Design of a thermochemical process for deep freezing using solar low-grade heat

A deep-freezing process has been designed and experimented to cool a cold box down to about −30 °C using only low-grade heat produced by simple flat plate solar collectors operating at 70 °C. The original process involves two cascaded thermochemical systems using BaCl2 salt reacting with ammonia. It works discontinuously, with one day phase of regeneration at high pressure and one night phase of cold production at low pressure. A global dynamic model allows the simulation of the different system components functioning depending on the hourly weather conditions. It takes into account the transient periods and shows the temperature changes of the components, the chemical reactions in the system and its performances. This system will cover the cooling needs of a 560 L cold box at −20 °C during the 3 sunniest months of the year and provide more than 60% of the total yearly cooling needs of this box for the weather conditions of Perpignan (South of France). The prototype is expected to show a system coefficient of performance (COP) of about 0.07 over the 10 sunniest months of the year, and a net solar COP of 0.05, taking into account the collectors efficiencies. Résumé Un système de production de froid très basse température (de l’ordre de −30 °C) a été conçu. II utilise uniquement de la chaleur à basse température (de l’ordre de 70 °C) issue de capteurs solaires plans. Le procédé original défini dans ce but met en oeuvre 2 dipôles thermochimiques fonctionnant en parallèle et produisant du froid en cascade (Figs. 1 et 2). Le sel réactif sélectionné est le BaCl2, reagissant avec 1’ammoniac. Le procédé fonctionne de façon discontinue, avec une phase diurne de régénération (haute pression) et une phase nocturne de production de froid (basse pression). Au cours de la phase de nuit, la chaleur produite par la réaction chimique au sein du reacteur R1 est absorbée par 1’évaporation de 1’ammoniac au sein de l’évaporateur E2, et ce réacteur est descendu à environ 5 °C. Ainsi, l’évaporation de l’ammoniac au sein de E1 à très basse température est possible. Aucun transfert de masse n’a lieu entre les deux systèmes, le transfert est seulement thermique. Une modélisation dynamique mettant en œuvre l’ensemble des différents composants du système permet de simuler son évolution sur une journée puis sur l’ensemble de l’année en prenant en compte les phases transitoires du fonctionnement. La simulation du procédé a été confrontée aux résultats expérimentaux obtenus grâce à un prototype (Fig. 3 et dimensions Table 1) et une bonne concordance a été obtenue. A partir de cette simulation validée, le fonctionnement thermique du procédé peut être étudié (exemple à partir des conditions météorologiques mesurées le 10 juin 2005, Fig. 4). La simulation débute au lever du soleil et présente la phase de chauffage solaire des réacteurs jusqu’à la température d’équilibre d’environ 50 °C (heures 0 à 5) et de décomposition (heures 5 à 13) suivies de celles de refroidissement nocturne des réacteurs et de production de froid par l’évaporateur 1 (heures 13 à 24). Les puissances mises en œuvre sont présentées Fig. 5. La chaleur reçue par les capteurs solaires est seulement en partie utilisée par la réaction chimique. La différence est due en partie au rendement des capteurs solaires et en partie à la nécessité de chauffer les masses thermiques des réacteurs. Parallèlement, les puissances de condensation sont environ deux fois plus faibles que les puissances de réaction, en raison de la différence d’enthalpie des deux processus. L’évaporation et donc la production de froid a lieu en continu au cours de la phase de nuit. De plus, la simulation du système sur l’ensemble de l’année a permis d’évaluer ses performances. Le froid produit pour des journées moyennes de chaque mois est comparé aux besoins de froid d’une chambre froide de 560 L perdant 60 W en continu (Fig. 6). Le COP système de ce procédé original de production de froid à −30 °C est également présenté Fig. 6 en fonction du mois. Sa valeur moyenne atteint 0.07 sur les 10 mois les plus ensoleillés et celle du COP solaire correspondant, 0.05, ce qui est comparable aux performances des procédés de production de froid solaire existants, mais pour des températures de l’ordre de −10 °C.