Réfrigération au CO₂ transcritique

Communément appelé R-744 lorsqu’il est employé comme fluide frigorigène, le dioxyde de carbone (CO₂) est devenu l’un des réfrigérants naturels les plus populaires au cours de ces dernières années.

Il s’agit d’un réfrigérant de « classe de sécurité A1 », à savoir « non inflammable » et « à faible toxicité », selon le règlement sur la sécurité des installations frigorifiques.

Le gaz CO₂ présente des propriétés thermophysiques excellentes, bien qu’il pose certaines difficultés en raison de sa faible valeur de température critique (30,978 ºC) et de ses pressions d’exploitation élevées. Il possède une capacité volumétrique très supérieure à celle des réfrigérants classiques.

Ce gaz se caractérise par une haute conductivité thermique et une densité élevée en phase gazeuse, ce qui donne lieu à un bon transfert de chaleur dans les évaporateurs, les condensateurs et les refroidisseurs de gaz. Ces atouts permettent donc de dimensionner des équipements de plus petites tailles en comparaison avec les unités qui font appel à des CFC, des HCFC et des HFC. Par ailleurs, la faible perte de pression de ce gaz permet de réduire le diamètre des tuyauteries et flexibles.

Qu’est qu’un cycle transcritique ?

Les cycles transcritiques sont les cycles durant lesquels la pression de refoulement du compresseur est supérieure à la pression critique, ce qui empêche toute condensation du fluide frigorigène. Un équipement fonctionnant en transcritique n’utilise que du CO₂ refroidi à une température supérieure à celle du point critique, sans aucun changement de phase tout au long de ce processus de refroidissement. Ces systèmes travaillent généralement avec des températures élevées de refoulement du compresseur en raison du besoin du refroidisseur de gaz d’atteindre des pressions élevées (de l’ordre de 95 bar) pour pouvoir échanger de la chaleur avec le milieu ambiant.

Un équipement fonctionnant en transcritique n’utilise que du CO₂ refroidi à une température supérieure à celle du point critique, sans aucun changement de phase tout au long de ce processus de refroidissement. Ces systèmes travaillent généralement avec des températures élevées de refoulement du compresseur en raison du besoin du refroidisseur de gaz d’atteindre des pressions élevées (de l’ordre de 95 bar) pour pouvoir échanger de la chaleur avec le milieu ambiant.

Dans ce type de cycles, la pression du refroidisseur de gaz possède une valeur optimale que la commande doit essayer d’atteindre pour éviter toute consommation d’énergie excessive.

La détente depuis la pression du refroidisseur de gaz produit une vapeur qui ne possède aucun effet frigorifique utile. Cette vapeur doit être recomprimée jusqu’à la pression du refroidisseur de gaz. Dans les mises en œuvre les plus simples, cette vapeur est comprimée par le compresseur principal.

Ce même système peut être appliqué pour produire du froid positif et négatif avec un montage de type booster. La vapeur produite dans la vanne de régulation de pression est comprimée par les compresseurs de moyenne température.

Cycle du CO₂ transcritique : améliorations des performances

L’efficacité reste l’inconvénient d’un système transcritique (la vapeur produite à la sortie du refroidisseur de gaz doit être comprimée), sans oublier le rapport de compression élevé à atteindre. Ce phénomène est d’autant plus important que la température extérieure est élevée, puisque davantage de vapeur doit être produite.

Sur des systèmes transcritiques, la mise en œuvre de cycles plus complexes permettant une amélioration de l’efficacité est très fréquente afin de pouvoir obtenir des efficacités de fonctionnement similaires à celles des fluides conventionnels. Ces cycles peuvent faire appel aux méthodes et équipements suivants

• Compresseur parallèle
• Sous-refroidisseur
• Éjecteur
• Refroidisseur de gaz adiabatique
• Récupération de chaleur

Compresseur parallèle

L’objectif consiste à éviter de détendre la vapeur à la sortie du réservoir pour ensuite la recomprimer. La compression se fait directement et le rapport de compression est diminué (consommation électrique moindre et compresseur plus petit). Le compresseur doit disposer d’une enveloppe spécifiquement préparée.

Sous-refroidisseur mécanique

L’objectif consiste à diminuer la température de sortie du refroidisseur de gaz à une valeur inférieure à celle de la température ambiante en produisant ainsi une quantité moindre de vapeur dans la détente et en réduisant par conséquent le travail du compresseur parallèle.

Éjecteur

Qu’est-ce qu’un éjecteur ?

Spécifiquement utilisé comme pompe à vide dans des installations de vapeur, l’éjecteur est un dispositif connu depuis l’antiquité.

Dans des installations de CO₂, il est employé pour augmenter de façon totalement gratuite la pression d’une autre ligne de réfrigérant en exploitant la détente à la sortie du refroidisseur de gaz.

Éjecteur de vapeur

Il déplace le gaz de la ligne d’aspiration de moyenne température vers la ligne d’aspiration du compresseur parallèle, diminuant ainsi de compression et la consommation d’énergie.

Éjecteur de liquide

Dans ce genre de conception, les évaporateurs fonctionnent sans réchauffement (immergés). L’éjecteur agit comme une pompe de recirculation de liquide. En l’absence de réchauffement, les compresseurs aspirent à une pression plus élevée, ce qui a pour conséquence de diminuer la consommation d’énergie.

Refroidisseur de gaz adiabatique

Tout comme dans un condensateur, cet équipement permet de réduire la température d’entrée lorsque la température extérieure est élevée et que l’humidité est relativement faible.

Récupération de chaleur dans le cycle transcritique

En cycle transcritique, la température de refoulement élevée du CO₂ permet de mieux exploiter l’énergie. En outre, le fait de travailler dans la région supercritique donne lieu à l’obtention d’une température élevée de production d’eau chaude sanitaire (ECS). Le changement de phase étant inexistant, il est possible d’atteindre une température plus élevée en comparaison avec les autres fluides frigorigènes.