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UNIVERSITÉ DE SHERBROOKE Faculté de génie Département de génie mécanique CONCEP

UNIVERSITÉ DE SHERBROOKE Faculté de génie Département de génie mécanique CONCEPTION, CONSTRUCTION ET ANALYSE D'UN SYSTÈME DE RÉFRIGÉRATION À ÉJECTEUR Mémoire de maîtrise Spécialité : génie mécanique J. Christopher Reddick Jury : Mikhail SORIN Hachimi FELLOUAH Nicolas GALANIS Yves MERCADIER Mohamed OUZZANE Sherbrooke (Québec) Canada Janvier 2012 " v - a J N Library and Archives Canada Published Héritage Branch Bibliothèque et Archives Canada Direction du Patrimoine de l'édition 395 Wellington Street Ottawa ON K1A 0N4 Canada 395, rue Wellington Ottawa ON K1A 0N4 Canada Yourfile Votre référence ISBN: 978-0-494-83697-2 Our file Notre référence ISBN: 978-0-494-83697-2 NOTICE: The author has granted a non- exclusive license allowing Library and Archives Canada to reproduce, publish, archive, preserve, conserve, communicate to the public by télécommunication or on the Internet, loan, distrbute and sell theses worldwide, for commercial or non- commercial purposes, in microform, paper, electronic and/or any other formats. AVIS: L'auteur a accordé une licence non exclusive permettant à la Bibliothèque et Archives Canada de reproduire, publier, archiver, sauvegarder, conserver, transmettre au public par télécommunication ou par l'Internet, prêter, distribuer et vendre des thèses partout dans le monde, à des fins commerciales ou autres, sur support microforme, papier, électronique et/ou autres formats. The author retains copyright ownership and moral rights in this thesis. Neither the thesis nor substantial extracts from it may be printed or otherwise reproduced without the author*s permission. L'auteur conserve la propriété du droit d'auteur et des droits moraux qui protégé cette thèse. Ni la thèse ni des extraits substantiels de celle-ci ne doivent être imprimés ou autrement reproduits sans son autorisation. In compliance with the Canadian Privacy Act some supporting forms may have been removed from this thesis. While these forms may be included in the document page count, their removal does not represent any loss of content from the thesis. Conformément à la loi canadienne sur la protection de la vie privée, quelques formulaires secondaires ont été enlevés de cette thèse. Bien que ces formulaires aient inclus dans la pagination, il n'y aura aucun contenu manquant. Canada To my mother andfather, Barbara and Jim Reddick. À ma femme Helene, A nos quatre enfants : Kathleen, Michael, Joanne et Barbara RÉSUMÉ Dans le contexte d'un intérêt grandissant pour le domaine d'efficacité énergétique, les systèmes de réfrigération à compression très répandus offrent des bonnes possibilités d'améliorations. Le présent travail porte sur une étude expérimentale de la possibilité d'augmenter l'efficacité énergétique dans un système de réfrigération où un éjecteur sert de valve de détente. Un banc d'essai a été conçu et fabriqué qui permet le fonctionnement soit en mode conventionnel soit en mode avec éjecteur. Le réfrigérant utilisé est le RI 34a, avec une puissance frigorifique nominale de 5 kW et une consigne de 5°C à l'évaporateur et de 40°C au condenseur. L'éjecteur diphasique est muni d'un double col dans la tuyère, dont le premier col est à section variable