Soutenance mémoire
Le secteur du froid et les groupes refroidisseurs d’eau
Le secteur du froid est concerné par l’enjeu climatique déjà présenté, directement par le fait qu’il utilise des GES (les fluides frigorigènes) et indirectement par sa consommation d’énergie. En 2012, dans l’ensemble des secteurs consommant des HFC, PFC et SF6, la climatisation et la réfrigération occupaient la 9ème position (2.8%) en matière de niveau d’émission de HFC et la 3ème position pour sa contribution à l’évolution des émissions de HFC (7.5%). La climatisation embarquée (automobile) et le froid commercial sont les principaux contributeurs suite à la substitution des CFC et des HCFC respectivement depuis 1994 et 2000 .
Le R-410A est un mélange de 50% en masse de R-125 et de 50% en masse de R-32. Il est caractérisé par un ODP nul et un GWP d’environ 2090. Vu son GWP relativement élevé, il est concerné par la réduction de deux tiers des émissions de GES adoptée dans la nouvelle réglementation .
En 2010 le R-410A représentait 5 887 tonnes parmi les 56 690 tonnes de la banque des fluides frigorigènes [6], ce qui est l’équivalent de 10.4% de la banque. Le R-410A utilisé entre autres fluides dans les GRE occupe 1 137 tonnes de la Banque 2013 – GRE, c’est-à-dire 14% du total de la Banque 2013 – GRE et la banque de R-410A a subi une forte croissance de 14% entre 2012 et 2013 [7]. D’où l’importance d’étudier les GRE fonctionnant avec du R-410A.
Etat de l’art du remplacement du R-410A et conséquences sur les groupes refroidisseurs d’eau
Le circuit frigorifique du GRE et son cycle thermodynamique . Les principaux composants du GRE sont le compresseur, le condenseur, le détendeur et l’évaporateur.
Alors, il faut trouver des alternatifs au R-410A ayant des GWP plus bas. Les HFO ayant des GWP très faibles, se positionnent aujourd’hui, comme remplaçants du R-410A ou comme composants de mélanges pour substituer le R-410A. Malgré le fait que certains fabricants ont développé différents mélanges HFC/HFO, ces mélanges ne fournissent pas une solution entière au problème parce que certains d’entre eux sont inflammables et d’autres ont des GWP inférieurs à ceux des réfrigérants actuellement utilisés mais toujours supérieurs aux limites imposées par les nouvelles réglementations et dans certains cas des performances inférieures à celles des réfrigérants actuels [8].
Ainsi, en plus d’avoir un GWP plus bas que celui du R-410A tout réfrigérant candidat pour remplacer le R-410A doit avoir des propriétés similaires à celles du R-410A qui possède une capacité volumétrique frigorifique très élevée et de bonnes propriétés concernant l’échange thermique et le transport. Une comparaison entre la capacité frigorifique du R-410A et celles de certains réfrigérants parmi les plus utilisés individuellement et comme composant de mélange dans le cadre des études de remplacement du R-410A .
En effet, Smith et al. [9] ont fait des expériences où ils ont mesuré le coefficient de transfert de chaleur d’un flux diphasique et la perte de charge dans un tube en cuivre utilisé dans les climatiseurs à détente directe pour le R-410A, le R-32, le R-1234yf, le DR-5 et le DR-5A. Ils ont trouvé que le R-32 a un coefficient de transfert de chaleur égal ou légèrement supérieur à celui du R-410A, par contre le coefficient de transfert de chaleur du R-1234yf est 15 à 20% plus petit que celui du R-410A. Le DR-5 et le DR-5A ont un coefficient de transfert de chaleur compris entre ceux du R-32 et du R-1234yf. Ces travaux montrent le potentiel du R-32 et des HFO dans le remplacement du R-410A.
Dans une étude similaire, Anowar Hossain et al. [10] ont montré que le coefficient de transfert de chaleur durant l’évaporation du mélange R-1234ze(E)/R32 (55%/45% en masse) est inférieur à celui du R-32 et du R-410A qui ont des coefficients de transfert de chaleur presque égaux, mais il est supérieur à celui du R-1234ze(E) seulement pour les faibles titres en vapeur. Différents travaux traitent la transition du R-410A à une nouvelle génération de réfrigérants à plus bas GWP et permettant de maintenir la performance et la capacité du système.
Leck [11] a modélisé le remplacement du R-410A par le R-32 et certains mélanges de réfrigérants dans un système de climatisation. Il a trouvé que ces réfrigérants atteignent un COP égal ou supérieur à celui du R-410A. Cependant, seul le R-32 améliore la puissance frigorifique, mais il impose des conditions inacceptables dans certains cas pour le compresseur et le lubrifiant à cause des températures et des pressions de refoulement très élevées.
