ÉJECTEURS

CanmetÉNERGIE | Juillet 2009

ÉJECTEURS 1

ÉJECTEURS

INTRODUCTIONLes éjecteurs sont activés par la chaleur perdue ou la chaleur provenant de sources renouvelables. Ils sont actionnés directement par une source thermique afin de générer chauffage, refroidissement et réfrigération. Les impacts potentiels des éjecteurs sont énormes puisqu’on peut les utiliser dans une variété d’applications. Ils peuvent être intégrés directement à un système de pompe à chaleur-climatisation-réfrigération en tant que composant inerme afin d’accroître l’efficacité du système. Les éjecteurs peuvent également être utilisés dans des systèmes hybrides (en cascade, de sous-refroidissement) en tant que systèmes d’éjecto-compression ou d’éjecto-absorption pour améliorer la performance globale du système.

Les applications des éjecteurs sont nombreuses. Ils peuvent être installés dans des systèmes CVC pour des bâti-ments, des maisons ou des communautés, et ce, surtout en combinaison avec des systèmes d’énergie renouve-lable ou de production distribuée pour des maisons, bâtiments et communautés à consommation énergétique nette zéro ou presque nulle. Les éjecteurs aident l’industrie à réutiliser la chaleur perdue en augmentant le niveau de température de celle-ci et en améliorant la performance d’un système de refroidissement ou de réfrigération.

Il est important de noter qu’une augmentation de 5 % de la performance des systèmes de chauffage dans le sec-teur du bâtiment au Canada amènerait une économie de 25 PJ et une diminution de 2,5 MT éq CO

2 par année.

Dans le secteur industriel, une augmentation de 5 % de récupération de la chaleur permettrait d’économiser 84 PJ et 5,6 MT éq CO

2 par année.

VUE D’ENSEMBLE DE LA TECHNOLOGIELe principe de fonctionnement des éjecteurs repose sur l’utilisation de l’effet Venturi d’une tuyère convergente-divergente pour convertir l’énergie de pression d’un fluide moteur (flux principal) en énergie cinétique pour entraîner un fluide aspiré (flux secondaire), puis la recompression du fluide mélangé en reconvertissant l’éner-gie cinétique en énergie de pression (figure 1).

Fluxprimaire

Fluxsecondaire

ÉJECTEUR a b c

Figure 1 – Fonctionnement d’un éjecteur

2 ÉJECTEURS

Les éjecteurs sont des compresseurs statiques activés thermiquement qui comprennent une tuyère convergente-divergente, laquelle est intégrée à un corps principal généralement cylindrique. L’effet de compression résulte de l’interaction entre les deux flux de fluide. Le flux moteur est à haute pression et est produit dans un généra-teur utilisant une source de chaleur. Cette source peut provenir d’une chaleur de basse énergie.

Les éjecteurs ont l’avantage de pouvoir être commandés par de la chaleur perdue et de servir de pompe à cha-leur en effectuant les cycles appropriés pour produire des effets de valorisation de la chaleur (augmentation de température), de refroidissement ou de réfrigération, pourvu qu’une source thermique soit disponible. La figure 2 illustre le principe de fonctionnement d’un système de pompe à chaleur avec éjecteur.

Générateur

Pompe

ÉvaporateurDétendeur

WP

QE

QG

QC

1 2

3

45

6

QC

4Condenseur

Éjecteur

Avantages :

Compresseur activé �thermiquement

Tem

péra

ture

Pres

sion

P3

P2

P1

Enthalpie

1 2

3

45

6

Figure 2 – Système de pompe à chaleur avec éjecteur

ÉJECTEURS 3

Un système de pompe à chaleur avec éjecteur comprend les mêmes composants qu’un système à compression de vapeur typique, sauf qu’il utilise un éjecteur, une pompe et un générateur au lieu d’un compresseur. Le générateur (chaleur provenant d’une source d’énergie à basse température comme la chaleur perdue) fournit la vapeur haute pression (P3) à l’entrée principale de l’éjecteur. Ce flux moteur est accéléré dans la tuyère (figure 1, a) où il atteint une vitesse supersonique, ce qui crée une dépression à la sortie de la tuyère et aspire le flux provenant de l’évaporateur à une pression inférieure (P1). Les deux flux entrent en contact dans la chambre de mélange (figure 1, b) où les deux vitesses s’égalisent à une pression constante et une onde de choc se produit ultimement résultant en une augmentation de la pression et une diminution de la vitesse (vitesse subsonique). Le diffuseur (figure 1, c) permet de convertir la vitesse perdue en pression statique et le flux mélangé atteint la pression intermédiaire (P2), laquelle correspond à la pression du condenseur. Après l’étape de condensation, une partie du flux est détendue à la pression d’évaporation P1 tandis que le flux restant est retourné par pompage au générateur.

