Littérature scientifique sur le sujet « Réfrigération et appareils frigorifiques – Consommation d'énergie »

L'optimisation d'une machine frigorifique ou d'une pompe à chaleur peut être envisagée sur un plan purement technique par analyse du cycle thermodynamique et localisation des principales sources d'irréversibilités. On peut améliorer cette optimisation de type exergétique, en introduisant des paramètres économiques. La méthode thermo-économique consiste alors à affecter à chaque élément une fonction principale de production essergétique. Le coût unitaire de ces produits essergétiques est ensuite optimisé au niveau de chaque élément puis de l'ensemble. Notre travail a consisté dans une première partie, à comparer, sur le plan exergétique et à l'aide de cycles simples, 1 ' efficacité de différents fluides frigorigènes, puis à réaliser une modélisation complète du fonctionnement d'une machine frigorifique à compression, en vue de son intégration au modèle thermo-économique. L'étude des ressources et des produits essergétiques des différents ·composants, leurs coûts d'investissement et d'exploitation et les bilans économiques complètent le modèle. Une application à l'analyse du comportement thermo-économique d'une machine frigorifique particulière complète ce travail
The optimisation of a refrigeration compression machine or a heat pump is based on the analysis of the thermodynamic cycle and the determination of the irreversibility sources. This exergy method can be refined by including the optimisation of economical parameters. Such a method is called thermos economic method. It consists to relate a lead function to each component of the cycle. Thereafter the unit cost of these essergy products is optimised for each components first and then for the whole system. The objectives were first to evaluate, from the exergy view point and for simple cycles, the efficiency of various refrigerants. Second, a complete modelisation of a refrigeration compression machine was to be developed so as to propose a thermo economic model. This model is able to give the resources, the essergy products of each components of the machine, the investment and exploitation costs. Finally the thermo economic analysis is demonstrated by its application to a particular refrigeration machine

Le contrat de performance énergétiques est une forme contractuelle de services énergétiques dans laquelle les prestataires de services prennent en charge le financement de projets d'amélioration des installations en se rémunérant grâce à la valeur des économies d'énergie générées. Le recours à ce type de contrat, réputé particulièrement efficace, est mis en avant dans les textes communautaires et dans le cadre des politiques publiques nationales en faveur de la maîtrise de la demande en énergie. A ce titre, les contrats de performances énergétiques sont appelés à faire partie intégrante des dispositifs existants en faveur de l'amélioration de l'efficacité énergétique, en particulier dans le cadre des systèmes de certificats d'économie d'énergie, et des outils de la commande publique pour l'amélioration du patrimoine de l'Etat et des collectivités territoriales. Leur mise en œuvre est cependant conditionnée à la mise au point de protocoles adaptés pour l'évaluation des performances énergétiques des installations, notamment lorsque celles-ci dépendent de nombreux paramètres, comme dans le cas des installations de production d'eau glacée. Après avoir mis en évidence l'efficacité énergétique portée par les contrats de performance, cette thèse analyse les obstacles techniques à la mise en œuvre de ces contrats sur les installations de production d'eau glacée. Dans un second temps, un protocole adapté à l'évaluation d'améliorations typiques de ces installations est proposé en couplant des outils de modélisation et des procédures de mesure légères sur site. Enfin, des propositions d'aménagement de ce protocole sont formulées dans le but de permettre l'intégration des améliorations typiques des installations de production d'eau glacée dans le cadre des dispositifs de certificats d'économies d'énergie, qui semblent ne pouvoir prendre en considération que des actions élémentaires facilement reproductibles
