Vue d’ensemble
Le choix d’un fluide frigorigène alternatif nécessite d’évaluer la sécurité, la puissance frigorifique, l’efficacité énergétique, la compatibilité des composants et le climat local. Un faible potentiel de réchauffement planétaire (PRP) ne suffit pas à garantir son adéquation. La prévention des fuites reste importante pour tous les fluides frigorigènes.
Choix des alternatives
- CO₂, R-744 : Non inflammable et de faible toxicité, mais présente des risques d’asphyxie, de haute pression et de brûlures par le froid.
- Ammoniac, R-717 : Offre une bonne efficacité, mais sa toxicité, son inflammabilité et ses températures de refoulement élevées influencent la conception du système.
- Climat : Le R-744 a une température critique d’environ 31 °C. Les systèmes refroidis par air passent généralement en fonctionnement transcritique lorsque la température ambiante dépasse environ 21–25 °C. Les régions plus chaudes nécessitent donc des conceptions qui compensent un nombre accru d’heures de fonctionnement transcritique potentiellement moins efficace.
- Circuits secondaires : Le R-744 mis en circulation par une pompe s’évapore partiellement en absorbant de la chaleur latente. Il peut nécessiter moins de puissance de pompage que le glycol, mais exige tout de même un refroidisseur. Son principal inconvénient est la pression : environ 30 bar de pression manométrique à −3 °C.
Les fluides frigorigènes dans le cycle
La puissance frigorifique détermine le refroidissement fourni. L’efficacité compare l’énergie utile produite à l’énergie consommée. La puissance frigorifique volumétrique élevée du R-744 permet de réduire la cylindrée du compresseur ; elle ne signifie pas que l’efficacité augmente dans les mêmes proportions.
Pour une puissance théorique de 10 kW à une température d’évaporation de −10 °C et une température de condensation de 35 °C, le R-744 étant quant à lui évalué avec une température de sortie du refroidisseur de gaz de 35 °C :
- Température de refoulement : Le R-717 atteint environ 152 °C, contre 114 °C pour le R-744, 99,5 °C pour le R-32 et 57 °C pour le R-404A. Les températures de refoulement élevées expliquent en partie le recours à la compression à deux étages dans les systèmes au CO₂ transcritiques à basse température.
- Cylindrée : Le R-1234ze nécessite environ 35,1 m³/h contre 14,8 m³/h pour le R-404A, soit environ 2,4 fois plus. Le R-744 nécessite généralement une cylindrée d’environ un cinquième de celle requise pour le R-404A.
- Comparaison des COP : Le calcul simple donne environ 1,75 pour le R-744 contre 2,94 pour le R-404A. Le R-744 se trouve ici au-dessus de sa température critique. Les systèmes réels optimisent la pression du côté haute pression pour améliorer les performances.
En fonctionnement transcritique, le refroidisseur de gaz évacue la chaleur sans condensation. Conserver des échangeurs de chaleur de dimensions comparables à ceux d’un système aux HFC peut réduire les écarts de température et améliorer la puissance frigorifique et l’efficacité du R-744.
Composants et pressions
PS signifie pression maximale admissible. Sélectionnez les tuyauteries et les composants en fonction de la PS de chaque partie du circuit, y compris dans les conditions à l’arrêt.
- Raccordements : Privilégiez les raccordements par brasage fort ou soudage ; évitez les raccords mécaniques lorsque cela est possible. Des tuyauteries à paroi plus épaisse ou en acier peuvent être nécessaires.
- Protection contre la surpression : Les recommandations de conception fixent le seuil du pressostat haute pression à 90 % de la PS au maximum, afin de permettre l’arrêt avant l’ouverture de la soupape de sécurité.
- Soupapes de sécurité : Des décharges répétées peuvent affaiblir les ressorts et réduire la pression d’ouverture. Une mauvaise refermeture peut entraîner une fuite continue.
- Échangeurs de chaleur en cascade : Des écarts de température importants peuvent provoquer des chocs thermiques et des fuites. La désurchauffe des gaz de refoulement en amont réduit ce risque.
Reconversion
Confirmez l’adéquation auprès du fabricant de l’équipement.
- Performances : Une légère réduction de la puissance frigorifique peut être acceptable dans un système surdimensionné ; une baisse de l’efficacité énergétique ne doit pas être acceptée.
- Compatibilité : Vérifiez le lubrifiant, les composants, la température de refoulement et les caractéristiques électriques nominales.
- Glissement de température : Les mélanges à fort glissement nécessitent de vérifier et de régler les détendeurs ; les évaporateurs noyés peuvent être inadaptés.
- Pressions plus élevées : Réévaluez les marges par rapport à la PS, les réglages et la capacité de décharge des soupapes de sécurité, les dispositifs de commande haute pression et la conformité à la directive relative aux équipements sous pression.
- Fluides frigorigènes A2L : Les équipements existants peuvent être inadaptés aux fluides frigorigènes inflammables. Réévaluez les sources d’inflammation, les limites de charge et l’adéquation des équipements.
Conception limitant les fuites
Réduisez au minimum le nombre de raccords, de composants et de points d’accès, ainsi que la longueur des tuyauteries. Rapprochez les composants et maîtrisez les pressions en fonctionnement et à l’arrêt.
Lorsqu’un accès pour l’entretien est indispensable, les recommandations privilégient une vanne à boisseau sphérique avec un raccord évasé, munie d’un bouchon lorsqu’elle n’est pas utilisée, plutôt qu’une valve Schrader.
La détection de sécurité réagit aux concentrations dangereuses. La norme EN 378-3 exige que les détecteurs déclenchent au minimum une alarme là où la concentration peut dépasser la limite pratique. Les alarmes fixes de détection des fluides frigorigènes inflammables doivent se déclencher au plus tard à 25 % de la limite inférieure d’inflammabilité (LII/LFL) ; pour l’ammoniac, il faut également tenir compte de la toxicité. Vérifiez périodiquement le fonctionnement des détecteurs.
Fuites et efficacité
Les fuites réduisent la puissance frigorifique et la fiabilité et peuvent augmenter la consommation d’électricité par unité de froid produite. Même les fluides frigorigènes à faible PRP ont donc un impact climatique indirect lié à la production d’électricité.
COP frigorifique = puissance frigorifique ÷ puissance absorbée. Un système à pleine charge fournissant 12,9 kW pour une puissance absorbée de 8,2 kW présente un COP ≈ 1,57. Après une fuite, une puissance frigorifique de 9,9 kW pour une puissance absorbée de 8,0 kW donne un COP ≈ 1,24.
Conseil pour l’examen : Une puissance électrique absorbée légèrement inférieure ne prouve pas une amélioration de l’efficacité. Comparez la puissance utile à la puissance absorbée.
L’EER compare de même la puissance frigorifique à la puissance électrique absorbée totale dans des conditions d’essai spécifiées.
