Study and design of systems with improved energy efficiency operating with CO2 as refrigerant
Étude et conception de systèmes à efficacité énergétique améliorée fonctionnant au CO2 comme fluide frigorigène
Abstract
The increase in emissions of greenhouse gases led the European Union to establish policies aiming at the reduction of such emissions. For mobile air conditioning systems, the EU decided to ban the use of refrigerants with GWP > 150 for the new platforms starting in 2011, and progressively for all new vehicles as of 2017. CO2 is a candidate refrigerant to the replacement of high GWP refrigerants. The thermodynamic properties of CO2 imply supercritical refrigerating cycle with low energy performance when the sink temperature is above 31°C. The high pressure of the system could be optimized in order to maximize the system COP. The exergy analysis of the cycle shows that the main irreversibilities are in the compression and isenthalpic expansion. The refrigeration cycle using two-phase ejector (equivalent to two-stage compression refrigeration cycle with total injection and isentropic expansion) is a solution to reduce irreversibilities. A 1D model has been elaborated to characterize the operation of the ejector and to design ejectors to be tested on a test bench. Comparative tests have been performed on CO2 refrigeration cycles with and without ejectors. The main test results are: -4 control strategies verified experimentally to regulate the high pressure and the evaporating temperature using the electronic expansion device and the compressor external control valve. -Validation of the nozzle model. -Validation of the 1D model by testing 18 different ejectors. The 1D model revealed that a gain in energy efficiency of about 12% is possible using the ejector in the CO2 cycle. The developed nozzles can be coupled to an impulse turbine wheel to become an isentropic expansion turbine. It could be interesting to use the ejector in an air refrigeration loop to evaluate its performances. The use of twophase ejector in CO2 heat pumps used to produce domestic hot water at 60°C leads to energy efficiency improvement of about 10% compared to CO2 classical systems.
L'accroissement des émissions de gaz à effet de serre a amené l'Union Européenne à établir des politiques de réduction des émissions de ces gaz. Pour ce qui concerne la climatisation automobile, l'Union Européenne a décidé d'arrêter l'utilisation des fluides frigorigènes dont le GWP supérieur à 150 pour les nouvelles plate-formes à partir de 2011, et progressivement pour l'ensemble des véhicules neufs à partir de 2017. Le CO2 est un fluide candidat pour remplacer les fluides à GWP élevé. Les propriétés thermodynamiques du CO2 impliquent un cycle frigorifique trans-critique à basses performances énergétiques pour une température de puits supérieure à 31°C. La haute pression peut être optimisée afin de maximiser le COP du système. L'analyse exergétique du cycle montre que les principales pertes de performances proviennent de la détente isenthalpique et de la compression. Le cycle de réfrigération à éjecteur diphasique (équivalent au cycle de réfrigération à deux étages de compression à injection totale avec détente isentropique) se présente comme une solution qui réduit ces pertes. Un modèle 1D a été élaboré pour caractériser le fonctionnement de l'éjecteur et dimensionner des éjecteurs afin de les tester sur un banc d'essais. Des essais comparatifs ont été menés sur des cycles de réfrigération à CO2 avec et sans éjecteur. Les principaux résultats des essais sont : - quatre stratégies de contrôle expérimentalement vérifiées pour réguler la haute pression et la température d'évaporation via le détendeur électronique et la vanne de contrôle externe du compresseur, - la validation du modèle de la tuyère convergente - la validation du modèle 1D en testant 18 éjecteurs différents. Le modèle 1D développé a montré que l'éjecteur améliore jusqu'à 12% les performances énergétiques du cycle au CO2. Les buses développées peuvent être couplées à une roue pour constituer une turbine à impulsion, organe de détente isentropique. Il serait intéressant d'utiliser l'éjecteur dans une boucle de climatisation à air pour évaluer ses performances. Dans le cadre de pompes à chaleur utilisées pour produire de l'eau chaude sanitaire à 60°C, l'éjecteur diphasique permet une amélioration des performances de l'ordre de 10 % comparativement au cycle classique au CO2.
Domains
Chemical and Process Engineering
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