas d’intervention. --- ## II. Leçon 20 : TP – Étude comparative des installations à compression et les installations à absorption ### A. Objectif du TP Comparer, sur le même banc d’essai, les performances énergétiques (COP, consommation électrique ou thermique) d’une petite unité de compression vapeur (1 kW frigorifique) et d’une unité d’absorption NH₃‑H₂O de même capacité, en mesurant les paramètres thermodynamiques clés. ### B. Matériel et protocole - **Banc de compression** : compresseur hermétique 12 V, condenseur à air, détendeur capillaire, évaporateur à plaques, manomètres haute/basse pression, thermocouples type K. - **Banc d’absorption** : générateur chauffé par résistance électrique (500 W), condenseur à eau, évaporateur identique à celui du compresseur, absorbeur à échangeur à plaques, pompe à solution débit 0,2 L/min, manomètres, thermocouples. - **Procédure** : 1. Stabiliser chaque circuit à une température d’évaporation de –5 °C et une température de condensation de 30 °C. 2. Enregistrer les pressions (évaporation, condensation), les températures aux entrées/sorties de chaque échangeur, les débits de fluide frigorigène (mesurés par volumétrie) et les puissances d’entrée (électrique pour le compresseur, thermique pour le générateur). 3. Maintenir les conditions pendant 15 min, puis relever les valeurs moyennes. ### C. Mesures à réaliser | Paramètre | Symbole | Unité | Point de mesure | |-----------|---------|-------|-----------------| | Température d’évaporation | Te | °C | Sortie évaporateur | | Température de condensation | Tc | °C | Sortie condenseur | | Pression d’évaporation | Pe | bar | Après détendeur | | Pression de condensation | Pc | bar | Après compresseur/générateur | | Débit massique de NH₃ | ṁ | kg/h | Coriolis ou volumétrie | | Puissance électrique du compresseur | Wc | Watt | Wattmètre sur alimentation | | Puissance thermique du générateur | Qg | Watt | Wattmètre sur résistance chauffante | | Débit d’eau de refroidissement | ṁw | L/min | Flowmeter sur condenseur | ### D. Analyse des résultats Le COP se définit comme : \[ \text{COP} = \frac{Q_u}{W_{entrée}} \] où \(W_{entrée}\) est la puissance électrique pour la compression et la puissance thermique pour l’absorption. On calcule aussi le **COP thermique** pour l’absorption : \[ \text{COP}_{th} = \frac{Q_u}{Q_g} \] Les valeurs typiques obtenues (exemple de relevé) : | Installation | Te (°C) | Tc (°C) | Pe (bar) | Pc (bar) | ṁ (kg/h) | Wc/Qg (W) | Qu (W) | COP | |--------------|---------|---------|----------|----------|----------|-----------|--------|-----| | Compression | –5 | 30 | 1,9 | 11,5 | 12 | 210 | 800 | 3,8 | | Absorption | –5 | 30 | 1,9 | 11,5 | 12 | 450 (Qg) | 750 | 1,7 | On observe que le COP de la compression est plus élevé, mais l’absorption utilise de la chaleur qui peut être gratuite (fumées, solaire). ### E. Tableau comparatif synthétique | Critère | Compression vapeur | Absorption NH₃‑H₂O | |---------|-------------------|--------------------| | Energie d’entrée | Électrique | Thermique (chaleur résiduelle ou solaire) | | COP typique | 3,0 – 4,5 | 0,8 – 1,6 | | Encombrement | Compact | Plus volumineux (générateur + absorbeur) | | Coût d’installation | Moyen | Élevé (échangers spéciaux, matériaux résistants) | | Maintenance | Vérification compresseur, huile | Contrôle pompe, détecteurs NH₃, corrosion | | Impact environnemental | Dépend de l’électricité | Faible si chaleur renouvelable, PRG nul | --- ## III. Leçon 21 : TP – Étude comparative des installations à compression et les installations à absorption (suite) ### A. Interprétation des courbes de performance À partir des relevés, on trace les courbes **Te vs. COP** et **Tc vs. COP** pour chaque système. On note que : - Pour la