COMPARAISON DES PERFORMANCES DES FRIGORIGENES R134a et R1234yf DANS UN CYCLE HYBRIDE À COMPRESSION /ÉJECTION

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1 Third Intrnational Confrnc on Enrgy, Matrial, Applid Enrgtic and ollution. ICEMAE0, Octobr 30-3, 0, Contantin,Algria. M.KADJA, A.ZAATRI, Z.NEMOUCHI, R.BESSAIH, S.BENISSAAD and K. TALBI (Ed.). COMARAISON DES ERFORMANCES DES FRIGORIGENES R34a t R34yf DANS UN CYCLE HYBRIDE À COMRESSION /ÉJECTION Latra BOUMARAF, hilipp HABERSCHILL LR3MI, Départmnt d Mécaniqu, Univrité d Annaba, B, 3000 Annaba, Algéri l_boumaraf@yahoo.fr Cntr d Thrmiqu d l INSA d Lyon, UMR CNRS 008 0, Avnu Albrt Eintin 9 Villurbann cdx, Franc, philipp.habrchill@ina-lyon.fr RÉSUMÉ C travail prént un analy thrmodynamiqu du cycl d fonctionnmnt d un machin frigorifiqu hybrid à comprion/éjction utiliant un ourc d énrgi thrmiqu à ba ou moynn tmpératur. our cla, un modèl d imulation d on comportmnt baé ur cux d différnt compoant a été mi au point. Il comprnd notammnt pour l éjctur, un modèl -D d typ "mélang à ction contant" dévloppé n régim optimal d tranition. L frigorigèn tté ont la vapur H O pour la boucl à éjctur t l R34a (GW=430) t on ubtitut potntil R34yf (GW=4) pour la boucl à comprion mécaniqu. our un puianc frigorifiqu d 0 kw t d condition d fonctionnmnt n climatiation, l influnc d la tmpératur du bouillur, du condnur aini qu cll du rfroidiur intrmédiair ur l taux d ntraînmnt d l éjctur, l CO thrmiqu t l CO mécaniqu d la machin hybrid ont été xaminé. L réultat montrnt n particulir qu la machin frigorifiqu hybrid prmt un augmntation du CO mécaniqu upériur à 0% par rapport à clui du ytèm frigorifiqu convntionnl à comprion d vapur t qu l prformanc obtnu avc l R34a ont légèrmnt millur qu cll obtnu avc l R34yf. Mot Clé: Cycl hybrid, Frigorigèn, Éjctur, CO, Modéliation NOMENCLATURE Symbol : Rapport d capacité calorifiqu (=C /C V) A Air d ction d l éjctur, m² Rndmnt intropiqu CO Cofficint d prformanc Rndmnt mécaniqu d la pomp C Capacité calorifiqu à =ct, J/kg.K Ma volumiqu, kg/m 3 C d Diamètr, Capacité calorifiqu m maiqu à =ct, J/kg.K Surchauff Ex Efficacité d l échangur Indic / Expoant : GW Global Warming otntial B Bouillur h Enthalpi maiqu, J/kg C Condnur M Nombr d Mach comp Comprur m Débit maiqu, kg/ D Diffuur ODC Ond d choc E Evaporatur rion, N/m² i Rfroidiur intrmédiair Q Quantité d chalur, J i rocu intropiqu Q uianc thrmiqu, W m Mélang R Contant pécifiqu du gaz, J/kg.K méc Mécaniqu T Tmpératur, K ou C Fluid (ou tuyèr) primair U Factur d ntraînmnt d l éjctur m S m S Fluid (ou tuyèr) condair V Vit du fluid, m/ th Thrmiqu 7

2 ICEMAE0, Octobr 30-3, 0, Contantin,Algria. M.KADJA, A.ZAATRI, Z.NEMOUCHI, R.BESSAIH, S.BENISSAAD and K. TALBI (Ed.). W uianc mécaniqu, W * Sction d col d la tuyèr primair w travail maiqu, J/kg i,j, k Emplacmnt dan l éjctur Lttr grcqu :,., 3 Emplacmnt dan l cycl hybrid. INTRODUCTION Dan l cadr du dévloppmnt durabl, l utiliation d un machin frigorifiqu à éjcto-comprion [] pour la production du froid (réfrigération t conditionnmnt d air) prmt d allir dux avantag, l un lié à l économi d énrgi grâc à l utiliation d'un ourc d énrgi gratuit (l énrgi olair ou bin l rjt thrmiqu d procu indutril) t l autr lié à la protction d l nvironnmnt grâc à la réduction d émiion d CO dan l atmophèr. D plu, c typ d machin t plu adapté à l utiliation d fluid frigorigèn plu rpctuux d l nvironnmnt (naturl ou ynthétiqu à faibl impact écologiqu), Cpndant on cofficint d prformanc CO t intimmnt lié aux prformanc d l éjctur qui ont ouvnt médiocr. A