A. Projet de pompe à chaleur.
Ce projet de pompe à chaleur est basé sur deux principes indépendants l'un de l'autre : d'une part, l'effet Venturi et d'autre part, l'absorption/désorption du gaz ammoniac (NH3) par l'eau (H2O).
1. L'effet Venturi.
Un conduit dans lequel circule un fluide se rétrécit entre 1 et 2 (section S1 > section S2).
D'après la conservation du débit (S1v1 = S2v2), la vitesse du fluide augmente (v2 > v1).
Cette augmentation de la vitesse entraîne une diminution de la pression (d'après le théorème de Bernoulli).
Il y a donc création d'un vide avec aspiration du gaz présent.
Ci-dessous un exemple de fabrication simple d'un venturi et l'aspiration de l'air extérieur.
Voir la vidéo de SANCHAI
2. L'absorption/désorption.
Le gaz ammoniac (NH3) se dissout dans l'eau avec un fort dégagement de chaleur (absorption) et inversément, un apport de chaleur permet d'extraire l'ammoniac de l'eau (désorption).
Le graphique ci-dessous donne la pression de NH3 au-dessus de la solution en fonction de la température et de la concentration en NH3 de la solution.
3. Pompe à chaleur.
En combinant les deux principes dans un circuit fermé et en ajoutant (figure 3) :
- une pompe P pour assurer la circulation de la solution à la pression souhaitée,
- un premier échangeur de chaleur avec la source froide dans le désorbeur,
- un deuxième échangeur de chaleur avec la source froide au niveau du gaz ammoniac après la détente dans la turbine,
- un échangeur de chaleur avec la source chaude dans l'absorbeur,
- une turbine pour récupérer le travail de détente de l'ammoniac,
on obtient une pompe à chaleur.
Le système proposé nécessite de l'énergie pour la compression d'un liquide, ce qui nécessite beaucoup moins d'énergie que la compression d'un gaz.
B. Estimation du coefficient de performance minimum.
Le coefficient de performance minimum peut s'évaluer ainsi :
L'enthalpie moyenne de dissolution de NH3 dans H2O est égale à - 1,790,9 J / g ou - 428 Kcal / kg.
- pression différentielle estimée : 10 bars (suivant le graphique et en considérant l'énergie (de pression et cinétique) NULLE à l'entrée dans la pompe),
- débit minimum estimé à : 1 l/min
Ce qui équivaut à une puissance théorique pour la pompe de : 1*10/600 = 0,025 KW.
Par comparaison, on peut valablement estimer la puissance réelle au double de la puissance théorique, soit 0,050 KW.
D'autre part, si on considère la quantité de NH3 désorbée à minimum 10 p.c. par minute, on a :
Q = env. 40 Kcal par minute, soit 2.400 Kcal par heure, soit 2,79 kWh.
On obtient : COP = .2,79 / 0,050 = 55,8.
La valeur élevée du coefficient de performance vient du fait que ce système dépend de 2 phénomènes indépendants (absorption/désorption de NH3 et effet Venturi).
C. Estimation de l'énergie récupérée par la turbine.
Suivant le diagramme (p, t°, conc.) et pour l'exemple ci-dessus, le rapport de pression varie de 1,5 à 2.
(γ - 1)/γ
En considérant la détente comme isentropique, on a Ti/Tf = (pi/pf)
en prenant Ti = 273 °K (0 °C) et γ = 1,33
on obtient Tf = 247°K (- 26 °C) pour un rapport de pression de 1,5
et Tf = 229 °K (- 44 °C) pour un rapport de pression de 2.
Energie détente = cv (Tf - Ti) en kcal/kg avec cv = 0,39 kcal /kg * °K
- 10%, soit 100 g par min, soit 6 kg par heure
- pour obtenir le résultat en kWh, on multiplie par 0,00116222
- en multipliant les divers rendements (isentropique 0,7 * mécanique 0,7 * électrique 0,85)
on a : rendement global = 0,4
soit Energie récupérée par la détente de NH3 = 0,39 * (Tf - Ti) * 6 * 0,00116222 * 0,4
on obtient Energie récupérée : 0,028 kWh pour un rapport de pression de 1,5
et 0,048 kWh pour un rapport de pression de 2
pour une énergie dépensée de 0,050 kWh.
Ce sont des calculs approximatifs, mais on peut tirer deux conclusions :
1) l'énergie récupérée n'est pas négligeable (même à 10% de désorption),
2) la diminution de t° plus importante dans EF2 (en comparant avec celle dans EF1) permettrait l'alimentation en froid d'un congélateur et d'un réfrigérateur en plus de la clim, ce qui diminuerait le besoin global en électricité.
D. Remarques.
1) Pour augmenter la température dans l'absorbeur (si nécessaire), le plus simple est de prélever des calories dans l'absorbeur pour préchauffer les 2 fluides (NH3 et solution) avant l'entrée dans le divergent donc avant le mélange.
2) Pour augmenter le travail fourni par la turbine, on peut réchauffer le gaz avant l'entrée de la turbine par la source chaude.
3) Pour favoriser l'extraction du gaz dans le désorbeur, on peut insérer, en amont après l'absorbeur, soit une turbine, soit un robinet de laminage, pour diminuer la pression.
4) Cette idée a fait l'objet d'une publication spontanée dans "Research Disclosure" sous le n ° 647017 et ppartient au domaine public.
5) Si quelqu'un désire faire des essais et étant donné les pressions, il lui appartient de prendre les précautions nécessaires pour se protéger des dangers du contact et de l'inhalation de gaz ammoniac NH3.
E. Essais partiels effectués.
1) Une demande avait été adressée à CHIMIE PERSPECTIVES : les responsables du test n'ont pas pu utiliser une trompe à eau car interdite dans les labos pour cause de pollution.
Ils se sont servis d'une petite pompe de labo.
Les seuls enseignements à en tirer concernent la baisse de température (de 18,9°C à -1,7°C) et la vitesse de désorption (de 30% à 14,5% en 15 sec).
2) Essai "maison" avec une trompe à eau : de 12% à 0% en 50 sec
DETAIL IMPORTANT : avant un test, il est indispensable d'avoir un vide le plus grand possible pour éviter la présence d'air (comme c'est le cas pour toute installation de pompe à chaleur classique).