L’objectif de cette thèse était d’améliorer les performances d’un cycle frigorifique au CO2 pour une application dans le transport routier, avec comme double enjeu la mise au point d’un cycle avec des performances élevées, en utilisant un fluide naturel ayant peu d’impact environnemental.
Ces augmentations de performances sont recherchées en priorité pour des températures extérieures élevées. En outre le transport frigorifique impose des contraintes de compacité et de robustesse du système.
Après avoir vérifié la pertinence de l’utilisation de R-744 dans un cycle frigorifique, sa faible toxicité, son faible pouvoir de réchauffement global et sa non-inflammabilité sont autant d’arguments pour le sélectionner. L’inconvénient principal qui limite son utilisation est la faible performance de ses cycles, notamment pour des températures extérieures élevées, le cycle devenant transcritique.
Un ensemble de solutions possibles permettant d’augmenter les performances du système a été étudié : l’utilisation d’une turbine, d’un échangeur de chaleur interne, d’une injection de vapeur et d’un éjecteur. Le choix s’est dirigé vers l’éjecteur qui permet d’assurer une augmentation des performances de l’unité. L’utilisation d’un éjecteur à aiguille permet d’optimiser la récupération d’énergie. On a choisi de le coupler à un échangeur de chaleur interne pour augmenter ces performances.
Pour vérifier les résultats issus de l’analyse bibliographique, un banc d’essais fut construit. Une unité optimisée pour une utilisation du CO2 dans le domaine du transport frigorifique maritime fut modifiée pour incorporer un éjecteur et un échangeur de chaleur interne. La machine frigorifique de base était déjà optimisée avec un compresseur bi-étagé, un variateur de vitesse, une injection de vapeur et un refroidissement intermédiaire. Cette unité permet ainsi de servir de base de comparaison pour les essais avec éjecteur.
Les dimensionnements de l’éjecteur et de l’échangeur de chaleur interne sont basés sur les résultats issus du logiciel de dimensionnement des composants et du système qui est propre au constructeur Carrier. Afin d’adapter le débit et donc la puissance échangée à l’échangeur de chaleur interne, un by-pass est installé en parallèle de celui-ci. En outre une analyse CFD a permis d’optimiser les caractéristiques géométriques de l’éjecteur pour une température d’évaporation de 0 °C et une température extérieure de 30 °C. Une particularité de ce circuit est que le retour d’huile au compresseur n’était pas toujours assuré. Pour pallier cet éventuel dysfonctionnement un séparateur d’huile a été installé en sortie du compresseur.
Les premiers résultats de l’unité ont montré que malgré la présence du séparateur, un mélange d’huile et de fluide en sortie d’évaporateur était remarqué, ce qui empêche de mesurer le débit et l’état du fluide de manière fiable. En conséquence n’ont été sélectionnées pour présentation et étude, que les observations pour lesquelles l’état du fluide en sortie d’évaporateur était bien connu.
La charge optimale de l’unité fut identifiée à partir des essais sur le point de fonctionnement 0/38 °C. Il s’agit d’un point de contrôle utilisé par les normes européennes. Une recherche de haute pression optimale est mise en place sur l’ensemble des points, l’aiguille au sein de l’éjecteur permettant de la modifier.
L’échangeur de chaleur interne permet d’augmenter le coefficient de performance du cycle de 22 % sur le point 0/38 °C. Par contre il faut gérer la température de refoulement au compresseur qui augmente afin de ne pas détériorer la viscosité de l’huile. Le recouvrement semble avoir peu d’impact sur les performances du cycle. Les pertes de charge à l’échangeur de chaleur interne limitent son impact sur la puissance consommée.
Une augmentation du COP est observée pour la température d’évaporation de 0 °C mais elle diminue pour celle à -20 °C. L’éjecteur semble moins bien fonctionner pour de basses pressions d’évaporation. Une analyse exergétique est menée afin d’apporter un point de vue différent sur ces résultats. L’éjecteur permet de diminuer les irréversibilités du système pour des températures d’évaporation positives, malgré une augmentation de la destruction d’exergie au compresseur et à l’évaporateur. Une diminution des performances du compresseur est possible à cause de la modification de son point de fonctionnement. Pour les températures d’évaporation négatives, la destruction d’exergie est plus importante. L’éjecteur semble ne fonctionner convenablement que pour une température d’évaporation précise.
Une modélisation numérique du système a aussi été menée avec pour objectif de tester des solutions de pilotage de l’unité. Une approche modulaire a été utilisée pour représenter les différentes transformations du cycle. Les différents composants du système ont ainsi fait l’objet d’une modélisation. Des modèles dynamiques pour les composants à forte capacité calorifique, et donc avec une influence plus importante sur la dynamique du système ont été mis en place
Une attention particulière fut apportée au compresseur et à l’éjecteur. Une adaptation du modèle de Winandy fut mise en place pour modéliser le compresseur. Le changement réside dans le basculement d’un modèle mono-étagé à un bi-étagé. Le modèle d’éjecteur fut basé sur ceux de Cardemil et Liu et Groll.
L’ensemble des composants est validé pour un fonctionnement statique à l’exception de l’échangeur de chaleur interne. La puissance frigorifique est calculée avec une erreur inférieure à 3% et la puissance consommée est calculée avec une erreur inférieure à 7%. Une limite du modèle de compresseur est mise en évidence pour des conditions éloignées de sa zone de calibration. Le modèle de l’éjecteur permet de suivre l’évolution du fluide en son sein et semble efficace pour qualifier l’ensemble des évolutions de celui-ci.
Pour pouvoir utiliser ces modèles pour une modélisation système, les modèles d’échangeurs nécessiteraient une simplification afin de diminuer le temps de calcul. Après ce changement, une validation dynamique du système pourra être mise en place. Si celle-ci est concluante, différents scenarios pourraient être mis en place pour optimiser le fonctionnement dynamique du cycle. Un problème technologique est apparu au cours de cette thèse : la gestion de l’huile. Dans le cadre d’une application fixe des séparateurs d’huile peuvent être installés. Pour du transport, des systèmes de piège à huile semblent plus appropriés mais pour des pressions de fonctionnement atteignant les 130 bar, les choix technologiques sont limités.
Une autre limitation est le fonctionnement de l’éjecteur sur une plage de basse pression étendue. L’éjecteur à aiguille est capable de s’adapter à un changement de température de source chaude mais il semblerait que ce ne soit pas le cas pour la température de source froide. L’étude d’un nouveau design pour des températures froides permettrait de répondre à cette question.
Le CO2 reste une solution très intéressante pour de nouveaux systèmes frigorifiques. Sa capacité à remplacer les HFC n’est limitée que par les performances de ces cycles. Cette thèse a pu démontrer que l’éjecteur permet d’augmenter les performances du cycle pour une gamme de fonctionnement précise. Ces améliorations étaient entre autres limitées par les composants du circuit optimisés pour un autre point de fonctionnement. Une suite possible à cette thèse serait la modification du compresseur pour qu’il soit optimisé sur les points avec éjecteur.