Etude expérimentale de cycles de pompe à chaleur utilisant des mélanges à base de CO2

Experimental study of heat pump thermodynamic cycles using CO2 based mixtures

• Auteur / Autrice : Paul Bouteiller
• Direction : Pascal Tobaly
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Energétique, génie des procédés. Energétique
• Date : Soutenance le 06/04/2017
• Etablissement(s) : Paris, CNAM
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de chimie moléculaire, génie des procédés chimiques et énergétiques (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Entreprise : e.l.m. leblanc
• Jury : Président / Présidente : Vincent Lemort
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pascal Tobaly, Céline Morin, Marie-France Terrier, Marc Trela
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Jocelyn Bonjour, Jean-Noël Jaubert

Mots clés

Mots clés contrôlés

Spectroscopie infrarouge

Analyse

Fluides frigorigènes

Dioxyde de carbone

Économies d'énergie

Pompes à chaleur

Mots clés libres

Thermodynamique

Co2

Mélanges

Spectroscopie

Composition

Cycle transcritique

Thermodynamics

Co2

Refrigerant mix

Spectroscopy

Composition

Transcritical cycle

Résumé

Cette étude consiste en l’expérimentation de mélanges de fluides frigorigènes à base de CO2 dans les applications de pompes à chaleur domestiques. L’objectif est l’obtention de performances supérieures à une pompe à chaleur au CO2 double-service (eau chaude sanitaire et chauffage). L’ajout d’autres composés au CO2 déplace le point critique et de façon plus générale modifie les lignes d’équilibre de phases. On peut alors s’attendre à la réduction des pressions de fonctionnement et à une augmentation du rendement énergétique du cycle thermodynamique. Une pompe à chaleur mono-étagée au CO2 est utilisée comme référence, et les conditions de température externes à la boucle thermodynamique sont invariantes. Deux scénarii sont considérés : La production d’eau chaude sanitaire (ECS), où l’eau est chauffée de 10 °C à 65 °C ; la production d’eau de chauffage (CH) où l’au est chauffée de 30 °C à 35 °C. Dans les deux cas, l’eau glycolée en l’entrée de l’évaporateur est régulée à 7 °C. Afin de pouvoir analyser le comportement des cycles thermodynamiques avec mélanges, il est essentiel de connaitre la composition du fluide frigorigène en circulation. Pour ce faire, nous avons mis au point une technique de mesure statistique et non-intrusive de la composition: Des cellules optiques installées sur les tubes de la boucle permettent de recueillir les spectres d’absorption du fluide en circulation, grâce à un spectromètre proche infrarouge à transformée de Fourier. Un étalonnage méticuleux est effectué via l’acquisition de nombreux spectres d’échantillons ayant des compositions connues. Un modèle statistique est alors créé pour lier les concentrations aux données spectrales. Les compositions peuvent ensuite être estimées à partir de nouveau spectres, dont l’acquisition rapide permet l’analyse de la composition du fluide même en fonctionnement dynamique de la pompe à chaleur. Des mélanges de CO2 & propane, et CO2 & R-1234yf ont été testés, montrant des potentiels d’amélioration des performances de la pompe à chaleur pour les applications de chauffage des locaux.

The aim of this work is to experiment CO2 based mixtures as working fluids for heat pump applications in buildings, in order to enhance their performances compared to pure CO2 dual services heat pumps. Since adding other chemicals to CO2 moves the critical point and generally equilibrium lines, it is expected that lower operating pressures as well as higher global efficiencies can be reached. A simple stage pure CO2 cycle is used as reference, with fixed external conditions. Two scenarios are considered: water is heated from 10 °C to 65 °C for Domestic Hot Water (DHW) scenario and from 30 °C to 35 °C for Central Heating (CH) scenario. In both cases, water at the evaporator inlet is set at 7 °C to account for such outdoor temperature conditions. In order to understand the dynamic behaviour of thermodynamic cycles with mixtures, it is essential to measure the fluid circulating composition. To this end, we have developed a non intrusive method. Online optical flow cells allow the recording of infrared spectra by means of a Fourier Transform Infra Red spectrometer. A careful calibration is performed by measuring a statistically significant number of spectra for samples of known composition. Then, a statistical model is constructed to relate spectra to compositions. After calibration, compositions are obtained by recording the spectrum in few seconds, thus allowing for a dynamic analysis. Mixtures of CO2 & propane and CO2 & R-1234yf have been tested and showed great potential on enhancing performances of the heat pump for central heating applications.