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1 1 La réfrigération Les technologies en développement Daniel Giguère, ASHRAE,

1 1 La réfrigération Les technologies en développement Daniel Giguère, ASHRAE, Ste-Foy, 2 février 2009 2 Thèmes Contexte Les principes fondamentaux Les fluides secondaires Le réfrigérant dioxyde de carbone Les éjecteurs 2 3 Contexte Depuis vingt ans, le milieu de la réfrigération a été fortement ébranlé par les conséquences environnementales des réfrigérants de synthèse. 4 L'échéancier de l'élimination progressive des HCFC Production HCFC 100.0% 65.0% 35.0% 10.0% 0.5% 0.0% 0% 20% 40% 60% 80% 100% 1989 2004 2010 2015 2020 2030 En 2010, la demande de HCFC aux USA dépassera la disponibilité de 12,5 millions de kilogrammes pour le secteur de la réfrigération (U.S. Environmental Protection Agency) Pas de nouveaux équipements au R22 2,000,000 kg 3 5 PRÉSERVATION DE LA COUCHE D’OZONE ETDU SYSTÈME CLIMATIQUEPLANÉTAIRE Questions relatives aux hydrofluorocarbures et aux hydrocarbures perfluorés IPCC/TEAP, 2005 http://www.ipcc.ch/ipccreports/special-reports.htm Les fuites de frigorigènes extrapolées selon l’approche ascendante suggèrent un taux d’émissions annuelles mondiales de 30 % de la charge stockée 6 PRG (GWP) des réfrigérants HFC R404a = R 125/143a/134a R410a = R 32/125 R507a = R 125/143a 4 7 Les principes fondamentaux Le cycle de réfrigération 8 Le cycle de réfrigération Pression Enthalpie 5 9 La définition du COP Qf + W = 4 kW Qf = 3 kW W= 1 kW Pression Enthalpie COP = Qf = 3 W 10 Les fluides secondaires Les systèmes de réfrigération indirectes 6 11 Le fluide secondaire -25oF -20oF -20oF HFC 12 Le fluide secondaire -20 oF Fluide secondaire Fluide secondaire Réfrigérant confiné à la salle mécanique Salle mécanique 7 13 Les avantages des systèmes indirectes 1. Beaucoup moins de réfrigérant de synthèse 2. Les systèmes fonctionnent mieux 3. Les systèmes sont beaucoup moins complexes 4. Les coûts de maintenances sont réduits 5. Augmentation de la qualité et de la longévité des produits alimentaires (supermarchés) 14 Réduction significative de réfrigérant 75 % à 90 % moins de réfrigérant de synthèse À environ 10/lb $, ça peut correspondre à plus de 25 000 $ pour un supermarché moyen Réduction dramatique des potentiels de fuites de réfrigérants 8 15 Meilleur fonctionnement Moins de surchauffe au compresseur, donc plus d’efficacité La possibilité d’installer le sous-refroidissement est meilleure, encore une meilleure efficacité Pression de condensation plus stable La controllabilité est meilleure Pas de problèmes de retour d’huile 16 Moins complexes Un seul évaporateur avec 2 valves de détentes situé dans la salle mécanique plutôt que 50 évaporateurs avec autant de valves de détentes situé à plusieurs dizaines de mètres de la salle mécanique Pas de régulateurs de pression à ajuster et à controller. Les valves de balancement du fluide secondaire sont ajustées au démarrage Tuyauterie basse pression ( souvent pré-isolé en matière synthétique) 9 17 Moins coûteux à entretenir Les fuites de réfrigérants sont confinées à la salle mécanique donc plus faciles à détecter et moins coûteuses Les coûts globaux de maintenance peuvent être réduit de près de 50 % par rapport à un système à détente directe (DX) conventionnel (FMI Energy) 18 Qualité des produits Moins de perte de produits La température des produits plus stable (1F plutôt que 2,5F pour DX) Les cycles de dégivrages plus courts 10 19 Les désavantages des systèmes indirectes Changement On s’attend à des pertes d’efficacité Coût 20 Le changement Ce n’est pas la pratique courante Il faut apprendre et appliquer de nouveaux critères de conception et de contrôle Il faut planifier longtemps d’avance pour réaliser ces changements (qui fait quoi?) Les