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Other titre : Analyse et optimisation d'un système de pompe à chaleur au CO2 transcritique intégré avec un éjecteur diphasique

dc.contributor.advisorSorin, Mikhail
dc.contributor.advisorPoncet, Sébastien
dc.contributor.authorTaslimitaleghani, Saharfr
dc.date.accessioned2019-02-21T15:24:29Z
dc.date.available2019-02-21T15:24:29Z
dc.date.created2019fr
dc.date.issued2019-02-21
dc.identifier.urihttp://hdl.handle.net/11143/14952
dc.description.abstractL'objectif principal de ce projet de recherche est d'étudier en détail un système de pompe à chaleur transcritique au CO2 utilisant un éjecteur diphasique pour améliorer l'efficacité énergétique et les performances du système. Un cycle de CO2 transcritique entraîne des pertes importantes lors de la détente (processus isenthalpique) ce qui explique de faibles performances thermodynamiques. Parmi les différents dispositifs de récupération des travaux d’expansion, un éjecteur est proposé pour récupérer une partie des travaux d’expansion dans le processus de régulation et améliorer l’efficacité du cycle. Par conséquent, il est important de comprendre les effets des performances de l'éjecteur ainsi que ses paramètres de fonctionnement pour parvenir à la conception optimale d'un système de réfrigération ou d'une pompe à chaleur. Une étude comparative de différents cycles de réfrigération d’éjecteur au CO2 transcritique a été réalisée et a montré que le cycle de récupération d'expansion de l'éjecteur (EERC) a le plus haut coefficient de performance (COP) et la plus haute efficacité exergétique par rapport aux autres cycles. Le COP et l’efficacité exergétique de l’EERC sont 23.3% supérieurs à ceux du cycle de recirculation de liquides (LRC). Ils sont respectivement 24.9% et 25,5% supérieurs à ceux du cycle de pression de refoulement du compresseur (CDPC) et sont respectivement 5.6 fois et 56.2% supérieurs à ceux et d’un cycle de réfrigération à jet de vapeur (VJRC). Il peut également améliorer le COP et l’efficacité exergétique de 23% et 24%, respectivement, par rapport à un cycle conventionnel. Étant donné que les éjecteurs peuvent fonctionner dans différentes conditions de fonctionnement autres que le point critique, un modèle numérique détaillé a été développé pour évaluer les performances d'un éjecteur diphasique dans des conditions de simple et double « choking ». Le modèle a été validé avec succès à l’aide des données expérimentales disponibles dans la littérature ainsi que des données fournies par le laboratoire de technologie de l’énergie (LTE) d’Hydro-Québec. Ce modèle permet de prédire les performances de l’éjecteur pour une géométrie fixe (off-design) ainsi que pour des conditions de fonctionnement fixes (on-design). L'évaluation de l'exergie de l'éjecteur diphasique au CO2 a été réalisée pour les conditions de simple et double "choking" afin d'étudier l'impact de la contre-pression sur les pertes et les rendements exergétiques. Le comportement de trois mesures thermodynamiques, la production d’exergie, la consommation d’énergie et les pertes d’exergie, a été étudié. Les résultats de la comparaison de deux critères de performance exergétique (l’efficacité exergétique transitoire et l’efficacité exergétique de Grassmann) ont montré la présence d’une valeur maximale de l’efficacité exergétique transitoire autour du point critique. Il a également été déterminé que l'efficacité exergétique de Grassmann ne constitue pas un critère approprié pour évaluer les performances d'un éjecteur au CO2 transcritique. Enfin, un modèle de simulation d'un système de pompe à chaleur au CO2 transcritique avec des échangeurs de chaleur à plaques pour le refroidisseur à gaz et l'évaporateur a été développé et validé expérimentalement. Un modèle de conception d'éjecteur diphasique a été intégré dans le modèle du système de pompe à chaleur pour analyser les différentes performances des systèmes de pompe à chaleur à éjecteur au CO2. Ce modèle est basé sur les surfaces de transfert de chaleur réelles soumises à la contrainte d’une surface totale constante des échangeurs de chaleur. Les effets des conditions de fonctionnement ainsi que des paramètres de conception de l'éjecteur, tels que le diamètre de la gorge de la buse primaire, le rapport de surface utile, le diamètre de sortie du diffuseur ainsi que le rapport de surface de transfert de chaleur sur les performances du système ont été étudiés. Les conditions optimales d’utilisation et les caractéristiques de l’éjecteur correspondant au COP maximal et à la capacité de chauffage maximale ont été obtenues afin de déterminer la conception optimale d’un cycle au CO2 transcritique. Les rapports de surface de transfert de chaleur ont des effets importants sur le COPh, la capacité de chauffage ainsi que sur la pression optimale du refroidisseur de gaz. Les caractéristiques de l'éjecteur ont des effets importants sur les performances optimales du système. Le diamètre de gorge de la buse primaire et le rapport de surface effective sont deux paramètres importants et peuvent être ajustés pour contrôler les conditions de fonctionnement lors de la conception des cycles à éjecteur. Cependant, le diamètre de sortie du diffuseur n'a pas d'effet significatif sur les performances du système. Le COP et la capacité de chauffage de la pompe à chaleur à éjecteur peuvent augmenter d'environ 17% et 20% respectivement en augmentant le ratio de la surface de transfert de chaleur. Les diamètres de gorge désirés et le rapport de surface efficace de l'éjecteur dans des conditions de fonctionnement données ont été obtenus dans la plage de 1.35 à 1.5 mm et de 7.8 à 8.3 respectivement. Les plages optimales du rapport d'entraînement et du rapport de pression sont également de 0.47 à 0.61 et de 1.16 à 1.35 respectivement.fr
