[pt] O presente trabalho trata da determinação experimental dos parâmetros de desempenho de um compressor rotativo de deslocamento positivo,que faz parte de um motor de refrigeração em desenvolvimento. Este opera segundo o ciclo de Brayton invertido utilizando o ar como fluido de trabalho. A vazão mássica real de ar em escoamento pelo compressor, eventuais vazamentos, potência de eixo entregue ao compressor e a potência desenvolvida pelo mesmo são obtidas com base em procedimentos experimentais. A vazão e a potência teóricas foram determinadas com base em uma simulação do funcionamento do compressor. A partir destes resultados, determinaram-se as eficiências isentrópica,mecânica e volumétrica, permitindo uma análise das condições de operação do compressor. Usando resultados experimentais, realizou-se uma análise termodinâmica convencional de disponibilidade associada ao processo real ocorrido no compressor para explicar a natureza das irreversibilidades envolvidas e indicar as condições ótimas de funcionamento. Com base na filosofia de análise utilizada, este novo tipo de máquina de refrigeração foi criteriosamente analisada. Sugestões de melhoria são apresentadas no sentido de melhor qualificar este novo tipo de compressor para trabalhar com sistemas que operem segundo o ciclo de Brayton invertido. Neste trabalho é apresentado uma proposta otimizada de um novo projeto de expansor. / [en] The present work describe tests of performance of a positive displacement rotary compressor which is part of a new type of refrigerating machine under development. The working fluid is air and the machine operates at the Brayton Cycle. The mass flow rate, eventual mass leakages, the power delivered to the compressor shaft and the actual power developed are obtained based upon experimental procedures. The theorectical mass flow rate and the isentropic power was calculed through a theorectical simulation, and, from these results, the isentropic mechanical and volumetric efficiencies have been evaluated allowing the determination of the favorable and critical conditions of operation. An uncertainty analysis is developed in order to control the experimental procedures and acuracy of the experiments conducted. Using experimental results as an input, a classical avaiability thermodynamics analysis of the process was developed in order to explain the nature of the associated irreversibilities and to indicate the optimum conditions of operation of the compressor. Based upon the described approach, this new type of refrigerating machine has been carefully analysed. Aiming better performance, design modifications are suggested as an attempt to better qualify this type of compressor for operation in systems which operate in the Brayton Cycle. Finalle, an improved design of an expander is discussed.

L'application de la brumisation d'eau dans l'air en amont des condenseurs à air permet de réduire la consommation d'énergie des machines frigorifiques. L'intérêt de la brumisation d'eau réside dans l'abaissement de température de l'air obtenu par évaporation du spray. L'optimisation de cette méthode permet d'obtenir une efficacité se rapprochant de celle des systèmes évaporatifs tout en supprimant le risque de développement et de transports de bactéries tel que les légionelles. Le problème est abordé ici de deux manières : la première théorique et numérique (utilisation du code MIRABELLES et développement d'un modèle d'échange thermique air-goutte/condenseur) et la seconde expérimentale (mise en place d'un pilote et d'une pompe à chaleur). A l'aide du code MIRABELLES, on a déterminé les caractéristiques d'un spray évoluant dans un milieu ambiant donné et son impact sur l'abaissement de température de l'air. Les données numériques obtenues ont guidé le choix du matériel et la stratégie de brumisation à appliquer expérimentalement. Les mesures effectuées sur le pilote montrent l'amélioration des échanges thermiques entre l'air et le condenseur grâce à la brumisation et quantifient également l'influence de l'impact des gouttes avec les ailettes du condenseur. L'application de la brumisation sur la pompe à chaleur a mis en avant les gains sur la consommation électrique et l'augmentation de la production frigorifique. La comparaison de l'ensemble des résultats expérimentaux avec les résultats numériques a permis de valider le modèle thermique simulant les échanges entre un air chargé de gouttelette d'eau et un condenseur. / The application of water mist in the air upstream of the air-cooled condensers can reduce the energy consumption of refrigeration. The advantage of water mist is the lowering of air temperature obtained by evaporation of the spray. The optimization of this method provides an efficiency approaching that of evaporative systems while eliminating the risk of development and transport of bacteria such as legionella. The problem is addressed here in two ways: the first theoretical and numerical (using the code MIRABELLES and development of a model heat exchange air-droplet/condenser) and the second experiment (establishment of a pilot and a heat pump). Using the code MIRABELLES, it was determined the characteristics of a spray operating in a given environment and its impact on the lowering of air temperature. The digital data obtained have guided the choice of materials and the experimental using condition of water mist. Measurements on the pilot show the improvement of heat exchange between air and the condenser by means of the mist and quantify the influence of the impact drops/condenser fins. The application of the mist on the heat pump has highlighted the gains in power consumption and the increase in refrigeration. The comparison of all experimental results with the numerical results has validated the thermal model simulating the interaction between a droplet-laden air and water condenser.

