Contribution à l'étude du cycle de pompe à chaleur à détente par éjecteur : Modélisation et approche expérimentale

Contribution to the study of ejector expansion heat pump cycle : Modeling and experimental approach

• Auteur / Autrice : Cong You
• Direction : Rémi Revellin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Thermique énergétique
• Date : Soutenance le 04/04/2024
• Etablissement(s) : Lyon, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique (Villeurbanne ; 1993-....)
• Partenaire(s) de recherche : Membre de : Université de Lyon (2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : CETHIL - Centre d'Energétique et de Thermique de Lyon (Villeurbanne, Rhône) - Centre d'Energétique et de Thermique de Lyon / CETHIL
• Jury : Président / Présidente : Catherine Colin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Rémi Revellin, Catherine Colin, Hai Trieu Phan, Brice Tremeac, Benoit Michel
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Hai Trieu Phan, Brice Tremeac

Mots clés

Mots clés contrôlés

Pompes à chaleur

Thermodynamique

Mots clés libres

Energétique

Pompe à chaleur

Dioxyde de carbone

Ejecteur

Thermodynamique

Modélisation

Validation expérimentale

Cycle transcritique CO2

Energetics

Heat pump

Carbon dioxide

Ejector

Thermodynamic

Modelling

Experimental validation

Transcritical cycle

Résumé

Cette recherche aborde les préoccupations environnementales dans l'industrie du chauffage, de la ventilation, de la climatisation et de la réfrigération (CVCR) en explorant le dioxyde de carbone (CO2) comme une alternative écologique. Les défis du CO2, notamment sa basse température critique et sa haute pression critique, conduisent à son utilisation prédominante en mode transcritique, entraînant une irréversibilité significative lors de l'expansion. Pour surmonter cela, l'étude propose de substituer les valves d'expansion conventionnelles par des éjecteurs dans le cycle de pompe à chaleur au CO2 transcritique. L'éjecteur accélère le CO2 haute pression à travers une buse, facilitant le mélange de la vapeur basse pression provenant de l'évaporateur et améliorant la récupération de pression. La validation scientifique confirme une réduction du travail de compression, établissant la configuration basée sur l'éjecteur comme une alternative plus efficace. Malgré les avantages potentiels, les éjecteurs introduisent des complexités liées à l'écoulement diphasique et aux ondes de choc soniques, nécessitant des études de simulation et expérimentales pour une performance améliorée. La thèse mène une enquête approfondie, commençant par une revue des tendances des réfrigérants et une comparaison de la technologie des éjecteurs avec les alternatives. Des modèles thermodynamiques sont introduits, abordant des aspects clés tels que l'efficacité isentropique, avec des techniques novatrices de post-traitement des données proposées. La recherche présente un modèle d'équilibre homogène 1-D pour la région de l'éjecteur, validé et appliqué à l'analyse paramétrique et à la conception géométrique. Ce modèle est comparé à des modèles thermodynamiques 0-D. De plus, une installation d'essai expérimentale fournit des informations sur les performances de l'éjecteur à travers des pressions d'évaporation variables. En résumé, cette recherche contribue de manière significative à la compréhension des cycles de pompe à chaleur au CO2 transcritique, en se concentrant spécifiquement sur la technologie des éjecteurs. L'intégration de modèles théoriques et d'études expérimentales offre des informations essentielles pour optimiser la conception des éjecteurs et les paramètres opérationnels, répondant aux besoins évolutifs de l'industrie du CVCR et favorisant les applications de réfrigération durable.

This research addresses environmental concerns in the Heating, Ventilation, Air Conditioning, and Refrigeration (HVAC&R) industry by exploring carbon dioxide (CO2) as an eco-friendly alternative. The challenges of CO2, including its low critical temperature and high critical pressure, lead to its predominant use in transcritical mode, resulting in significant irreversibility during expansion. To overcome this, the study proposes the substitution of conventional expansion valves with ejectors in the transcritical CO2 heat pump cycle. The ejector accelerates high-pressure CO2 through a nozzle, facilitating the mixing of low-pressure vapor from the evaporator and improving pressure recovery. Scientific validation confirms a reduction in compression work, establishing the ejector-based configuration as a more efficient alternative. Despite potential advantages, ejectors introduce complexities related to two-phase flow and sonic shock waves, necessitating simulation and experimental studies for enhanced performance. The thesis conducts a comprehensive investigation, beginning with a review of refrigerant trends and a comparison of ejector technology with alternatives. Thermodynamic models are introduced, addressing key aspects such as isentropic efficiency, with novel data post-processing techniques proposed. The research introduces a 1-D homogeneous equilibrium model for the ejector region, validated and applied for parametric analysis and geometry design. This model is compared with 0-D thermodynamic models. Additionally, an experimental test facility provides insights into ejector performance across varying evaporation pressures. In summary, this research significantly contributes to understanding transcritical CO2 heat pump cycles, specifically focusing on ejector technology. The integration of theoretical models and experimental studies offers essential insights for optimizing ejector design and operational parameters, meeting the evolving needs of the HVAC&R industry and promoting sustainable refrigeration applications.