La réfrigération

Les technologies en
développement

Daniel Giguère, ASHRAE, Ste-Foy, 2 février 2009

Thèmes

ƒ Contexte
ƒ Les principes
fondamentaux
ƒ Les fluides
secondaires
ƒ Le réfrigérant
dioxyde de carbone
ƒ Les éjecteurs

1
 Contexte
Depuis vingt ans, le milieu
de la réfrigération a été
fortement ébranlé par les
conséquences
environnementales des
réfrigérants de synthèse.

L'échéancier de l'élimination
progressive des HCFC
Production HCFC
100.0% Pas de nouveaux équipements au R22
100%
2,000,000 kg En 2010, la demande de
80% 65.0% HCFC aux USA dépassera la
60% disponibilité de 12,5 millions
de kilogrammes pour le
40% 35.0%
secteur de la réfrigération
20% 10.0% (U.S. Environmental Protection Agency)
0.5% 0.0%
0%
1989 2004 2010 2015 2020 2030

2
 Les fuites de frigorigènes extrapolées selon
l’approche ascendante suggèrent un taux
d’émissions annuelles mondiales de 30 % de la
charge stockée
ƒ PRÉSERVATION DE LA COUCHE D’OZONE ETDU SYSTÈME CLIMATIQUEPLANÉTAIRE
ƒ Questions relatives aux hydrofluorocarbures et aux hydrocarbures perfluorés
ƒ IPCC/TEAP, 2005 http://www.ipcc.ch/ipccreports/special-reports.htm

PRG (GWP) des réfrigérants HFC

R404a = R 125/143a/134a
R410a = R 32/125
R507a = R 125/143a

3
 Les principes fondamentaux
Le cycle de réfrigération

Le cycle de réfrigération
Pression

Enthalpie

4
 La définition du COP
Qf + W = 4 kW
Pression

W= 1 kW

COP = Qf = 3
Qf = 3 kW W
Enthalpie

Les fluides secondaires

Les systèmes de réfrigération
indirectes

10

5
Le fluide secondaire

HFC

-25oF
-20oF

-20oF

11

Le fluide secondaire
Fluide secondaire

Réfrigérant confiné à
la salle mécanique

Salle mécanique

-20 oF Fluide secondaire

12

6
 Les avantages des systèmes
indirectes
1. Beaucoup moins de réfrigérant de synthèse
2. Les systèmes fonctionnent mieux
3. Les systèmes sont beaucoup moins complexes
4. Les coûts de maintenances sont réduits
5. Augmentation de la qualité et de la longévité des
produits alimentaires (supermarchés)

13

Réduction significative de réfrigérant

ƒ 75 % à 90 % moins de réfrigérant de synthèse

ƒ À environ 10/lb $, ça peut correspondre à plus de 25 000 $
pour un supermarché moyen
ƒ Réduction dramatique des potentiels de fuites de
réfrigérants

14

7
Meilleur fonctionnement

ƒ Moins de surchauffe au compresseur, donc plus

d’efficacité
ƒ La possibilité d’installer le sous-refroidissement est
meilleure, encore une meilleure efficacité
ƒ Pression de condensation plus stable
ƒ La controllabilité est meilleure
ƒ Pas de problèmes de retour d’huile

15

Moins complexes

ƒ Un seul évaporateur avec 2 valves de

détentes situé dans la salle mécanique plutôt
que 50 évaporateurs avec autant de valves
de détentes situé à plusieurs dizaines de
mètres de la salle mécanique
ƒ Pas de régulateurs de pression à ajuster et à
controller. Les valves de balancement du
fluide secondaire sont ajustées au démarrage
ƒ Tuyauterie basse pression ( souvent pré-isolé
en matière synthétique)

16

8
Moins coûteux à entretenir

ƒ Les fuites de réfrigérants sont confinées

à la salle mécanique donc plus faciles à
détecter et moins coûteuses
ƒ Les coûts globaux de maintenance
peuvent être réduit de près de 50 % par
rapport à un système à détente directe
(DX) conventionnel (FMI Energy)

17

Qualité des produits

ƒ Moins de perte de produits

ƒ La température des produits plus
stable (1F plutôt que 2,5F pour DX)
ƒ Les cycles de dégivrages plus
courts

18

9
Les désavantages des
systèmes indirectes

ƒ Changement

ƒ On s’attend à des pertes d’efficacité

ƒ Coût

19

Le changement

ƒ Ce n’est pas la pratique courante

ƒ Il faut apprendre et appliquer de nouveaux critères de
conception et de contrôle
ƒ Il faut planifier longtemps d’avance pour réaliser ces
changements (qui fait quoi?)
ƒ Les soumissions des entrepreneurs ne reflètent pas
les bénéfices anticipés
ƒ C’est un travail qui s’ajoute aux nombreuses tâches et
responsabilités pour tous les intervenants du projet de
construction