L’efficacité globale des éjecteurs est généralement inférieure à celle de technologies concurrentes comme la compression ou l’absorption mécanique. Toutefois, les éjecteurs offrent des avantages intéressants par rapport à ces technologies, c’est-à-dire simplicité, faible coût et niveau d’entretien peu élevé. Les éjecteurs possèdent également l’avantage de pouvoir fonctionner en utilisant de la chaleur perdue basse température.

DÉFIS EN RECHERCHE ET DÉVELOPPEMENTPuisque l’utilisation de réfrigérants dans les éjecteurs est très récente, il existe très peu de données et de renseignements facilement accessibles au sujet de leur conception et fonctionnement. De plus, l’information accessible est même parfois contradictoire. Par conséquent, l’information de conception actuelle se fie à des données obtenues avec de l’air et de l’eau, ce qui limite l’utilisation des éjecteurs à un nombre très restreint d’applications.

De récents efforts visant à optimiser la conception de refroidissement et de chauffage ont permis de déterminer que les éjecteurs offrent un potentiel d’application important. Cependant, les connaissances particulières au fonctionnement et à la conception avec des fluides autres que l’air et l’eau, ou au contrôle du fonctionnement n’ont pas encore été développées. Dans le cas d’éjecteurs diphasiques (gaz-liquide), les connaissances sont encore plus limitées, c’est-à-dire minimales.

Le fonctionnement d’un éjecteur est déterminé par une interaction complexe entre différents mécanismes. Les méthodes de conception traditionnelles intègrent de nombreuses hypothèses de simplification et reposent sur des techniques empiriques. Dans les faits, le flux d’un éjecteur n’est ni unidimensionnel ni en équilibre ther-modynamique. Cet état de non-équilibre vient compliquer considérablement le processus d’analyse, de sorte que la conception d’un éjecteur continue d’être empirique ou semi-empirique, et ce, malgré l’existence de plusieurs modèles, généralement pour des éjecteurs monophasiques et basés sur un modèle unidimensionnel de dynamique des gaz. Dans tous les types de modèles, il faut respecter les principes de base de conservation de la masse, de l’énergie, ainsi que de la quantité de mouvement. Ce sont les hypothèses, les conditions aux limites et les procédures de calcul utilisées qui distinguent les différentes approches.

Le comportement typique d’un éjecteur présenté à la figure 3 correspond à un autre phénomène qu’on est encore très loin de comprendre. Le rapport d’entraînement ω correspond au rapport du débit-massique secon-daire m

s au débit-massique primaire m

p (m

s/m

p). Avec la pression de sortie (représentée dans la figure par la

pression du condenseur), ce sont les paramètres principaux pour caractériser le fonctionnement de l’éjecteur.

4 ÉJECTEURS

Pour une géométrie et des conditions fixes, le rapport d’entraînement possède une valeur maximale qui de-meure constante quand on augmente la pression de sortie. Cette situation persiste jusqu’à l’atteinte d’une pression maximale, appelée pression critique, au-dessus de laquelle le rapport d’entraînement commence à diminuer. Quand on conçoit un éjecteur, c’est ce point de pression critique qui est déterminé et au-delà duquel la baisse marquée de la performance indique la plage de fonctionnement hors conception de l’éjecteur. Le point critique correspond aux conditions optimales pour cette géométrie, lorsque les flux primaire et secondaire sont tous deux en régime sonique à leur col respectif.

APPLICATIONS

Les éjecteurs peuvent être utilisés :

À l’intérieur du cycle d’une pompe à chaleur : �

En remplacement du détendeur pour récupérer le travail du compresseur habituellement perdu »dans ce dispositif, afin d’accroître l’efficacité du système (figure 4).

Comme éjecteur-condenseur pour des applications de chauffage, afin de réduire le travail du »compresseur et, par conséquent, d’augmenter la capacité et la performance du système (figure 5).

Dans les deux cas, l’éjecteur travaille en mode diphasique (flux à deux phases). Les mêmes configura-

tions peuvent s’appliquer aux pompes à chaleur à absorption.

En cascade avec un système de pompe à chaleur : �

L’éjecteur est activé par une source de chaleur et sert à sous-refroidir la sortie du condenseur »(figure 6) ou à refroidir le condenseur de la pompe à chaleur (figure 7).

Dans les deux cas, l’éjecteur travaille en mode monophasique (flux à une phase) et aide à améliorer la

performance du système de pompe à chaleur pour les applications de chauffage, de refroidissement et

de réfrigération. Les éjecteurs peuvent également être utilisés dans les pompes à chaleur à absorption.

