10 points relatifs à l’ensemble du système de climatisation
3.6 Sélection des fluides frigorigènes appropriés
ment inflammables. Une fuite éventuelle du fluide frigorigène dans l’environne-ment représentait donc un danger (voir aussi Voyage dans le temps à travers la climatisation, page 7).
Cela a obligé à rechercher des fluides fri-gorigènes de sécurité produits artificiel-lement – les fluides frigorigènes dits syn-thétiques, qui ont été utilisés à partir de 1930. La toxicité et l’inflammabilité ont ainsi pu être évitées. Cependant, au fil du temps, d’autres problèmes sont apparus (voir ci-dessous: potentiel d’appauvrisse-ment de la couche d’ozone ODP, Potentiel de Réchauffement Global PRG).
La norme SN-EN 378 définit et règle-mente les exigences de sécurité et d’en-vironnement pour les machines
frigori-3.6 Sélection des fluides frigorigènes appropriés
Pour qu’une substance puisse être utili-sée comme fluide frigorigène, elle doit être bien adaptée au processus de re-froidissement (compression, condensa-tion, détente, évaporation). Les premiers fluides frigorigènes étaient des subs-tances présentes dans la nature – les fluides frigorigènes dits naturels. Ce sont, par exemple, le dioxyde de car-bone, l’eau ou l’ammoniac.
Outre la maîtrise technique, l’étanchéité des installations était un problème. Cer-tains des premiers fluides frigorigènes couramment utilisés au 19e et au début du 20e siècle étaient toxiques ou
haute-Propriétés Souhait
Thermophysique –Enthalpie d’évaporation élevée
–Pression de vapeur aux températures de travail à un niveau techniquement bien contrôlable
–Faible viscosité
Chimique –Résistance chimique et thermique –Bonne compatibilité des matériaux
–Bonne compatibilité avec les huiles de machines Écologique –Pas d’appauvrissement de la couche d’ozone (ODP = 0)
–Faible potentiel de réchauffement de la planète (PRG = 0, TEWI inférieur)
Physiologique –Manipulation non dangereuse Économique –Haute disponibilité
–Faibles coûts Illustration 3.12:
Exigences pour la sélection des fluides frigorigènes.
1500
Chaleur de vaporisation h kJ/kg
R717 (NH3)
R290 (propane) R407C R22
R410A R32 R744 (CO2)
R12 R134a R1234yf
R1234ze R600 (butane) 1000
500
−90 −80 −70 −60 −50 −40 −30 −20 −10 0
Température d’ébullition °C (sublimation)
R454B R452B
R513A Illustration 3.13:
Chaleur de vaporisa-tion et température
d’ébullition des fluides frigorigènes à la pression ambiante p = 1,013 bar).
Noter que les fluides frigorigènes R12 et R22 sont interdits, mais ils sont encore fréquemment utili-sés comme valeurs comparatives. C’est pourquoi ils sont également
réperto-riés ici.
frigorigènes sont répartis en classes se-lon leur toxicité et leur inflammabilité, et des mesures de sécurité correspon-dantes sont prescrites pour la construc-tion des systèmes.
Le choix du fluide frigorigène est égale-ment basé sur des considérations éco-nomiques. Cela ne se limite pas au seul prix du fluide frigorigène et de la ma-chine. L’accent est plutôt mis sur les coûts d’exploitation de la machine frigo-rifique. L’expérience montre qu’environ 80 % des coûts totaux d’une installation résultent de son exploitation (coûts énergétiques et maintenance).
Propriétés thermophysiques
Les propriétés thermophysiques du fluide frigorigène influencent principale-ment la fabrication de la machine. L’Illus-tration 3.14 montre l’enthalpie d’évapora-tion des fluides frigorigènes usuels selon leur température d’ébullition exprimée en pression relative. La température d’éva-poration souhaitée T0 est obtenue en augmentant la pression du système dans la machine frigorifique.
La température de refroidissement d’en-viron 0 °C requise dans le domaine de la climatisation entraine une plage de pres-sion relativement facile à gérer, inférieure à 10 bars, pour les fluides frigorigènes les plus courants. L’utilisation du CO2 comme fiques. En outre, les lois
environnemen-tales locales doivent être respectées lors du choix des fluides frigorigènes.
Pour choisir un fluide frigorigène appro-prié, on évalue ses propriétés thermo-physiques, chimiques, écologiques, phy-siologiques et économiques (Illustr. 3.12).
Le choix d’un fluide frigorigène com-mence par la considération thermophy-sique de l’installation: quelle puissance frigorifique le système doit-il fournir à quelles températures sans que le volume de fluide frigorigène devienne trop im-portant?
Ensuite, on vérifie quelles réglementa-tions écologiques doivent être respec-tées et si cela est possible avec le fluide frigorigène. Pour le constructeur de ma-chines, il est également important de sa-voir quels matériaux et quels joints doivent être choisis. Et quelle huile peut être utilisée pour lubrifier le compresseur si nécessaire (propriétés chimiques).
L’huile et le fluide frigorigène limitent considérablement la plage de fonction-nement du côté haute pression de la ma-chine, car ils ne peuvent être utilisés que jusqu’aux températures spécifiées par le fabricant.
