Étude d'une compression refroidie par injection d'huile dans un compresseur scroll : application au remplacement du R-410A dans les groupes refroidisseurs d'eau

Study of a cooled compression by oil injection in a scroll compressor : application to R-410A substitution in water chillers

• Auteur / Autrice : Rani Hanna
• Direction : Assaad Zoughaib
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Energétique et Procédés
• Date : Soutenance le 23/11/2016
• Etablissement(s) : Paris Sciences et Lettres (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre Efficacité Énergétique des Systèmes. Paris
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement de préparation de la thèse : École nationale supérieure des mines (Paris ; 1783-....)
• Jury : Président / Présidente : Khalil El Khoury
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Assaad Zoughaib, Michel Feidt
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Marc Clausse, Vincent Lemort

Mots clés

Mots clés contrôlés

Compresseurs

Fluides frigorigènes

Tours de refroidissement -- Aspect environnemental

Mots clés libres

Groupes refroidisseurs d’eau

Réfrigérants

GWP

Efficacité énergétique

Compression refroidie

Injection d'huile de lubrification

Water chillers

Refrigerants

GWP

Energy efficiency

Cooled compression

Injection of lubricating oil

Résumé

Le problème du réchauffement climatique actuel conduit au renforcement des règlementations environnementales. Ainsi, le domaine du génie climatique est affecté par ces évolutions réglementaires, ce qui impose le passage à une nouvelle génération de réfrigérants à plus bas impact environnemental. Dans cette thèse, ce sujet est étudié dans le cas des groupes refroidisseurs d’eau utilisant le R-410A qui est visé par la réglementation. Mais, résoudre ce problème ne s’arrête pas au simple changement du réfrigérant par un autre à plus bas GWP ; il faut que la transition soit accompagnée par une amélioration ou un maintien de la puissance frigorifique et de la performance énergétique du système par crainte d’avoir un effet environnemental inverse parce que la consommation énergétique représente un plus grand effet sur l’impact environnemental que celui du GWP du réfrigérant.Une revue de la littérature et des tests expérimentaux réalisés en remplaçant le R-410A montrent que les réfrigérants présents sur le marché et proposés par les fabricants pour remplacer le R-410A ne permettent pas d’avoir les améliorations souhaitées. Parmi ces substituants le R-32 est le plus utilisé et semble être prometteur mais avec une réduction du COP et des températures de refoulement du compresseur très élevées. Ainsi, la solution de la compression refroidie par injection d’huile de lubrification au niveau du compresseur est étudiée et modélisée. Le modèle théorique montre qu’elle permet de refroidir la compression et de réduire la consommation du compresseur à condition d’avoir des gouttes d’huile très fines avec un débit et une température de l’huile injectée contrôlables.Pour appliquer cette solution, un système d’atomisation de l’huile est conçu et testé ; les résultats montrent qu’il estpossible de créer un spray de gouttes très fines pour des pressions d’injection de l’ordre de la différence entre la haute et labasse pression du groupe refroidisseur d’eau. La compression refroidie est testée en connectant le système d’atomisationde l’huile au groupe refroidisseur d’eau. Une réduction de la température de refoulement du compresseur et de lapuissance consommée par le compresseur est mesurée, mais elle est plus faible que la réduction prévue théoriquement. Enintégrant une augmentation du diamètre des gouttes durant la compression dans le modèle théorique, les résultats de la simulation sont proches des résultats expérimentaux.

Current global warming problem leads to more stringent environmental standards. Thus the HVAC field is affected by these standard changes, which requires the transition to a new generation of refrigerants with lower environmental impact. In this thesis, this aspect is studied in the case of water chillers using R-410A that is subject to substitution due to new standards. But solving this problem doesn’t stop at mere refrigerant change by another with lower GWP. It is necessary that improvement or maintain of cooling capacity and energy efficiency of the system accompanies this transition by fear of having a reverse effect because global energy consumption represents a greater effect on the environmental impact than refrigerant GWP.A review of literature and experimental tests carried out by replacing R-410A show that refrigerants used in the market and offered by manufacturers to replace R-410A don’t allow the desired improvements. Among these substituents, R-32 is the most used and seems promising, but it causes a decrease of COP and very high compressor discharge temperatures. Thus, the solution of cooled compression by injection of lubricating oil in the compressor is studied and modeled. The theoretical model shows that this solution helps cooling the compression and reduces compressor power consumption provided that injection is characterized by very fine drops of oil with controllable flowrate and oil temperature.To implement this solution, an oil atomization system is designed and tested, the results show that it is possible to create a spray of very fine droplets for injection pressures of the order of the difference between the high and low pressures of the water chiller. Cooled compression is then tested by connecting the oil atomization system to the water chiller. Reductions of compressor discharge temperature and of compressor power consumption are measured, but measured reductions are lower than the theoretical expected reductions. By integrating an increased droplet