Optimisation thermodynamique des systèmes frigorifiques

RÉSUMÉ Le présent mémoire traite de l'optimisation thermodynamique des systèmes frigorifiques. Le but poursuivi est de discerner et comprendre la problématique énergétique liée aux installations commerciales de production de froid et d'étudier le potentiel que représente la modélisation simplifiée pour leur optimisation. Le travail proposé puise son originalité dans la méthode d'optimisation utilisée, c'est à dire la thermodynamique en temps fini. Contrairement aux modèles détaillés, largement utilisés, la modélisation endoréversible, plus simple, est mise à profit pour comprendre le fonctionnement d'un procédé de production de froid dans son ensemble, y compris son interaction avec le bâtiment. La thermodynamique en temps fini permet la formulation de modèles simples, exprimés en fonction des seules variables essentielles ayant en outre une signification physique. Ces variables définissent les paramètres de fonctionnement d'un système ou bien représentent les ressources finies mises à disposition (les dimensions finies du système). De tels modèles sont donc pratiques pour l'optimisation de systèmes réels et ont l'avantage de demander moins de temps de calcul et d'expertise que les modèles détaillés. En outre, il est démontré que l'analyse exergétique est un outil efficace pour comprendre la nature des irréversibilités. En particulier, une méthode de représentation des pertes exergétiques tout récemment développée est utilisée. Elle permet de mener deux types d'optimisation que sont l'amélioration de l'efficacité énergétique et l'intensification. Ainsi, le travail proposé est celui d'une réflexion plutôt théorique et fondamentale mais dont les résultats ouvrent de nouvelles voies pour la conception et l'optimisation de systèmes réels. Un premier chapitre présente la problématique énergétique liée à la production de froid dans les supermarchés. Du point de vue environnemental, une attention toute particulière est portée sur l'impact des fuites de réfrigérant et de la consommation énergétique lié à ce type d'installation. Le fonctionnement du système de réfrigération d'un supermarché typique est décrit. Puis, nous insistons sur une particularité du supermarché en tant que bâtiment commercial, c'est-à-dire, l'interaction évidente qui existe entre le système de Chauffage, Ventilation et Climatisation (CVC) et le système de Réfrigération (R). Du point de vue technologique, nous décrirons les principales avancées faites sur le plan de la gestion de l'énergie consommée, l'efficacité thermodynamique et la récupération de chaleur. Le développement théorique à proprement parlé commence au Chapitre 2 où un modèle simplifié de supermarché est proposé. Ce modèle prend en compte certaines irréversibilités clefs que sont la charge externe passant à travers les parois du bâtiment ainsi que la fuite de chaleur entre l'espace de vente appelé espace chaud et les comptoirs réfrigérés appelés espace froid. L'analyse montre que le besoin énergétique en fonction de la température extérieure dépend de trois paramètres adimensionnels : la récupération de chaleur, l'isolation thermique du bâtiment et la charge interne. Le Chapitre 3 s'attaque à la réalisation technologique des objectifs formulés au Chapitre 2. L'analyse des postes de consommation énergétique dans un supermarché typique révèle tout le potentiel que représente la récupération de chaleur surtout dans un climat froid. Deux technologies de récupération de chaleur sont modélisées utilisant respectivement un serpentin à air et des pompes à chaleur. Dans un premier temps, la modélisation endoréversible est employée parce qu'elle offre un outil de compréhension tout en restant suffisamment précise. De façon complémentaire, un graphique basé sur l'analyse exergétique permet de visualiser les sources d'irréversibilités. On montre de façon théorique que pour obtenir la meilleure efficacité, la technologie utilisée doit être choisie en