Pression du condenseur

Pression critique

Pc

Rap

port

d’e

ntra

înem

ent

– ω

Figure 3 - Courbe de performance typique

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1. SYSTÈMES HYBRIDES ÉJECTEUR-COMPRESSION DE VAPEUR (ÉJECTEURS DIPHASIQUES)

A. ÉJECTEUR UTILISÉ COMME DÉTENDEUR DANS DES APPLICATIONS DE REFROIDISSEMENT/RÉFRIGÉRATION AMÉLIORATION DE PERFORMANCE PRÉVUE : ∆ COP = DE 10 À 15 %

L’éjecteur est activé par le condensat haute température et haute pression, lequel sert à extraire de l’évaporateur le réfrigérant gazeux à basse pression et à le rejeter à une pression et une température moyennes dans le séparateur.

Dans ce cas, l’éjecteur est utilisé comme détendeur. Il permet de réduire les pertes du cycle lors de la détente et produit une augmentation de 10 à 15 % du COP.

Évaporateur

Éjecteur

Détendeur

Séparateur

Compresseur

3 4

56

7

89

WC

QE

QC

Évaporateur

8

56Condenseur

1 2

Tem

péra

ture

Pres

sion

Enthalpie

Ejector Basic Cycle

QC = Q1C

Wc

Fonctionnement de l’éjecteur

Effet de refroidissement

Wc

1 2

3

5

4

6

7

8 9

Avantages :

Travail de compression �réduit de 4 à 5 plutôt que de 9 à 5

Figure 4 – Éjecteur en tant que détendeur dans un système de pompe à chaleur

6 ÉJECTEURS

B. ÉJECTEUR-CONDENSEUR UTILISÉ DANS DES APPLICATIONS DE CHAUFFAGE AMÉLIORATION DE PERFORMANCE PRÉVUE : ∆ COP = JUSQU’À 30 %

Dans ce cas, l’éjecteur diphasique est aussi commandé par le condensat, mais avant d’être acheminé à l’éjecteur, sa pression est augmentée par l’utilisation d’une pompe de surpression afin que l’éjecteur puisse extraire du compresseur le réfrigérant gazeux. Un tel cycle peut être utilisé dans des applications de pompe à chaleur. L’amélioration de COP prévue pour une pompe à chaleur ordinaire peut atteindre 30 %, selon les conditions de fonctionnement.

Compresseur

Pompe

ÉvaporateurDétendeur

Éjecteur

WC

WP

QE

QC

1 2

3

5

6

7

5Condenseur

84

Tem

pér

atu

re

Pres

sio

n

Ejector Basic Cycle

Enthalpie

1 2

3

5

4

6

8

7

Avantages :

Travail de compression réduit �de 2 à 3 plutôt que de 2 à 5

Figure 5 – Éjecteur en tant que compresseur additionnel dans un système de pompe à chaleur

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2. SYSTÈMES POMPE À CHALEUR AVEC ÉJECTEUR MULTI-ÉTAGÉ (ÉJECTEURS À FLUX MONOPHASIQUE)

AMELIORATION DE PERFORMANCE PRÉVUE A) ∆ COP = DE 5 À 20 % (B) ∆ COP = JUSQU’À 40 %

Figure 7 - Système en cascade (B)

Générateur

Pompe

Échangeurde chaleur

Évaporateur

Compresseur

Éjecteur

Condenseur

Détendeur

Détendeur

WP

QC

QG

QE

1 2

3

45

6

I II

III

V IV

4Condenseur

QC

QG

QE

Condenseur

Générateur

Échangeur de chaleur

Évaporateur

Compresseur

Éjecteur

PompeWP

Détendeur

Détendeur

1 2

3

45

6

CD

BA

Figure 6 - Sous-refroidissement (A)

Tem

péra

ture

Pres

sion

Ejector Basic Cycle

Enthalpie

1 2

5

6

4

3

II’ II

IV IIIV

Avantages :

Augmentation de la capacité de réfrigération : � De I’ à II plutôt que de I à II

= Cycle de réfrigération avec un système à éjecteur

= Cycle de réfrigération sans système à éjecteur

Tem

péra

ture

Pres

sion

Ejector Basic Cycle

Enthalpie

1 2

5

6

4

3

A’

D’ C’

A B

CD

Avantages :

Travail de compression réduit de �B à C plutôt que de B à C’

= Cycle de réfrigération avec un système à éjecteur

= Cycle de réfrigération sans système à éjecteur

Combinaison système à éjecteur/système mécanique – L’éjecteur est activé par de la chaleur externe.