selon la position d'un pointeau. Les mesures prises ont montré une amélioration de jusqu'à 11 % dans le coefficient de performance, ou COP, en mode éjecteur par rapport à celui en mode conventionnel. En mode éjecteur, le rapport de pression fourni par l'éjecteur était de 1.070 pour un ensemble d'essais complété. En mode éjecteur, la puissance frigorifique totale était la somme de la puissance thermique de l'évaporateur, dont le titre à l'entrée était très faible, et de la puissance thermique des éléments électriques, qui servaient de surchauffeur. Il a été constaté que la puissance frigorifique à l'évaporateur était au maximum lorsque les deux cols de la tuyère étaient d'aire égale. Un bilan d'énergie et une analyse d'erreur ont confirmé la validité des résultats. Finalement, des suggestions ont été apportées afin de palier aux difficultés vécues avec l'efficacité du séparateur dans le montage. Le besoin important de contrôler le niveau de surchauffe du réfrigérant retournant au compresseur doit faire partie du travail futur. Une avenue prometteuse serait de rajouter un deuxième évaporateur après le séparateur, ou de combiner la fonctionnalité d'un séparateur avec le deuxième évaporateur dans une seule unité. Cette voie fournirait une solution au problème du manque de surchauffe à la sortie du séparateur et laissera plus de marge de manœuvre dans le système de contrôle. Mots-clés : Réfrigération, éjecteur diphasique, COP, efficacité énergétique. i REMERCIEMENTS J'aimerais remercier mon directeur de recherche, monsieur Yves Mercadier, pour ses conseils, son support et son encouragement tout au long du projet. J'ai bien apprécié sa volonté à rentrer dans les détails et d'aider avec n'importe quel problème touchant le projet ou mes cours. Je tiens à remercier, monsieur Nicolas Galanis, professeur titulaire de la Chaire en efficacité énergétique industrielle, pour son encadrement à mon arrivée à l'Université de Sherbrooke et dans le projet. J'appréciais son cours de compléments de mécanique de fluides et les séminaires qu'il organisait au département de génie mécanique. Merci de m'avoir appuyé financièrement via le Chaire. Je remercie chaleureusement mes collaborateurs à CanmetÉNERGIE (Ressources naturelles Canada, à Varennes, Québec). Merci d'abord à mon co-directeur, monsieur Mohamed Ouzzane. Merci également à monsieur Zine Aidoun et à monsieur John Scott. J'étais toujours bien reçu à Varennes et j'ai bénéficiait à maintes reprises de conseils et d'encouragement pendant ce projet expérimental. Je tiens à remercier professeur Hachimi Fellouah qui m'a aidé avec ses suggestions constructives. Merci, avant tout, d'avoir accepté de nous aider à surmonter certaines difficultés à la conclusion du projet. Je voudrais ici remercier monsieur Lauris Nolier pour son assistance avec l'instrumentation et calibration très tôt dans le montage du banc d'essai. Mes remerciements s'adressent ensuite à mes amis et collègues avec qui j'ai pu discuter et échanger lors de mes études graduées. Au risque d'offenser ceux qui je ne nomme pas, je voudrais souligner les noms de ceux avec qui j'ai eu le plaisir de côtoyer et de partager le travail lors des cours : messieurs Wahid (Abdelouhid) Dahmani, Mohammed Khennich, Jean-Sébastien Savard et madame Ayesha Khatun. ii TABLE DES MATIÈRES