Koyama et al. [12] ont réalisé des expériences de remplacement du R-410A par le réfrigérant R1234ze(E) et un mélange formé de 50% en masse de R-1234ze(E) et de 50% en masse de R-32 dans une PAC conçue pour fonctionner avec du R 410A. Leurs tests ont montré que dans le cas du mélange R-1234ze(E)/R-32 déjà mentionné, le COP est inférieur à celui du R-410A de 7.5% pour une même puissance de chauffage de 2.8 kW. Par contre, dans le cas du R-1234ze(E) pur et pour une puissance de chauffage de 1.6 kW, le COP est 20% plus bas que celui du R-410A pour une puissance de chauffage de 2.8 kW. D’où, ils ont conclu que la puissance de chauffage et le COP peuvent être améliorés en ajoutant davantage du R-32 au mélange R-1234ze(E)/R-32.
Barve et al. [13] ont montré que le R-32 donne des puissances de réfrigération et de chauffage et un COP similaires à ceux du R-410A dans une PAC pour une application résidentielle, mais avec un problème de température de refoulement et de pression élevées. Ils ont testé aussi le R-1234yf qui a donné un COP similaire à celui du R-410A et une puissance calorifique plus faible. Piao et al. [14] cités par Hwang et al. [15] ont comparé le R-410A avec le R-32, le R-1234yf et le mélange R-32/R-1234yf. Ils ont trouvé que sans modifier le système, le meilleur remplaçant du R410A est le R-32.
Tsujii et al. [16] ont trouvé que le R-32 améliore la capacité frigorifique et le COP d’une PAC VRF multi-split, mais aussi avec une température et une pression de refoulement plus élevées que celles du R-410A. Besbes et al. [17] ont réalisé un test de retrofit du R-410A dans une PAC air/eau. Ils ont trouvé que le DR-5A et le ARM-70a ont amélioré la capacité de chauffage et le COP.
Schultz [18] a testé le remplacement du R-410A par le R-32 et les mélanges DR-5, DR-4, L-41a, L-41b, ARM-70a, ARM-32a et HPR1D dans un GRE de 15.5 kW de puissance. Il a trouvé que les différents fluides avaient une puissance similaire à celle du R-410A (±2%). De même, l’amélioration du COP pour le R-32 était inférieure à l’amélioration prévue avec des températures et des pressions de refoulement très élevées. Le DR-5 offre des caractéristiques similaires à celles du R-410A, mais avec des températures de refoulement élevées.
Hwang et al. [15] ont réalisé des tests de remplacement du R-410A par trois réfrigérants à bas GWP (R32, D2Y60 et L41a) dans une PAC de puissance 10.55 kW. Ils ont trouvé que le R-32 augmente la capacité frigorifique de 4% sauf à une température ambiante de 27.8 °C où il donne une puissance frigorifique presque égale à celle du R-410A. Le D2Y60 a une puissance frigorifique plus faible que celle du R-410A de 16% à 19%. Le L41a a une puissance frigorifique 6% à 10% inférieure à celle du R-410A. En mode de réfrigération, le R-410A a un COP supérieur à celui de tous ces remplaçants selon les tests qu’ils ont réalisés. Tian et al. [19] ont étudié expérimentalement le remplacement du R-410A par le mélange R-32/R290 (68%/32% en masse) dans deux climatiseurs ménagers qui diffèrent par leurs échangeurs et leur système de ventilation. Selon leurs résultats, l’utilisation du mélange R-32/R-290 permet de réduire la charge du réfrigérant pour les deux climatiseurs. Pour ces deux climatiseurs, la capacité en mode chauffage et refroidissement, la puissance consommée et la température de refoulement du compresseur ont augmenté en passant du R-410A au mélange R 32/R-290, par contre le COP a diminué dans tous ces cas.
Abdulkarem et al. [20] ont réalisé des tests de remplacement du R-410A par des réfrigérants alternatifs à bas GWP (R-32, D2Y60 et L41a). En mode de production de froid, le R-32 est le seul qui permet d’avoir une capacité frigorifique supérieure à celle du R-410A, mais avec un COP plus faible. Le D2Y60 et le L41a ont des capacités frigorifiques et un COP inférieurs à ceux du R-410A. En mode de chauffage, de nouveau le R-32 a une capacité de chauffage supérieure à celle du R-410A, mais avec un COP plus bas. Le D2Y60 a une puissance calorifique inférieure à celle du R-410A dans tous les tests et un COP plus bas que celui du R-410A sauf à des températures de -8 et 17 °C. Le L41a a un COP et une puissance de chauffage inférieurs à ceux du R-410A dans deux tests et un COP et une puissance de chauffage supérieurs à ceux du R-410A dans deux autres tests.
