Analysis and optimization of a transcritical CO2 heat pump system using a two-phase ejector

L'objectif principal de ce projet de recherche est d'étudier en détail un système de pompe à chaleur transcritique au CO2 utilisant un éjecteur diphasique pour améliorer l'efficacité énergétique et les performances du système.
\nUn cycle de CO2 transcritique entraîne des pertes importantes lors de la détente (processus isenthalpique) ce qui explique de faibles performances thermodynamiques. Parmi les différents dispositifs de récupération des travaux d’expansion, un éjecteur est proposé pour récupérer une partie des travaux d’expansion dans le processus de régulation et améliorer l’efficacité du cycle. Par conséquent, il est important de comprendre les effets des performances de l'éjecteur ainsi que ses paramètres de fonctionnement pour parvenir à la conception optimale d'un système de réfrigération ou d'une pompe à chaleur.
\nUne étude comparative de différents cycles de réfrigération d’éjecteur au CO2 transcritique a été réalisée et a montré que le cycle de récupération d'expansion de l'éjecteur (EERC) a le plus haut coefficient de performance (COP) et la plus haute efficacité exergétique par rapport aux autres cycles. Le COP et l’efficacité exergétique de l’EERC sont 23.3% supérieurs à ceux du cycle de recirculation de liquides (LRC). Ils sont respectivement 24.9% et 25,5% supérieurs à ceux du cycle de pression de refoulement du compresseur (CDPC) et sont respectivement 5.6 fois et 56.2% supérieurs à ceux et d’un cycle de réfrigération à jet de vapeur (VJRC). Il peut également améliorer le COP et l’efficacité exergétique de 23% et 24%, respectivement, par rapport à un cycle conventionnel.
\nÉtant donné que les éjecteurs peuvent fonctionner dans différentes conditions de fonctionnement autres que le point critique, un modèle numérique détaillé a été développé pour évaluer les performances d'un éjecteur diphasique dans des conditions de simple et double « choking ». Le modèle a été validé avec succès à l’aide des données expérimentales disponibles dans la littérature ainsi que des données fournies par le laboratoire de technologie de l’énergie (LTE) d’Hydro-Québec. Ce modèle permet de prédire les performances de l’éjecteur pour une géométrie fixe (off-design) ainsi que pour des conditions de fonctionnement fixes (on-design).
\nL'évaluation de l'exergie de l'éjecteur diphasique au CO2 a été réalisée pour les conditions de simple et double "choking" afin d'étudier l'impact de la contre-pression sur les pertes et les rendements exergétiques. Le comportement de trois mesures thermodynamiques, la production d’exergie, la consommation d’énergie et les pertes d’exergie, a été étudié. Les résultats de la comparaison de deux critères de performance exergétique (l’efficacité exergétique transitoire et l’efficacité exergétique de Grassmann) ont montré la présence d’une valeur maximale de l’efficacité exergétique transitoire autour du point critique. Il a également été déterminé que l'efficacité exergétique de Grassmann ne constitue pas un critère approprié pour évaluer les performances d'un éjecteur au CO2 transcritique.
\nEnfin, un modèle de simulation d'un système de pompe à chaleur au CO2 transcritique avec des échangeurs de chaleur à plaques pour le refroidisseur à gaz et l'évaporateur a été développé et validé expérimentalement. Un modèle de conception d'éjecteur diphasique a été intégré dans le modèle du système de pompe à chaleur pour analyser les différentes performances des systèmes de pompe à chaleur à éjecteur au CO2. Ce modèle est basé sur les surfaces de transfert de chaleur réelles soumises à la contrainte d’une surface totale constante des échangeurs de chaleur. Les effets des conditions de fonctionnement ainsi que des paramètres de conception de l'éjecteur, tels que le diamètre de la gorge de la buse primaire, le rapport de surface utile, le diamètre de sortie du diffuseur ainsi que le rapport de surface de transfert de chaleur sur les performances du système ont été étudiés. Les conditions optimales d’utilisation et les caractéristiques de l’éjecteur correspondant au COP maximal et à la capacité de chauffage maximale ont été obtenues afin de déterminer la conception optimale d’un cycle au CO2 transcritique. Les rapports de surface de transfert de chaleur ont des effets importants sur le COPh, la capacité de chauffage ainsi que sur la pression optimale du refroidisseur de gaz. Les caractéristiques de l'éjecteur ont des effets importants sur les performances optimales du système. Le diamètre de gorge de la buse primaire et le rapport de surface effective sont deux paramètres importants et peuvent être ajustés pour contrôler les conditions de fonctionnement lors de la conception des cycles à éjecteur. Cependant, le diamètre de sortie du diffuseur n'a pas d'effet significatif sur les performances du système. Le COP et la capacité de chauffage de la pompe à chaleur à éjecteur peuvent augmenter d'environ 17% et 20% respectivement en augmentant le ratio de la surface de transfert de chaleur. Les diamètres de gorge désirés et le rapport de surface efficace de l'éjecteur dans des conditions de fonctionnement données ont été obtenus dans la plage de 1.35 à 1.5 mm et de 7.8 à 8.3 respectivement. Les plages optimales du rapport d'entraînement et du rapport de pression sont également de 0.47 à 0.61 et de 1.16 à 1.35 respectivement.

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