Fluides frigorigènes [Climatisation]


Nomenclature

Les fluides frigorigènes sont soumis à une nomenclature qui se veut internationale. L’ASHRAE, une des plus utilisées, désigne les fluides frigorigènes par la lettre R associée à 2,3 ou 4 chiffre + une lettre (R134a par exemple).

Le tableau ci-dessous montre la méthode de désignation des fluides réfrigérants :

R-WXYZ§

Nomenclature

Appellation courante

R12

R134a

R1270

Appellation pour la détermination de la formule

R-0012

R-0134a

R-1270

CFC

W = Nombre d’insaturation

Carbone = Carbone (C=C)

C=C (double liaison)

0

0

1

X = nombre de Carbone -1

nombre d’atomes de Carbone C = X + 1

1

2

3

Y = nombre de Hydrogène +1

nombre d’atomes d’Hydrogène H = Y – 1

0

2

6

Z = nombre de Fluor

nombre d’atomes de Fluor F = Z

2

4

0

R401A

nombre d’atomes de Chlore Cl*

2

0

0

Formule chimique

C Cl2F2

C2H2F4

CH3 CH=CH2

Si § = A-E => symétrie

Si § = a-b => asymétrie (avec a moins asymétrique que b)

symétrie de la molécule

symétrique

asymétrique

symétrique

Calcul du nombre d’atomes de chlore : Pour les molécules saturées (w = 0), Le nombre d’atomes de chlore s’obtient à partir de la formule suivante : Cl = 2.(C = 1) – H – F.


Les fluides frigorigènes fluorés

On en distingue plusieurs types : CFC, HCFC, HFC.

Les CFC (chlorofluorocarbures) sont des molécules composées de carbone, de chlore et de fluor. On trouve notamment les R-11, R12, R-114 ou R-115. Elles sont stables; ce qui leur permet d’atteindre la stratosphère sans trop de problèmes. À ce stade, en se transformant elles contribuent à la destruction de la couche d’ozone.. Ces molécules sont interdites de production depuis janvier 1995)

Les HCFC (hydrochlorofluorocarbures) sont des molécules composées de carbone, de chlore, de fluor et d’hydrogène. Elles sont moins stables que les CFC et détruisent l’ozone dans une moindre mesure. Appelées un temps substances de transition, elles ont été interdites au Ier Janvier 2015. On trouvait dans cette famille notamment le R-22 (Chlorodifluorométhane).

Les HFC (hydrofluorocarbures) sont des molécules composées de carbone, de fluor et d’hydrogène. Elles ne contiennent pas de chlore et donc ne participent pas à la destruction de la couche d’ozone. Par contre, les HFC présentent un Global Warming Potential (contribution à l’effet de serre) sur 100 ans élevé. Pour cette raison, leur utilisation est en réduction progressive. On trouve dans cette famille :

  • le R-134a : Fluide frigorigène qui a remplacé le R-12 en froid domestique et en climatisation automobile.
  • En application “chauffage”, il présente l’avantage de faire fonctionner les pompes à chaleur à haute température (généralement jusqu’à 65 °C) et à relativement basse pression. Son utilisation est compatible avec une production d’eau chaude pour radiateurs en lieu et place d’une chaudière.
  • Le R-125 : N’est jamais utilisé pur en raison de sa pression critique trop faible (66°C). Il entre dans la composition de nombreux mélanges compte tenu de son pouvoir “extincteur”.
  • Les R-32, R-152a, R-143a : Inflammables et donc utilisés uniquement en mélange avec d’autres composants qui “neutralisent” leur inflammabilité.

Les mélanges

On peut les classer en fonction du type de composants fluorés qu’ils contiennent. Ils se distinguent également par le fait que certains mélanges sont :

  • Zéotropes : au cours d’un changement d’état (condensation, évaporation), leur température varie.
  • Azéotropes : ils se comportent comme des corps purs, sans variation de température lors du changement d’état.

Il va de soi que les frigoristes apprécient cette propriété d’azéotropie pour le fonctionnement de la machine frigorifique.

Le R407C (R134a : 52 % + R125 : 25 % + R32 : 23 %)

Le R407C est un fluide non azéotrope (il est composé de plusieurs fluides) afin d’obtenir sa température de changement d’état.