compression, le COP diminue fortement lorsque Te augmente (moins de différence de température). - Pour l’absorption, le COP est moins sensible à Te mais dépend fortement de la température du générateur (Tg). Une hausse de Tg de 10 °C peut augmenter le COP de 0,2 point. ### B. Calcul du COP – Exemple chiffré Données relevées lors du TP : - Qu (puissance frigorifique utile) = 780 W - Wc (consommation électrique du compresseur) = 205 W - Qg (apport thermique au générateur) = 460 W Calculs : \[ \text{COP}_{comp} = \frac{780}{205} = 3,80 \] \[ \text{COP}_{abs} = \frac{780}{460} = 1,70 \] ### C. Consommation énergétique annuelle (scenario camerounais) Supposons un fonctionnement de 4000 h/an (industrie laitière). - **Compression** : \[ E_{elec} = 205 W × 4000 h = 820 kWh/an \] Avec un coût moyen de l’électricité de 110 FCFA/kWh → 90 200 FCFA/an. - **Absorption** (chaleur récupérée d’une chaudière biomasse à coût négligeable) : \[ E_{therm} = 460 W × 4000 h = 1840 kWh_{th}/an \] Si la chaleur est gratuite, le coût d’exploitation est essentiellement celui de la pompe (≈ 30 W) : \[ E_{pompe} = 30 W × 4000 h = 120 kWh/an → 13 200 FCFA/an \] Ainsi, même avec un COP plus faible, l’absorption peut être économiquement avantageuse lorsque la chaleur est disponible à faible coût. ### D. Impact environnemental - **Compression** : émissions indirectes liées à la production d’électricité (mix camerounais ≈ 55 % hydro, 30 % thermique fossile). - **Absorption** : si la chaleur provient de résidus de scierie ou de solaire thermique, les émissions de CO₂ sont quasi nulles. ### E. Synthèse et conclusion du TP > **Conclusion clé** : Le choix entre compression et absorption dépend principalement de la disponibilité et du coût de la source d’énergie thermique. Dans les zones rurales camerounaises où la biomasse abondante et le réseau électrique faible, l’absorption NH₃‑H₂O représente une solution pertinente pour le froid industriel malgré son COP inférieur. --- ## Synthèse du chapitre - Le cycle d’absorption NH₃‑H₂O utilise la chaleur pour produire du froid sans compresseur mécanique. - Les principaux organes sont le générateur, le condenseur, l’évaporateur, l’absorbeur et la pompe à solution. - Le bilan énergétique : \( Q_g + Q_u = Q_c + Q_a \). - Avantages : faible consommation électrique, utilisation de chaleur résiduelle, PRG nul. - Inconvénients : besoin de source de chaleur ≥ 80 °C, encombrement plus important, risques de toxicité et de corrosion. - Sécurité : détecteurs NH₃ (≥ 25 ppm), ventilation ≥ 6 renouvellements/h, périmètre de sécurité 3 m, entretien semestriel des soupapes et des détecteurs. - En TP, on a mesuré Te, Tc, Pe, Pc, ṁ, Wc/Qg et Qu pour déterminer le COP. - Exemple de résultats : COP compression ≈ 3,8 ; COP absorption ≈ 1,7 avec même puissance frigorifique. - L’absorption devient compétitive quand la chaleur est gratuite ou peu coûteuse (biomasse, solaire). - Impact environnemental : l’absorption peut réduire fortement les émissions de CO₂ si la chaleur provient de sources renouvelables. --- ## Glossaire - **Absorption** : procédé où un fluide frigorigène est dissous dans un solvant puis libéré par chauffage. - **COP (Coefficient de Performance)** : rapport entre l’effet frigorifique utile et l’énergie d’entrée (électrique ou thermique). - **Générateur** : échangeur où la solution riche en NH₃ est chauffée pour libérer la vapeur frigorigène. - **Absorbeur** : échangeur où la vapeur NH₃ est réabsorbée par l’eau pauvre, libérant de la chaleur. - **PRG (Potentiel de Réchauffement Global)** : indice mesurant l’impact d’un gaz sur le réchauffement climatique relatif au CO₂. - **Détecteur d’ammoniac** : dispositif de mesure de la concentration de NH₃ dans l’air, avec seuil d’alarme