fonction d'un paramètre adimensionnel appelé charge de chauffage réduite. Dans un deuxième temps, une étude de cas basée sur un supermarché pilote instrumenté est proposée. Pour se faire, une investigation numérique est faite en introduisant les irréversibilités internes des compresseurs de réfrigération. Le modèle est suffisamment précis pour permettre le diagnostic d'un système en place et pour optimiser en fonction du climat local la technologie de récupération d'un supermarché à venir. Finalement, dans un dernier chapitre (Chapitre 4), l'optimisation du froid commercial est étendue aux tunnels de congélation. Une méthode pour l'intensification thermodynamique de la production est proposée. Cette étude se base sur deux indices de performance : la puissance exergétique qui représente un compromis entre la quantité (le débit massique des aliments) et la qualité (la température des aliments en sortie du tunnel); la destruction d'exergie spécifique qui représente la destruction de travail par unité massique de production due à la limitation des ressources (conductance thermique fixe). Un modèle endoréversible est présenté ainsi qu'une description mathématique des irréversibilités internes générées pendant le cycle thermodynamique de réfrigération. Une investigation numérique de la performance du système en fonction des variables de fonctionnement que sont le débit massique et la température d'évaporateur permet de déterminer une zone d'optimisation appelée « zone d'intensification ». Pour conclure sur la portée de nos résultats, il est bon de noter que la thermodynamique endoréversible appliquée à l'optimisation de la production de froid dans les supermarchés offre plusieurs avenues: qualifier de façon fondamentale la performance d'un système intégré de chauffage et de réfrigération en fonction d'une efficacité optimale théorique, jouant le même rôle que l'efficacité de Carnot; • diagnostiquer et prédire la performance d'un tel système; ▪ choisir une technologie d'intégration appropriée des systèmes de réfrigération et de chauffage en fonction des propriétés du climat et du bâtiment, dans une démarche de préconception. En outre, un mode de représentation des pertes basé sur l'exergie a été proposé. Il permet de visualiser et comprendre l'avantage de la récupération de chaleur dans les supermarchés. L'analyse exergétique est aussi employée pour résoudre le compromis quantité/qualité rencontré dans la pratique lorsque l'on produit des aliments congelés. Deux indices de performance ont montré leur pertinence car ils permettent de délimiter une zone d'optimisation appelée « zone d'intensification » en fonction des variables de fonctionnement d'un tunnel de congélation. CONTENU La problématique du froid commercial -- La réfrigération dans le supermarchés -- Le point de vue technologique -- Un modèle pour l'analyse énergétique dans les supermarchés -- Les techniques de modélisation appliquées aux bâtiments commerciaux -- La performance idéale d'un supermarché -- A model for energy analysis in supermarkets -- The model -- Analysis -- La modélisation endoréversible comme outil de préconception pour l'intégration des systèmes CVC & R pendant le fonctionnement hivernal des supermarchés -- La modélisation détaillée appliquée aux supermarchés -- La modélisation simplifiée des systèmes de réfrigération -- L'intégration des systèmes de réfrigération et de chauffage dans les supermarchés -- Endoreversible modeling as a pre-design tool for the winter integration of HVAC and refrigeration in supermarkets -- Advantage of heat recovery -- Supermarket exergy analysis -- Analysis of ideal refrigeration and heating systems -- An endoreversible model of classic refrigeration and heating systems -- Optimization of heat recovery, comparison with data -- Analysis of an air coil heat recovery system -- Analysis of a heat pump recovery system -- Determination of the irreversibilities of the compressor -- Comparison of the HVAC & R models with data