dc.description.abstractAbstract: The main objective of this research project is a detailed investigation of a transcritical CO2 heat pump system using a two-phase ejector to improve energy efficiency and system performance. A transcritical CO2 cycle has large expansion losses due to an isenthalpic throttling process which causes the low thermodynamic performance of such systems. Among different expansion work recovery devices, an ejector is proposed to recover part of the expansion work in the throttling process and improve efficiency. Therefore, it is important to understand the effects of ejector performance as well as the operating parameters to reach an optimal design of a refrigeration or heat pump system. A comparative study of different transcritical CO2 ejector refrigeration cycles was performed under the same cooling capacity and showed that EERC (ejector expansion recovery cycle) has the highest COP and exergy efficiency compared to other cycles. The COP (resp. exergy efficiency) of EERC is approximately 23.3% (resp. 23.3%), 24.9% (resp. 25.5%) and 5.6 times (resp. 56.2%) higher than the corresponding COP and exergy efficiencies of liquid recirculation cycle (LRC), compressor discharge pressure cycle (CDPC) and vapor jet refrigeration cycle (VJRC). The integration of an ejector can also improve the COP and exergy efficiency by up to 23% and 24%, respectively compared to a conventional throttling valve cycle. Since the ejectors may work at different operating conditions other than the critical point, a detailed numerical model was developed to evaluate the performance of a two-phase ejector under single choking and double choking conditions. The model was successfully validated with the experimental data available in the literature as well as the data provided by Hydro Québec’s energy technologies laboratory (LTE). This model enables to predict the ejector’s performance for a fixed geometry (off-design) as well as for fixed operating conditions (on-design). The exergy evaluation of the CO2 two-phase ejector was performed for both single and double choking conditions to investigate the impact of the back-pressure on the exergy losses and exergy efficiencies. The behavior of three thermodynamic metrics: exergy produced, exergy consumed and exergy losses was studied. The comparison results of two exergy performance criteria (transiting exergy efficiency and Grassmann exergy efficiency) illustrated the presence of a maximum value of transiting exergy efficiency around the critical point. It was also determined that the Grassmann exergy efficiency is not an appropriate criterion for the evaluation of a transcritical CO2 ejector performance. Lastly, a simulation model of a transcritical CO2 heat pump system with plate heat exchangers for the gas cooler and the evaporator was developed and experimentally validated. A two-phase ejector design model was integrated into the model of the heat pump system to analyze the different performances of the CO2 ejector heat pump systems. This model was based on the actual heat transfer areas under the constraint of constant total heat exchangers’ area. The effects of the operating conditions as well as ejector design parameters such as primary nozzle throat diameter, effective area ratio, diffuser outlet diameter and also the heat transfer area ratio (the ratio of the gas cooler area to the evaporator area) on system performance were investigated. The optimum operating conditions and ejector characteristics corresponding to maximum COP and heating capacity were obtained in order to determine the optimum design of a transcritical CO2 cycle. The heat transfer area ratios have important effects on COPh, the heating capacity as well as the optimum gas cooler pressure. The ejector characteristics have significant effects on the optimal performance of the system. The primary nozzle throat diameter and effective area ratio are two important parameters and can be adjusted to control the operating conditions for the design of ejector cycles. However the diffuser outlet diameter has no significant effect on the system performance. COP and heating capacity of the ejector heat pump can increase by approximately 17% and 20% respectively by increasing the heat transfer area ratio from 0.68 (Agc=1.68 m2, Aev=2.46 m2 ) to 4.7 (Agc=3.41 m2, Aev=0.72 m2). The desired throat diameters and effective area ratio of the ejector at given operating conditions were obtained in the range of 1.35-1.5 mm and 7.8-8.3 respectively. The optimal ranges of the entrainment ratio and pressure ratio were also 0.47-0.61 and 1.16-1.35 respectively.fr
dc.language.isofrefr
dc.language.isoengfr
dc.publisherUniversité de Sherbrookefr
dc.rights© Sahar Taslimitaleghanifr
dc.subjectCycle de pompe à chaleurfr
dc.subjectÉjecteur diphasiquefr
dc.subjectCO2fr
dc.subjectModèle thermodynamiquefr
dc.subjectOptimisationfr
dc.subjectHeat pump cyclefr
dc.subjectTwo-phase ejectorfr
dc.subjectThermodynamic modelfr
dc.subjectOptimizationfr
dc.titleAnalysis and optimization of a transcritical CO2 heat pump system using a two-phase ejectorfr
dc.title.alternativeAnalyse et optimisation d'un système de pompe à chaleur au CO2 transcritique intégré avec un éjecteur diphasiquefr
dc.typeThèsefr
tme.degree.disciplineGénie mécaniquefr
tme.degree.grantorFaculté de géniefr
tme.degree.levelDoctoratfr
tme.degree.namePh.D.fr


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