Modélisation dynamique et commande optimale d'un système de réfrigération à base d'éjecteur

Recently, the ejector-based refrigeration system (ERS) has been widely used in the cooling industry as an appropriate alternative to the compressor-based cooling systems. However, the advantages of ERS such as the reliable operation and low operation and maintenance costs are overshadowed by its low efficiency and design complexity. In this context, this thesis presents the efforts to develop a control model enabling the ERS to operate in its optimal operational conditions. The extensive experimental studies of ERS revealed that at a fixed condenser inlet condition, there exists an optimal primary stream mass flow rate (generating pressure) that simultaneously maximizes the compression ratio (Cr) and exergy efficiency and minimizes the evaporating pressure. Then, the steady state models of the heat exchangers were developed and used to investigate the influence of the increase in generating pressure on the coefficient of performance (COP) of the system and it showed that increasing the generating pressure reduces the COP, linearly. In order to predict the choking regime of the ejector and explain the reasons of observed physical phenomenon, the 1D model of a fixed geometry ejector installed within an R245fa ERS was developed. The developed model demonstrated that the ejector operates in the subcritical mode when the generating pressure is below the Cr optimum point, while it operates in critical mode at or above the optimum generating pressure. Next, a dynamic model of the ERS was built to evaluate the ERS transient response to an increase in the primary stream mass flow rate. Since the ERS dynamics is mainly dominated by the thermal dynamics of the heat exchangers, the dynamic models of the heat exchangers were developed using the moving boundary approach and connected to the developed models of the ejector and steady state models of the pump and expansion valve to build a single dynamic model of the system. The built dynamic model of an ERS was used to estimate the time response of the system in the absence of accurate experimental data of the system’s dynamics. Finally, a control model was designed to drive an ERS towards its optimal operation condition. A self-optimizing, model-free control strategy known as Extremum seeking control (ESC) was adopted to minimize evaporating pressure in a fixed condenser thermal fluid inlet condition. The innovative ESC model named batch phasor ESC (BPESC) was proposed based on estimating the gradient by evaluating the phasor of the output, in batch time. The simulation results indicated that the designed BPESC model can seek and find the optimum evaporating pressure with good performance in terms of predicting the steady state optimal values and the convergence rates.Récemment, le système de réfrigération à éjecteur (SRE) a été largement utilisé dans l'industrie du refroidissement en tant que solution de remplacement appropriée aux systèmes de refroidissement à compresseur. Cependant, les avantages du SRE, tels que le fonctionnement fiable et les faibles couts d'exploitation et de maintenance, sont éclipsés par son faible rendement et sa complexité de conception. Dans ce contexte, ce projet de recherche de doctorat a détaillé les efforts déployés pour développer une stratégie de commande permettant au système de fonctionner dans ses conditions opérationnelles optimales. Les études expérimentales approfondies du SRE ont révélé que, dans une condition d'entrée de condensateur constante, il existe un débit massique optimal du flux primaire (générant une pression) qui maximise simultanément le taux de compression (Cr) et l'efficacité exergétique, et minimise la pression d’évaporation. Ensuite, les modèles à l’état d’équilibre des échangeurs de chaleur ont été développés et utilisés pour étudier l’influence de l’augmentation de la pression générée sur le coefficient de performance (COP) du système et il en ressort que l'augmentation de la pression génératrice réduit le COP de manière linéaire. Afin de prédire le régime d'étouffement de l'éjecteur et d'expliquer les raisons du phénomène physique observé, le modèle 1D d'un éjecteur à géométrie fixe installé dans un système SRE R245fa a été développé. Le modèle développé a démontré que l'éjecteur fonctionne en mode sous-critique lorsque la pression génératrice est inférieure au point optimal de Cr, alors qu'il fonctionne en mode critique à une pression égale ou supérieure à la pression génératrice optimale. Ensuite, un modèle dynamique du SRE a été développé pour étudier la réponse transitoire du SRE lors d’une augmentation du débit massique du flux primaire. Puisque la dynamique du SRE est principalement dominée par la dynamique thermique des échangeurs de chaleur, les modèles dynamiques des échangeurs de chaleur ont été développés à l'aide de l'approche des limites mobiles et connectés aux modèles développés de l'éjecteur et des modèles à l'état stationnaire de la pompe et de la vanne un seul modèle dynamique du système. En l’absence de données expérimentales précises sur la dynamique d’un système SRE, le modèle dynamique développé du SRE a été simulé numériquement pour étudier sa réponse temporelle. Enfin, une stratégie de commande extrêmale (ESC) a été élaboré pour régler automatiquement le SRE à ses conditions de fonctionnement optimales, c’est-à-dire pour trouver la vitesse de la pompe qui minimise la pression dans des conditions d'entrée de condenseur fixes. Afin de proposer une ESC implémentable en temps discret sur une installation réelle sujette à un bruit de mesure important et un traitement hors-ligne par trame, une nouvelle commande extrémale basée sur une approche par phaseur avec une procédure de traitement de signal par trame (BPESC) a été développée et simulée avec le modèle numérique. Les résultats de la simulation ont indiqué que le modèle BPESC peut trouver la vitesse optimale de la pompe avec de bonnes performances en termes de précision et de vitesse de convergence