Les fluides naturels employés en réfrigération et en conditionnement d’air possèdent de faibles PRG et sont de ce fait une véritable alternative aux HFC. Cependant, leur généralisation se heurte à des limites provenant de leur caractère toxique (NH3), inflammable (hydrocarbures, NH3) ou de leurs caractéristiques thermodynamiques défavorables (CO2). Leur utilisation accrue nécessite la mise en œuvre de composants spécifiques (échangeurs de chaleur intermédiaire, éjecteur) qui sans qui les performances seraient inférieures à celles obtenues avec les HFC (COPCO2 = 55 % du COPHFC-134a pour des températures de sources de 0 °C et 40 °C). L’utilisation d’un éjecteur comme organe de détente est une solution envisagée pour réduire les irréversibilités. Les éjecteurs diphasiques constituent une alternative intéressante pour les dispositifs de détente classiques utilisés depuis plusieurs décennies. Le principal avantage de l’éjecteur est de récupérer une partie de l’énergie cinétique du processus de détente de la haute pression à la basse pression pour augmenter la pression d’aspiration du compresseur. Ceci entraîne une diminution du travail consommé par ce dernier et, par suite, une augmentation du coefficient de performance du système. Néanmoins, une bonne conception d’un éjecteur diphasique nécessite une analyse détaillée en termes de simulations numériques et travaux expérimentaux. Ainsi, l’objectif de ce travail est d’apporter une contribution expérimentale à l’étude des machines frigorifiques au CO2 transcritique équipées d’éjecteur diphasique. Des efforts importants ont été investis dans la conception d’un éjecteur diphasique avec diverses géométries pour évaluer les principales caractéristiques à savoir le facteur d’entraînement et le rapport de compression. Les essais effectués ont permis de mettre en évidence l’influence des différents paramètres géométriques sur les performances de la machine (différents diamètres au col des tuyères primaires, différents diamètres de mélangeurs, longueurs de mélangeurs, distance entre le plan de sortie de la tuyère primaire et l’entrée du mélangeur, l’angle de divergent des tuyères primaires…) ainsi que les paramètres thermodynamiques (température d’évaporation, température à l’entrée de la tuyère primaire). / Natural refrigerants used in refrigeration and air conditioning have low GWP and are therefore a real alternative to HFCs. However, their generalization comes up against limits due to their toxic (NH3), flammable (hydrocarbons, NH3) or their unfavorable thermodynamic characteristics (CO2). Their increased use requires the implementation of specific components (intermediate heat exchangers, ejector) which without performance would be lower than those obtained with HFCs (COPCO2 = 55% of COPHFC-134a for temperatures source of 0 °C and 40 °C). The use of an ejector as an expansion device is a solution considered to reduce irreversibility. Two-phase ejector has been an interesting alternative for conventional expansion devices for several decades. The main advantage of the ejector is to recover some of the kinetic energy of the process of expansion from high pressure to low pressure to increase the suction pressure of the compressor. This results in a reduction of the work consumed by the latter and, consequently, an increase in the coefficient of performance of the system. Nevertheless, a good design of a two-phase ejector requires a detailed analysis in terms of numerical simulations and experimental work. Thus, the objective of this work is to make an experimental contribution to the study of transcritical CO2refrigeration machines equipped with two-phase ejector. Significant efforts have been invested in the design of a two-phase ejector with various geometries to evaluate the main characteristics namely the entrainment ratio and the compression ratio. The tests carried out made it possible to highlight the influence of the various geometrical parameters on the performances of the machine (different diameters of the throat of the primary nozzle, different mixers diameters and lengths, distance between the exit of the primary nozzle and the inlet of the mixer, the divergence angle of the primary nozzles ...) as well as the thermodynamic parameters (evaporation temperature, temperature at the inlet of the primary nozzle).