ct fft, l'utiliation d'un machin à cycl d réfrigération hybrid comprion/éjction prmt d urmontr ct inconvénint. En fft, c drnir prmt d concilir l avantag t l inconvénint d dux ou-cycl à éjctur t clui à comprion d vapur. Dan l but d évalur t d optimir l prformanc d c ytèm hybrid, un modèl d imulation d on cycl d fonctionnmnt a été mi au point. Il comprnd notammnt pour l éjctur, un modèl -D baé ur l équation d conrvation d la ma, d la quantité d mouvmnt t d l énrgi, d typ "mélang à ction contant" n régim d tranition, dévloppé auparavant [-4]. H O t utili comm frigorigèn dan la boucl à éjctur t l R34a (GW=430) t on ubtitut potntil, l R34yf (GW=4) dan la boucl à comprion mécaniqu. L tmpératur d fonctionnmnt d référnc du génératur (bouillur), du condnur, du rfroidiur intrmédiair t d l évaporatur ont fixé rpctivmnt à T B=80 C, T C=40 C, T i=30 C t T E= C. La puianc frigorifiqu rtnu t d 0 kw. L factur d ntraînmnt U t l principaux paramètr géométriqu d l éjctur aini qu l cofficint d prformanc thrmiqu CO th t mécaniqu CO méc d la machin frigorifiqu à cycl hybrid comprion/éjction ont alor calculé. ar aillur, l fft d nivaux d tmpératur du bouillur, du condnur aini qu cll du rfroidiur intrmédiair ur l prformanc d c ytèm ont aui été xaminé.. MACHINE FRIGORIFIQUE À CYCLE HYBRIDE COMRESSION/ ÉJECTION L cycl d un machin frigorifiqu hybrid à comprion/éjction ( figur ) conit n un ou cycl d un machin frigorifiqu à éjcto-comprion rlié à clui d un machin frigorifiqu à comprion mécaniqu. H O (fluid naturl) t utilié comm fluid frigorigèn dan l ou cycl à éjctur alor qu l R34a t on rmplaçant potntil, l R34yf ont utilié dan l ou cycl à comprion mécaniqu d vapur. La connxion ntr l dux ou cycl fait à l aid du rfroidiur intrmédiair qui jou l rôl d évaporatur pour l ou cycl à éjctur t l rôl d condnur pour l ou cycl à comprion mécaniqu. Sa tmpératur d fonctionnmnt T i itu ntr la tmpératur d l évaporatur T E t cll du condnur T C du cycl hybrid. L princip d fonctionnmnt d la machin frigorifiqu hybrid t l uivant: l apport d énrgi thrmiqu au bouillur Q B, rt à produir d la vapur H O à haut tmpératur t haut prion (état ) applé fluid primair ou motur () qui détnd dan la tuyèr primair d l éjctur (figur ). A la orti, l fluid primair à grand vit ntraîn la vapur H O applé fluid condair (S) provnant du rfroidiur intrmédiair dan l état. Enuit, l flux primair t condair mélangnt dan la chambr d mélang. Un prmièr augmntation d prion du à la formation d un ond d choc a liu dan la chambr d mélang uivi d un cond du à la comprion dan l diffuur. A la orti d c drnir, l mélang d vapur d au urchauffé (état ) pa dan un échangur thrmiqu où a tmpératur t réduit juqu à cll d l état 3, avant d aboutir dan un condnur où il pa ou form liquid. La chalur d condnation Q C t 8

3 ICEMAE0, Octobr 30-3, 0, Contantin,Algria. M.KADJA, A.ZAATRI, Z.NEMOUCHI, R.BESSAIH, S.BENISSAAD and K. TALBI (Ed.). rjté vr l miliu nvironnant. Un parti du condnat, état 4, détnd à travr un organ d détnt juqu à l état pui pénètr dan l rfroidiur intrmédiair où ll t évaporé par la chalur d condnation du ou cycl frigorifiqu à comprion mécaniqu d vapur. L rt du condnat H O, état 7, t pompé par un pomp d circulation, état 8 vr l bouillur, état 9, via l échangur thrmiqu où il récupèr la chalur nibl d la vapur H O provnant d l éjctur. Dan l ou cycl à comprion mécaniqu, la vapur du frigorigèn (R34a ou R34yf) iu du comprur, état 0, t condné à l état liquid, état, dan l rfroidiur intrmédiair. La chalur d ctt condnation t utilié pour vaporir l frigorigèn