Cours en ligne et simulateur de thermodynamique appliquée

Ejecteurs

Présentation

Un éjecteur (figure ci-dessous) reçoit en entrée deux fluides généralement gazeux, mais qui peuvent aussi être liquides ou diphasiques :

  • le fluide à haute pression, appelé fluide moteur ou primaire ;

  • le fluide à basse pression, appelé fluide secondaire ou entraîné.

Schéma d'un éjecteur (réf. CanmetÉNERGIE, juillet 2009)

Le fluide moteur est accéléré dans un convergent-divergent (a sur la figure), créant une baisse de pression dans la zone de mélange (b sur la figure), ce qui a pour effet d'aspirer le fluide secondaire. Les deux fluides sont alors mélangés et une onde de choc peut prendre place dans la fin de cette zone. Il en résulte une augmentation de la pression du mélange et une baisse de sa vitesse, qui devient subsonique. Le diffuseur (c sur la figure) permet de convertir la vitesse résiduelle en augmentation de pression.

L'éjecteur réalise ainsi une compression du fluide secondaire au prix d'une baisse d'enthalpie du fluide primaire. C'est la raison pour laquelle on appelle souvent thermocompresseur un éjecteur, et on parle de thermocompression.

Modélisation thermodynamique

Les trois paramètres les plus importants pour caractériser le fonctionnement global d'un éjecteur sont :

  • le rapport d'entraînement w, rapport du débit-masse secondaire au débit-masse primaire ;

  • le rapport de compression, égal au rapport de la pression statique en sortie de diffuseur à la pression statique du fluide secondaire ;

  • un rapport de sections (minimale sur maximale, ou du flux moteur au flux entraîné...) de l'éjecteur, qui détermine sa géométrie.

La modélisation des éjecteurs repose le plus souvent sur l'hypothèse que les fluides primaire et secondaire peuvent être assimilés à des gaz idéaux dans la chambre de mélange, ce qui est à peu près justifié compte tenu de la basse pression qui y règne. Toutefois, il existe aussi des cas où l'un de ces fluides est liquide ou diphasique, de telle sorte que le mélange peut être diphasique, et plusieurs hypothèses peuvent être retenues : soit mener les calculs avec les propriétés du fluide réel tout en utilisant l'hypothèse d'un écoulement monophasique, soit négliger la phase liquide dans le calcul des vitesses, soit considérer un fluide équivalent.

Le calcul de l'éjecteur (modèle dit unidimensionnel) repose sur les hypothèses suivantes :

  • la détente des fluides primaire et secondaire dans la tuyère d'entrée est supposée adiabatique, avec prise en compte des irréversibilités grâce à un rendement isentropique ;

  • la pression reste constante dans la chambre de mélange ;

  • lorsque le flux mélangé est supersonique, un choc normal peut prendre place dans la chambre de mélange, ce qui ralentit le fluide et crée une surpression importante ;

  • la compression dans le diffuseur est supposée adiabatique, avec prise en compte des irréversibilités grâce à un rendement isentropique ;

  • les propriétés du fluide sont homogènes dans toute section.

Le modèle que nous avons retenu est celui proposé par Li et Groll, qui présente l'avantage d'être formulé d'une manière indépendante des propriétés du fluide, et nous l'avons légèrement reformulé, et complété pour tenir compte d'un choc éventuel, ces deux auteurs se limitant implicitement au cas où le flux mélangé est subsonique.

Ce modèle est disponible et documenté dans la modélothèque de Thermoptim, sous deux versions, l'une valable pour les gaz idéaux, et l'autre pour les vapeurs condensables.

Applications

Les éjecteurs sont des dispositifs statiques qui permettent de réaliser la compression d'un fluide sans recourir à la compression mécanique. Ils peuvent donc se substituer à des compresseurs dans de nombreuses applications, comme la compression mécanique de vapeur, les cycles de réfrigération ou de pompe à chaleur, l' extraction des incondensables au condenseur d'un cycle à vapeur.

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