RÉSUMÉ i REMERCIEMENTS ii LISTE DES FIGURES 1 LISTE DES TABLEAUX 3 LISTE DES SYMBOLES ET ABRÉVIATIONS 4 CHAPITRE 1 INTRODUCTION 9 1.1 PROBLÉMATIQUE 9 1.2 ÉTUDE BIBLIOGRAPHIQUE 10 1.3 OBJECTIFS 21 1.4 MÉTHODOLOGIE 22 1.4.1 Commentaire sur les symboles et abréviations 23 CHAPITRE 2 MONTAGE EXPÉRIMENTAL 25 2.1 CARACTÉRISTIQUES GÉNÉRALES 25 2.1.1 Cahier de charges 31 2.1.2 Étude préliminaire des dimensions 31 2.2 COMPOSANTES 36 2.2.1 L'éjecteur 36 2.2.2 Le compresseur 40 2.2.3 La source 41 2.2.4 Le puits 43 2.2.5 Les échangeurs de chaleurs 43 2.2.6 Le séparateur 46 2.2.7 Le système de surchauffe après le séparateur 48 2.2.8 La valve de détente 49 2.2.9 L'accumulateur et le receveur 50 2.2.10 Tuyauterie divers 52 2.3 INSTRUMENTATION 53 2.3.1 Mesure des températures 54 2.3.2 Mesure des pressions 55 2.3.3 Mesure des débits 55 iii 2.3.4 Mesure du voltage et calcul de la puissance 56 2.4 SYSTÈME D'ACQUISITION : 56 2.5 CALIBRATION DES DÉBITMÈTRES 58 CHAPITRE 3 EXPÉRIMENTATION 60 3.1 FONCTIONNEMENT DU BANC D'ESSAI 60 3.1.1 Démarrage à froid : mode conventionnel 61 3.1.2 Démarrage à chaud : mode conventionnel 62 3.1.3 Démarrage à chaud : mode éjecteur 63 3.2 PROBLÈMES ET INCIDENTS : 64 3.2.1 Débitmètres « Pelton » et chute de pression 64 3.2.2 Bilan d'énergie en mode conventionnel 65 3.2.3 Évaporateur : croisement des variations de températures 66 3.2.4 Oscillation de température : mode conventionnel 67 3.2.5 Séparateur : inefficacité en mode éjecteur 67 3.2.6 Évaporateur : Débit massique faible en mode éjecteur 69 3.2.7 Banc d'essai : Varia 70 3.3 RECALIBRATION ET CORRECTIONS DES CAPTEURS 70 3.4 MODE ÉJECTEUR VERSUS MODE CONVENTIONNEL 76 CHAPITRE 4 DISCUSSION ET ANALYSE 79 4.1 PARAMÈTRES D'INTÉRÊT 79 4.1.1 COP : mode éjecteur versus mode conventionnel 79 4.1.2 Graphique de Pression versus Enthalpie, mode éjecteur 84 4.1.3 Ouverture du pointeau et double col 92 4.1.4 Rapport de pression de l'éjecteur 97 4.1.5 Rapport d'entraînement de l'éjecteur 100 4.2 COMPARAISON ENTRE CONCEPTION ET MESURES 101 4.3 ANALYSE DES ERREURS 104 4.3.1 Incertitude dans les mesures et les valeurs calculées 104 4.3.2 Qualité du bilan d'énergie ; 107 4.3.3 Évaporateur : croisement des lignes de températures 110 4.4 AVENUES D'AMÉLIORATION 112 iv 4.4.1 Augmenter le rapport de pression 112 4.4.2 Bénéficier de la qualité du réfrigérant à l'évaporateur 113 4.4.3 Préciser les besoins en contrôle et stabilité 114 CHAPITRE 5 CONCLUSION 116 ANNEXE A - COURBES DE CALIBRATION 119 ANNEXE B - BORDEREAU DES MATÉRIAUX 121 ANNEXE C - ESSAIS EC7 ET E10 DU 29 MAI, 2011 127 ANNEXE D - TOUS LES ESSAIS DU 29 MAI, 2011 131 ANNEXE E - CARTE D'ACQUISITION DE DONNÉES 139 ANNEXE F - AIRE DE PASSAGE DANS LA TUYÈRE 141 ANNEXE G projet rl 34a_v9a.EES 144 ANNEXE H 29_mai_201 l_MODE_CONVENTIONNEL_CORRIGE_rNCERTITUDE_R4.EES 150 ANNEXE I 29_mai_201 l_MODE_EJECTEUR_CORRIGE_INCERTITUDE_R4.EES... 157 LISTE DES RÉFÉRENCES 168 v LISTE DES FIGURES Figure 1 Composantes d'un système de réfrigération à éjecteur [36] 11 Figure 2 Schéma d'un éjecteur [40] 12 Figure 3 Exemple d'une onde de choc dans un éjecteur [35] 15 Figure 4 Éjecteur expérimental conçu pour étudier le profil de la pression centrale [6] 15 Figure 5 Visualisation de l'ensemble uploads/Geographie/ conception-construction-et-analyse-d-x27-un-systeme-de-refrigeration-a-ejecteur.pdf