Le procédé de refroidissement par flash détente se développe dans divers domaines de l'agroalimentaire. La mise sous vide permet d'abaisser la température de saturation et d'évaporer une partie d'un solvant contenu dans un mélange. L'évaporation va se faire en prenant de l'énergie au mélange et ainsi de refroidir. Les vapeurs sont ensuite recondensées et éventuellement les condensats sont réintroduits dans le fluide. Les systèmes de flash détente qui sont actuellement conçus utilisent des composants souvent surdimensionnés. Le procédé reste complexe à appréhender du fait des phénomènes physiques liés au vide et au couplage entre les composants du système. Une pré-étude technologique a conduit à un nouveau concept de refroidissement en cascade permettant de réduire l'encombrement des différentes entités. Il s'agit de partager la cuve de détente en deux parties à pressions différentes, permettant quand même le refroisissement en continu. Ces deux parties communiquent par un clapet à flotteur et sont reliées à deux condenseurs placés en parallèle (ou en série) sur la pompe à vide. Ce système a conduit à un brevet international. Un prototype expérimental permettant de traiter 3 tonnes/heure de mélange a été développé durant la thèse et a permis d'observer des différentes pressions et températures, des condensats ainsi quele débit de la pompe à vide. La modélisation fine de tels phénomènes a été peu abordée. A cette fin, nous simulons l'évolution de la vapeur dans les deux parties de la cuve, sa condensation dans les condenseurs (tube et calandre) et sa liaison au fonctionnement de la pompe à vide. Successivement sont étudiés théoriquement et expérimentalement, l'éjecteur, le dévesiculeur, les condenseurs et leur couplage avec la cuve de détente. Les modèles sont qualifiés en terme de parcimonie, exactitude, précision et spécialisation. Ces étude ont conduit à l'expression d'une base de connaissances formulées par contraintes numériques cohérente avec son traitement par un solveur de problèmes par satisfaction de contraintes (CSP). La base de connaissances et le solveur constituent un système d'aide à la décision pour la définition d'évaporateurs flash.

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 travail mené dans le cadre de cette thèse porte sur l’étude expérimentale et numérique de l’écoulement au sein d’un éjecteur supersonique. Le régime d’écoulement qui s’installe dans ces appareils est très complexe du fait des phénomènes physiques qui les caractérisent comme la turbulence et les ondes de choc. Les méthodes expérimentales utilisées sont la mesure de la pression le long de l’axe de l’éjecteur `a l’aide d’une sonde développée à cet effet, la visualisation de l’écoulement par tomographie laser et la mesure de vitesse par PIV. Les simulations numériques sont réalisées à l’aide du code Ansys-Fluent en 2D axisymétrique et en 3D. Dans un premier temps, une étude de sensibilité du modèle numérique portant sur les paramètres de simulations et les modèles de turbulence est menée sur l’éjecteur fonctionnant sans flux induit. La validation des simulations repose sur une comparaison des résultats numériques avec des mesures de vitesse par PIV. Un modèle 3D s’est avéré incontournable pour l’étude de l’écoulement dans l’éjecteur avec flux induit à cause de sa géométrie complexe. Les outils expérimentaux et numériques développés permettent d’analyser finement l’interaction des flux moteur et induit, en particulier les processus de recompression par chocs obliques et de mélange. Une tentative de modélisation par LES des instabilités de l’écoulement détectées expérimentalement est également abordée. / The work reported in this thesis relates to the experimental and numerical studies of the flow within a supersonic ejector. The flow pattern which occurs in these apparatuses is very complex because of the flow phenomena encountered like flow turbulence and shock waves. The experimental methods used are the measurement of the pressure along the axis of the ejector using a specific probe developed for this purpose, the flow visualization by laser tomography and the velocity measurement by PIV. The numerical simulations are carried out using the Ansys-Fluent code with 2D axisymmetric and 3D models. First, a study of sensitivity to the numerical parameters of simulation and to the turbulence models is carried out on the ejector operating without induced flow. The validation of the simulations is achieved by a comparison between the numerical results and velocity measurements by PIV. A 3D model is necessary for the simulation of the flow in the ejector operating with induced flow because of the complex ejector geometry. The experimental techniques and the numericalmodels developed make it possible to analyze the interaction of the primary and secondary flows, in particular the process of recompression by oblique shocks and the mixing process. An attempt at modeling by LES simulation the flow instabilities detected during experiments is also approached.

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.