Vol 5 - Numéro spécial IREEC 2

Entropie : thermodynamique – énergie – environnement – économie

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Le laboratoire d’énergétique et environnement de l’école nationale d’ingénieurs de Tunis et le centre d’énergétique et thermique de Lyon se sont associés en mars dernier pour organiser le second colloque international froid énergie et environnement (IREEC2). Ce colloque qui a réuni une centaine de participants, a été organisé avec l’appui de la société tunisienne de dessalement et de l’association tunisienne de réfrigération et climatisation sous l’égide de l’institut international du froid et de l’Association française du froid. Plus de cinquante communications ont été présentées en trois ateliers parallèles ainsi que six plénières. Un franc succès a été remporté par ces présentations dont nous avons retenus quelques exemples marquants qui font l’objet de ce numéro spécial d’Entropie.

Les panneaux photovoltaïques (PV) sont largement utilisés dans les systèmes d’énergie solaire, convertissant directement la lumière du soleil en électricité. Avec la demande croissante de sources d’énergie renouvelable, les panneaux PV ont suscité une attention considérable en raison de leur capacité à générer une énergie propre et durable. Cependant, la performance des panneaux PV est influencée par divers facteurs tels que la conception, les matériaux utilisés ainsi que les facteurs environnementaux. Le refroidissement est un aspect crucial dans le fonctionnement des panneaux PV car les températures élevées peuvent avoir un impact significatif sur leur efficacité et leur performance globale. Le refroidissement à l’eau chargée en nanofluides s’est révélé être une stratégie prometteuse pour atténuer les problèmes liés à la température et améliorer la production d’énergie des panneaux PV. Ce résumé se concentre sur l’application des techniques de refroidissement à l’eau chargée en nanofluides dans les panneaux PV et leur impact sur les performances. Cet article explore l’influence de paramètres tels que le débit massique, la concentration en nanofluides et le type de nanofluide sur la réduction de la température des cellules et les efficacités thermique et électrique résultantes d’un panneau PV situé dans la région de Gabès. L’étude examine trois cas : un panneau PV autonome, un système PV/T avec refroidissement à l’eau et un système PV/T avec refroidissement aux nanofluides. Afin de maximiser l’interaction entre le fluide de refroidissement et la face arrière du panneau solaire, les fluides testés circulent à travers un échangeur de chaleur rectangulaire.

Les étangs sont des larges étendues formées essentiellement de trois zones stratifiées en densités : une zone de stockage d’énergie (couche inférieure convective "LCZ"), une zone d’isolation thermique (couche à gradient "NCZ") et une zone de protection de système contre les aléas naturels tels que le vent et la poussière (couche convective supérieure "UCZ"). La performance et l’efficacité thermique des bassins solaires dépendent de la stabilité de la couche à gradient. Cette dernière, sujette à la double diffusion moléculaire chaleur masse et aux mouvements hydrodynamiques (double diffusion convective) tend à s’homogénéisée. La coexistence des différentes diffusions dans la stratification constitue des phénomènes d’instabilités complexes dont la physique est mal connue jusqu’à ce jour. Dans cette étude, des expériences préliminaires ont montré que la stabilité d’un étang solaire pourrait être augmentée en utilisant des matériaux à changement de phase (PCM) placés au fond de la couche de stockage.

Parmi les applications thermiques de l’énergie solaire, la cuisson solaire est considérée, comme l’une des options les plus simples, les plus viables et les plus attractives en termes d’utilisation de l’énergie solaire. Dans les régions montagneuses isolées, ou dans le désert où les ressources en énergie de bois sont en constante décroissance alors que les besoins en matière de chaleur ne cessent de croitre, la cuisson solaire des produits alimentaires apparaît alors comme le moyen idéal pour remédier à ce problème. La présente étude porte sur la simulation numérique d’un prototype de cuiseur solaire. Ce dispositif est conçu pour assurer la cuisson alimentaire grâce au rayonnement solaire qui sera capté et piégé pour atteindre des niveaux de température favorables à une cuisson alimentaire saine. La modélisation du prototype du cuiseur solaire étudié est réalisée en introduisant les différents échanges thermiques mis en jeu entre les différents éléments du cuiseur solaire. Nous présentons une analyse des résultats de la simulation numérique du système traitée à l’aide du logiciel MATLAB avec un algorithme de calcul basé sur la méthode de Runge-Kutta. Une analyse de l’exergie du four solaire étudié, est effectuée pour analyser et optimiser le fonctionnement du four.