Ébullition convective du dioxyde de carbone - étude expérimentale en micro-canal

Les préoccupations relatives à la destruction de la couche d\u27ozone et au réchauffement climatique ont suscitées un regain d\u27intérêt pour l\u27usage du dioxyde de carbone comme fluide frigorigène. La présente étude a pour objectif de synthétiser l\u27état des connaissances sur l\u27ébullition convective du CO2 mais aussi d\u27élargir l\u27investigation à des conditions nouvelles. Les données d\u27échanges thermiques disponibles dans la littérature sont analysées en fonction du diamètre du canal et de la température de saturation. Une réflexion est proposée sur les mécanismes physiques, y compris les configurations d\u27écoulement, qui influencent les échanges thermiques et qui leur donnent des caractéristiques particulières. La validité des méthodes de prédiction du coefficient d\u27échange thermique et des pertes de pression est discutée pour le cas du CO2. Du point de vue expérimental, une section d\u27essai a été mise au point pour étudier l\u27évaporation du CO2 dans un micro-canal de 0,529 mm de diamètre. Des mesures de pertes de pression et du coefficient d\u27échange thermique local ont été obtenues principalement pour trois températures de saturation, - 10-5 et 0 C, trois densités de flux thermique, 1020 et 30 kW/m2, et pour des vitesses massiques comprises entre 200 et 1200 kg/m2.s. Les résultats des principales méthodes de prédiction sont comparés à nos mesures et de nouvelles approches corrélatives sont proposées. L\u27évaporation convective (en opposition à l\u27ébullition nucléée) semble jouer un rôle important dans les échanges thermiques. Par ailleurs, une augmentation inattendue du titre de début d\u27assèchement avec la vitesse massique a été observée pour une température de - 10 C

Ébullition convective du Dioxyde de Carbone (étude expérimentale en micro-canal)

Les préoccupations relatives à la destruction de la couche d ozone et au réchauffement climatique ont suscitées un regain d intérêt pour l usage du dioxyde de carbone comme fluide frigorigène. La présente étude a pour objectif de synthétiser l état des connaissances sur l ébullition convective du CO2 mais aussi d élargir l investigation à des conditions nouvelles. Les données d échanges thermiques disponibles dans la littérature sont analysées en fonction du diamètre du canal et de la température de saturation. Une réflexion est proposée sur les mécanismes physiques, y compris les configurations d écoulement, qui influencent les échanges thermiques et qui leur donnent des caractéristiques particulières. La validité des méthodes de prédiction du coefficient d échange thermique et des pertes de pression est discutée pour le cas du CO2. Du point de vue expérimental, une section d essai a été mise au point pour étudier l évaporation du CO2 dans un micro-canal de 0,529 mm de diamètre. Des mesures de pertes de pression et du coefficient d échange thermique local ont été obtenues principalement pour trois températures de saturation, - 10 ; -5 et 0 C, trois densités de flux thermique, 10 ; 20 et 30 kW/m2, et pour des vitesses massiques comprises entre 200 et 1200 kg/m2.s. Les résultats des principales méthodes de prédiction sont comparés à nos mesures et de nouvelles approches corrélatives sont proposées. L évaporation convective (en opposition à l ébullition nucléée) semble jouer un rôle important dans les échanges thermiques. Par ailleurs, une augmentation inattendue du titre de début d assèchement avec la vitesse massique a été observée pour une température de - 10 CEnvironmental concerns regarding ozone depletion and global warming induced a renewed interest in the use of carbon dioxide as a refrigerant. The aim of the present study is to do a synthesis of the current knowledge on CO2 flow boiling. The purpose is also to extend the experimental investigation to new conditions. Heat transfer data from the open literature have been analysed depending on the channel diameter and the saturation temperature. A reflection is presented on the physical phenomena, including flow patterns, playing a part in the heat transfer and leading to specific behaviours. Regarding the available methods to predict the heat transfer coefficient and the pressure drop, their adequacy is also discussed for the case of CO2. Concerning the experimental work, a test section was set up so as to study the CO2 vaporisation in a single 0.529 mm tube. Local heat transfer coefficient and pressure drop data were obtained mainly for three saturation temperatures, i.e. -10; -5 and 0 C, three heat fluxes, i.e. 10; 20 and 30 kW/m2, and for mass velocities ranging from 200 to 1200 kg/m2.s. Results from well know prediction methods are compared to our measurements, and new correlative approaches are also suggested. It seems that convective vaporisation (as opposed to nucleate boiling) represents an important contribution to the heat transfer. Moreover, an unexpected increase of the dryout inception quality when the mass flux rises is observed for a temperature of - 10 C.VILLEURBANNE-DOC'INSA LYON (692662301) / SudocSudocFranceF

