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RÉSUMÉ
Un fluide frigoporteur assure le transport de la puissance frigorifique de l'évaporateur d'un groupe de production de froid au dispositif utilisateur en respectant des contraintes, de sécurité et de respect de l'environnement, et économiques. Les principaux fluides frigoporteurs sont les gaz, avec un médiocre pouvoir calovecteur et caloporteur mais valorisables pour des usages notamment alimentaires. Pour le froid industriel ou commercial, de -40°C à l'ambiante, les solutions aqueuses et les fluides organiques sous forme d'huile minérale ou synthétique sont privilégiés. Les fluides diphasiques se développent, compte tenu des performances énergétiques élevées et de la réduction importante des débits véhiculés.
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Christophe MARVILLET : Ingénieur de l’École centrale de Lyon - Chef de laboratoire au CEA/GRETh (Groupement pour la recherche sur les échangeurs thermiques) - Enseignant à l’IFFI (Institut français du froid industriel) – CNAM Paris - Détaché à l’ANVAR/PACA (Marseille)
INTRODUCTION
L’intérêt porté aux fluides frigoporteurs et à la recherche de fluides à haute performance pour les applications à basse température est récent. Traditionnellement, les ingénieurs frigoristes faisaient appel à quatre catégories de fluides frigoporteurs pour les usages courants :
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les gaz, et tout particulièrement l’air pour un très grand nombre d’applications (tunnel de surgélation...) et l’azote gazeux lorsque les niveaux de température (notamment pour des températures inférieures à la température du point triple du CO2) l’imposaient ;
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les saumures qui sont des solutions aqueuses à base de sels inorganiques tels que le chlorure de calcium, le carbonate de potassium ou, plus rarement, le chlorure de sodium pour certains usages alimentaires ;
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les mélanges d’eau et d’antigel à base d’alcools tels que le monoéthylèneglycol et le propylèneglycol, voire, plus rarement, des mélanges d’eau et ammoniaque (eau ammoniacale) ;
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enfin, pour des applications à basse température, les hydrocarbures halogénés de type R11 [trichlorofluorométhane (CCl3F), chlorure de méthylène (CH2Cl2) et trichloroéthylène (CCl2CHCl)].
Des réglementations, susceptibles de se durcir au cours du XXIe siècle, ont visé à la réduction des émissions de gaz à effet de serre dans l’atmosphère, dont les fluides frigorigènes les plus courants (les HFC, par exemple), et favorisent l’émergence des systèmes à froid indirect. Des interdictions plus anciennes ont touché la production des CFC de type R11 et des réglementations draconiennes concernent l’usage de certains fluides halogénés (trichloro-éthylène).
Ces évolutions réglementaires récentes ont poussé les ingénieurs frigoristes à s’intéresser à de « nouveaux fluides » présentant des performances énergétiques satisfaisantes à basse température (− 40 ˚C, par exemple) tout en offrant des qualités environnementales, de toxicité et d’inflammabilité acceptables. Sont apparus sur le marché de nouveaux fluides qui s’ajoutent aux précédents :
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des solutions aqueuses avec des sels tels que l’acétate de potassium, le formate de potassium, voire des mélanges d’acétate et de formate de potassium ;
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des mélanges d’eau et d’alcool de type éthanol, méthanol, glycérol, ou des mélanges à base éthanol/glycérol ;
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des fluides organiques divers comparables à ceux décrits comme fluides caloporteurs (cf. article ) : huiles aromatiques, huiles silicones, hydrofluoroéther, terpène à base d’agrume...
Plus spécifiquement, la recherche de performances énergétiques élevées amène à l’émergence de fluides frigoporteurs « diphasiques » de deux types distincts :
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les frigoporteurs diphasiques « liquide-vapeur » : le dioxyde de carbone est le fluide dont l’usage se développe depuis peu d’années ;
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les frigoporteurs diphasiques « liquide-solide » constitués d’un médium liquide à base de mélange aqueux et de cristaux de glace en suspension dans ce médium. Une large diversité de produits existe tant par la nature du composé en solution dans l’eau (alcool, sel) que par le dispositif technique de production des cristaux.
Cet article est le dernier volet de l’étude concernant les fluides caloporteurs et frigoporteurs.
Pour les définitions générales, les critères de choix ainsi que pour consulter le tableau des notations et symboles, le lecteur se reportera à l’article .
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MOTS-CLÉS
propriétés des fluides efficacité énergétique de réseaux de distribution froid industriel génie climatique Echangeurs thermiques Réseaux de chaleur réseaux de froid
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- Version courante de oct. 2015 par Christophe MARVILLET
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Performances énergétiques des fluides frigoporteurs : comparaison et choix5. Fluides frigoporteurs diphasiques
5.1 Fluide frigoporteur diphasique liquide-vapeur : dioxyde de carbone
Le dioxyde de carbone est utilisé, dans un nombre limité de dispositifs, comme fluide frigoporteur avec changement de phase liquide-vapeur. Le produit ou le fluide à refroidir cède de l’énergie thermique et permet ainsi la vaporisation du CO2 liquide. La phase vapeur est envoyée sur l’échangeur de refroidissement (généralement l’évaporateur du groupe froid) puis condensée : le condensat formé est mis en circulation grâce une pompe et envoyé de nouveau vers l’échangeur en contact avec le produit ou le fluide à refroidir.
L’intérêt d’un tel dispositif réside dans le très fort pouvoir caloporteur du fluide du fait de l’utilisation de la chaleur latente de condensation : ainsi, la puissance thermique transportée par unité de volume (de la phase liquide) de CO2 est 16 fois plus élevée que celle transportée, avec un écart de température de 5 ˚C, par le frigoporteur monophasique le plus performant, c’est-à-dire l’eau/ammoniac. Cela se traduit par des gains substantiels en termes de tuyauteries et de dimensions de la pompe. Par ailleurs, la médiocre conductivité thermique de la phase liquide du CO2 (cf. tableau 6) est compensée par l’accroissement du transfert de chaleur que permet l’écoulement diphasique liquide-vapeur dans les échangeurs du circuit frigoporteur.
Le coefficient de performance énergétique ne peut pas être évalué par l’expression donnée dans l’article , compte tenu de la nature diphasique du fluide. Son évaluation doit faire appel aux lois de transferts thermiques et de perte de pression diphasique [15] [16] [25]. Le tableau 7 donne les valeurs du coefficient de performance énergétique du CO2 diphasique par rapport à celui de la solution eau/ammoniac (dont la vitesse de circulation est prise égale à 1 m/s dans les tubes de l’échangeur) retenue comme fluide de référence. Ce tableau montre que, pour les différentes vitesses de circulation du CO2, il existe un avantage certain de ce fluide qui permet une réduction très forte de la puissance de pompage.
Les difficultés qu’implique l’utilisation du CO2 diphasique résident...
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