Réfrigérateur à absorption de gaz

Ce type de réfrigérateur utilise une source de chaleur pour faire tourner le cycle qui pompera la chaleur, au lieu du compresseur utilisé dans les machines plus usuelles. Il est avantageux lorsque l'électricité n'est pas utilisable (trop rare, trop chère, etc.) ou qu'on dispose d'un surplus de chaleur pratiquement gratuit (fort ensoleillement, gaz ou liquide chaud issu d'une turbine ou d'un procédé industriel, etc.). Il peut être utilisé pour la trigénération (production simultanée d'électricité, d'eau chaude et d'air conditionné). Il est de plus pratiquement silencieux.

Comme dans les réfrigérateurs à compression, c'est l'évaporation d'un liquide à basse température qui absorbe la chaleur du milieu froid. La différence réside dans la façon dont on retransforme le gaz en liquide : là où le réfrigérateur à compression utilise une compression mécanique suivie d'un refroidissement, le réfrigérateur à absorption utilise un procédé plus complexe mais sans moteur, détaillé ci-après.

Schéma de principe

Principes

Ce réfrigérateur utilise deux fluides au lieu d'un seul : le fluide réfrigérant (par exemple l'ammoniac) et un fluide appelé absorbeur qui fait office de compresseur à l'échelle moléculaire (l'eau pour notre exemple, ou plutôt de l'ammoniaque, car il reste toujours de l'ammoniac en solution dans cette eau, à une concentration variable selon les étapes), comme on peut utiliser aussi un autre binaire: le bromure de lithium comme absorbant et l'eau pure comme réfrigerant.

• l'ammoniac liquide est vaporisé du côté froid, en absorbant la chaleur ; il se transforme en ammoniac gazeux.
• cet ammoniac est absorbé par l'ammoniaque à basse concentration, formant une solution d'ammoniaque concentrée
• cette solution est chauffée dans un bouilleur : l'ammoniac s'évapore, sa pression et sa température augmentent, tandis que la solution s'appauvrit et régénère l'ammoniaque à basse concentration.
• la solution (ammoniaque chaud et peu concentré) est refroidie dans un radiateur puis retourne dans le compartiment d'absorption
• parallèlement, l'ammoniac gazeux à haute pression et haute température passe dans un autre radiateur pour y être refroidi (évacuant au passage les calories du système), ce qui suffit à le faire retourner à l'état liquide, pour un nouveau cycle.

Aménagements pratiques indispensable

• l'ensemble est sous une pression telle que le fluide réfrigérant (l'ammoniac) est liquide à la température usuelle

• L'exposé de principe suppose que l'ammoniac liquide se vaporise du côté froid, et non du côté du radiateur où on régénère le liquide à partir du gaz chaud. C'est la différence de pression qui permet de réaliser cette condition, mais, sans un artifice, maintenir une différence de pression adéquate est impraticable. L'artifice utilisé consiste à utiliser un troisième gaz, qui ne se dissout pas dans l'eau et qui reste en permanence du côté froid (par exemple, de l'hydrogène) : ce gaz remplit le volume, ce qui pour l'ammoniac est équivalent à un vide partiel (voir pression partielle) qui favorise l'évaporation, et ce, seulement du côté où se trouve ce gaz auxiliaire.

• dans le bouilleur, de l'eau aussi s'évapore. Il est important d'empêcher cette eau de polluer l'ammoniac, aussi organise-t-on la circulation de telle sorte que l'eau reprend forme liquide et retourne dans la solution. On en profite pour mettre la solution en mouvement : l'eau condensée et l'ammoniac liquide sont récupérés en haut du circuit, ce qui fournit l'énergie potentielle pour leur mouvement

Notes

• il existe des variantes utilisant d'autres fluides : de l'eau (fluide réfrigérant) et une solution salée (absorbeur), entre deux compartiment (l'eau sous vide partiel pour l'évaporation de l'eau, l'autre à plus haute pression où on fait bouillir la solution pour récupérer la vapeur d'eau avant de la recondenser pour un nouveau cycle)

• une variante sans cycle, dénommée "Icy Ball", a également été commercialisée dans les années 1920, en Amérique du Nord : une fois son pouvoir refroidissant épuisé (i.e., une fois l'ammoniac évaporé et absorbé), c'est l'utilisateur lui même qui devait ébouillanter l'engin coté chaud pour forcer l'évaporation, tout en refroidissant le côté froid pour y recondenser l'ammoniac, et remettre l'icy ball en état de servir. On comprend que le frigo ait facilement supplanté ce système.

• la réfrigération par dissolution de sel, connue des cuisinières dépourvues de congélateur pour la fabrication de sorbets, est semblable dans son principe (dissoudre une grande quantité de sel dans de l'eau produit une solution à température négative ; une fois que cette solution a servi, on peut récupérer le sel en évaporant l'eau, et recommencer)

• la chaleur apportée pour faire bouillir la solution est entièrement perdue, ce qui nuit beaucoup au rendement thermique global de la machine

• le fluide frigorifique, outre les qualité usuelles demandées pour cette fonction doit en plus présenter une affinité suffisante avec l'absorbeur, ce qui réduit encore plus le choix. L'ammoniac est un gaz dangereux, qui a été supplanté par le fréon dans les frigo à compression mais pas dans les frigo à absorption.

Histoire

Le réfrigérateur à absorption fut inventé par Ferdinand Carré en 1859. Ce premier système utilisait l'eau comme absorbant et l'ammoniac comme réfrigérant.

Un cycle plus complexe utilisant trois fluides fut inventé par Baltzar von Platen et Carl Munters en 1922, pendant leurs études au Royal Institute of Technology de Stockholm, Suède. L'intérêt de cette configuration, connue sous le nom de Platen-Munters est de ne pas requérir de compresseur mécanique. La source chaude est l'unique origine du procédé, d'où un fonctionnement très silencieux. La production commerciale débuta en 1923, la compagnie (AB Arctic) étant ensuite rachetée par Electrolux en 1925.

Albert Einstein et Leó Szilárd ont inventé une autre variante en 1930.

Bibliographie

• En suédois : Baltzar von Platen and Carl Munters, Om alstring av kyla (1925)

• (en) Andrew Delano (1998). Design Analysis of the Einstein Refrigeration Cycle. Retrieved September 13, 2005.

• (en) avec un schéma, peut-être de source Electrolux :

How It Works, Details about the absorption system. Retrieved September 13, 2005.

• (en) : très détaillé : Ohio State University Center of Excellence in Absorption Technology: Theory of Heat Pump Operation

• (en) : Mark W. Zemansky dans « Heat and Thermodynamics », 4ème édition, McGraw-Hill Book Company, 1957, page 235

Source

• Air Conditioning Thermodynamics

Voir aussi

• Réfrigérateur

• Portail du froid et de la climatisation