Ce fluide frigorigène présente les particularités suivantes :

  • Il est ininflammable.
  • Lors des changements de phase, la température “glisse” d’environ 5 K car les températures d’évaporation et de condensation des fluides frigorigènes qui le constituent sont différentes. Ceci rend les réglages plus difficiles et impose des échangeurs à contre-courant pour tirer le meilleur parti de ce fluide.
  • En cas de micro-fuite, le composé ayant les molécules les plus volatiles s’échappe préférentiellement. Il en résulte un fluide frigorigène déséquilibré. Il est dès lors nécessaire de vider entièrement l’installation avant de la recharger, le gaz retiré étant recyclé.
  • Les pressions sont moindres avec ce fluide frigorigène.
  • Il est moins performant que le R410A …
Le R410A (R32 : 50 % + R125 : 50 %)

Le R410A présente de meilleures qualités thermodynamiques que le R407C et le R22. D’autre part, l’étanchéité des installations est plus élevée avec le R410A, les pertes de pression sont donc faibles et les vitesses de fonctionnement peuvent être élevées. Les composants sont dès lors plus compacts.

Le R410A est cependant toxique ! De plus, il se comporte comme un réfrigérant mono-moléculaire lorsqu’il change de phase : le passage d’un état à un autre se produit à température quasiment constante (le glissement de température est négligeable). On ne doit donc pas vider complètement l’installation avant de la recharger.Pour terminer, les pressions de fonctionnement sont 60 % plus élevées que dans le cas du R22. Ceci limite donc son utilisation aux températures de condensation moyennes : maximum 45 °C.

Le R404A (R143a : 52 % + R125 : 44 % + R134a : 4 %)

Le R404A présente des caractéristiques communes avec le R410A (il se comporte aussi comme un fluide quasi-azéotropique) mais sa pression de fonctionnement est plus basse. Sa particularité est de ne pas beaucoup s’échauffer pendant la compression. La température des vapeurs surchauffées en sortie de compresseur reste donc modérée, ce qui convient parfaitement à la mise en œuvre des PAC fluide/fluide.


Les fluides à bas effet de serre

Ils sont considérés comme moins inquiétants pour l’environnement, car à la fois sans action sur l’ozone stratosphérique et d’un faible impact sur l’effet de serre.

Ils présentent tous des inconvénients, soit au niveau sécurité, soit au niveau thermodynamique.

L’ammoniac (NH3) ou R-717

L’ammoniac présente de nombreux avantages en tant que fluide frigorigène :

  • Impact environnemental nul (ODP et GWP100 nuls);
  • très bon coefficient de transfert de chaleur;
  • efficacité énergétique élevée (au moins aussi bonne que le R22, meilleure dans certaines conditions);
  • le gaz ammoniac est plus léger que l’air;
  • faibles pertes de charge;
  • fuites aisément détectables;
  • faible prix de revient et faibles frais d’entretien des installations;
  • très difficilement inflammable, limite d’explosion élevée et petits champs d’explosion;
  • chimiquement stable;
  • aisément absorbable dans l’eau;
  • pas très sensible à l’humidité dans le circuit;
  • naturel donc biodégradable;
  • grâce à sa haute température critique, il permet de réaliser des températures de condensation très élevées et de concevoir des PAC à haute température.

Les COP obtenus avec ce fluide frigorigène peuvent être équivalents à ceux obtenus avec des HFC.

L’ammoniac est par contre toxique (mais pas cumulativement dans le temps) et irritable. Il peut être explosif dans des cas exceptionnels (les limites inférieure et supérieure d’inflammabilité doivent être très proches l’une de l’autre). Il sera également explosif dans des locaux non aérés où il se crée un mélange d’air, d’azote et d’ammoniac. Les locaux doivent donc absolument être ventilés et le passage de l’air doit également être totalement libre. De plus, le NH3 corrode facilement le cuivre et ses alliages ainsi que le zinc. Les installateurs sont donc obligés d’utiliser de l’acier. Pour terminer, l’ammoniac n’étant pas miscible et soluble dans les huiles minérales, il faut prévoir un séparateur d’huile après le compresseur.