20

10
On s’attend à des pertes d’efficacité
ƒ Les températures d’évaporation et de condensation
des systèmes à fluide secondaire sont équivalentes
sinon meilleures que les systèmes à détente directe
(DX)
ƒ La surchauffe à l’aspiration des compresseurs est
réduite à son minimum
ƒ Le sous-refroidissement est très facile à intégrer et
augmente l’efficacité du système de réfrigération de
10 % à 25 %
ƒ L’inertie thermique du fluide secondaire contribue à
stabiliser le fonctionnement du système
ƒ La récupération de chaleur est plus performante et
permet de satisfaire les charges de chauffage du
bâtiment

21

Coût

ƒ On compte plusieurs centaines d’installations

en Amérique du Nord
ƒ Les critères de conception et le choix des
matériaux sont de plus en plus maîtrisés
ƒ Le coût est encore plus élevé qu’un système
DX, mais la différence diminue avec le temps
et deviendra bientôt un standard dans
l’industrie de la réfrigération
ƒ Le coût d’opération est égal ou inférieur aux
systèmes DX

22

11
DX vs fluide secondaire

23

Types de fluides secondaires

ƒ Sans changement de phase

ƒ Éthylène glycol ( rejet de chaleur au condenseur)
ƒ Propylène glycol ( 10 à 32 °F)
ƒ Formate de Potassium (-30 °F à 0 °F)
ƒ Autres antigels
ƒ Avec changement de phase
ƒ Dioxyde de carbone (CO2) (-50 °F à 20 °F)
ƒ Coulis (eau,méthanol, glycol…) (0 °F à 32 °F)

24

12
CO2 le fluide secondaire parfait
Le CO2 liquide refroidit un fluide en
s’évaporant dans un échangeur de
chaleur. Une simple pompe à liquide est
utilisée pour circuler le CO2.
ƒ Pas de corrosion
ƒ Puissance de pompage négligeable
ƒ Pas de problème de gestion d’huile
ƒ Diamètre de tuyauterie minimale
ƒ Caratéristiques de transfert de chaleur
exceptionnelles

25

CO2 montage expérimental

-30 °C, CO2 Chambre de test

Serpentin à air

26

13
 Les coulis, le fluide secondaire qui
stocke de l’énergie
ƒCoulis?
ƒ Fins crystaux de glace (<0.1mm)
dans un mélange antigel-eau
30% de solide environ

Avantages:
ƒ Énergie de pompage réduite
ƒ Dimension de la tuyauterie
réduite
ƒ Stockage de froid pour gérer
ƒ Banc d’essai en
l’appel de puissance construction
ƒ Stockage de chaleur pour gérer ƒ Défi : un générateur de
les rejets thermiques (Net-Zero
buildings, houses and coulis simple et efficace
communities)

27

Conclusions

L’expérience démontre qu’un système à fluide

secondaire :
• Diminue les effets sur l’environnement
• Diminue la consommation d’énergie
• Augmente le potentiel de récupération de chaleur
• Augmente la qualité des produits
• Simplifie l’implantation
• Réduit les coûts d’entretien
• Diminue le coût sur le cycle de vie

28

14
 Le CO2
le réfrigérant incontournable
http://www.r744.com/articles/2009-01-29-ashrae-
winter-conference-r744-seminar.php

29

Le dioxyde de carbone

ƒ Il est présent dans l'atmosphère dans

une proportion, soit 375 ppmv (parties
par million en volume)
ƒ La concentration augmente rapidement,
d'environ 2 ppmv/an
ƒ Le R744 fait partie des réfrigérants
naturels comme l’eau, l’air, l’ammoniac
et les hydrocarbures

30

15
 Histoire du CO2
Cycle Transcritique CO2

ur C O2
resse
Comp 0
90
vers 1

Âge d’or du CO2

J&E Hall premier Invention Réinvention du CO2 en

système de des CFC réfrigération
Considération du CO2 réfrigération deux 1928
(G. Lorentzen)Norvège
comme réfrigérant stages CO2
(Alexander Twining Protocole
,British patent) de Montréal
1er jan. 1989

1850 1920 ----------1930 1960 1993

Premier système de réfrigération

au CO2 Carle Linde Danfoss ,Niels P Vestergaard Niels P Vestergaard Ver 2004-04-SI+US

