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L’éjecteur sur les circuits de réfrigération CO2 (R744) transcritique.
Depuis environ une dizaine d’années, les installations frigorifiques fonctionnant au CO2 s’imposent de plus en plus en GMS et plus récemment sur d’autres types d’applications.
Outre l’amélioration substantielle du bilan GWP, la performance énergétique moyenne annuelle est favorable et le CO2 autorise une très importante capacité de récupération de chaleur tout au long de l’année.
Pour autant, en pleine chaleur estivale, le COP avec le R744 reste pénalisant. Il est donc naturel de rechercher des solutions pour corriger ce point négatif. Au-delà de la compression parallèle, l’idée de l’éjecteur s’ajoute ou complète cette dernière technologie.
Rappelons-nous, une partie de l’année, l’échangeur extérieur (Gas Cooler) ne peut condenser le fluide, mais simplement refroidir le CO2 supercritique refoulé par les compresseurs MT.
Afin de contrôler les forts niveaux de pression induits et transformer ces gaz refroidis en liquide, une vanne-détendeur (vanne HP) est installée entre cet échangeur et le réservoir. Elle alimente le réservoir en un mélange liquide et vapeur. La phase vapeur peut représenter jusqu’à 50% en été.
Ces vapeurs de R744 produites par la vanne HP, sont détendues par une seconde vanne-détendeur (vanne flash-gaz) vers l’aspiration des compresseurs MT, pour y être aussi comprimé et refoulé vers le Gas Cooler (Figure 1).
Nous comprenons donc que nos compresseur MT vont devoir travailler aussi à la compression du débit vapeur en provenance du réservoir, donc totalement improductif. Cela implique que quasiment 50% du travail des compresseurs, dans les pires périodes estivales, ne produit pas de froid.
La technologie de la compression parallèle reprend l’intégralité de ce débit vapeur vers une compression plus “courte”, minimisant ainsi la puissance absorbée.
Cette technologie reste basée sur une compression, donc une dépense d’énergie. Ne pourrions-nous pas dévier ce flux dans le circuit afin d’éviter cette consommation d’énergie ?
Il a été imaginé d’utiliser la forte chute de pression de la vanne HP pour mouvoir une part de gaz hors d’un travail de compression.
C’est ainsi que l’éjecteur CO2 est entré dans le monde de la réfrigération.
QU’EST-CE QU’UN ÉJECTEUR CO2 ET COMMENT ÇA MARCHE ?
Un éjecteur CO2 est un dispositif qui utilise l’énergie de la haute pression comme source de travail.
Il convertit l’énergie potentielle des gaz HP dans le Venturi en énergie cinétique (flux primaire ou moteur), puisant un flux de gaz depuis une source à plus faible pression (flux secondaire) pour le faire circuler dans le circuit.
Le processus (Figure 2) est entraîné par le CO2 sortant du refroidisseur de gaz. Celui-ci entre dans l’éjecteur à haute pression PH et s’écoule à travers le Venturi. La réduction progressive de diamètre induit une forte augmentation de la vitesse du fluide et par conséquent une réduction de la pression statique PS à la sortie de la buse d’éjection. A ce point, la pression PS est inférieure à celle des vapeurs PL à un autre point du circuit. Cette dépression aspire les vapeurs de CO2 depuis le circuit vers l’éjecteur.
Les deux flux sont mélangés dans la chambre de mélange, et entrent dans le diffuseur. En raison de la forme conique du diffuseur, le flux ralentit et la pression augmente. Cela signifie que l’énergie cinétique de l’écoulement (vitesse) est convertie en énergie potentielle (pression). Après avoir quitté le diffuseur, le gaz est à une pression plus élevée PD que la pression d’aspiration PL.
Ce CO2 s’écoule ensuite vers le réservoir liquide-vapeur.
Quelles vapeurs de CO2 peut-on aussi aspirer avec l’éjecteur ?
L’idée serait de reprendre les vapeurs sortant des évaporateurs MT, et de limiter ainsi le débit entrant aux compresseurs et de remonter la pression d’aspiration. On limite en conséquence la puissance absorbée par ceux-ci lorsque ces vapeurs sont nombreuses en périodes estivales (Figure 3a).
En phase hivernale (subcritique) on reprendra le circuitage standard, avec la vanne flash-gaz et l’aspiration des évaporateurs MT directement vers les compresseurs (Figure 3b).
En observant de plus près le diagramme enthalpique (Figure 4c) affichant les cycles standard et éjecteur, on note que la compression 1-2 avec éjecteur (Figure 4b) est bien moins énergivore que la compression standard 8-2b (Figure 4a).
Cela est la conséquence d’une pression d’aspiration au compresseur (point 1) plus élevée que la pression d’évaporation (point 8). C’est un fonctionnement qui se rapproche du principe de la compression parallèle.
Éjecteur CO2 Vapeur
On définit un circuit à éjecteur vapeur avec une reprise des vapeurs de CO2 sortant des évaporateurs MT.
Ceux-ci fonctionnent normalement avec un détendeur régulant une surchauffe à la sortie des échangeurs. On a donc des vapeurs sèches. On notera sur le schéma de principe (figure 5) que l’aspiration des compresseurs MT est au niveau de pression du réservoir. La vanne flash gaz sera ouverte en grand afin de ne pas générer de chute de pression.
Le clapet anti-retour en sortie d’évaporateur MT permet d’éviter le retour de pression de la ligne d’aspiration.
En phase hivernale (figure 6), il sera possible de revenir à un fonctionnement plus traditionnel, avec une vanne flash gaz qui réduit la pression du réservoir vers l’aspiration et le clapet passant de l’évaporateur vers les compresseurs MT.
Éjecteur CO2 Liquide
On définit aussi un mode de fonctionnement dit à éjecteur liquide.
Dans cette configuration, un volume ou bouteille, est placé en sortie des évaporateurs positifs MT. On autorisera alors les détendeurs à fournir un débit supérieur au besoin, sans surchauffe, avec une part de liquide. De cette bouteille les vapeurs iront vers les compresseurs MT, et le liquide vers l’éjecteur. Ce sur-remplissage des évaporateurs va permettre une hausse de l’efficacité de ces échangeurs.
Du côté du réservoir, la compression parallèle classique sera active, absorbant à faible coût énergétique les vapeurs présentes dans le réservoir.
En phase hivernale, les détendeurs MT reprendront un mode de fonctionnement normal, avec une surchauffe, et ainsi toutes les vapeurs des échangeurs MT, du refoulement BT et du réservoir via la vanne flash gaz iront vers les compresseurs MT.
On le voit, cette technologie offre de belles capacités de réduction de la consommation d’énergie sur les installations. En contrepartie, elle apporte un lot de complexité que les concepteurs et techniciens vont devoir prendre en charge. La définition et surtout le réglage de ces machines va nécessiter de bonnes compétences sur le fonctionnement du CO2. La formation des équipes va être primordiale.
Et si l’on veut rester avec des réfrigérants à faible GWP, entre les fluides A3 hautement inflammables et les mélanges A2L légèrement inflammables et avec fort glissement, les contraintes et donc les compétences nécessaires sont tout aussi importantes. Encore une fois, la formation des équipes va être primordiale dans les mois et les années à venir.
Pour plus d’informations, contactez votre référent GFI !
Sources : Danfoss, Carel
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