Optimisation d'un cycle au CO2 dans le domaine du transport frigorifique

par Pierre-Henri Nattes

Thèse de doctorat en Energétique, génie des procédés. Energétique

Sous la direction de Pascal Tobaly.

Le président du jury était Jean-Pierre Bedecarrats.

Le jury était composé de Pascal Tobaly, Philippe Haberschill, Alberto Coronas, Marie-France Terrier, Brice Tremeac.

Les rapporteurs étaient Laurence Fournaison, Vincent Lemort.


  • Résumé

    L’objectif de cette étude est d’optimiser un cycle frigorifique au CO2 pour une application dans le transport frigorifique. Les performances de l’unité doivent être supérieures à celles d’une machine avec une injection de vapeur et un compresseur bi-étagé déjà commercialisé. Suite à l’étude de plusieurs solutions, un éjecteur couplé à un échangeur interne semble la solution la plus intéressante.Un banc expérimental est créé à partir de l’unité possédant une injection de vapeur. L’éjecteur est muni d’une aiguille pour pouvoir assurer une recherche de la haute pression optimale. L’échangeur interne est équipé d’un by-pass pour modifier la puissance échangée. Un ensemble de points d’essais est testé avec deux températures d’évaporation : 0 °C et -20 °C, et trois températures de source chaude : 30 °C, 38 °C et 50 °C.L’éjecteur avec aiguille est capable de s’adapter à différentes températures extérieures en modifiant la haute pression. L’échangeur interne permet d’augmenter les performances du cycle mais présente une limite, la température au compresseur devient élevée et présente un risque de détérioration de ses performances ou de l’huile.Avec le cycle présentant un éjecteur, une amélioration du coefficient de performance est observée pour les points avec une température d’évaporation de 0 °C mais celle-ci chute drastiquement pour les températures d’évaporation de -20 °C. Une analyse exergétique du cycle confirme les faibles performances de celui-ci pour des températures d’évaporation négatives.À partir des résultats expérimentaux, des modèles numériques sont mis en place. Les échangeurs, vannes de détente sont modélisés de manière conventionnelle. Pour le compresseur, le modèle de Winandy est modifié afin de fonctionner pour un compresseur bi-étagé avec injection de vapeur. L’éjecteur est modélisé à travers un modèle unidimensionnel basé sur des transformations simplifiées décrites à travers des rendements isentropiques. Tous les modèles sont validés mais ceux des échangeurs ont un temps de calcul CPU trop important pour pouvoir être utilisés sur une modélisation dynamique.

  • Titre traduit

    Optimisation of an ejector in a CO2 refrigerant cycle


  • Résumé

    The aim of this study is to optimize a CO2 cooling cycle for transport application. The efficiency of the unit needs to be superior that of a cycle with vapor injection and a two stages compressor. The solution proposed is to install an ejector with an internal heat exchanger.A test bench is created from a pre-existing unit. Tests are made for two evaporation temperatures: 0 °C and -20 °C and three external temperatures: 30 °C, 38 °C and 50 °C. The ejector is equipped with a needle to seek the optimal high pressure. The internal exchanger is equipped with a by-pass to modify the thermal power exchanged.The ejector with needle can change the high pressure to seek the optimal conditions. The internal heat exchanger increases the efficiency of the cycle but the rising of temperature at the compressor can degrade its efficiencies or the oil. The new cycle increases the COP for evaporation temperature of 0 °C but the COP is lower than without ejector for evaporation temperature of -20 °C. An exergetic analysis shows that indeed the cycle is less efficient for low evaporation temperature.From the experimental results, numerical models are created to realize a system simulation and to test different scenarii to drive the unit. Exchangers and valves modeled with conventional tools. Wynandy’s model is adapted to be used on a two-stage compressor with vapor injection. The ejector is modeled with a one-dimensional model, based on simplified transformations described with isentropic efficiencies. All models seem to work but the CPU time is too high to use the exchanger models for dynamic simulation.



Le texte intégral de cette thèse sera accessible librement à partir du 23-04-2020

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