Un système frigorifique à éjecteur optimisé pour des températures négatives sur les navires de pêche

Sur les navires de pêche, de grandes quantités de carburant diesel sont traditionnellement utilisées pour alimenter les moteurs ainsi que les systèmes frigorifiques embarqués utilisés pour la congélation des produits de la pêche. En 2016, les émissions mondiales de CO₂ dues à la combustion de carburant par les moteurs principaux dans les pêcheries maritimes s’élevaient à environ 207 millions de tonnes de CO₂. [1] Le rendement d’un moteur diesel n’est que de 35 à 40% environ, car plus de la moitié de l’énergie est gaspillée par l’eau circulant dans l’enveloppe de refroidissement du moteur et par les gaz d’échappement à haute température. [2] 

 

Pour réduire l’usage de carburant diesel sur les navires de pêche, au moins trois types de systèmes frigorifiques entrainés par la chaleur ont fait l’objet de recherches : les systèmes à absorption, les systèmes à adsorption et les systèmes à éjecteur. Les systèmes frigorifiques à éjecteur alimentés par la chaleur perdue provenant de l’eau circulant dans l’enveloppe de refroidissement du moteur ou des gaz d’échappement chauds peuvent constituer une alternative écologique aux équipements frigorifiques entrainés à partir du carburant diesel. Toutefois, malgré une efficacité thermique élevée, le coefficient de performance (COP) des systèmes frigorifiques à éjecteur reste inférieur à celui des systèmes à absorption ou adsorption. 

 

La capacité d’entrainement d’un éjecteur est essentielle à la performance globale d’un système frigorifique à éjecteur. Pour le froid à des températures négatives, une température d’évaporation plus faible entraîne une différence de pression plus élevée entre le condenseur et l’évaporateur. Dans ce cas, les éjecteurs monoétagés peuvent perdre leur capacité à faire monter la pression. Pour résoudre ce problème et ainsi améliorer le taux d’entraînement de l’éjecteur en cas de différence de pression plus élevée, des chercheurs ont proposé un système frigorifique théorique utilisant un éjecteur bi-étagé comme dispositif de surpression et un condenseur refroidi à l’eau pour produire du froid à des températures négatives sur des navires de pêche. [2]

 

 

Performance d’un modèle théorique de système frigorifique à éjecteur bi-étagé pour des températures négatives ^[2] 

 

Un système frigorifique à éjecteur bi-étagé comprend généralement un éjecteur bi-étagé, un générateur, un condenseur, un évaporateur, une pompe et un détendeur. À la sortie du condenseur, le frigorigène (R134a dans cette étude) se sépare en deux parties. Une partie du frigorigène produit du froid à des températures négatives, remplissant ainsi le rôle de fluide secondaire, tandis que l’autre partie du frigorigène remplit le rôle de fluide primaire. Ce dernier est pompé dans le générateur pour être chauffé soit par de la chaleur résiduelle, soit par une énergie renouvelable, afin d’augmenter la température et la pression du frigorigène.

 

L’éjecteur bi-étagé de ce cycle sert de dispositif pour faire monter la pression afin que le frigorigène évaporé puisse être aspiré et comprimé à une pression de condensation élevée. Les auteurs ont choisi d’utiliser l’eau de mer (à une température de 20-30 °C) plutôt que l’air comme agent de refroidissement pour le condenseur. Le condenseur refroidi à l’eau permet de réduire davantage la pression de condensation qu’un condenseur refroidi à l’air. Le condenseur refroidi à l’eau permet également de réduire la différence de pression entre le condenseur et l’évaporateur, ce qui améliore l’efficacité énergétique du système frigorifique. 

 

Avec une conception optimisée afin d’améliorer la performance d’entrainement, les résultats de la simulation CFD ont montré que l’éjecteur bi-étagé proposé pouvait atteindre une température d’évaporation aussi basse que −25 °C avec un taux d’entraînement pouvant atteindre 0,0961. De plus, le taux d’entraînement de l’éjecteur bi-étagé a été amélioré de 30,57 % et le COP du système frigorifique a été amélioré de 28,77 %, comparé à une étude précédente dans laquelle un condenseur refroidi à l’air avait été utilisé.  

 

Les auteurs concluent donc que l’utilisation de la chaleur résiduelle des navires de pêche est une méthode économe en énergie pour produire du froid à des températures négatives dans un système frigorifique à éjecteur bi-étagé conçu de façon optimisée avec un condenseur refroidi à l’eau. 

 

 

Sources 

[1] Greer, K., Zeller, D., Woroniak, J., Coulter, A., Winchester, M., Palomares, M. D., & Pauly, D. (2019). Global trends in carbon dioxide (CO2) emissions from fuel combustion in marine fisheries from 1950 to 2016. Marine Policy, 107, 103382. https://doi.org/10.1016/j.marpol.2018.12.001 

[2] Wang, X., Wang, L., Song, Y., Deng, J., & Zhan, Y. (2021). Optimal design of two-stage ejector for subzero refrigeration system on fishing vessel. Applied Thermal Engineering, 187, 116565. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2021.116565