Dans le contexte des recherches de réductions de l’impact environnemental des machines frigorifiques, l’utilisation du gaz carbonique comme fluide frigorigène est aujourd’hui une réalité. Toutefois, les propriétés thermodynamiques du CO2 impliquent un cycle frigorifique transcritique à basses performances énergétiques pour une température de source chaude proche de l’ambiante. Pour étendre le champ d’application de ce fluide, il est nécessaire d’augmenter l’efficacité des machines transcritiques. L’analyse exergétique du cycle montre que les principales pertes de performances proviennent essentiellement de la détente isenthalpique et de la compression. Afin de réduire ces pertes, l’utilisation d’un éjecteur comme organe principale de détente se présente comme une solution prometteuse. Ce travail apporte une contribution à l’étude des machines frigorifiques aux CO2 transcritique équipées d’éjecteur à la fois expérimentale et numérique pour développer la compréhension des phénomènes qui se produisent à l’intérieure de l’éjecteur afin d’améliorer les outils de dimensionnement de cet organe. L’étude numérique comporte un modèle unidimensionnel de l’écoulement du dioxyde de carbone à travers l’éjecteur. Ce modèle constitue un bon outil de prédiction des points de fonctionnement de l’éjecteur et des caractéristiques globales de l’écoulement : débit, vitesse, enthalpie... Le modèle reste une approche perfectible d'un milieu complexe. Il constitue néanmoins un bon outil pour l'optimisation de la géométrie de l’éjecteur. Après le dimensionnement et la fabrication de l’éjecteur, des essais comparatifs ont été menés sur la machine frigorifique au CO2 en fonctionnement avec et sans éjecteur. L’étude expérimentale a montré que l’éjecteur améliore jusqu’à 12,5 % la puissance frigorifique produite et 17 % le coefficient de performance de la machine. Les résultats expérimentaux réalisés ont été utilisés pour valider le modèle unidimensionnel développé, un accord satisfaisant a été trouvé entre les résultats issus du modèle et ceux expérimentaux, particulièrement en terme de débits avec un écart de l’ordre de 9 %. / Carbon dioxide is being advocated to reduce the environmental impact of the refrigeration systems. However, the thermodynamic properties of CO2 imply supercritical refrigerating cycle with low energy performance when the hot source temperature is near that of the environment. The expansion losses of an isenthalpic throttling process have been identified as one of the largest irreversibilities of transcritical refrigeration cycles, which contribute to the low efficiency of such cycles. In order to recover the expansion losses and increase the cycle efficiency, it has been proposed to replace the expansion valve with an ejector expansion device. This work is devoted to the numerical and experimental study of the ejector expansion devices used in a transcritical vapor compression system using carbon dioxide as the refrigerant. The numerical study includes a one-dimensional model of the CO2 two-phase ejector. The developed model is a good tool for predicting the operation conditions of the ejector and the overall characteristics of the flow (mass flow, velocity, enthalpy.. The model is a good tool to optimizing the geometry of the ejector, although it can be improved. The ejector was manufactured and incorporated into an instrumented test bench. Experimental study showed that the transcritical CO2 refrigeration system using an ejector as the expansion device outperformed a conventional expansion-valve transcritical CO2 system in COP and cooling capacity by approximately 17 % and 12,5 %, respectively. The experimental results were used to validate the one-dimensional model, a satisfactory agreement was found between the numerical and experimental results, especially in terms of mass flow with a difference of 9 %.