Experimental investigation of CO2 single phase flow in a single horizontal microchannel in constant heat flux conditions

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Carbon dioxide flow boiling in a single microchannel - Part I: Pressure drops

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Charge reduction experimental investigation of CO2 single-phase flow in a horizontal micro-channel with constant heat flux conditions

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Évaluation de l’Index de l’égalité professionnelle

L’Index de l’égalité professionnelle mis en place par la loi du 5 septembre 2018 « pour la liberté de choisir son avenir professionnel » introduit pour la première fois dans les politiques de lutte contre les inégalités liées au sexe une obligation de résultat pour les entreprises et non seulement une obligation de moyens. Les entreprises privées de plus de 50 salarié·e·s ont en effet l’obligation de rendre publics chaque année depuis 2019 les résultats obtenus à l’Index. La mise en place de cet Index a-t-elle permis de réduire les inégalités entre les sexes observées dans les entreprises ? Ce rapport propose de répondre à cette question en s’appuyant sur des données administratives très détaillées (incluant les rémunérations perçues et les heures travaillées chaque année par l’ensemble des salarié·e·s du secteur privé) combinées aux données issues de la base « Indexegapro » qui contient les valeurs déclarées (note globale et composantes) par les entreprises depuis 2018, dans le cadre de l’obligation de déclaration et de publication l’Index. Cet appariement permet de mesurer les proportions d’entreprises et de salarié·e·s effectivement concerné·e·s par la mise en place de l’Index de l’égalité professionnelle, mais aussi de comparer l’ampleur des inégalités femmes-hommes dans les entreprises qui déclarent un Index et celles qui n’en déclarent pas ou déclarent que celui-ci ne peut être calculé. En outre, les notes déclarées par les entreprises à l’Index sont comparées aux inégalités entre les femmes et les hommes telles que mesurées à partir des données de sécurité sociale exhaustives. Quels sont les principaux résultats de cette étude ? En premier lieu, la proportion d’entreprises et de salarié·e·s couvert·e·s par l’Index est très imparfaite. En raison des critères d’exclusion stricts qui empêchent les entreprises de pouvoir calculer une note globale à l’Index, un quart des entreprises normalement assujetties à déclaration de l’Index le déclarent non calculable. Un autre quart des entreprises ne déclarent pas d’Index. Près d’un·e salarié·e du secteur privé sur deux (44 %) est par ailleurs exclu du calcul car iel travaille dans une entreprise de moins de 50 salarié·e·s. En second lieu, l’Index tend à invisibiliser les inégalités réelles entre les femmes et les femmes en raison de deux choix méthodologiques discutables faits pour le calcul de l’indicateur d’écart de salaire de l’Index. L’application d’un seuil de pertinence permet aux entreprises ayant des écarts inférieurs à 5 % de les ramener à 0 et l’utilisation du salaire des hommes comme catégorie de référence pour normaliser les écarts a tendance à réduire les écarts de salaire (les femmes étant généralement moins bien payées que les hommes). Par ailleurs, l’étude reconstruit les valeurs prises par les différents indicateurs du décret en application stricte des règles de calcul, et les compare aux valeurs déclarées. En moyenne, les entreprises déclarent de meilleures notes que l’étude reproduit, ce qui peut s’expliquer par le fait que les entreprises adaptent la catégorisation des salarié·e·s en catégories socio-professionnelles. L’étude s’attache ensuite à détecter des indices de manipulation des notes déclarées par les entreprises. Sans trouver d’indices d’une manipulation d’ampleur, l’étude constate néanmoins que les entreprises déclarant un Index non calculable présentent des inégalités plus importantes telles que mesurées dans les données administratives. Par ailleurs, le fait de ne pas pouvoir déclarer l’indicateur d’écart salarial est corrélé avec de mauvaises performances sur les autres indicateurs. Enfin, l’étude conclut que la mise en place de l’Index n’a pas d’effet détectable sur les inégalités femmes-hommes dans les entreprises concernées durant les premières années après sa mise en place, et ce, malgré une augmentation des notes obtenues par les entreprises assujetties à l’Index. Dans les petites entreprises concernées par la mise en place de l’Index, et dans les petites entreprises non concernées par cette mise en place, les tendances en matière d’inégalités sont parallèles, aussi bien avant qu’après la mise en place de l’Index, ce qui indique qu’à court terme au moins, son impact sur les entreprises concernées n’est pas détectable