Energy performance contracting is a contract form for energy services in which providers take over the financing of projects for facilities improvement by paying themselves through the energy savings generated. The use of such contracts, which are deemed particularly effective, is highlighted in the contents of European and national public policies for demand-side management. As such, energy performance contracts are expected to take part of existing devices for energy efficiency improvement, particularly in the context of white certificates systems and public tools for the improvement of the national and local governments heritage. However, their implementation depends on the development of suitable protocols for assessing the energy performance of facilities, especially when their performance depend on various parameters such as the chilled water plants. After having highlighted the energy efficiency carried by energy performance contracting, this thesis analyzes the technical obstacles in the way of such contracts implementation. Then, a suitable protocol for assessing typical improvements of chilled water plants is proposed by coupling modeling tools and on-site measurement procedures. Finally, we propose some adjustments of this protocol in order to enable the integration of typical improvements of chilled water plants under the white certificates systems, which seem to consider only elementary and easily reproducible projects

L’intégration de matériaux à changement de phase (MCP) dans les systèmes frigorifiques a le potentiel d’augmenter leur flexibilité, de stabiliser les températures des produits, et peut dans certaines conditions réduire leur consommation d’énergie. Cette thèse étudie plus particulièrement l’effet de l’intégration de MCP dans un meuble frigorifique de vente. Deux montages expérimentaux, l’un portant sur un meuble ouvert et un second sur un meuble fermé ainsi qu’un modèle numérique ont été développés afin de vérifier la faisabilité de cette technologie pour ce système et d’étudier l’impact de la présence du stockage sur son comportement thermique. Une étude paramétrique a permis de mettre en avant la nécessité de l’optimisation des meubles après intégration des MCP. Par ailleurs, des scénarios d’utilisation des MCP sont également présentés. Les principaux résultats montrent la faisabilité de la technologie, une augmentation significative de l’inertie thermique du meuble et la possibilité de maintenir la température des produits lors d’un arrêt de la machine frigorifique pendant plusieurs heures
It is admitted that the integration of phase change material (PCM) in refrigeration systems has the potential to increase their flexibility, to stabilize product temperatures and in some cases to reduce their energy consumption. This study is about the impact of PCM used in a display cabinet. Two experimental set-ups are presented: the first one is an open display cabinet and the second one a closed display cabinet. A numerical model has been also developed and used to check the feasibility of PCM integration and evaluate its impact on the display cabinet. In addition, a parametric study have been carried out to highlight the importance of a display cabinet optimization after the insertion of PCM. Besides, PCM application in supermarket scenarios are discussed. The main results show the feasibility of PCM insertion, a significant increase of its thermal inertia, and the possibility to keep the compressor off during a few hours without temperature abuse for the products

Une turbine diphasique est utilisée pour remplacer le détendeur classique des systèmes de réfrigération. Dans la turbine, une tuyère transforme l'enthalpie de l'écoulement en énergie cinétique. Remplacer la détente isenthalpique classique par une détente isentropique augmente le coefficient de performance d'un système de réfrigération d'une valeur qui peut aller jusqu'à 20 %, pour la même consommation électrique du compresseur. Pendant cette transformation, la pression statique de l'écoulement diminue et un changement de phase se produit au col de la tuyère. La détente d'un écoulement diphasique est étudiée analytiquement et simulée avec le logiciel de CFD Fluent 13. Un modèle d'évaporation adapté à la détente diphasique est ajouté à l'algorithme de dynamique de fluide dans Fluent 13, afin de créer et simuler le changement de phase à l'intérieur de la tuyère. Le modèle d'évaporation est basé sur la théorie de la nucléation et sur des résultats expérimentaux. Le modèle calcule le taux de nucléation hétérogène initiée par les cavités de la paroi intérieur de la tuyère, et le taux de nucléation hétérogène initiée par la présence de bulles de vapeur au cœur de l'écoulement. Outre les tuyères, la roue de la turbine est aussi conçue. La roue récupère l'énergie cinétique d'un écoulement diphasique et la transforme en un couple de moment. La géométrie des différents éléments de la roue est définie afin d'assurer l'intégrité mécanique et un bon rendement énergétique. La conception de la roue prend en considération le comportement de l'écoulement en contact avec les paliers de la roue, la perte de puissance due aux frottements aérauliques, ainsi que de nombreux autres facteurs. Fluent 13 est utilisé pour simuler l'écoulement diphasique à l'intérieur des augets de la roue, ainsi que pour calculer les pertes dues aux frottements aérauliques. Le rendement calculé de la turbine est vérifié avec des tests d'une turbine diphasique dans un groupe refroidisseur d'eau ayant une puissance de réfrigération de 700 kW