Les propriétés physiologiques du fluide frigorigène se reflètent principalement dans les exigences de sécurité de la ma-chine frigorifique. À cette fin, les fluides
Puissance frigorifique volumique kJ/m3
R717 (NH3)
R290 (propane) R407C R410A
Pression d’ébullition bar 10000
Illustration 3.14:
Puissance frigori-fique volumique maximale des diffé-rents fluides frigori-gènes (valeur théo-rique avec (h“ – h‘) à 0 °C). La puissance frigorifique volu-mique du fluide frigo-rigène change en fonction des condi-tions de fonctionne-ment. Les valeurs courantes dans la pratique pour les ins-tallations de climati-sation figurent dans l’Illustration 3.16.
annexe et va de 1 (pas de propagation de la flamme) à 3 (hautement inflammable).
La classification du fluide frigorigène dé-termine les mesures de sécurité à prendre lors de l’installation des ma-chines frigorifiques. Les mesures sont réglementées dans la norme SN EN 378 et expliquées dans le chapitre sur la pla-nification (voir Illustr. 4.3).
Une nouvelle classe 2L a été définie pour les nouveaux fluides frigorigènes HFO, car les HFO peuvent être inflammables dans certaines circonstances, mais leur vitesse de combustion reste faible. Dans la définition des mesures de sécurité lors de la manipulation du HFO, le planifica-teur d’installations frigorifiques doit s’orienter davantage sur l’ammoniac que sur le R134a, pour lequel le HFO est sou-vent utilisé comme fluide frigorigène de substitution.
Propriétés écologiques
– Appauvrissement de la couche d’ozone (ODP): Les premiers fluides frigorigènes dits sûrs appartenaient au groupe des chlorofluorocarbures CFC. Ils sont non-toxiques et ininflam-mables. Cependant, ils ont un poten-tiel élevé d’appauvrissement de la couche d’ozone dans l’atmosphère.
– Le potentiel d’appauvrissement de la couche d’ozone d’un fluide frigorigène est appelé ODP (Ozone Depletion Po-tential). Plus la valeur ODP est élevée, plus le fluide frigorigène est nuisible à la couche d’ozone. Les fluides frigori-gènes actuels n’ont pratiquement au-cun potentiel d’appauvrissement de la couche d’ozone.
– Potentiel de réchauffement global (PRG): les fluides frigorigènes ont un potentiel d’effet de serre et contri-buent donc au réchauffement de la planète. Le potentiel de réchauffe-ment global correspondant d’un fluide frigorigène est indiqué par la valeur PRG (Global Warming Potential). La valeur PRG du fluide frigorigène est liée au CO2 (PRG = 1), qui est principa-lement responsable du réchauffement climatique en termes de quantité.
fluide frigorigène conduit à des pressions nettement plus élevées (supérieures à environ 30 bars de pression d’évapora-tion p0) et exige donc du fabricant de la machine des connaissances particu-lières et la maitrise des processus de fa-brication correspondants.
L’ammoniac offre environ trois fois plus de chaleur de vaporisation que les autres fluides frigorigènes et permet donc des puissances de refroidissement plus éle-vées pour des débits massiques raison-nables du fluide frigorigène. En même temps, par rapport à d’autres fluides fri-gorigènes, la quantité de fluide peut être considérablement réduite dans les grandes installations. Il convient de noter que la densité du fluide frigorigène est prise en compte dans le calcul de la sance de refroidissement (appelée puis-sance de refroidissement volumique, voir Illustr. 3.14).
Si l’on considère la puissance de refroi-dissement volumique à 0 °C, l’Illustr. 3.14 montre le potentiel de chaleur de vapori-sation de différents fluides frigorigènes en utilisant la chaleur de vaporisation complète. Le fluide frigorigène naturel CO2 se distingue ici, bien qu’il nécessite des pressions d’exploitation plus élevées.
En outre, la récupération de la chaleur est recommandée pour les installations à CO2.
Propriétés physiologiques
La classification physiologique des fluides frigorigènes est basée sur leur in-flammabilité et leur toxicité. Les normes applicables réglementent la manipula-tion selon les classes de l’Illustramanipula-tion 3.15.
En général, les fluides frigorigènes moins toxiques sont affectés à la classe A, et les plus toxiques à la classe B. L’inflam-mabilité est indiquée par un chiffre en Illustration 3.15:
Les différentes classes de fluides frigorigènes en
fonc-tion de leur toxicité et de leur
inflamma-bilité.
inflammable toxique
moins plus
fort A3 B3
faible A2 B2
à peine A2L B2L
non (pas de propagation de flammes) A1 B1
D’un point de vue environnemental, la valeur du PRG d’un fluide frigorigène est au premier plan. Plus le PRG est élevé, plus la contribution du fluide frigorigène au réchauffement global est importante lorsqu’il est libéré. Il convient de noter: le fluide frigorigène naturel CO2 n’est pas produit artificiellement, mais est déjà présent dans l’environnement. Il peut donc être évalué de manière neutre quant à son impact sur l’atmosphère.