Fonctionnement de l'éjecteur co2 transcritique expliqué !

Dans le contexte actuel et l'utilisation de fluides frigorigènes à faible impact environnemental sont au centre des préoccupations, la technologie des systèmes de réfrigération au CO2 (R744) se développe rapidement. Pour ces installations fonctionnant en cycle transcritique, l'optimisation de chaque composant pèse fortement sur la performance globale. L'éjecteur liquide CO2 est une de ces innovations qui modifie radicalement l'approche de la détente du fluide, en récupérant une énergie habituellement perdue. 

Quel est le mécanisme thermodynamique d'un éjecteur co2?

Un éjecteur est un dispositif qui utilise l'énergie d'un fluide à haute pression (fluide primaire) pour aspirer et entraîner un fluide à plus basse pression (fluide secondaire). Son fonctionnement repose sur des principes thermodynamiques de conversion d'énergie, sans aucune pièce mobile.

Le principe est connu c'est celui de l'effet Venturi, utilisé pour les pistolets à peinture ou les canons à neige.

Ce processus se déroule en trois étapes distinctes au sein de ses composants principaux.

• La tuyère (ou buse) : C'est ici que le fluide primaire, sortant du gaz cooler à haute pression, subit une détente.

• La chambre d'aspiration : La zone où le fluide primaire HP détendu rencontre et aspire le fluide secondaire provenant de l'évaporateur.

• Le diffuseur ou encore zone de mélange : La section où le mélange des deux fluides est ralenti pour récupérer de la pression avant d'entrer dans le réservoir liquide.

Le rôle de la tuyère dans la conversion d'énergie

Au sein de la tuyère, qui présente une section convergente, le fluide primaire CO2 à haute pression se détend. Sa pression chute de manière drastique tandis que sa vitesse augmente considérablement. Ce mécanisme transforme l'énergie potentielle (pression) du fluide en énergie cinétique (vitesse). Dans des conditions idéales, cette détente est qualifiée d'isentropique, ce qui signifie qu'elle se produit à entropie constante, permettant une conversion d'énergie optimale.

Le processus de mélange dans la chambre et le diffuseur

La très haute vitesse du fluide primaire à la sortie de la tuyère crée une forte dépression dans la chambre d'aspiration. Cette basse pression est inférieure à celle du fluide secondaire (le CO2 en sortie d'évaporateurs), ce qui provoque son aspiration. Les deux fluides sont alors intimement mélangés. Ce mélange pénètre ensuite dans le diffuseur ou zone de mélange, une section divergente où la vitesse diminue. Cette décélération a pour effet de reconvertir l'énergie cinétique en énergie potentielle, augmentant ainsi la pression du fluide avant qu'il ne rejoigne le réservoir liquide.

Comment visualiser le fonctionnement d'un éjecteur simplement?

Pour comprendre le principe d'aspiration, imaginons une expérience simple avec deux tuyaux. Si vous utilisez de l'eau en phase liquide comme fluide primaire et que vous l'injectez à haute vitesse dans le premier tuyau, une dépression se formera à l'intersection avec un second tuyau plongé dans de l'eau a une pression inférieure (fluide secondaire). L'eau du fluide secondaire sera alors aspirée et entraînée par le flux de primaire. Cette analogie illustre bien comment l'éjecteur utilise la vitesse cinétique pour "pomper" le fluide secondaire. Il est pertinent de noter que les caractéristiques des fluides, notamment leurs débits, températures et pressions, sont déterminantes pour que le phénomène d'aspiration se produise et se maintienne.

Quels avantages apporte un éjecteur à un système frigorifique?

L'intégration d'un éjecteur liquide dans un cycle CO2 transcritique apporte plusieurs bénéfices directs qui améliorent significativement les performances de l'installation. Ces avantages se manifestent principalement au niveau de l'évaporateur et de l'efficacité globale du cycle.

1. Optimisation de la surface d'échange : L'éjecteur permet de fonctionner avec une surchauffe nulle en sortie d'évaporateurs, ce qui rend toute la surface de l'échangeur disponible pour l'évaporation.