Cet article présente un nouveau système thermodynamique développé pour générer simultanément de l’énergie calorifique chaude et froide pour les processus industriels. Il dispose d’une efficacité accrue par rapport aux systèmes commercialisés et actuellement présents dans l’état de l’art. Le piston hydro-CO₂ combine trois innovations contre-intuitives avec le fonctionnement de cycles thermodynamiques discontinus et ralentis ou le travail mécanique est transféré au fluide frigorigène par un circuit hydraulique sur la base de cycles transcritiques modifiés de Carnot et Rankine. Cela permet de faire fonctionner le cycle sous des transformations thermodynamiques inhabituelles telles que la compression isotherme et la détente pluri-phasique isentropique. Les cycles sont adaptés à la demande et les irréversibilités sont minimisées pour rentre la production/valorisation de froid/chaud très efficace et rentable. Cette étude se centre sur l’analyse énergétique de la technologie pour la production de froid commercial négatif (-20°C) et positif (0°C). Les résultats sont basés sur des études numériques et des modèles validés à l’aide d’outils numériques (EES, Python) et de bases de données thermodynamiques (REFPROP). Les résultats de la simulation comparent les unités frigorifiques de CO₂ transcritiques (STC) au piston hydro-CO₂ au travers de deux études de cas. Les résultats montrent une augmentation de COP allant de 38 à 112 % et démontrent l’efficacité énergétique et potentiel de réduction de l’impact environnemental de la technologie proposée.

Dans cet article, une étude numérique du flux de rayonnement et de la distribution de température d’un récepteur parabolique est réalisée. Le code SOLTRACE est utilisé pour prédire la distribution du flux de rayonnement et le logiciel FLUENT est utilisé pour étudier la distribution de la température. Dans un premier temps, la répartition du flux solaire concentré est calculée à l’aide du logiciel SOLTRACE La distribution de flux de chaleur calculée obtenue est ensuite utilisée comme conditions aux limites de flux de chaleur de paroi pour le récepteur. Dans une deuxième étape de cette étude, les performances thermiques du récepteur sont optimisées par une simulation utilisant le code CFD commercial FLUENT. Différentes configurations de récepteurs sont étudiées afin de définir la configuration optimale pour obtenir les meilleures performances. Le premier est un récepteur cylindrique avec une entrée tangentielle située au fond et une sortie concentrique normale située à sa surface supérieure et le second est un absorbeur en spirale de 19 spires avec une entrée sur sa périphérie et une sortie sur la spirale centrale. L’effet des différentes positions d’entrée-sortie du fluide de travail est réalisé. Deux positions sont étudiées : la première position est caractérisée par une entrée par la périphérie et une sortie par la spirale centrale et la seconde par une entrée par la spirale centrale et une sortie par la périphérie. L’analyse thermique a prouvé que le tube spiralé à 19 spires avec une entrée par la périphérie et une sortie par la spirale centrale est la meilleure configuration qui améliore l’efficacité du récepteur solaire et les performances globales de la parabole solaire.

Le stockage thermochimique basé sur un procédé à sorption chimique solide-gaz est utilisé dans les conteneurs isothermes de transport sous température contrôlée. Le principe repose sur le couplage, via une phase gazeuse, d’un changement d’état liquide/gaz d’un fluide naturel (l’ammoniac) et d’une réaction renversable entre ce dernier et un solide réactif. Il permet ainsi une production différée et régulé de froid offrant une autonomie au conteneur pendant le transport. Cet article présente le principe de la sorption solide/gaz et les résultats de tests de performances thermiques réalisés sur des conteneurs isothermes autonomes pour différentes plages de température. Cette solution permet de transporter les produits thermosensibles entre +2 °C et +8 °C ou entre 0 °C et +4 °C ou en dessous de -18 °C. En fonction du profil de température extérieure, de la température requise, des ouvertures de porte et de l’inertie thermique des produits, l’autonomie du conteneur varie de 8 à 48 heures.

Dans le but d’étudier les caractéristiques de performance d’un système frigorifique à double évaporateur utilisant un éjecteur comme détendeur (DEERS), un modèle mathématique de son fonctionnement basé sur la théorie unidimensionnelle de l’éjecteur et incluant l’effet de frottement de la chambre de mélange, est établi et simulé par le logiciel EES. Pour des températures de réfrigération et de congélation compatibles avec des applications en réfrigération domestique, le code de calcul obtenu est utilisé pour étudier l’influence de la perte de charge de la chambre d’aspiration ΔP, et celle de la nature du frigorigène sur les caractéristiques de performance du DEERS équipé d’un séparateur liquide-vapeur et utilisant des fluides respectueux de l’environnement. Les résultats de la simulation montrent que la chute de pression, ΔP, a une grande influence sur les performances du DEERS. Pour tous les fluides testés, à l’exception du taux d’entraînement de l’éjecteur, U, toutes les autres caractéristiques du système diminuent à mesure que ΔP augmente. Selon ces résultats, c’est le R717 qui conduit aux meilleures performances (COP_imp =29,2 % ; CR_red =27,9 %, et VCC_imp =38,6 %). Les résultats montrent également que l’amélioration COP_imp diminue avec la température de condensation, T_C et atteint un minimum. En revanche, l’amélioration du VCC_imp et la réduction du rapport de compression CR_red ne sont pas affectées par le changement de T_C. De plus, COP_imp, VCC_imp et CR_red augmentent lorsque la température de réfrigération, T_ev1, augmente et la température de congélation, T_ev2, diminue.