Les installations à l’ammoniac l’utilisent liquide et sa quantité est réduite : la quantité de gaz perdu par fuites est donc faible.

Il est à l’heure actuelle principalement utilisé dans le froid industriel.

Les hydrocarbures (HC) comme R-290 R-600a

Il s’agit essentiellement du propane (R-290), du butane (R-600) et de l’isobutane (R-600a).

Ces fluides organiques présentent de bonnes propriétés thermodynamiques, mais sont dangereux par leur inflammabilité. Le monde du froid s’est toujours méfié de ces fluides, même s’ils sont réapparus récemment dans des réfrigérateurs et des mousses isolantes. Leur utilisation future paraît peu probable en climatisation, vu le coût de la mise en sécurité aussi bien mécanique qu’électrique. En PAC, on l’utilise donc dans des quantités les plus faibles possible (maximum 3 kg pour les applications résidentielles), de préférence à l’extérieur des bâtiments.

Le dioxyde de carbone (CO2) ou R-744

Fluide inorganique, non toxique, non inflammable, mais moins performant au niveau thermodynamique. Son usage implique des pressions élevées et des compresseurs spéciaux.

Il possède cependant de bonnes qualités en application PAC pour le chauffage ou l’eau chaude sanitaire. Il est peu coûteux, et sa récupération et son recyclage sont simples à mettre en œuvre.

Actuellement, les spécialistes s’y intéressent à nouveau de par :

  • son faible impact sur l’environnement (ODP = 0, GWP = 1);
  • son faible volume massique entraînant des installations à faible volume (fuites réduites);

Il a la particularité de posséder une température critique basse à 31 °C  pour une pression de 73,6 bar.

À noter que l’utilisation de ce type de réfrigérant entraîne aussi des contraintes non négligeables telles que la nécessité de travailler :

  • à des pressions élevées (80 voire plus de 100 bar);
  • en transcritique qui demande une maîtrise de la condensation en phase gazeuse (gaz cooler);

L’eau (H2O)

Fluide inorganique, bien entendu sans toxicité. Même si sa grande enthalpie de vaporisation est intéressante, il ne se prête pas à la production de froid sous 0°C. Il est peu adapté au cycle à compression et ses applications sont rares.

Les HFO (HydroFluoro-Oléfines) 

Les HFO sont constitués au départ de molécules hydrocarbonées, dont certains atomes d’hydrogènes ont été substitués par du fluor. S’ils sont à faible impact sur l’effet de serre, des questions se posent sur leur toxicité, en particulier le dégagement, en cas de fuite, de polluants éternels de type PFAS.


L’impact environnemental des fluides frigorigènes

Mesurer l’impact

Depuis quelques décennies, l’impact des fluides frigorigènes sur l’environnement est devenu un enjeu majeur. En effet, de par la présence de fuites au niveau du circuit frigorifique, la responsabilité de ces fluides dans la destruction de la couche d’ozone et l’augmentation de l’effet de serre n’est plus à démontrer.

Trou d'ozone au pôle sud.

Trou d’ozone au pôle sud.

Pour établir l’impact des fluides frigorigènes sur la couche d’ozone et l’effet de serre, trois indices principaux ont été définis :

  • ODP : Ozone Depletion Potential : C’est un indice qui caractérise la participation de la molécule à l’appauvrissement de la couche d’ozone. On calcule la valeur de cet indice par rapport à une molécule de référence, à savoir soit R11 ou R12 qui ont un ODP = 1. Les fluides frigorigènes fluorés sont en grande partie responsables de la destruction de la couche d’ozone et contribuent à augmenter l’effet de serre. Les interactions entre les deux phénomènes sont réelles mais d’une grande complexité.
  • GWP: Global Warming Potential : C’est un indice qui caractérise la participation de la molécule à l’effet de serre. On calcul la valeur de cet indice par rapport à une molécule de référence, à savoir le CO2, et pour des durées bien déterminées (20, 100, 500 ans). Le CO2 à un GWP = 1.
  • TEWI: Total Equivalent Warming Impact : Le TEWI est un concept permettant de valoriser le réchauffement planétaire (global warming) durant la vie opérationnelle d’un système de réfrigération par exemple, utilisant un fluide frigorigène déterminé en tenant compte de l’effet direct dû aux émissions de fluide frigorigène et à l’effet indirect dû à l’énergie requise pour faire fonctionner le système. À titre indicatif, il est donné par la formule :

