Optimisation énergétique d’un groupe frigorifique au CO2 transcritique

Le dioxyde de carbone (CO2, R744) est une alternative prometteuse pour les systèmes de réfrigération car il ne contribue pas à l'appauvrissement de la couche d'ozone et a très peu d'impact sur le réchauffement climatique par rapport aux autres fluides frigorigènes conventionnels tels que les HFC et les HFO. De plus, contrairement à certains fluides naturels, il n'est ni toxique, ni inflammable, ni corrosif. Toutefois, les systèmes de réfrigération au CO2 ont des performances limitées en raison de leur basse température critique (31,1 °C) qui peut être inférieure à la température extérieure. De plus, la pression critique du CO2 est très élevée, comparée à celle des autres fluides frigorigènes. Pour ces deux raisons, les systèmes thermodynamiques au CO2 fonctionnent souvent en régime transcritique d’une part, et à très haute pression (supérieure à 73,7 bar) d’autre part. Cette thèse a pour objectif d’étudier différentes solutions d'amélioration des performances des systèmes de réfrigération mono-étagés (une seule étape d’évaporation) au CO2 dans la production de froid positif pour les vitrines réfrigérées des supermarchés ou pour des applications de climatisation. Elle se focalise sur des solutions d’amélioration liées à l’architecture de l’installation frigorifique, c’est-à-dire l’utilisation d’organes spécifiques tels que des échangeurs de chaleur internes, des éjecteurs, des compresseurs parallèles, etc. Dans un premier temps, une étude bibliographique a été menée sur les différentes configurations proposées dans la littérature, ainsi qu'une étude expérimentale de la performance des différents agencements (y compris l'ajout d'échangeurs de chaleur, d’un compresseur parallèle et d'un multi-éjecteur liquide) installés sur un banc d'essai régulé de taille industrielle (40 kW froid). Les résultats expérimentaux ont mis en évidence l'intérêt de travailler avec une surchauffe réduite (1,8 °C) plutôt qu'avec une surchauffe positive (8 °C). Une différence significative de performance est observée entre l'utilisation d'un compresseur parallèle et celle d'une vanne flash gaz. L'utilisation d'une vanne flash gaz en complément d’autres organes tels qu’un éjecteur ou un économiseur permet une amélioration du coefficient de performance (COP), en régime transcritique et avec une surchauffe de 8 °C, d'environ 6 %, par rapport à un système avec vanne flash gaz seule. Un compresseur parallèle utilisé en complément d’autres organes, quant à lui, offre une amélioration d'environ 16 %. Avec une surchauffe réduite, ces améliorations sont d’environ 10 % et 18 % respectivement. Bien que l'ajout d'un sous-refroidisseur, d'un économiseur, de deux échangeurs de chaleur interne ou d'un éjecteur monophasique montrent tous une amélioration par rapport au système de référence, ils ne présentent pas de différence significative entre eux en ce qui concerne la performance de l'installation.