Évaluation de l'Index de l'égalité professionnelle

Enjeux :En septembre 2018, le gouvernement français a pris un ensemble de mesures visant à réduire les inégalités femmes-hommes, parmi lesquelles la mise en place de l’Index de l’égalité professionnelle. Depuis 2019, toutes les entreprises privées de plus de 50 salariés doivent calculer cet indicateur et obtenir une valeur minimale à cet Index, à défaut de quoi elles s’exposent à des sanctions. Cet Index introduit, pour la première fois dans les politiques de lutte contres les inégalités liées au sexe, une obligation de résultat pour les entreprises et non seulement une obligation de moyens.Présentation :Cette étude a évalué l’impact de la mise en place de l’Index de l’égalité professionnelle sur les inégalités entre femmes et hommes dans l’entreprise. Pour ce faire, elle s’appuie sur les données déclarées par les entreprises et les données administratives détaillées concernant les rémunérations et heures travaillées par l’ensemble des salariés du secteur privé.Enseignements clés :1. La couverture de l’Index est très imparfaiteSeulement 50 % des entreprises (44 % des PME-PMI et 93 % des entreprises de plus de 1 000 salariés) normalement assujetties déclarent une note sur 100 points.Seul un quart des salariés du secteur privé sont concernés par le calcul de l’indicateur d’écart salarial de l’Index.2. La mise en place de l’Index n’a pas d’effet détectable sur les inégalités femmes-hommes dans les entreprises concernéesLes entreprises de moins de 50 salariés (non assujetties à l’Index) et celles de plus de 50 salariés (assujetties à l’Index) ont des trajectoires remarquablement parallèles en termes d’inégalités femmes-hommes entre 2010 et 2020. On n’observe pas de changement de tendance pour les entreprises assujetties après la mise en place de l’Index en 2018.3. L’Index tend à invisibiliser les inégalités réelles entre femmes et hommesLes bons résultats obtenus par les entreprises pour les écarts de rémunération sont liés à deux choix méthodologiques discutables faits pour le calcul de l’indicateur d’écart de salaire de l’Index : l’application d’un seuil de tolérance (tous les écarts inférieurs à 5 % sont ramenés à 0) l’utilisation des hommes comme catégorie de référence pour normaliser les écarts (les écarts dans chaque groupe sont divisés par le salaire moyen des hommes, ce qui les réduit quand les femmes sont moins bien payées que les hommes mais les augmentent dans le cas inverse).4. Les entreprises qui déclarent leur Index ne sont pas plus vertueuses – au sens de leur performance en matière d’égalité professionnelle – que celles qui ne déclarent pasLes données administratives utilisées dans l’étude permettent de mesurer les inégalités femmes-hommes à la fois pour les entreprises qui déclarent un Index et celles qui ne le déclarent pas : les entreprises qui ne déclarent pas leur Index ou déclarent ne pas pouvoir le calculer ne sont pas plus inégalitaires que les autres. Elles reportent en revanche des notes à l’indicateur d’écart salarial supérieures à celles recalculées à partir des données administratives.On observe que pour l’indicateur simple et transparent que constitue la part des femmes parmi les dix plus hautes rémunérations, les déclarations des entreprises concordent avec leurs résultats reconstruits alors que cela n’est plus vrai pour l’indicateur complexe et ajustable d’écart salarial. Cela suggère que l’utilisation d’indicateurs complexes et peu transparents peut permettre aux entreprises d’invisibiliser leurs inégalités réelles