du ou cycl à éjctur. L condnat, état, ubit d abord un réduction d prion juqu à cll d l état au paag d un détndur avant d pénétrr dan l évaporatur pour produir l fft frigorifiqu compté Q E. A la orti d c drnir, l frigorigèn ou form vapur (état 3) t comprimé par l comprur juqu à l état 0 avant d pénétrr dan l rfroidiur intrmédiair, c qui complèt l cycl hybrid à comprion/éjction. QB Éjctur Bouillur 0 Chambr d'apiration Chambr d mélang Diffuur 9 8 Échangur 3 Valv Rfroidiur intrmédiair Valv Comprur 3 Wcomp d *, i d d m j k ODC d D +S, omp Condnur Évaporatur W 7 QC 4 QE S, FIGURE. Schéma d la machin frigorifiqu hybrid à comprion/éjction FIGURE. Configuration d l éjctur 3. MODELISATION L modèl global t divié n 8 modul traité uccivmnt L prmir concrn l ou cycl d comprion mécaniqu tandi qu l ix modul uivant ont rlatif à l éjctur t l drnir au calcul d prformanc du cycl hybrid à comprion/éjction. L divr rlation utilié font l'objt du tablau. L comportmnt d la vapur H O dan l éjctur t uppoé comm clui d un gaz parfait, partout aillur, l caractéritiqu d frigorigèn ont calculé à l aid du logicil REFRO []. Dan l modul, on prnd n compt un rndmnt intropiqu du comprur égal à 0,7 t on calcul l débit du frigorigèn circulant dan l ou cycl à comprion (équation 0) aini qu la puianc d comprion. Dan l modul t 3 rlatif, rpctivmnt, aux convrgnt d tuyèr primair t condair, on uppo un vit d m/ n ntré du prmir (cci prmt un dimnionnmnt complt d la tuyèr primair) t un vit null n ntré du cond t on prnd n compt un rndmnt intropiqu d détnt d 0,9.our traitr du modul, il convint d'initialir la valur du débit primair. Clui du modul 3, t détrminé à partir du bilan thrmiqu du rfroidiur intrmédiair (équation ). our c modul, l valur d urchauff ont d paramètr ajutabl La vit du on t uppoé attint à la fin d chacun d ction corrpondant (col d tuyèr). Ctt condition prmt d déduir la valur réll d prion aux col. L modul 4 trait d la détnt uproniqu d l'écoulmnt dan l divrgnt d la tuyèr primair t dan un parti d la zon cylindriqu juqu'au nivau du col d l'écoulmnt condair. On fait l'hypothè qu la prion n orti t impoé par cll qui règn au col d l'écoulmnt condair (régim d tranition). L modul trait du mélang d jt primair t condair dan la zon à ction contant d la tuyèr condair. L réultat obtnu rvnt 9

4 ICEMAE0, Octobr 30-3, 0, Contantin,Algria. M.KADJA, A.ZAATRI, Z.NEMOUCHI, R.BESSAIH, S.BENISSAAD and K. TALBI (Ed.). Obrvation Équation N Obrvation Équation N Extrait du logicil h f (,T) h CT REFRO h f (,) Gaz parfait f (T,) 3 rt f (,T) 4 Intropiqu Rndmnt intropiqu d détnt Équation d énrgi dan un tuyèr Nombr d Mach Bilan d ma Bilan d quantité d mouvmnt du mélang Bilan d énrgi du mélang Bilan d quantité d mouvmnt d l ond d choc Bilan d énrgi d l ond d choc 7 Surchauff h h i 9 h h, i h h V V V M 3 rt V 0 Rndmnt intropiqu comprion Taux d'ntraînmnt d l éjctur S Air d un ction T T T E i B (TE TE ) (Ti T i ) (T T ) B h,i h i 0 h h B 8 m S U m m A 4 V m m m A V A V m p m S Aij i Vim p m SVSi j CTjm mv j CT im m Vi CTSi m S m SV Si 7 Débit d Q m E E 0 l évaporatur (h h ) Rndmnt d la pomp CO thrmiqu du cycl hybrid CO 3 Vj jai mv k k Ai 8 m h8 h7 w th QE Q W W 4 B comp CTj V j CTk V k 9 Débit me(h0 h ) m 3 S condair (h h ) Efficacité d l échangur T T3 Ex thrmiqu T T8 3 CO QE mécaniqu du COtméc W cycl hybrid comp W TABLEAU. Équation utilié dan l modèl (indic t : ntré t orti d'un ction d'étud) d'ntré au modul qui détrmin l condition qui règnnt à l'aval d l'ond d choc itué dan la zon cylindriqu d l'éjctur. Dan l modul 7, on uppo un vit d m/ n orti du diffuur (cci prmt l dimnionnmnt du diffuur) t un rndmnt intropiqu d 0,8. L'idntité ntr l valur d la prion détrminé n utiliant un procu d comprion intropiqu dan l diffuur t cll d la prion du condnur C qui t un paramètr du modèl, impliqu alor d fair un bouclag ur la valur du débit primair. our évalur l cofficint d prformanc thrmiqu CO th t mécaniqu CO méc d la machin frigorifiqu hybrid à comprion/éjction, on calcul, dan l modul 8, l puianc thrmiqu échangé au