TEWI = (GWP x L x n) + (GWP x m[1-C]) + n x E x β

Où :

  • GWP : global warming potential;
  • L : émissions annuelles de fluide en kg;
  • n : durée de vie du système en années;
  • m : charge en fluide frigorigène en kg;
  • C : facteur de récupération / recyclage compris entre 0 et 1;
  • E : consommation annuelle d’énergie en kWh;
  • β : émission de CO2 en kg / kWh.

Un tableau exhaustif des impacts ODP et GWP des fluides frigorigènes se trouve sur wikipedia.  Nous reprenons ici les principaux fluides uniquement.

Famille Numéro Nom GWP (kg éq. de CO2) ODP (/R-11)
CFC R-11 Trichlorofulorométhane 1800 1
CFC R-12 Dichlorodifluorométhane 8100 1
HCFC R-22 Chlorodifluorométhane 1500 0.055
HFC R-134a Tétrafluoroéthane 1300 0
HFC R-125 Pentafluoroéthane 2800 0
HFC R-143a trifluoroéthane 3800 0
Mélanges de HCFC R-404a 3900 0
Mélanges de HCFC R-407c 1526 0
Mélanges de HCFC R-410a 1725 0
Mélanges de HCFC R-408a 3152 0
Autres R-290 Propane 3.3 0
Autres R-717 Ammoniac <1 0
Autres R-744 Dioxide de carbone 1 0

Remarque : certains imaginent qu’à défaut de trouver le gaz parfait, on pourrait produire le froid dans des machines frigorifiques très compactes (donc contenant peu de fluide), puis transférer le froid par des caloporteurs (eau glycolée, CO2,.). Dans ce cas, le problème du fluide ou de sa sécurité est moins crucial.

Phasing out

Plusieurs familles de fluides, comme les CFC ou HCFC sont d’ores et déjà interdites en raison de la lutte contre le émissions impactant la couche d’ozone (annexe 1 du règlement CE 1005/2009).  D’autres le seront bientôt, dans le cadre de la réduction des émissions de gaz à effet de serre.  Typiquement, le règlement CE 517/2014 (règlementation dite F-gaz) prévoit l’abandon progressif des HFC : une réduction d’utilisation de 79% de l’utilisation des gaz fluorés d’ici 2030 par rapport à l’utilisation faite en 2015. Cette réglementation est en cours de révision et,  selon BuildWize , il  est fort probable que les réfrigérants dont le GWP est supérieur à 750 (parmi lesquels on retrouve le R410a, le fluide le plus courant) seront interdits à court terme et que les gaz fluorés soient complètement interdits pour 2050 au plus tard.

Prévenir et mesurer les fuites

Que ce soit en conception, en rénovation, en fin de vie ou même en maintenance, et quel que soit le fluide,  les fuites sont à éviter. Elles dépendent essentiellement de la qualité :

  • du choix et de la mise en œuvre des équipements (soudures et connexions des conduites de distribution par exemple);
  • de l’optimisation du cycle frigorifique;
  • de la maintenance.

Pour le repérage des fuites des installations existantes, on retrouve principalement deux méthodes : directe et indirecte.

La méthode directe consiste en l’utilisation d’un détecteur de fuite manuel placé devant chaque source potentielle de fuite. Dans les installations existantes, une fuite est souvent difficile à détecter. L’idéal est de faire appel dans n’importe quel cas à des frigoristes spécialisés.

  • En détente directe (le fluide frigorigène alimente directement les évaporateurs des meubles frigorifiques, des chambres froides, des ateliers de boucherie, …), les conduites passent régulièrement dans des faux-plafonds, des gaines techniques, … difficiles d’accès.
  • Pour les installations à boucle secondaire par fluide caloporteur (le fluide frigorigène alimente les évaporateurs “utiles” via un fluide caloporteur comme l’eau glycolée, le CO2, …), les fuites potentielles sont circonscrites au local technique; ce qui en soi, simplifie la détection d’une fuite éventuelle.