Évaluation de l'Index de l'égalité professionnelle

Enjeux :En septembre 2018, le gouvernement français a pris un ensemble de mesures visant à réduire les inégalités femmes-hommes, parmi lesquelles la mise en place de l’Index de l’égalité professionnelle. Depuis 2019, toutes les entreprises privées de plus de 50 salariés doivent calculer cet indicateur et obtenir une valeur minimale à cet Index, à défaut de quoi elles s’exposent à des sanctions. Cet Index introduit, pour la première fois dans les politiques de lutte contres les inégalités liées au sexe, une obligation de résultat pour les entreprises et non seulement une obligation de moyens.Présentation :Cette étude a évalué l’impact de la mise en place de l’Index de l’égalité professionnelle sur les inégalités entre femmes et hommes dans l’entreprise. Pour ce faire, elle s’appuie sur les données déclarées par les entreprises et les données administratives détaillées concernant les rémunérations et heures travaillées par l’ensemble des salariés du secteur privé.Enseignements clés :1. La couverture de l’Index est très imparfaiteSeulement 50 % des entreprises (44 % des PME-PMI et 93 % des entreprises de plus de 1 000 salariés) normalement assujetties déclarent une note sur 100 points.Seul un quart des salariés du secteur privé sont concernés par le calcul de l’indicateur d’écart salarial de l’Index.2. La mise en place de l’Index n’a pas d’effet détectable sur les inégalités femmes-hommes dans les entreprises concernéesLes entreprises de moins de 50 salariés (non assujetties à l’Index) et celles de plus de 50 salariés (assujetties à l’Index) ont des trajectoires remarquablement parallèles en termes d’inégalités femmes-hommes entre 2010 et 2020. On n’observe pas de changement de tendance pour les entreprises assujetties après la mise en place de l’Index en 2018.3. L’Index tend à invisibiliser les inégalités réelles entre femmes et hommesLes bons résultats obtenus par les entreprises pour les écarts de rémunération sont liés à deux choix méthodologiques discutables faits pour le calcul de l’indicateur d’écart de salaire de l’Index : l’application d’un seuil de tolérance (tous les écarts inférieurs à 5 % sont ramenés à 0) l’utilisation des hommes comme catégorie de référence pour normaliser les écarts (les écarts dans chaque groupe sont divisés par le salaire moyen des hommes, ce qui les réduit quand les femmes sont moins bien payées que les hommes mais les augmentent dans le cas inverse).4. Les entreprises qui déclarent leur Index ne sont pas plus vertueuses – au sens de leur performance en matière d’égalité professionnelle – que celles qui ne déclarent pasLes données administratives utilisées dans l’étude permettent de mesurer les inégalités femmes-hommes à la fois pour les entreprises qui déclarent un Index et celles qui ne le déclarent pas : les entreprises qui ne déclarent pas leur Index ou déclarent ne pas pouvoir le calculer ne sont pas plus inégalitaires que les autres. Elles reportent en revanche des notes à l’indicateur d’écart salarial supérieures à celles recalculées à partir des données administratives.On observe que pour l’indicateur simple et transparent que constitue la part des femmes parmi les dix plus hautes rémunérations, les déclarations des entreprises concordent avec leurs résultats reconstruits alors que cela n’est plus vrai pour l’indicateur complexe et ajustable d’écart salarial. Cela suggère que l’utilisation d’indicateurs complexes et peu transparents peut permettre aux entreprises d’invisibiliser leurs inégalités réelles