Comparer les performances des fluides frigorigènes

Sommaire

Principes

Les différents fluides frigorigènes ne sont pas égaux devant le froid. Certains ont une meilleure efficacité frigorifique que d’autres; c’est pourquoi il est important d’évaluer leurs différences.

Coefficient de performance instantané COP

Cycle frigorifique classique.

L’effet frigorifique ou COP est défini par la relation suivante :

COP = Puissance frigorifique / Puissance électrique absorbée

Où :

Puissance frigorifique : puissance utile à l’évaporateur [kW_f];
Puissance électrique absorbée : puissance électrique par le compresseur [kW_e].

Production frigorifique spécifique

Le type de fluide frigorigène influence le COP. La recherche d’un fluide frigorigène à forte production frigorifique par volume de gaz aspiré au niveau du compresseur est primordiale. Un fluide frigorigène est d’autant plus performant que sa chaleur latente d’ébullition (ou d’évaporation) à l’évaporateur et un faible volume spécifique des vapeurs à l’aspiration.

La production par m³ de fluide aspiré sous forme de gaz au compresseur est donnée par la relation suivante :

Production frigorifique spécifique = Chaleur latente d’ébullition / Volume spécifique des vapeurs à l’aspiration

[kJ/m³]

Où :

La chaleur latente d’ébullition est exprimée en kJ/kg ;
Et le volume spécifique des vapeurs en m³/kg.

Cette production frigorique par m³ de gaz aspiré est donc inversement proportionnelle à la cylindrée des compresseurs et donc de leurs coûts. Il en résulte que les quantités de fluides frigorigènes, pour une même puissance frigorifique, peuvent être plus importantes d’un type à l’autre de fluide.

Comparaison

L’exercice consiste à comparer plusieurs fluides frigorigènes entre eux afin de déterminer leur production frigorifique spécifique et leur COP.

Pour ce faire, on se propose d’étudier, à travers d’un exemple et succinctement, les fluides suivants :

Le R22 ou fluide pur HCFC encore présent dans beaucoup d’installations existantes à faible ODP (ODP = 0,055) mais à GWP important (GWP = 1700) ;

Le R404A ou mélange de HCFC majoritairement utilisé dans les nouvelles installations de froid commercial sans impact sur la couche d’ozone (ODP = 0) mais à GWP important (GWP = 3260) ;

Le R507 ou autre mélange de HFC utilisé régulièrement dans les nouvelles installations.

Hypothèses :

Puissance frigorifique utile nécessaire : P_frigorifique = 100 kW;
Température de condensation = 40°C;
Température d’évaporation ou d’ébullition -10°C;
Sous-refroidissement = 5°C;
Surchauffe = 5°C;
rendement du compresseur η_comp = 0,85;
rendement du moteur électrique η_{moteur_élec} = 0,85;
pas de pertes de charge ni d’échange thermique au niveau des conduites;

Cycle théorique :

R22

En fonction des hypothèses prises, on peut établir le graphique suivant qui permet de déterminer les valeurs :

d’enthalpie au niveau de l’évaporateur : soit Δh_évaporateur = 405 – 244 = 161 kJ/kg;

énergie théorique de compression : soit Δh_compression = 443 – 405 = 38 kJ/kg;

de volume massique à l’aspiration : soit V_{massique_aspiration} = 0,067 m³/kg.

Calculs :

Pour une puissance frigorifique demandée de 100 kW, le débit massique de R22 est de :

débit_massique = P_fr / h_évaporateur [kg/s]

débit_massique = 100 [kJ/kg] / 161 [kW] = 0,62 kg/s ou 2 236 kg/h

Le volume réel à aspirer par le compresseur est de :

Volume_réel = débit_massique * volume_{massique_aspiration}

Volume_réel = 0,62 [kg/s] / 0,067 [m³/kg] = 0,04 m³/s

soit en une heure un volume aspiré au niveau du compresseur de 0,04 x 3 600 = 150 m³/h

Le rendement volumétrique du compresseur est de :

η_Volume = 1 – (0,05 x τ)

Où :

τ = HP / BP (en pression absolue)

η_Volume = 1 – (0,05 x HP / BP)

η_Volume = 1 – (0,05 x 15,3 / 3,55) = 0,78

Le débit théorique nécessaire est de :

Débit_compresseur = Volume_réel / η_Volume

Débit_compresseur = 150 / 0,78

Débit_compresseur = 190 m³/h

La puissance électrique du moteur du compresseur est de :

P_{electr_absorbée} = débit_massique x Δh_compression x (1 / ( η_comp x η_{moteur_elec} x η_Volume))

P_{electr_absorbée} = 0,62 x 38 x (1 / (0,85 x 0,85 x 0,785))

P_{electr_absorbée} = 41 kW

Enfin, la performance énergétique (ou effet frigorifique) de la machine est de :

COP = P_frigorifique / P_{electr_absorbée}

COP = 100 / 41 = 2,4

R404A

Comme pour le R22, avec les mêmes hypothèses, on effectue les calculs amenant à déterminer le COP de l’installation. Le tout est consigné dans le tableau de synthèse ci-dessous.

R507

Comme pour le R22, avec les mêmes hypothèses, on effectue les calculs amenant à déterminer le COP de l’installation. Le tout est consigné dans le tableau de synthèse ci-dessous.

Synthèse

Pour les 3 fluides étudiés ci-dessus, on établit un tableau synthétique qui nous permet une comparaison des principales caractéristiques et performances des fluides réfrigérants :

Caractéristiques et performances des fluides frigorigènes	R22	R404A	R507
Haute pression [bar]	15	18,2	18,8
Basse pression [bar]	3,6	4,3	4,5
Taux de compression (τ = HP / BP)	4,3	4,2	4,2
Rendement volumétrique η_Volume	0,78	0,79	0,79
Température de fin de compression [°C]	70	50	53
Volume spécifique à l’aspiration du compresseur [m³/kg]	0,067	0,048	0,046
Débit massique du fluide réfrigérant [kg/s]	0,62	0,85	0,88
Volume réellement aspiré [m³/s]	0,04	0,04	0,04
Volume théorique [m³/h]	191	185,3	185,5
Puissance électrique [kW]	41	39	50
COP	2,4	2,6	2
Diminution des performances	– 8 %		– 23 %

Conclusion

Les fluides frigorigènes étudiés présentent beaucoup de similitudes. On voit néanmoins que le COP du R404A est meilleur; ce qui signifie que dans des conditions idéales et identiques (en régime permanent et stable par exemple), pour une période de temps identique, la consommation d’une machine :