A two-phase turbine used to replace the usual expander in a refrigeration system needs a nozzle/expander to transform the flow enthalpy into kinetic energy. Replacing the isenthalpic expansion by the isentropic one, increases the coefficient of performance of refrigeration system up to 20% for the same compressor input power. During this transformation, the static pressure of the flow decreases and a phase change occurs at the nozzle throat. The expanding and flashing flow in the convergent and divergent parts of a nozzle is analytically studied and then simulated using the CFD software Fluent 13. A separate evaporation model is added to the fluid dynamics algorithms in Fluent 13 in order to create the phase change inside the nozzle. The evaporation model is based on the classical theory of nucleation and on experimental results: it calculates the heterogeneous nucleation initiated by the wall cavities and the heterogeneous nucleation initiated by the presence of vapor bubbles in the flow. The turbine is composed of the designed nozzles and a rotor that recovers the kinetic energy of the two-phase flow and transforms it into torque. The geometry of the rotor components is designed to provide mechanical integrity and high efficiency. The design takes into consideration the flow behavior inside the rotor, the power loss due to drag force, and many other factors. Fluent 13 is used to study the flow inside the rotor buckets and to estimate the power loss due to drag force. The turbine calculated efficiency is verified by testing a two-phase turbine in a water chiller having a refrigeration capacity of 700 kW

Les matériaux caloriques à l'état solide, qui subissent un changement de température adiabatique ou un changement d'entropie isothermal lorsque certains stimuli externes (champ électrique, champ magnétique, contrainte ou pression mécanique) est appliquée ou retirée, sont prometteurs pour la réfrigération à l'état solide, comme alternative aux dispositifs de refroidissement conventionnels inventé il y a cent ans qui utilisent des gaz dangereux. Compte tenu des améliorations des systèmes de réfrigération à compression de vapeur approchant très vite de leur limite d'efficacité théorique, en plus des préoccupations environnementales accrues, il y a eu récemment une recrudescence de la recherche mondiale pour de nouvelles solutions de réfrigération plus économiques et respectueuses de l'environnement. Les caloriques les plus importants sont les matériaux "ferroiquement" ordonnés (ferroélectriques, ferroélastiques et ferromagnétique / antiferromagnétique) qui présentent souvent des effets caloriques géants près de leurs transitions ferroïques. Dans cette thèse, nous présentons nos résultats théoriques et expérimentaux sur l'effet électrocalorique, élastocalorique, barocalorique et magnétocalorique dans différents matériaux ferroïques. Nos résultats montrent que tous ces effets caloriques peuvent donner des solutions de réfrigération prometteuses avec un faible impact environnemental. Nous abordons les ferroélectriques qui apparaissent comme matériaux idéaux permettant à la fois des réponses électrocaloriques, élastocaloriques et barocaloriques géantes près de la température ambiante. Pour la première fois, nous mettons en évidence un effet électrocalorique négatif dans des films minces antiferroélectriques et nous proposons un nouveau mécanisme pour comprendre la réponse calorique dans antiferroiques en général incluant antiferroélectrique et antiferromagentique. Par ailleurs, pour la première fois en utilisant une caméra infra-rouge, nous effectuons la mesure résolue spatialement sur l'effet électrocalorique dans des condensateurs multicouches, l'un des systèmes les plus étudiés considérés comme le prototype électrocalorique le plus prometteur. Nos résultats fournissent la première preuve expérimentale directe sur le flux de chaleur électrocalorique à la fois temporellement et spatialement dans un dispositif électrocalorique spécifique. En outre, pour la première fois, nous concevons un cycle de réfrigération multicalorique combinant effet électrocalorique avec des effets élastocaloriques / magnétocaloriques via des matériaux ferroélectriques. Nous avons réalisé ce cycle mutlicalorique pour résoudre un problème réel et de longue date, à savoir une grande hystérésis magnétique qui a empêché l'utilisation pourtant prometteuse de FeRh découvert il y a près de 26 ans en tant que matériau magnétocalorique. Nous espérons que cette thèse fournira non seulement des connaissances utiles pour comprendre fondamentalement l'effet calorique à l'état solide dans les matériaux ferroïques et ce qui est véritablement mesuré, mais pourra aussi servir de guide pratique pour exploiter et développer les ferrocalorics vers la conception de dispositifs appropriés
