Systèmes de réfrigération commerciale à haut rendement à l’aide d’un éjecteur

Contexte du projet

L’Environmental Protection Agency (EPA) des États-Unis estime que les systèmes de réfrigération commerciaux de supermarchés utilisant des réfrigérants de synthèse perdent en moyenne 20% de leur charge annuellement. Les réfrigérants de synthèse ont un effet sur le réchauffement climatique de 3000 à 4000 fois supérieur au dioxyde de carbone (CO₂). Donc le fait d’utiliser du CO₂ comme réfrigérant aura un effet significatif sur la réduction d’émission de gaz à effet de serre (GES).

Pour un système de réfrigération au CO₂ fonctionnant en régime transcritique, une valve de détente est nécessaire à la sortie du refroidisseur de gaz pour réduire la pression du CO₂ sous le seuil critique avant l’entrée du réservoir et ainsi permettre la condensation du CO₂. L’énergie perdue lors de cette détente était auparavant irrécupérable. L'intégration judicieuse d'un éjecteur en remplacement de la valve de détente, permet d’obtenir la dépressurisation nécessaire, tout en créant un effet venturi qui entrainera une partie des gaz normalement aspirés par les compresseurs principaux. Ce délestage d’une partie des compresseurs du système permet donc de récupérer efficacement une partie importante de cette énergie normalement perdue.  Cette technologie n'avait pas encore été démontrée dans le secteur des supermarchés qui offrent un potentiel important en nombre de réalisations et en économies d’énergie électrique.   La reconnaissance de l'opportunité, Carnot Refrigeration a proposé le projet « Système de réfrigération utilisant un éjecteur » aux fins de financement dans le cadre de l’Initiative écoÉNERGIE Innovation. On a accordé 850 k$ au projet pour intégrer un éjecteur sur un système de réfrigération au CO₂ opérant en régime transcritique et de mesurer le gain énergétique obtenu.

Résultats

La toute première réalisation du projet aura été d’établir un outil de calcul permettant le dimensionnement de l’éjecteur en fonction du débit massique estimé, le débit variant d’un système de réfrigération à l’autre selon de la capacité totale de refroidissement. Ce calculateur a été développé par notre partenaire pour ce projet, l’équipe CanmetÉnergie.

La seconde réalisation aura été d’élaborer une méthode à la fois précise et économique pour la fabrication des éjecteurs. Les exigences suivantes devaient être rencontrées : conception devant résister aux pressions de fonctionnement du CO₂ avec un facteur de sécurité d’au moins 5; précision au dix-millième de pouce nécessaire pour certaines des cavités de l’éjecteur; possibilité de pouvoir ajuster la position de la buse pour optimiser le fonctionnement de l’éjecteur et coût de fabrication commercialement viable.  Pour répondre à toutes ces exigences, le design final utilise un mélange de pièces courantes (brides et tuyauterie haute pression) et de pièces conçues par Carnot Refrigeration. Ces pièces sont usinées en sous-traitance tandis que le soudage et l’assemblage final est fait directement à l’usine de Carnot Refrigeration.

La troisième et principale réalisation aura été de mesurer sur un système en fonction quel était le gain énergétique réel que procure l’éjecteur. L’objectif initial était de faire les essais et de mesurer la performance directement au supermarché pour lequel l’éjecteur avait été conçu. Cette approche on met tous les produits frais du supermarché à risque. Il a été décidé de faire les tests sur un site industriel pour lequel les produits étaient insensibles à des variations ponctuelles de la capacité de réfrigération. Les essais exécutés sur ce site ont permis de reproduire les conditions de design et de mesurer la performance de l’éjecteur. Les résultats obtenus étaient conformes aux résultats calculés préliminairement par les ingénieurs du CanmetEnergie.

Les premiers essais ont été réalisés en 2014 sur un système de réfrigération installé dans un supermarché de Sobey’s Québec. Les essais finaux ont été réalisés en janvier 2016 sur un système de réfrigération d’un entrepôt servant à la congélation de canneberges.

Avantages pour le Canada

Ce projet était une première mondiale dans le cas des systèmes de réfrigération commerciaux.  L'augmentation de l'efficacité des systèmes de réfrigération dans les supermarchés, grâce à une intégration adéquate des éjecteurs, générera des économies d'énergie et réduira les émissions de GES, bénéficiant ainsi à l'industrie et à tout le Canada.

Prochaines étapes

Le principe de dégivrage par éjecteur sera implanté sur certains systèmes commerciaux. Les premières installations permettront de raffiner les séquences de contrôle, de mesurer sur une longue période les performances et de démonter ainsi le gain énergétique pour cette application spécifique.