Détecteur de fuite.

 

La méthode indirecte se base sur une estimation des pertes relatives annuelles. Elle peut être mise en œuvre par le maître d’ouvrage ou par la société de maintenance sur base de relevés effectués sur le circuit frigorifique par du personnel qualifié (prise de pression, monitoring permanent, …). Un taux de perte de maximum 5% d’agent fluoré par an est imposé.  Ce taux de perte se calcule comme suit :

P=A/Cx100%

  • P=pertes relatives
  • A=somme de tous les ajouts de gaz (en kg) à l’installation (par circuit) pendant une année
  • C=capacité nominale de fluide frigorigène (kg)

 

Exemple[1]Repris de https://environnement.brussels/sites/default/files/user_files/gids_installation_de_refrigeration_fr.pdf.

Imaginons une installation de refroidissement avec 100 kg de fluide frigorigène.
Au 01/01/2018, la perte de fuite relative est donc de 0%, comme pour toutes les installations. Cependant, il y a des problèmes avec le système de refroidissement, de sorte que 15 kg de liquide de refroidissement ont été ajoutés le 21/2/18 et 10 kg de liquide de refroidissement ont été ajoutés plus tard le 01/04/18.

Selon la définition, la perte relative est de 15/100 * 100% = 15% au 21/2/2018
A partir du 01/04/18 la perte de fuite relative est alors augmentée à (15 + 10) / 100 * 100% = 25%.
Durant l’année 2018, l’installation n’a plus connu de fuite (et donc plus de calcul de pertes relatives).
Au 31/12/2018, les pertes relatives pour cette installation sont de 25%.
Ce n’est que le 1/1/2019 que la perte de fuite relative sera de 0% (et non après une réparation).
Au 15/07/2019, l’installation subit un appoint de 12 kg : 12/100*100%= 12%.


L’impact énergétique (qualité thermodynamique)

Principe

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 [kWf];
  • Puissance électrique absorbée : puissance électrique par le compresseur [kWe].

 

Cycle frigorifique classique.

Cycle frigorifique classique.

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 est grande pour un faible volume spécifique des vapeurs à l’aspiration :

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.

Illustration

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, le R22 (HCFC), le R404a (HCFC) et le R507 (HFC). Les résultats montrent que 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 au R22 ou R507 serait respectivement.

Hypothèses :

  • Puissance frigorifique utile nécessaire : Pfrigorifique = 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 ηcomp = 0,85;
  • rendement du moteur électrique ηmoteur_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 Δhévaporateur = 405 – 244 = 161 kJ/kg;
  • énergie théorique de compression : soit Δhcompression = 443 – 405 = 38 kJ/kg;
  • de volume massique à l’aspiration : soit Vmassique_aspiration = 0,067 m³/kg.

Calculs :

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

débitmassique = Pfr / hévaporateur [kg/s]

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

  • Le volume réel à aspirer par le compresseur est de :

Volumeréel = débitmassique * volumemassique_aspiration

Volumeréel  = 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 :

ηVolume = 1 – (0,05 x τ)

Où :

τ  = HP / BP (en pression absolue)

ηVolume  = 1 – (0,05 x HP / BP)

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

  • Le débit théorique nécessaire est de :

Débitcompresseur = Volumeréel / ηVolume

Débitcompresseur = 150 / 0,78

Débitcompresseur = 190 m³/h

  • La puissance électrique du moteur du compresseur est de :

Pelectr_absorbée = débitmassiqueΔhcompression x (1 /  ( ηcomp x ηmoteur_elec x ηVolume))

Pelectr_absorbée = 0,62 x 38 x (1 / (0,85 x 0,85 x 0,785))

Pelectr_absorbée = 41 kW

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

COP = Pfrigorifique / Pelectr_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 ηVolume

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 %

Dans la littérature

Différentes études tentent de quantifier l’impact du fluide frigorifique sur la performance de la machine frigorifique. Pointons en quelques-unes :