Solid-state caloric materials, which undergo an adiabatic temperature change or isothermal entropy change when some external stimulus (electric field, magnetic field, stress and pressure) is applied or withdrawn, are promising for solid-state refrigeration, as an alternative to hazardous gases used in conventional cooling devices invented a hundred years ago. Given that the highly refined vapor-compression refrigeration systems asymptotically approach their theoretical efficiency limit in addition to the concern on environment, there has been a recent upsurge in worldwide search for new refrigeration solution which is economical and environmentally friendly. The most prominent calorics are ferroically ordered materials (ferroelectric, ferroelastic and ferromagnetic/antiferromagentic) that often exhibit giant caloric effects near their ferroic transitions. In this thesis, we present our theoretical and experimental results on electrocaloric effect, elastocaloric effect, barocaloric effect and magnetocaloric effect in different ferroic materials. Our findings show that all these caloric effects may appear promising with low environmental impact. We address ferroelectrics emerging as ideal materials which permit both giant elastocaloric, electrocaloric and barocaloric responses near room temperature. For the first time, we find a large negative electrocaloric effect in antiferroelectric thin films and we propose a new mechanism to understand the caloric response in antiferroics including antiferroelectric and antiferromagentic. In addition, for the first time using Infra-red camera we carry out spatially-resolved measurement on electrocaloric effect in multilayer capacitors, one of the most studied systems which are regarded as the most promising electrocaloric prototype. Our findings provide the first direct experimental evidence on the electrocaloric heat flux both temporally and spatially in a specific electrocaloric device. Moreover, for the first time, we design a multicaloric refrigeration cycle combining electrocaloric effect with elastocaloric/magentocaloric effects bridged by ferroelectric materials. We realized such mutlicaloric cycle to solve a real and longstanding problem, i.e., a large hysteresis that impeded reversibility in an otherwise promising magnetocaloric material FeRh discovered almost 26 years ago. We hope that this thesis will not only provide a useful background to fundamentally understand the solid-state caloric effect in ferroics and what we are really measuring, but also may act as a practical guide to exploit and develop ferrocalorics towards design of suitable devices

La brumisation du condenseur à air d’une machine frigorifique permet une augmentation des échanges thermiques avec l’évaporation de l’eau dans l’air ou en paroi, ce qui augmente la puissance frigorifique et diminue le travail de compression. Ce phénomène est appliqué dans le cadre automobile afin d’abaisser la consommation supplémentaire de carburant induite par la climatisation lorsque le véhicule est à l’arrêt ou roule à faible vitesse. Un dispositif de brumisation autosuffisant en eau, peu énergivore et peu encombrant a ainsi été implémenté afin d’impacter le condenseur du système de climatisation d’un véhicule. Une étude de dimensionnement a montré que le dispositif ne devait pas consommer plus de 1 kg.h-1 récupérés à partir des condensats de l’évaporateur. Les buses étudiées (cône creux et jet plat) ont été choisies en fonction de ce critère. Le condenseur de la machine frigorifique a été isolé dans une maquette expérimentale afin de caractériser et optimiser l’effet de la brumisation. Une méthode d’analyse thermique des surfaces impactées a été développée pour caractériser le phénomène de bouchage étant donné que l’échange thermique se fait à la fois par impact sur la surface de l’échangeur et par l’évaporation du film d’eau. Il a ainsi été montré que, sur le long terme, si la surface frontale de l’échangeur est bouchée à 17 %, cela entraîne 45 % de pertes de charge supplémentaires et 20 à 25 % de transfert thermique en moins. Mais le bouchage peut être bénéfique et stocker de l'énergie thermique lorsque la durée de pulvérisation ne dépasse pas 25 minutes. Enfin, au terme de l’étude, le dispositif de brumisation a été implémenté sur le véhicule et des premiers essais ont montré un réel gain apporté par la brumisation, ce qui est encourageant pour une éventuelle industrialisation du dispositif