5 ICEMAE0, Octobr 30-3, 0, Contantin,Algria. M.KADJA, A.ZAATRI, Z.NEMOUCHI, R.BESSAIH, S.BENISSAAD and K. TALBI (Ed.). bouillur t mécaniqu d la pomp d circulation (n uppoant un rndmnt mécaniqu d pomp égal à 0% t un fficacité d l échangur thrmiqu Ex égal à 80%). 4. RESULTATS La puianc frigorifiqu d la machin hybrid étant d 0 kw. L urchauff au bouillur T B, au rfroidiur intrmédiair T i t à l évaporatur T E aini qu l ou rfroidimnt au condnur ont tou uppoé égaux à 0 K. L étud d prformanc du ytèm t ffctué pour un tmpératur d l évaporatur T E, égal à C t d tmpératur, au condnur, T C, variant d 3 à C, au bouillur, T B, variant d 70 à 00 C t au rfroidiur intrmédiair, T i, variant d 0 à 3 C. L frigorigèn tté ont la vapur H O pour la boucl à éjctur t l R34a t on ubtitut, l R34yf pour la boucl à comprion mécaniqu. L cycl convntionnl à éjctur utili la vapur H O comm fluid frigorigèn. Sur la figur 3 ont rprénté l variation du factur d ntraînmnt U d l éjctur t du CO th du cycl frigorifiqu hybrid aini qu cll du cycl convntionnl à éjctur n fonction d T C pour T B=80 C, T i= 30 C t T E= C. L réultat montrnt qu l valur du CO th du cycl hybrid obtnu avc l R34a ont légèrmnt upériur à cll obtnu avc l R34yf. Il montrnt aui qu U t CO th du cycl hybrid diminunt avc T C mai d un façon moin dratiqu qu dan l ca du cycl convntionnl à éjctur. ar U hybrid COth HO/R34yf COth HO/R34a U cycl à éjctur HO COth cycl à éjctur HO HO/R34a convntionnl R34a HO/R34yf convntionnl R34yf U, COth COméc TC( C) TC( C) FIGURE 3. Variation d U t du CO th d FIGURE 4. Variation du CO méc d cycl hybrid cycl hybrid t convntionnl à éjctur n t convntionnl à comprion n fonction d T C ( fonction d T C (T B=80 C, T i=30 C t T E= C) T B=80 C, T i=30 C t T E= C) aillur, ur la figur 4 l CO méc du ytèm hybrid t comparé au CO méc du ytèm frigorifiqu convntionnl à comprion fonctionnant aux mêm tmpératur du condnur t d l évaporatur t c pour l dux ca d fluid R34a t R34yf. C réultat montrnt clairmnt qu dan un gamm d tmpératur "util" du condnur, l CO méc d la machin hybrid t upériur à clui ytèm convntionnl à comprion avc un légr avantag pour l ca du R34a par rapport à clui du R34yf. Ctt économi d énrgi élctriqu réalié dan l ytèm hybrid étant n fait fourni ou form thrmiqu au bouillur. À T C, T i t T E fixé, la figur montr qu U t CO th augmntnt avc T B alor qu l CO méc t logiqumnt prqu contant n fonction d T B. ar aillur, à T B, T C t T E fixé, U t l CO th augmntnt avc la tmpératur du rfroidiur intrmédiair T i (figur ) alor qu l CO méc diminu avc ctt drnièr. Cci put êtr xpliqué par l fait qu l rfroidiur intrmédiair jou l rôl d évaporatur pour la boucl à éjctur t d condnur pour la boucl à comprion mécaniqu. Ctt figur montr aui qu l courb rpréntant l variation du CO th t du CO méc n fonction d T i coupnt n un point dont la valur d T i t égal à nviron T C-0 conduiant aux prformanc optimal d la machin frigorifiqu hybrid. ar aillur, l réultat aui bin d la figur qu cux d la figur font rortir un légr avantag au fluid d référnc R34a par rapport à on ubtitut l R34yf.

