L’objectif de cette étude est d’optimiser un cycle frigorifique au CO2 pour une application dans le transport frigorifique. Les performances de l’unité doivent être supérieures à celles d’une machine avec une injection de vapeur et un compresseur bi-étagé déjà commercialisé. Suite à l’étude de plusieurs solutions, un éjecteur couplé à un échangeur interne semble la solution la plus intéressante.Un banc expérimental est créé à partir de l’unité possédant une injection de vapeur. L’éjecteur est muni d’une aiguille pour pouvoir assurer une recherche de la haute pression optimale. L’échangeur interne est équipé d’un by-pass pour modifier la puissance échangée. Un ensemble de points d’essais est testé avec deux températures d’évaporation : 0 °C et -20 °C, et trois températures de source chaude : 30 °C, 38 °C et 50 °C.L’éjecteur avec aiguille est capable de s’adapter à différentes températures extérieures en modifiant la haute pression. L’échangeur interne permet d’augmenter les performances du cycle mais présente une limite, la température au compresseur devient élevée et présente un risque de détérioration de ses performances ou de l’huile.Avec le cycle présentant un éjecteur, une amélioration du coefficient de performance est observée pour les points avec une température d’évaporation de 0 °C mais celle-ci chute drastiquement pour les températures d’évaporation de -20 °C. Une analyse exergétique du cycle confirme les faibles performances de celui-ci pour des températures d’évaporation négatives.À partir des résultats expérimentaux, des modèles numériques sont mis en place. Les échangeurs, vannes de détente sont modélisés de manière conventionnelle. Pour le compresseur, le modèle de Winandy est modifié afin de fonctionner pour un compresseur bi-étagé avec injection de vapeur. L’éjecteur est modélisé à travers un modèle unidimensionnel basé sur des transformations simplifiées décrites à travers des rendements isentropiques. Tous les modèles sont validés mais ceux des échangeurs ont un temps de calcul CPU trop important pour pouvoir être utilisés sur une modélisation dynamique. / The aim of this study is to optimize a CO2 cooling cycle for transport application. The efficiency of the unit needs to be superior that of a cycle with vapor injection and a two stages compressor. The solution proposed is to install an ejector with an internal heat exchanger.A test bench is created from a pre-existing unit. Tests are made for two evaporation temperatures: 0 °C and -20 °C and three external temperatures: 30 °C, 38 °C and 50 °C. The ejector is equipped with a needle to seek the optimal high pressure. The internal exchanger is equipped with a by-pass to modify the thermal power exchanged.The ejector with needle can change the high pressure to seek the optimal conditions. The internal heat exchanger increases the efficiency of the cycle but the rising of temperature at the compressor can degrade its efficiencies or the oil. The new cycle increases the COP for evaporation temperature of 0 °C but the COP is lower than without ejector for evaporation temperature of -20 °C. An exergetic analysis shows that indeed the cycle is less efficient for low evaporation temperature.From the experimental results, numerical models are created to realize a system simulation and to test different scenarii to drive the unit. Exchangers and valves modeled with conventional tools. Wynandy’s model is adapted to be used on a two-stage compressor with vapor injection. The ejector is modeled with a one-dimensional model, based on simplified transformations described with isentropic efficiencies. All models seem to work but the CPU time is too high to use the exchanger models for dynamic simulation.

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.