Spraying the air condenser of a refrigerating unit increases the heat exchange thanks to the evaporation of water in the air or on the wall, which increases the cooling capacity and decreases the compression work. This phenomenon is applied to the automotive context in order to lower the additional fuel consumption induced by the air conditioning when the vehicle is stopped or is at low speed. A self-sufficient, low-energy, space-saving spraying device was thus implemented in order to impact the condenser of the air conditioning system of a vehicle. A sizing study showed that the spraying device should not consume more than 1 kg.h-1 recovered from the condensates on the evaporator. The studied nozzles (hollow cone and flat fan) were therefore chosen according to this criterion. The condenser of the refrigerating unit was isolated in an experimental device to characterize and optimize the water spraying effect. A thermal analysis method of impacted surfaces has been developed to characterize the clogging phenomenon as the heat is exchanged mainly by the surface impact of the exchanger followed by the water film evaporation. For the long term spraying, 17 % clogging area of the exchanger front surface induces 45 % additional pressure drop and around 25 % degradation in the heat transfer. But clogging can be beneficial and store thermal energy when the spraying time does not exceed 25 minutes. Finally, at the end of the study, the spraying device was implemented on the vehicle and first tests showed a real gain brought by spraying, which is encouraging for a possible industrialization of the device

La maîtrise de la demande en climatisation des bâtiments tertiaires peut contribuer à la limitation du réchauffement climatique à 2°C. Les réseaux de froid urbain sont une solution pour répondre à cette demande avec une haute efficacité énergétique. Une conduite performante est cependant essentielle pour maintenir et augmenter leurs avantages compétitifs. L'objectif de la thèse est de contribuer à la construction d'un outil d'aide à la conduite journalière des réseaux de froid. La difficulté réside à deux niveaux : la diversité des décisions et la complexité des phénomènes physiques sous-jacents. L'originalité est de proposer une méthodologie pour aider au pilotage des groupes frigorifiques, des tours aéroréfrigérantes, de la pression différentielle et de la répartition de puissance entre des centrales de production aux performances variables. La méthodologie développée est appliquée au réseau de froid de Paris-Bercy exploité par Climespace. Tout d'abord, un modèle intégrant une représentation physique des centrales de production, du réseau de distribution et des sous-stations, est développé. En particulier, un modèle de type semi-empirique, paramétrable sur des mesures, est modifié pour calculer les performances non-nominales des groupes frigorifiques centrifuges. La validation du modèle complet est réalisée sur un jeu de données indépendant de l'identification. Ensuite, le modèle est exploité pour rechercher une conduite optimisée à partir d'un modèle de prévision de la demande. La méthode proposée est séquentielle : résolution a priori des optimisations locales puis génération de modèles quadratiques de centrales servant à déterminer la répartition optimale. La pression différentielle est minimisée à partir de l'identification, par simulation, de la sous-station défavorisée. Enfin, la réduction de la consommation électrique est évaluée sur une semaine d'été
Cooling demand management of commercial buildings can contribute to limit global warming below 2°C. District cooling is an energy-efficient option. However, improving operational performance is of great importance to ensure and increase its competitive advantages. The aim of this thesis is to contribute to the development of a decision-support tool for daily operation of district cooling networks. Challenges lie at two levels: diversity of decisions to be taken and complexity of physical phenomena involved. The original aspect of our work is to propose a methodology to improve chillers and cooling towers control, differential pressure management and dispatching between production plants with variable efficiency. Our developments are applied to the district cooling of Paris-Bercy, operated by Climespace. First; a model featuring a physical description of chilled-water production plants, distribution network and buildings substations, is developed. In particular, a semi-empirical model with identified parameters is modified to compute non-nominal characteristics of centrifugal chillers. The system model is validated against an independent dataset. Then, the model is used to find optimized controls from cooling loads forecast. The proposed methodology is sequential: pre-computation of optimal set-points at plant level and then generation of quadratic plant models to solve the dispatching optimization problem at each time step. Differential pressure is minimized with a simulation-based tracking of the critical substation. To conclude, electricity consumption reduction with optimized controls is evaluated during a summer week