6 ICEMAE0, Octobr 30-3, 0, Contantin,Algria. M.KADJA, A.ZAATRI, Z.NEMOUCHI, R.BESSAIH, S.BENISSAAD and K. TALBI (Ed.). U, COth T B( C) U COth R34yf COth R34a COméc R34yf COméc R34a COméc U, COth,7,,3, 0,9 0,7 0, 0,3 0, U COth R34yf COth R34a COméc R34yf COméc R34a T i ( C) COméc FIGURE. Variation d U, du CO th t FIGURE. Variation d U, du CO th t du CO méc t du CO méc du cycl hybrid n fonction du cycl hybrid n fonction d T i(t B=80 C, T C=40 C d T B(T C=40 C, T i=30 C t T E= C) t T E= C). CONCLUSIONS our un puianc frigorifiqu t d tmpératur d palir d changmnt d pha au bouillur, au condnur, au rfroidiur intrmédiair aini qu à l évaporatur fixé, l modèl prénté dan c travail prmt d détrminr l principaux paramètr géométriqu d l éjctur t on taux d ntraînmnt aini qu l CO thrmiqu t mécaniqu d un ytèm frigorifiqu hybrid à comprion/éjction. L frigorigèn tté ont la vapur HO pur la boucl à éjction t l R34a aini qu on rmplaçant l R34yf pour la boucl à comprion mécaniqu. En particulir, pour d condition d fonctionnmnt n climatiation, l réultat obtnu montrnt qu l ytèm frigorifiqu hybrid prmt d attindr d valur d CO méc bin millur qu cll du CO du cycl convntionnl à comprion d vapur. En fft, un augmntation upériur à 0% a été obrvé avc un légr avantag dan l ca du R34a. Ctt économi d énrgi élctriqu, n plu d l utiliation d fluid frigorigèn naturl (H O) t à faibl impact écologiqu (R34yf) font qu l ytèm frigorifiqu hybrid utiliant un ourc d énrgi gratuit, contitu un ytèm écologiqumnt accptabl pouvant concurrncr l ytèm frigorifiqu convntionnl à comprion. REFERENCES [] L. Boumaraf, h. Habrchill, A. Lallmand, rformanc d un machin frigorifiqu à éjcto-comprion utiliant d fluid à faibl impact écologiqu, Act d 7 èm Journé Intrnational d Thrmiqu (JITH), Marill-Franc, 0. [] L. Boumaraf, A. Lallmand, Modling of an jctor rfrigrating ytm oprating in dimnioning and offdimnioning condition with th working fluid R4b and R00a, Applid Thrmal Enginring, 9, -74, 009. [3] L. Boumaraf L., A. Lallmand, Comparaion d prformanc optimal d un éjctur dimnionné lon l modèl à prion contant t à ction contant, Act d 3 èm Journé Intrnational d Thrmiqu (JITH),, 37-37, Albi-Franc, 007. [4] L. Boumaraf, h. Habrchill, A. Lallmand, Invtigation of a novl jctor xpanion rfrigration ytm uing th working fluid R34a and it potntial ubtitut R34yf, Intrnational Journal of Rfrigration, 4, 48-9, 04. [] NIST Standard Rfrnc Databa 3, Vrion 7.0.