Ainsi, dans les différents travaux de remplacement du R-410A cités de la littérature, plusieurs réfrigérants et mélanges de réfrigérants ont été testés. La majorité des remplaçants du R-410A représentent soit un COP inférieur à celui du R-410A soit une puissance frigorifique ou une puissance calorifique inférieure à celle du R-410A. Mais, le plus mentionné dans ces études comme ayant le plus de potentiel surtout en termes de puissances frigorifique ou calorifique reste le R-32, avec une amélioration ou une dégradation du COP selon l’étude ou l’expérimentation. Mais, la majorité de ces études mentionnent aussi le problème de la température et de la pression de refoulement du compresseur très élevées en remplaçant le R-410A par le R-32.
En complément des travaux cités, un travail expérimental a été réalisé dans le cadre de cette thèse pour l’étude du remplacement du R-410A par des réfrigérants et des mélanges de certains des réfrigérants . Ce travail, réalisé dans le cadre du programme de l’évaluation des réfrigérants alternatifs à bas GWP (AREP2) de l’AHRI, a fait l’objet d’une publication au congrès international de réfrigération ICR2015.
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Table des matières
Introduction générale
Chapitre 1 Groupes refroidisseurs d’eau: les nouveaux challenges posés par le remplacement des HFC
1.1. Enjeux climatiques
1.2. Le secteur du froid et les groupes refroidisseurs d’eau
1.3. Etat de l’art du remplacement du R-410A et conséquences sur les groupes refroidisseurs d’eau
1.4. Retrofit du R-410A dans un groupe refroidisseur d’eau via le test de quatre candidats à bas GWP
1.4.1. Description du système et des tests
1.4.1.1. Description du dispositif expérimental et des tests réalisés
1.4.1.2. Résultats expérimentaux et discussions
1.4.2. Conclusion
1.5. Analyse exergétique du fonctionnement du chiller testé
1.6. Conclusions
Chapitre 2 Etude de la compression refroidie à l’aide d’une injection d’huile au niveau du compresseur
2.1. Revue historique sur les travaux menés sur la compression refroidie
2.2. Interactions huile-gaz lors de la compression
2.2.1. Echanges entre l’huile et le réfrigérant
2.2.1.1. Echange de masse
2.2.1.2. Echange de chaleur
2.2.2. Modèle simplifié de compression refroidie avec l’huile
2.2.2.1. Calcul des propriétés thermophysiques du mélange
2.2.2.2. Définition du rendement de compression polytropique
2.2.2.3. Equations de conservation
2.2.2.4. Logigramme de résolution
2.3. Etude de sensibilité
2.3.1.1. Effet de la qualité et des conditions de l’écoulement de l’huile sur l’échange thermique entre l’huile et le réfrigérant
2.3.1.2. Effet du transfert de masse sur la compression refroidie
2.3.1.3. Importance du contrôle quantitatif de l’écoulement d’huile
2.4. Simulation de la compression refroidie du R-32 par une injection d’huile
2.5. Conclusions
Chapitre 3 Injection et atomisation contrôlées de l’huile au niveau de l’aspiration du compresseur
3.1. Calcul théorique et mesures expérimentales du débit massique de l’huile injectée à travers les buses d’atomisation
3.2. Les différents régimes d’atomisation et les facteurs influençant l’atomisation
3.3. Mesures expérimentales du diamètre des gouttelettes du spray généré
Atomization of high viscosity liquids through hydraulic atomizers designed for water atomization
1. Introduction
2. Mass flow calculation
3. Mass flow rate experimental setup
4. Mass flow experimental results
5. Factors influencing atomization process and different atomization regimes
6. Spray characterization experimental setup
7. Spray characterization experimental results and comparison with correlations from literature
8. Conclusions and perspectives
Appendix
Chapitre 4 Application expérimentale de l’injection d’huile dans le compresseur et validation du modèle de compression refroidie
4.1. Montage expérimental : connexion du système d’injection d’huile au groupe refroidisseur d’eau
4.2. Expérimentations
4.2.1. Résultats expérimentaux
4.2.1.1. Tests de références
4.2.1.2. Tests avec injection d’huile dans l’enceinte
Caractérisation de l’injection d’huile durant les essais avec injection d’huile dans l’enceinte
Résultats expérimentaux des tests avec injection d’huile dans l’enceinte
4.2.1.3. Tests avec injection d’huile directement en face de l’aspiration du compresseur
4.2.2. Comparaison entre les résultats expérimentaux et les prévisions théoriques
4.3. Adaptation du modèle théorique en intégrant la variation du diamètre des gouttelettes d’huile injectées durant la compression
4.4. Conclusion
Conclusion générale