Dans le domaine de la réfrigération des bâtiments, le couplage d'une pompe à chaleur (PAC) avec un stockage d'énergie thermique est un moyen significatif pour en réduire le coût de fonctionnement énergétique et pour mieux dimensionner les équipements. Un prototype de ce système couplé avec un stockage thermique par MCP (Matériaux à Changement de Phase) est construit et mis en oeuvre dans le cadre du projet ANR ACLIRSYS (Commande avancée des systèmes de réfrigération à faible inertie). L'objectif de cette thèse est d'en proposer un modèle dynamique en vue de sa commande. Dans les échangeurs de la PAC, le fluide frigorigène peut être vapeur, liquide ou un mélange des deux tandis que le MCP du stock peut être solide, liquide ou un mélange des deux. Par conséquent, un modèle de type hybride est nécessaire pour tenir compte des différentes configurations possibles afin de résoudre les équations de bilan de masse et d'énergie dont les expressions diffèrent en fonction de ces configurations. Dans ce travail, des modèles statiques sont utilisés pour le compresseur et le détendeur de la PAC, et les modèles des échangeurs de la PAC et du stock sont basés sur une représentation des écoulements par une cascade de Réacteurs Parfaitement Agités Continues (RPAC). Le mécanisme de commutation entre les diverses configurations est conçu pour garantir la continuité de l'évolution simulée du système. Cette commutation est effectuée par des opérations matricielles, ce qui permet d'aboutir à une représentation globale et très compacte du système. Les propriétés thermodynamiques du fluide frigorigène et leurs dérivées partielles sont déterminées de façon analytique à l'aide d'une équation d'état. Deux versions du modèle du stock sont proposées. Une version simplifiée du modèle de surfusion et une version plus détaillée basée sur la méthode des bilans de population. Des données expérimentales recueillies sur le prototype ont permis de valider le modèle développé. Des expérimentations en régime transitoire ont été réalisées en faisant varier les conditions opératoires. Ces données concernent le fonctionnement de la PAC seule, du stock seul et du système couplé. Un bon accord a été obtenu entre les résultats numériques et les données expérimentales
In the area of buildings refrigeration, the use of thermal energy storage coupled with heat pump is a significant way for reducing the operating costs and optimizing the design of equipment. A prototype of refrigeration-PCM (Phase Change Material) energy storage system is built and implemented within the framework of the project ACLIRSYS (Advanced Control for Low Inertia Refrigeration Systems), funded by the French National Research Agency. The objective of my PhD thesis is to propose a dynamical physical model for the complete system. Within the evaporator and condenser of the heat pump, the refrigerant can be liquid, vapor or mixture of both, while the storage media can be solid, liquid or a mixture of both. Therefore, it is necessary to consider the discrete events associated to phase changes in order to solve the energy and mass balances in different configurations. In this work, static models are used for the compressor and the expansion valve of the heat pump. The heat exchangers of the heat pump and the storage models are based on a representation of the fluid flows by a cascade of Continuous Stirred Tank Reactors (CSTRs). In order to assure the continuity of system evolution, the switching mechanism between different configurations is established. This switching is performed by matrix operations, which permit to achieve a global and very compact representation of the system. The thermodynamic properties of the refrigerant and their partial derivatives are analytically determined by using an equation of state. Two versions of the model for the storage are proposed. A simplified version where the supercooling is assumed to take place at a constant temperature and a more detailed version based on the population balance equations. Experimental data from the prototype has been used to validate the developed model. Experiments in transient states were performed by varying the operating conditions. These date relate to the functioning of the heat pump alone, the storage alone and the coupled system. A very good agreement between the numerical results and experimental data was obtained