2. Amélioration du transfert de chaleur : Le meilleur remplissage de l'évaporateur favorise un écoulement annulaire, qui augmente le coefficient d'échange thermique.

3. Réduction des contraintes de dégivrage : L'augmentation de la température d'évaporation limite la formation de glace sur la batterie (évaporateur), réduisant ainsi la fréquence des cycles de dégivrage.

L'optimisation de l'évaporateur par la surchauffe nulle

Dans un système de détente directe classique, une surchauffe de 5 à 8 K est habituellement recommandée pour garantir que seul du gaz arrive au compresseur. Cette surchauffe mobilise environ 15 % de la surface de l'échangeur pour une puissance frigorifique qui ne représente que 5 % de sa capacité totale. En supprimant cette zone grâce à l'éjecteur, l'évaporateur devient surpuissant. Il est alors possible de remonter la consigne de basse pression de quelques degrés, ce qui réduit l'écart de température avec l'air et augmente le rendement énergétique du cycle.

L'amélioration du transfert thermique par l'écoulement annulaire

Le fonctionnement à surchauffe nulle assure un meilleur remplissage de l'évaporateur en frigorigène liquide. Ce phénomène favorise un écoulement annulaire, où le liquide vient ce répartir sur l'ensemble de la paroi interne du tube, tandis que la vapeur s'écoule au centre. Ce type d'écoulement est particulièrement recherché par les fabricants d'échangeurs car il porte à son meilleur niveau le coefficient d'échange thermique entre le frigorigène, la paroi du tube et le médium à refroidir.

Comment mesurer la performance d'un éjecteur transcritique?

Pour évaluer l'efficacité d'un éjecteur, il convient d'examiner deux indicateurs de performance principaux. Prenons un exemple concret pour une journée d'été : l'éjecteur liquide aspire le CO2 en sortie d'évaporateurs pour le refouler vers le réservoir liquide, en utilisant la haute pression comme force motrice.

Les deux indicateurs de performance à examiner

Les performances d'un éjecteur sont décrites par deux métriques qui permettent de quantifier son action. Ces indicateurs sont le taux d'entraînement, qui mesure sa capacité d'aspiration, et le taux de compression, qui mesure sa capacité à relever la pression, à l'image d'un compresseur.

Le taux d'entraînement du fluide secondaire

Le taux d'entraînement correspond au rapport entre le débit de fluide secondaire aspiré (en sortie d'évaporateur) et le débit de fluide primaire qui sert de force motrice. Par exemple, si l'éjecteur aspire 127 kg/heure de fluide secondaire pour un débit primaire de 160 kg/heure, le taux d'entraînement est de 0,79 (127 / 160). Cet aspect montre l'efficacité de l'aspiration.

Le taux de compression généré par l'éjecteur

Comme un compresseur, l'éjecteur possède un taux de compression ( lift ou recouvrement). Il s'agit du rapport entre la pression de sortie (refoulement vers le réservoir liquide) et la pression d'entrée du fluide aspiré. Avec une pression de 38 bars en sortie pour 30 bars à l'aspiration, le taux de compression de l'éjecteur dans cet exemple est de 1,27 (38 / 30). Ce processus de "recompression" soulage d'autant le travail des compresseurs.

Plusieurs façons d’utiliser les éjecteurs dans une installation CO2

Ejecteur - Haute Pression HP 

L'éjecteur basse pression utilise l'énergie fournie par la haute pression, pour aspirer le gaz côté aspiration (MT), et le déplacer vers le réservoir de CO2 . Pour les systèmes boosters au CO2.

Ejecteur - Basse Pression BP 

L'éjecteur basse pression utilise l'énergie fournie par la haute pression, pour aspirer le gaz côté aspiration (MT), et le déplacer vers le réservoir de CO2 . Pour les systèmes boosters au CO2

Ejecteur - Liquide

L’utilisation d’éjecteurs ici permet d’alimenter les postes froids en régime semi-noyé. Ce qui améliore encore plus l’échange des évaporateurs.

Cet article a été rédigé principalement sur la base de la vidéo : Décryptage : Le Principe de Fonctionnement des Éjecteurs CO2 Transcritique et d'autres sources.