Die Erfindung der Kältemaschine macht es möglich, dass heute zu beliebiger Zeit Kälte in benötigter Menge und gewünschter Temperatur erzeugt werden kann. Aber für die Kälteerzeugung braucht man Antriebsenergie. Das Ziel dieser Doktorarbeit besteht darin, mit einer intelligenten Kombination von thermostatischem Expansionsventil (TEV) und innerem Wärmeübertrager (IWÜ) den Energieverbrauch von Kälteanlagen deutlich zu verringern, ohne dass dies zu einer Verschlechterung der Zuverlässigkeit oder wesentlichen Mehrkosten führt. Bis heute gelten die beiden bekannten Komponenten TEV und IWÜ als inkompatibel miteinander, weil die einfache Aneinanderreihung zu einem instabilen Regelverhalten führt. Nach detaillierter Analyse der Ursachen dieser Instabilität wird die Hypothese aufgestellt, dass durch eine absichtliche „Verschlechterung“ des IWÜ ein stabiler Arbeitsbereich gefunden werden kann. Bei dieser „Verschlechterung“ kann es sich z. B. um den Bypass eines Teils des Hochdruckstromes oder um eine Gleichstromanordnung der Ströme im Wärmeübertrager handeln. Diese Hypothese wurde primär durch Experimente, aber zusätzlich auch durch Simulationsrechnungen bestätigt. Dafür wurde ein Versuchsstand aufgebaut, mit welchem verschiedene Konfigurationen und Regelstrategien getestet wurden. Es wurde eine deutliche Verringerung des Energieverbrauchs gegenüber herkömmlichen Anordnungen erreicht.

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.

Concern with global climate change has led to the interest in the use of natural refrigerants, such as carbon dioxide, as replacements in heat pump systems. When operating in a transcritical cycle, carbon dioxide heat pumps are well suited for use in high temperature water heating heat pumps. In this work, four systems are analyzed: with and without the use of a suction line heat exchanger, and two water heating schemes. These two schemes involve the heating of water to its desired temperature at a low water flow rate in a single pass through the heat pump, and the heating of water at a high water flow rate, but requiring multiple passes. The performance and resulting heat exchanger size of these four systems is analyzed through the development of an overall system model. This system model uses component-level models that were developed based upon heat exchanger geometry and subsequently validated through experimental testing on a test facility developed for this purpose.

Die Erfindung der Kältemaschine macht es möglich, dass heute zu beliebiger Zeit Kälte in benötigter Menge und gewünschter Temperatur erzeugt werden kann. Aber für die Kälteerzeugung braucht man Antriebsenergie. Das Ziel dieser Doktorarbeit besteht darin, mit einer intelligenten Kombination von thermostatischem Expansionsventil (TEV) und innerem Wärmeübertrager (IWÜ) den Energieverbrauch von Kälteanlagen deutlich zu verringern, ohne dass dies zu einer Verschlechterung der Zuverlässigkeit oder wesentlichen Mehrkosten führt. Bis heute gelten die beiden bekannten Komponenten TEV und IWÜ als inkompatibel miteinander, weil die einfache Aneinanderreihung zu einem instabilen Regelverhalten führt. Nach detaillierter Analyse der Ursachen dieser Instabilität wird die Hypothese aufgestellt, dass durch eine absichtliche „Verschlechterung“ des IWÜ ein stabiler Arbeitsbereich gefunden werden kann. Bei dieser „Verschlechterung“ kann es sich z. B. um den Bypass eines Teils des Hochdruckstromes oder um eine Gleichstromanordnung der Ströme im Wärmeübertrager handeln. Diese Hypothese wurde primär durch Experimente, aber zusätzlich auch durch Simulationsrechnungen bestätigt. Dafür wurde ein Versuchsstand aufgebaut, mit welchem verschiedene Konfigurationen und Regelstrategien getestet wurden. Es wurde eine deutliche Verringerung des Energieverbrauchs gegenüber herkömmlichen Anordnungen erreicht.