Etude expérimentale et numérique d’un système de compression refroidie par injection d’huile pour les compresseurs à vis

Experimental and numerical study of a cooled compression by oil injection in a screw compressor

• Auteur / Autrice : Ghady Abou Rached
• Direction : Assaad Zoughaib
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Energétique et génie des procédés
• Date : Soutenance le 20/11/2020
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Ingénierie des Systèmes, Matériaux, Mécanique, Énergétique
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre Efficacité Énergétique des Systèmes. Paris
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation de la thèse : École nationale supérieure des mines (Paris ; 1783-....)
• Jury : Président / Présidente : Laurence Fournaison
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Assaad Zoughaib, Joelle Rizk
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Vincent Lemort, Predrag Hrnjak

Mots clés

Mots clés contrôlés

Turbomachines -- Compresseurs

Atomisation

Économies d'énergie

Réfrigération

Mots clés libres

Réfrigération

Compression refroidie

Atomisation

Modèle numérique

Efficacité énergétique

Compresseurs à vis

Etude expérimentale

Refrigeration

Cooled compression

Atomization

Numerical model

Energy efficiency

Screw compressors

Experimental study

Résumé

L’objectif de cette thèse est de concevoir un système d’injection d’huile pour réussir la compression refroidie pour les compresseurs à vis utilisant le R134a, un réfrigérant à basse pression. Les atomiseurs bi fluides ont été identifiés pour générer des gouttelettes d’huile assez fine et adaptées du régime de pression du R134a. Une étude expérimentale est conduite pour caractériser cette famille d’injecteurs en termes de taille de particules et débits massiques. Des corrélations sont proposées pour déterminer ces deux entités en fonction des pressions aux terminaux de l’injecteur. Un système d’injection complet est conçu et construit pour un refroidisseur d’eau commercial utilisant le R134a comme réfrigérant, où les conditions d’injection ont été variées systématiquement. Un modèle 1D est aussi développé qui considère l'ensemble du compresseur. Il est divisé en 3 parties : Zones de pré-compression, compression et post compression. Les paramètres du modèle ont été identifiés à partir des données expérimentales. Une étude paramétrique a déterminé un point de fonctionnement optimal, avec les meilleurs résultats et conditions opératoires. Le résultat de cette thèse est une conception innovante avec une haute performance énergétique et un coût modéré d’un système de compression refroidie dédié aux compresseurs à vis. L’étude expérimentale a validé une augmentation du COP de 3% et une réduction maximale de la température de refoulement de 7°C. Le modèle prédit jusqu’à 20% d’amélioration du COP si certaines conditions sont remplies.

This thesis’ objective is designing a dedicated oil injection system in order to achieve a cooled compression solution for compressors using R-134a, a relatively low pressure refrigerant. Bi fluid atomizers are identified as a technology capable of generating fine droplets of oil suitable with the pressure regime of R-134a. An experimental study was carried out to characterize this family of injectors in terms of particle sizes and mass flow rates. Correlations were suggested in order to determine these magnitudes as a function of pressure conditions at the outlet of the injector. A complete injection system is then designed and built for a commercial R134a screw compressor water chiller, where the injection conditions were varied systematically. A 1D model was also developed taking into consideration the whole compressor. It is divided into three main parts: Pre compression, compression and post compression zones. The model parameters were fitted using the experimental results. A parametric study was conducted to determine an optimal functioning point with best results and best operating conditions. The main result of this thesis is an innovative design with high energy performance and moderate cost of a compression cooling system dedicated for a screw compressor. The experimental study validated an increase of COP of 3% and a maximal temperature discharge reduction of 7°C. The model predicts up to 20% of COP improvement if certain operating conditions are met.