réglementaire. - **Périmètre de sécurité** : zone autour d’une installation NH₃ où l’accès est limité pour prévenir les risques d’exposition. - **Ventilation d’urgence** : système permettant de renouveler rapidement l’air d’un local en cas de fuite de NH₃. --- ## Exercices d'application corrigés ### Exercice 1 – Calcul du COP d’une installation à absorption Une unité d’absorption NH₃‑H₂O fournit un effet frigorifique de 900 kW. Le générateur reçoit une puissance thermique de 2100 kW. La pompe à solution consomme 30 kW électrique. **Données** : - \( Q_u = 900 \text{kW} \) - \( Q_g = 2100 \text{kW} \) - \( W_{pompe} = 30 \text{kW} \) **Questions** : 1. Calculer le COP thermique de l’absorption. 2. Calculer le COP global en incluant la consommation de la pompe (considérer l’énergie d’entrée comme \( Q_g + W_{pompe} \)). **Corrigé** : 1. \( \text{COP}_{th} = \dfrac{Q_u}{Q_g} = \dfrac{900}{2100} = 0,428 \approx 0,43 \). 2. Énergie d’entrée totale = \( 2100 + 30 = 2130 \text{kW} \). \( \text{COP}_{global} = \dfrac{900}{2130} = 0,422 \approx 0,42 \). *Interprétation* : Le COP reste inférieur à 1, typique pour l’absorption ; la pompe représente une part négligeable de l’entrée énergétique. ### Exercice 2 – Dimensionnement d’un détecteur d’ammoniac Un atelier de transformation du poisson au Cameroun possède une salle de 120 m³ contenant une installation à absorption. La norme exige que la concentration d’ammoniac ne dépasse pas 25 ppm en moyenne sur 8 h. On sait que 1 ppm de NH₃ correspond à 0,7 mg/m³ à 20 °C et 1 atm. **Question** : Quelle masse maximale d’ammoniac (en grammes) peut être présente dans la salle sans dépasser la limite ? **Corrigé** : - Concentration limite en mg/m³ : \( 25 \text{ppm} × 0,7 \text{mg/m³·ppm} = 17,5 \text{mg/m³} \). - Masse maximale = \( 17,5 \text{mg/m³} × 120 \text{m³} = 2100 \text{mg} = 2,1 \text{g} \). Ainsi, la salle ne doit jamais contenir plus de **2,1 g** d’ammoniac sous forme gazeuse. --- ## Erreurs fréquentes et règles de sécurité | Erreur fréquente | Conséquence | Règle de prévention / bonne pratique | |------------------|-------------|--------------------------------------| | Oublier de vérifier l’étanchéité des raccords avant la mise en marche | Fuite de NH₃ → risque d’inhalation, corrosion des métaux | Effectuer un test à l’eau savonneuse ou au détecteur portatif sur tous les joints avant chaque démarrage. | | Utiliser une source de chaleur trop basse (< 80 °C) pour le générateur | Mauvaise désorption, baisse du COP, surchauffe de la pompe | Vérifier la température du fluide caloporteur avec un thermomètre de précision ; ne pas démarrer si < 80 °C. | | Négliger le renouvellement d’air dans le local technique | Accumulation de NH₃, dépassement du seuil d’alarme | S’assurer que le système de ventilation fournit au moins 6 volumes d’air par heure ; contrôler le débit avec un anémomètre mensuellement. | | Confondre les manomètres haute et basse pression lors de la lecture | Erreur de calcul du taux de compression, mauvais réglage du détendeur | Étiqueter clairement les manomètres (HP = haute pression, BP = basse pression) et former le personnel à la lecture croisée. | | Omettre le port de l’appareil respiratoire filtrant lors d’une intervention sur l’absorbeur | Exposition aiguë à l’ammoniac → irritation respiratoire, œdème pulmonaire | Imposer le port d’un ARF conforme à la norme NF EN 149 lors de toute opération d’ouverture ou de maintenance sur les contenant NH₃. | | Ne pas réaliser la vérification semestrielle des soupapes de sûreté | Risque de surpression et d’explosion du générateur | Planifier une vérification tous les six mois : contrôle de la pression de réglage, essai de décharge, remplacement si usure > 20 %. | --- *Fin du cours.*