31

88 °F

1070

400

145

32

16
 Propriétés
Réfrigerant R404A NH3 CO2
Réfrigérant naturel NON OUI OUI
Potentiel d’appauvrissement de la couche 0 0 0
d’ozone (PDO)
Potentiel de réchauffement de la planète 3260 - 1
(PRG)
Condition Critique [psi]/ [oF] 541/162 1640/270 1067/88
Température d’ébullition 15psig [oF] -51 -28 -69
Température d’ébullition 400 psig [oF] 137 144 16
BTU / PIED CUBE à -40 [oF] 36 24 226
ΔTsaturée / ΔP = 1 psi à -40 [oF] 2.1 3.4 0.3
Inflammabilité NON (peu) NON
Toxicité NON élevée NON

33

Cascade 717- CO2

+86 oF
R717
Pressure

R717
+86 oF (171 psi)

-4 oF
+5 oF -4 oF (28 psi)

Enthalpie

-40 oF

CO2
Pressure

-40 oF (135 psi)

+5 oF (333 psi)
CO2

Enthalpie
- 40 oF

Danfoss ,Niels P Vestergaard Niels P Vestergaard Ver 2004-04-SI+US

34

17
Cascades HFC- CO2

HFC
HFC

-4oF
10 oF
+5oF
20 oF

20oF
-40oF

CO2
CO2
-20oF
-40oF

35

Le fluide secondaire CO2

HFC

-25oF
-20oF

PAS D’HUILE

-20oF

36

18
 Le cycle transcritique
La PAC à eau chaude Eco-Cute produit de l’eau
chaude à 180 °F avec un COP de 4 à 8!
Pression

Enthalpie

37

Pourquoi le CO2 ?

Les arguments porteurs Commercial Industriel

Environnement
Élimination progressive des substances qui
affectent l’environnement, HCFC, HFC :
(ODP (Ozone Depletion Potential), GWP (Global Warming Potential) )
(
Sécurité
Toxicité et inflammabilité pour les systèmes utilisant des
quantités importantes d’ammoniac (
Coûts

( (
• Réduction des coûts d’opération
• Systèmes plus efficaces
• Réduction du coût du réfrigérant.
• Réduction du volume des composants

38

19
 Conclusions
ƒ Depuis 10 ans les produits disponibles pour les
applications utilisant le CO2 sont de plus en plus
nombreux. Les applications couvrent tous les secteurs
ƒ La réfrigération basse température et les pompes à
chaleur sont particulièrement intéressants.
ƒ Les pressions d’opération peuvent être élevées mais les
équipements sont plus compacts et souvent plus
efficaces.
ƒ C’est un réfrigérant naturel, sécuritaire et peu coûteux
ƒ Tous les manufacturiers d’équipements de réfrigération à
travers le monde s’intéressent au CO2 en tant que
réfrigérant.

39

Les éjecteurs

40

20
 L’éjecteur convertit l’énergie cinétique
Éjecteur? en pression et en quantité de mouvement,
C’est un thermocompresseur.
Tuyère primaire Tuyère secondaire

Fluide moteur Zône de mélange

ou primaire
Diffuseur
Pas de pièce mobile
Fluide entrainé
ou secondaire
41

Pourquoi les éjecteurs?

ƒ Simples
ƒ Pas de pièces mobiles
ƒ Pas d’huile
ƒ Grande variété de matériaux pour le
construire
ƒ Tous les gaz et les réfrigérants peuvent
être utilisés

42

21
Les faiblesses

ƒ Opération peu flexible

ƒ Efficacité apparente faible
ƒ Peu connu, surtout appliqué pour la
recompression de vapeur
ƒ Conception complexe (écoulement
supersonique)

43

Les applications

ƒ Utiliser de effluents comme source

d’énergie pour faire du froid
ƒ Ou pour revaloriser de la chaleur
par l’effet pompe à chaleur
ƒ Trigénération

44

22
 Le cycle combiné tritherme
Qgen gratuit!
Générateur
w
Condenseur C T

Évaporateur
Qevap

45

Le rendement d’un cycle à éjecteur

Qgen
Qgen gratuit! Générateur
w
Condenseur C T
Pression

Évaporateur

w Qevap
C T
ηeject = Qevap ≈ 0.5
wc wt
Qgen
Qevap

Enthalpie
46

23
Les applications

Intégrer au cycle de réfrigération

pour récupérer l’énergie de détente
et augmenter le COP

47

Éjecteur détendeur
Pression

20 oF

0 oF Enthalpie
COP 26 % plus élevé

48

24
Les applications

ƒ Intégrer au cycle de réfrigération

pour récupérer l’énergie de
condensation pour augmenter la
température de rejet thermique et
le rendre ainsi utile pour la
récupération de chaleur ou
augmenter le COP du système de
réfrigération

49

Éjecteur condenseur

COP 20% plus élevé

0 oF

50

25
Merci

51

26