  • Pour des applications de pompe à chaleur sol-eau ou air-eau, il semble que la variation de COP soit limitée à quelques dixièmes de points pour les fluides HFC ou mélangés, avec un avantage pour le R134a[2]S. Maddah, M. Goodarzi and M. R. Safaei. Comparative study of the performance of air and geothermal sources of heat pumps cycle operating with various refrigerants and vapor injection.Alexandria … Continue reading.
  • Toujours pour les PAC, des fluides à bas impact carbone à base d’hydrofluorooléfines (HFO) (le R452b) ou de mélange HFO-HFC (le R454b) semblent ne pas détériorer le COP en comparaison du classique R410A, mais entrainent une perte de puissance d’environ 8%[3]J. Sieres, I. Ortega, F. Cerdeira and E. Álvarez. Drop-in performance of the low-GWP alternative refrigerants R452B and R454B in an R410A liquid-to-water heat pump. Applied Thermal Engineering 2021 … Continue reading.
  • Une autre étude mentionne également pour cette famille de fluide (R452B et R447B) une perte de puissance allant de 0 à 15% mais une augmenentation du COP de 0 à 12% pour une PAC air-eau[4]X. Chen, J. Yang, C. Liu and J. Chen. Heating performance comparison of R410A and its substitutions in air-to-water heat pumps with vapor injection. International Journal of Refrigeration 2018 Vol. … Continue reading.

En tentant de prendre du recul, un review[5]Z. Yang, B. Feng, H. Ma, L. Zhang, C. Duan, B. Liu, et al. Analysis of lower GWP and flammable alternative refrigerants.International Journal of Refrigeration 2021 Vol. 126 Pages 12-22. DOI: … Continue reading de 2021 qui parcours plus de 40 fluides « bas carbone » pointe les R513a and R466A (de la famille HFO) comme alternatives convaincantes au classique R134a.


La sécurité d’usage

De nombreuses études poussées sont menées sur les aspects :

  • toxicité (par inhalation), quantifiée par la concentration limite d’exposition (exprimée en ppm);
  • action biologique (cancers, malformations des nouveaux-nés);
  • action sur les denrées entreposées en chambre froide;
  • inflammabilité, quantifiée par la limite inférieure d’inflammabilité (concentration, en volume, dans l’air sous la pression atmosphérique).

Ce qui a permis de définir un code sécurité (Standard 34 Safety Group) :

Toxicité Inférieure Supérieure
Inflammabilité élevée A3
Ex : propane et butane
B3
Inflammable A2 B2
Ex : Ammoniac
Inflammabilité faible A2L B2L
Pas de propagation de flamme A1
Ex : R134a, R22, R407c, R404a, R410a, CO2
B1

La toxicité de l’ammoniac et l’inflammabilité des hydrocarbures entraînent des mesures de sécurité toutes particulières pour leur usage.


Les contraintes techniques

Elles sont nombreuses (niveaux de pression requis, comportement du fluide en présence d’eau, viscosité et donc tendance à fuir de l’enceinte, commodité de détection d’une fuite) et vont influencer l’efficacité et la fiabilité de l’installation.

Une des contraintes fort importantes est le couple formé par le fluide frigorigène et l’huile de lubrification. De l’huile est nécessaire au bon fonctionnement du compresseur. Un séparateur d’huile est prévu à la sortie du compresseur, mais son efficacité n’est jamais totale. Et la petite quantité d’huile entraînée par le fluide risque de se déposer au fond de l’évaporateur (basse température et faible vitesse). L’échange thermique est diminué et, à terme, l’huile risque de manquer au compresseur. Si autrefois la miscibilité entre le fluide CFC et les huiles minérales était très bonne (le fluide “entraînait” avec lui une certaine dose d’huile assurant une lubrification permanente), il faut aujourd’hui adopter des huiles polyolesters, plus coûteuses, très sensibles à la présence d’eau, et dont on doit vérifier la compatibilité avec les différents matériaux en contact (métaux, joints élastomères, vernis moteur,.).

L’élimination des fluides frigorigènes chlorés, bonne chose pour l’ozone stratosphérique, en est une mauvaise pour la lubrification, le chlore étant bénéfique à la présence du film d’huile. L’emploi d’additifs divers dans les huiles a dû y suppléer.

Sources[+]