Le contrôle précis des boucles de régulation existantes sur une machine frigorifique est essentiel à son bon fonctionnement. Il existe plusieurs méthodes de régulation parmi lesquelles on retrouve la plus ancienne et la plus connue : la commande PID (Proportionnelle, Intégrale et Dérivée). Malgré la simplicité apparente des relations mises en jeu, le régulateur PID est assez délicat à ajuster sur des processus présentant de fortes perturbations comme les installations frigorifiques. L’objectif du travail présenté est de mettre en œuvre une commande prédictive fonctionnelle (PFC) afin de réguler la surchauffe en sortie d’évaporateur, la pression de condensation et la puissance frigorifique sur une installation munie d’un compresseur à vitesse variable. L’utilisation d’une commande PFC nécessite de réaliser une prédiction de l’évolution à venir de la sortie du procédé. C’est un modèle interne qui fait office de modèle de connaissance. En assimilant le procédé à un système du premier ordre, la mise en œuvre de cette commande ne nécessite que trois paramètres : un gain statique, une constante de temps et un retard pur. L’originalité de la démarche développée a consisté à réaliser une modélisation physique de la machine afin de déterminer les paramètres précédents par une approche macroscopique. Une bibliothèque de modèles physiques a été élaborée permettant de simuler le comportement de différents évaporateurs, condenseurs, compresseurs ou vannes de détente. La commande développée a ensuite été implantée sur un automate industriel programmable et des expériences ont été réalisées sur deux machines différentes. La première est constituée de deux échangeurs à tubes et calandre et d’un compresseur à pistons, alors que la seconde comprend un évaporateur à plaques, une batterie à ailettes et un compresseur à vis. / An accurate control of fluids flow is essential in any refrigeration system. As the conventional Proportional-Integral-Derivative (PID) control with invariable parameters can lead to unsatisfactory performance because of the variation of refrigeration unit parameters under disturbances, the aim of the work presented here is to develop a method for using Predictive Functional Control (PFC) to regulate the evaporator superheat, the condensing pressure and the cooling capacity on a variable-speed refrigeration system. Using a predictive controller requires to predic future change at the output of the process. This prediction is based on an internal model used as known model. By assuming that the behaviour of refrigerating machine heat exchangers can be represented using a first-order model, the implementation of PFC requires only three parameters: gain, time constant and time delay. In order to determine these parameters an original method has been developed which is based on the physical modelling of the machine. Physical models for different types of evaporator, condenser, compressor or expansion valve have been established to quantify heat transfer and refrigerant flow rate in these components. The control system created has been incorporated into an industrial programmable logic controller and used for experiments on two different refrigerating machines: the first one is composed of two shell and tube heat exchangers and a reciprocating compressor, whereas the second one is composed of a plate evaporator, a finned-tube condenser and a screw compressor. The tests performed show that PFC controller succeed in maintaining a precise chilled liquid temperature.

