Etude numérique et expérimentale d'un système de compression refroidie par injection d'huile

par Ghady Abou Rached

Projet de thèse en Energétique et Procédés

Sous la direction de Assaad Zoughaib.

Thèses en préparation à Paris Sciences et Lettres , dans le cadre de Ecole doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur (Paris) , en partenariat avec Centre énergétique et procédés (Paris ; Fontainebleau, Seine et Marne ; Sophia-Antipolis, Alpes Maritimes) (laboratoire) , CES - Centre Efficacité énergétique des Systèmes (equipe de recherche) et de École nationale supérieure des mines (Paris) (établissement de préparation de la thèse) depuis le 01-11-2017 .


  • Résumé

    Contexte et enjeux Le refroidissement de la compression par injection d'huile à l'aspiration du compresseur est une solution permettant de réduire les températures de refoulement et améliorer le COP du système. Cette solution technique peut être implémentée aux technologies de compresseurs utilisées actuellement. Le travail préliminaire réalisé dans le cadre d'une thèse de doctorat (Hanna, 2016) a montré que des gains importants sur le COP (jusqu'à 20%) sont possibles grâce à cette solution à condition de maîtriser les paramètres de l'injection (débit, température et taille de gouttes). Un travail de caractérisation expérimentale de différents injecteurs avec de l'huile de lubrification des compresseurs, dans des conditions de pression et de température similaires à celles présentes dans des machines classiques (Clim ou PAC), a permis de définir les critères nécessaires pour obtenir une pulvérisation contrôlant la taille de gouttelettes permettant d'avoir un refroidissement significatif de la compression. Ce système d'injection a été utilisé pour injecter de l'huile à l'entrée d'un compresseur scroll et obtenir ainsi un refroidissement de la compression. Une réduction de la puissance absorbée du compresseur a également été mesurée expérimentalement. Objectifs scientifiques L'établissement des connaissances de base et la preuve de concept constituent le socle de cette thèse qui vise, tout en repoussant les limites de la modélisation réalisée par R. Hanna, à développer un kit d'injection intégrable dans les systèmes thermodynamiques utilisant les compresseurs scroll et souffrant d'un échauffement excessif à la compression. Le principal enseignement découlant de la thèse de Rani Hanna (Hanna, 2016) est le suivant : Le succès de la compression refroidie est conditionné à une maîtrise parfaite des paramètres d'injection d'huile (taille de gouttes, débit et température). Cela permet notamment d'expliquer la contradiction entre les résultats de la littérature scientifique sur le sujet. Ainsi, pour atteindre l'objectif technique de ce projet, l'objectif scientifique est de dépasser les limites de modélisation identifiées par le Dr Hanna dans sa thèse. Ces limites concernent notamment la représentation de l'écoulement multiphasique (huile, réfgrigérant) dans le compresseur et d'évaluer les effets systémiques de cette injection. Approche - Méthodes Les travaux de thèses seront organisés autour de trois tâches principales alliant modélisation et expérimentation : - Modélisation détaillée de l'écoulement multiphasique au sein d'un compresseur et validation expérimental sur un compresseur à échelle représentative ; - Modélisation des effets systémiques de l'intégration du système d'injection sur un système de réfrigération et démonstration à l'aide d'un prototype ; - Etude de l'applicabilité de la solution à d'autres technologies de compresseurs Résultats attendus Le principal résultat de cette thèse est une conception innovante à haute performance énergétique et à coût maitrisé d'un système de refroidissement de la compression. La modélisation détaillée du système permettra l'aide à la conception et à la sélection des composants. La réalisation du démonstrateur prouvera le concept et permettra l'étude de futures applications.

  • Titre traduit

    Numerical and experimental study of a cooled compression system by oil injection


  • Résumé

    Context and challenges The cooling of the oil injection compression at the suction of the compressor is a solution to reduce the delivery temperatures and improve the COP of the system. This technical solution can be implemented with the current compressor technologies. The preliminary work carried out in the framework of a doctoral thesis (Hanna, 2016) showed that significant gains on COP (up to 20%) are possible thanks to this solution, provided that the parameters of the injection are controled (Flow rate, temperature and droplet size). Experimental characterization of different injectors with compressor lubricating oil, under conditions of pressure and temperature similar to those present in conventional machines (AC or heat pump), made it possible to define the criteria necessary to obtain a spray controlling the size of droplets allowing a significant cooling of the compression. This injection system was used to inject oil at the inlet of a scroll compressor and thus obtain a cooling of the compression. A reduction in the power consumption of the compressor has also been measured experimentally. Scientific objectives The establishment of the basic knowledge and the proof of concept form the basis of this thesis which aims, while pushing the limits of the modelization realized by R. Hanna, to develop an injection kit integrable in the thermodynamic systems using the compressors Scroll and those who suffer from excessive heating after the compression. The main lessons learned from Rani Hanna's thesis (Hanna, 2016) are as follows: The success of the cooled compression depends on a perfect control of the oil injection parameters (droplet size, flow rate and temperature). This explains in particular the contradiction between the results of the scientific literature on the subject. Thus, in order to achieve the technical objective of this project, the scientific objective is to go beyond the modeling limits identified by Dr. Hanna in his thesis. These limitations relate in particular to the representation of the multiphase flow (oil, refrigerant) in the compressor and to evaluate the systemic effects of this injection. Approach - Methods The work of the thesis will be organized around three main tasks combining modeling and experimentation: - Detailed modeling of multiphase flow within a compressor and experimental validation on a representative scale compressor; - Modeling the systemic effects of integrating the injection system on a refrigeration system and demonstrating it using a prototype; - Study of the applicability of the solution to other compressor technologies Expected results The main result of this thesis is an innovative design with high energy performance and controlled cost of a compression cooling system. Detailed modeling of the system will assist in the design and selection of components. The realization of the demonstrator will prove the concept and will allow the study of future applications