Performance théorique et expérimentale de systèmes de réfrigération d’éjecteurs en utilisant des réfrigérants rétrogrades

Abstract

L’amélioration des systémes de réfrigération par éjecteur utilisant des fluides rétrogrades a été ciblée. La nature de ces fluides a été expliquée ainsi que leurs principaux avantages et inconvénients. Un modèle numérique a été développé et validé préliminairement avec des données expérimentales antérieures de réfrigérants réguliers et rétrogrades. La simulation de systèmes de réfrigération à éjecteur conventionnels et compression améliorés a été réalisée en utilisant un groupe sélectionné de réfrigérants. La série des butènes rétrogrades a montré une performance supérieure parmi d’autres, en considérant deux cas d’étude : une application de climatisation et une de patinoire intérieure, pour lesquelles le réfrigérant 1butène a été sélectionné. L’évaluation économique d’un système d’éjection à compression amélioré a révélé qu’il peut couvrir son investissement pendant le premier tiers de sa durée de vie, ce qui nécessite un coût annuel d’électricité de 57% de moins par rapport au cycle de compression conventionnel. Une expérience en rafale a été planifiée et mise en place en raison de sa flexibilité, sa simplicité et son expérimentation rapide, pour tester la performance de l’éjecteur conçu. L’éjecteur a été préalablement testé avec de l’air, puis du 1butène réfrigérant. Les résultats ont montré que le double étranglement et le comportement d’éjecteur bien connu sous diverses conditions opératoires ont été pleinement atteints. Le déplacement du tuyau convergent divergent primaire positivement vers la section constante augmente à la fois les taux d’entraînement et de compression jusqu’à une position optimale de + 4,5 cm, après quoi le rapport d’entraînement diminue. La validité des résultats expérimentaux, acquis sur la base du principe de rafale, a été confirmée quand l’ordre de grandeur des termes instationnaires dans les équations gouvernant l’écoulement a été de 10^5 à 10^7 fois moins que les autres termes de gradient, montrant que l’hypothèse de l’état quasi-stationnaire est acceptable. Les valeurs estimées du COP du cycle d’éjecteur de base et du COP mécanique variaient de 0.1 à 0.15 et de 9.2 à 13.7, respectivement, lorsque la température d’évaporation variait entre -14.5oC et -6.1oC. L’évaluation numérique des résultats expérimentaux a indiqué que chaque éjecteur peut avoir sa corrélation particulière de l’efficacité de mélange en fonction des conditions opérationnelles et ses caractéristiques géométriques. L’efficacité de mélange augmente lorsque le rapport de la pression d’écoulement primaire à secondaire augmente, et diminue avec l’augmentation du rapport de la section d’éjecteur. La modélisation instationnaire a été comparée aux résultats expérimentaux de rafale montrant un bon accord. Les valeurs du débit massique secondaire pourraient ^etre calculées avec une erreur absolue infèrieure à 15%.

Enhancement of ejector refrigeration systems using retrograde fluids was targeted. The nature of these fluids was explained, including their main advantages and disadvantages. A numerical model was developed and validated preliminarily with previous experimental data of regular and retrograde working fluids. Simulation of conventional and compression enhanced ejector refrigeration systems was performed using a selected group of refrigerants. The retrograde butene series showed superior performance among others, considering two case studies: air conditioning and indoor ice rink applications, where 1butene refrigerant was nominated. Economic evaluation of compression-enhanced ejector systems revealed that it can recover its investment during the first one third of its lifetime requiring 57% less annual cost of electricity compared to the basic vapour compression candidate. A blowdown experiment has been planned and set up owing to its flexibility, simplicity and fast experimentation, to test the performance of the designed ejector. The ejector was preliminary tested with air then 1butene refrigerant. Results showed that double choking and well-known ejector behaviour under various operating conditions have been fully achieved. Displacing the primary nozzle positively towards the constant area section increased both of the entrainment and compression ratios till an optimum position of +4.5 cm, after which the entrainment ratio diminished. Validity of the acquired experimental results, based on the blowdown principle, was confirmed when the order of magnitude of the unsteady terms in the flow governing equations turned to be 10^5 to 10^7 times less than other gradient terms. This proves that the quasi-steady state assumption is acceptable. The estimated basic ejector cycle COP and mechanical COP values ranged from 0.1 to 0.15, and from 9.2 to 13.7, respectively, when the evaporation temperature varied between -14.5oC and -6.1oC. Numerical assessment of the experimental results indicated that each ejector can have its particular correlation of the mixing efficiency as a function of the operating conditions and its characteristic geometrical features. The mixing efficiency increases as the ratio of the primary to secondary flow pressure increases, and decreases with the increase in the ejector area ratio. Transient modeling has been compared with the blowdown experimental results showing a good agreement. Values of the secondary mass flow rate could be calculated with an absolute error no more than 15%.