Afin d’optimiser la taille et le coût des évaporateurs basse pression utilisés dans les systèmes de climatisation à sorption, une bonne connaissance des phénomènes de vaporisation du fluide frigorigène tels qu’ils pourraient se produire dans ces évaporateurs est nécessaire. Cependant très peu d’études portent sur ce sujet et il y a un sérieux manque de données concernant les phénomènes de vaporisation (ébullition et évaporation) qui pourraient se produire dans des évaporateurs compacts basse pression. Le but de cette étude est donc d’aller plus loin dans la compréhension de ces phénomènes aussi bien d’un point de vue très fondamental que d’un point de vue applicatif. Dans cette optique, deux bancs d’essais ont été réalisés. Le premier banc d’essais permet d’étudier le comportement de l’eau dans une configuration d’ébullition en vase à une pression pouvant atteindre 0.8 kPa. À ces basses pressions, l’influence de la hauteur hydrostatique ne peut être négligée. Cette spécificité du milieu d’ébullition a une influence non négligeable sur la taille et la forme des bulles : cette influence est analysée. Les courbes d’ébullition pour des pressions allant de 0.8 kPa à 100 kPa sont tracées. L’ébullition en vase de l’eau dans un premier temps sans puis avec confinement est également étudiée. Des courbes d’ébullition sont tracées pour différentes pressions de vapeur et différentes hauteur de la colonne d’eau. Puis, six différents espaces de confinement sont testés pour des pressions allant de 1.2 kPa à 5 kPa. Un régime d’ébullition spécifique à la basse pression est observé. L’influence de l’apparition de ce régime sur le transfert de chaleur est montrée. Le deuxième banc expérimental permet d’observer la vaporisation de l’eau dans un canal d’évaporateur à plaques de dimension standard (0.2 m de large x 0.5 m de haut) dans des conditions similaires à celles obtenues dans une climatisation à absorption (pressions de travail variant de 16 kPa à 0.85 kPa, remplissage de la plaque variant de 1/2 à1/10 de la hauteur totale de la plaque). Un plan d’expérience est réalisé pour un espacement entre deux plaques de 2 mm et 4 mm. Trois principaux régimes d’ébullition ont été identifiés ainsi que trois différentes zones de travail: une zone d’ébullition en vase, une zone d’évaporation en film et une zone de vapeur. Il a été mis en évidence que la majorité du transfert de chaleur a lieu dans la zone d’évaporation en film. Le film observé dans cette partie est créé suite à la rupture de la membrane d’une bulle de plusieurs centimètres ayant pris naissance dans la partie d’ébullition en vase. Des puissances frigorifiques allant de 0 à 503 W ont été mesurées. Les conditions pour obtenir la meilleure puissance frigorifique possible sont déterminées. Enfin, dans une première tentative vers un dimensionnement des échangeurs compacts basse pression, des premières réflexions basées sur des nombres adimensionnels ont été proposés. / In order to be able to design properly low pressure evaporators for sorption chillers, knowledge on vaporization of the refrigerant under conditions that might occur in these evaporators is fundamental. However, few studies focus on this subject and there is a lack of knowledge about vaporization (boiling or evaporation) phenomena occurring in compact evaporator at low pressure. The aim of the present thesis is thus to go further into the understanding of these phenomena both from a fundamental point of view and from an applicative point of view. In that goal, two experimental test setups were designed and built. The first experimental setup allows the observation of the water behavior at a pressure down to 0.8 kPa in pool boiling configuration. As the hydrostatic pressure is of the same order of magnitude as the vapor pressure, the boiling environment is highly subcooled. This unusual environment has an influence on the bubble size and on the bubble growth: its influence is analyzed. Boiling curves for pressures ranging from 0.8 kPa to 100 kPa were also plotted. Then, in order to be closer to a plate-type heat exchanger configuration, water pool-boiling in vertical configuration first without and then with confinement was studied. Boiling curves for a pressure ranging from 1.2 kPa to 5 kPa, different heights of the liquid level and for different channel thicknesses were plotted and analyzed. The occurrence of a specific boiling regime is observed. The influence of the onset of this specific regime on the heat transfer is shown. The significance of the Bond number, often used in study of boiling in confined space, is also discussed. The second experimental setup allows the observation of the water vaporization inside a channel of a smooth plate-type heat exchanger (0.2 m width x 0.5 m height) in conditions that might occur in sorption chillers (working pressure ranging from 16 kPa to 0.85 kPa, secondary fluid temperature ranging from 10.9 to 23.1 °C, filling ratio ranging from 1/2 to 1/10 of the whole channel height). The methodology of the design of experiments was followed for a thickness of the channel equal to 2 mm and 4 mm. Three mains flow regimes were observed and three different working areas were identified: a pool boiling area, a film evaporation area and a vapor area. The major part of the cooling capacity achieved is obtained in the film evaporation area. In this part, the creation of a liquid film due to the splashing of droplets is observed. These droplets come from the breaks of the membrane of a previously formed large bubble of several centimeters in the pool boiling area, few centimeters above the free surface. Cooling capacities ranging from 0 to 503 W were measured and conditions to obtain the best cooling capacity were determined. Finally, in order to provide some first guidelines for the design of low pressure evaporators, reflexions based on dimensionless numbers are proposed.