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Etudes numériques et expérimentales d’un éjecteur conçu pour un cycle de production de froid ou de chaleur

Défis technologiques Efficacité énergétique pour bâtiments intelligents, mobilité électrique et procédés industriels Energie, thermique, combustion, écoulements Sciences pour l’ingénieur

Résumé du sujet

L'éjecteur a fait l'objet de recherches dans la littérature comme composant principal des cycles de réfrigération utilisant la « compression thermique » grâce à sa simplicité sans pièces mobiles. Il utilise un fluide haute pression appelé « fluide primaire » pour entraîner et comprimer un fluide basse pression, appelé « fluide secondaire ». Les performances de l'éjecteur sont définies par le taux d'entraînement, qui est le rapport débit massique entre les flux secondaire et primaire ; ainsi que la pression critique, qui limite la plage de fonctionnement de l'éjecteur. La plupart des études numériques et expérimentales ont été menées sur des éjecteurs de vapeur d'eau. Les études ont montré que l'optimisation de la géométrie est cruciale pour améliorer les performances de l'éjecteur. De plus, des expériences ont montré que l’écoulement à l’intérieur d’un éjecteur est souvent supersonique et hautement compressible induisant ainsi de fortes variations de pression. Cela peut induire de fortes variations de température et l'apparition d'eau liquide et de glace dans les éjecteurs a déjà été observée.

Des études numériques réalisées précédemment ont montré l'importance de modéliser avec précision les changements de phase liquide-vapeur afin d'établir des modèles numériques cohérents et précis de l'hydrodynamique des écoulements au sein de l'éjecteur. Cependant, ces études accordent peu ou pas de considération à la répartition du champ de température au sein de l'éjecteur. La principale difficulté ici réside dans les énormes variations de pression qui se produisent à l’intérieur de l’éjecteur, qui conduisent à des changements de phase liquide-vapeur dans un écoulement hautement compressible. Dans ce projet de thèse, nous visons à étudier des solutions innovantes avec éjecteur intégré dans des cycles thermodynamiques travaillant avec des fluides naturels (ammoniac, eau, CO2 …) afin d'améliorer les performances globales. Pour cela, il est important de comprendre les phénomènes physiques locaux des écoulements à l'intérieur d'un éjecteur, notamment l'impact du changement de phase liquide-vapeur ainsi que l'impact des conditions opératoires.

En nous appuyant sur le solide bagage de recherche du CEA et de l'INSA Lyon, nous mènerons des travaux numériques et expérimentaux sur l'éjecteur et les cycles thermodynamiques avec le plan de recherche suivant :
Travail numérique :
_ Développement d'un modèle 1D et réalisation des simulations CFD pour comparaison
_ Modélisation et simulations des cycles thermodynamiques identifiés intégrés à l'éjecteur approprié
_ Conception d'éjecteur pour tests
Travail expérimental : fabrication d'un éjecteur de test et réalisation de mesures pour la validation et l'analyse du modèle

Depuis plus de 15 ans, le CEA mène des recherches approfondies sur les cycles thermodynamiques afin de développer des solutions innovantes pour la production de chaleur, de froid et d'électricité. Récemment, nous avons développé un nouveau modèle d'éjecteur destiné à être intégré dans un cycle thermodynamique. Pour investiguer des phénomènes locaux ayant lieu dans les écoulements à l'intérieur d'un éjecteur en considérant la phase liquide-vapeur, nous avons étudié et réalisé des simulations CFD. L'INSA Lyon dispose d'une solide expérience de recherche sur les thématiques liées au CO2 telles que les cycles de pompes à chaleur, les échangeurs de chaleur ainsi que les éjecteurs. Le banc d'essais d'éjecteur de l'INSA Lyon ainsi que la plateforme INES du CEA serviront aux travaux expérimentaux de ce projet.

Laboratoire

Département Thermique Conversion et Hydrogène (LITEN)
Service Système Energétique Territoire et Industrie
Laboratoire des technologie thermodynamqiues et solaires
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