8 ÉJECTEURS

Le système à éjecteur est activé par de la chaleur externe. Il est utilisé :

Dans A), pour sous-refroidir le liquide à la sortie du condenseur.

Dans B), pour refroidir le condenseur du système de réfrigération principal.

La chaleur servant à l’activation peut provenir de procédés industriels, d’un rejet de chaleur, de capteurs solai-res, de systèmes de production distribuée ou de la surchauffe d’un compresseur.

La première application (A) consiste à sous-refroidir le condensat du système principal avant la détente. La plage d’amélioration du COP est de 5 à 20 %.

La deuxième application (B) de l’éjecteur monophasique représentée ci-dessus est un système de réfrigération mécanique en cascade. Dans ce cas, l’amélioration du COP prévue peut atteindre 40 %.

PROGRAMME DE RECHERCHE, DÉVELOPPEMENT ET DÉMONSTRATION À CanmetÉNERGIE L’intention de CanmetÉNERGIE est de se positionner en tant que centre d’expertise en matière d’éjecteurs et de travailler étroitement avec les fabricants de systèmes de réfrigération pour l’intégration de système. L’objectif est de devenir des experts en conception et optimisation de systèmes à éjecteur.

La stratégie comprend des activités liées aux éléments suivants :

Composant d’éjecteur �

Modèle unidimensionnel »

Modélisation selon la méthode de dynamique des fluides assistée par ordinateur (CFD) »

Optimisation de la géométrie »

Sélection du fluide de travail »

Banc d’essai pour la validation de modèles et acquisition d’expérience pratique »

Système à éjecteur �

Modélisation de système pour différentes applications d’éjecteurs en modes de fonctionnement »monophasique et diphasique

Prototype de laboratoire pour la validation de modèles et l’acquisition d’expérience pratique »

Les premières applications ciblées sont les suivantes : récupération de chaleur provenant de l’éva- »cuation d’une chaudière afin d’augmenter la capacité des systèmes de refroidissement (système de

chauffage urbain, industries); utilisation d’un éjecteur au lieu d’un détendeur dans un système de

réfrigération.

Démonstrations liées aux éjecteurs �

Projets de démonstration en collaboration avec des manufacturiers pour les deux applications »mentionnées ci-dessus.

ÉJECTEURS 9

La recherche effectuée consiste à élaborer un modèle unidimentionnelle et par incrément adapté pour « sur-veiller » les paramètres dans l’ensemble de l’éjecteur et fournir leur distribution. En utilisant également les propriétés des fluides réels, ce modèle fournit les dimensions axiales et le comportement hors conception de l’éjecteur. Cet outil peut servir à la conception et à la simulation. Pour la conception, il permet de déterminer les dimensions appropriées dans des conditions de fonctionnement données. Pour la simulation, il fournit toute l’information liée au fonctionnement (concernant la performance et le contrôle de la distribution des paramètres) pour les paramètres fixés.

Parallèlement, une analyse de CFD est effectuée pour les cas de l’air ou d’autres réfrigérants. Cette approche permet d’étudier localement les différents phénomènes des fluides concernés et leurs interactions, d’une façon encore plus réaliste puisque nous pouvons simuler des géométries plus complexes, différentes conditions de turbulence, diverses conditions de fonctionnement, etc.

Le banc d’essai complet pour tester les éjecteurs monophasiques (composants seulement) outil extrêmement utile pour valider des modèles et colliger des données de performance, en plus donner confiance dans les ré-sultats de modélisation.

Des modèles de simulation de différents systèmes utilisant un éjecteur sont également élaborés, afin de prédire la performance du système dans différentes conditions de fonctionnement (réfrigérants, températures). On prévoit construire deux prototypes : une pompe à chaleur incluant un éjecteur comme dispositif de détente (diphasique) et un système hybride de réfrigération dans lequel l’éjecteur, activé par une source externe, refroidit le condenseur. Ces prototypes fourniront des données expérimentales pour valider les modèles et fournir de l’expérience pratique.

On prévoit que cette combinaison exceptionnelle de simulation-modélisation et d’outils expérimentaux four-nira à CanmetÉNERGIE une expertise unique dans la compréhension des phénomènes se produisant pendant le fonctionnement d’un éjecteur afin de pouvoir concevoir des systèmes plus performants et augmenter le nombre d’applications des éjecteurs.

La réalisation de projets de démonstration est nécessaire afin d’acquérir de l’expérience pratique et de dévelop-per la crédibilité et la confiance requises pour des applications plus larges. Les partenaires désignés pour cette activité de recherche et développement ont déjà indiqué qu’ils étaient intéressés à effectuer et à soutenir des projets de démonstration.