soumissions des entrepreneurs ne reflètent pas les bénéfices anticipés C’est un travail qui s’ajoute aux nombreuses tâches et responsabilités pour tous les intervenants du projet de construction 11 21 On s’attend à des pertes d’efficacité Les températures d’évaporation et de condensation des systèmes à fluide secondaire sont équivalentes sinon meilleures que les systèmes à détente directe (DX) La surchauffe à l’aspiration des compresseurs est réduite à son minimum Le sous-refroidissement est très facile à intégrer et augmente l’efficacité du système de réfrigération de 10 % à 25 % L’inertie thermique du fluide secondaire contribue à stabiliser le fonctionnement du système La récupération de chaleur est plus performante et permet de satisfaire les charges de chauffage du bâtiment 22 Coût On compte plusieurs centaines d’installations en Amérique du Nord Les critères de conception et le choix des matériaux sont de plus en plus maîtrisés Le coût est encore plus élevé qu’un système DX, mais la différence diminue avec le temps et deviendra bientôt un standard dans l’industrie de la réfrigération Le coût d’opération est égal ou inférieur aux systèmes DX 12 23 DX vs fluide secondaire 24 Types de fluides secondaires Sans changement de phase Éthylène glycol ( rejet de chaleur au condenseur) Propylène glycol ( 10 à 32 °F) Formate de Potassium (-30 °F à 0 °F) Autres antigels Avec changement de phase Dioxyde de carbone (CO2) (-50 °F à 20 °F) Coulis (eau,méthanol, glycol…) (0 °F à 32 °F) 13 25 CO2 le fluide secondaire parfait Le CO2 liquide refroidit un fluide en s’évaporant dans un échangeur de chaleur. Une simple pompe à liquide est utilisée pour circuler le CO2. Pas de corrosion Puissance de pompage négligeable Pas de problème de gestion d’huile Diamètre de tuyauterie minimale Caratéristiques de transfert de chaleur exceptionnelles 26 CO2 montage expérimental -30 °C, CO2 Chambre de test Serpentin à air 14 27 Les coulis, le fluide secondaire qui stocke de l’énergie Coulis? Fins crystaux de glace (<0.1mm) dans un mélange antigel-eau 30% de solide environ Avantages: Énergie de pompage réduite Dimension de la tuyauterie réduite Stockage de froid pour gérer l’appel de puissance Stockage de chaleur pour gérer les rejets thermiques (Net-Zero buildings, houses and communities) Banc d’essai en construction Défi : un générateur de coulis simple et efficace 28 Conclusions L’expérience démontre qu’un système à fluide secondaire : • Diminue les effets sur l’environnement • Diminue la consommation d’énergie • Augmente le potentiel de récupération de chaleur • Augmente la qualité des produits • Simplifie l’implantation • Réduit les coûts d’entretien • Diminue le coût sur le cycle de vie 15 29 Le CO2 le réfrigérant incontournable http://www.r744.com/articles/2009-01-29-ashrae- winter-conference-r744-seminar.php 30 Le dioxyde de carbone Il est présent dans l'atmosphère dans une proportion, soit 375 ppmv (parties par million en volume) La concentration augmente rapidement, d'environ 2 ppmv/an Le R744 fait partie des réfrigérants naturels comme l’eau, l’air, l’ammoniac et les hydrocarbures 16 31 1850 1993 1960 1920 ----------1930 Âge d’or du CO2 Réinvention du CO2 en réfrigération (G. Lorentzen)Norvège Considération du CO2 comme réfrigérant (Alexander Twining ,British patent) Danfoss ,Niels P Vestergaard Niels P Vestergaard Ver 2004-04-SI+US Premier système de réfrigération au CO2 Carle Linde J&E Hall premier système de réfrigération deux stages CO2 Cycle Transcritique CO2 Invention des CFC 1928 Histoire du CO2 Protocole de Montréal 1er jan. 1989 Compresseur CO2 vers 1900 32 88 °F 1070 145 400 17 33 0.3 3.4 2.1 ΔTsaturée / ΔP = 1 psi à -40 [oF] 226 24 36 BTU / PIED CUBE à -40 [oF] 16 144 137 Température d’ébullition 400 psig [oF] NON élevée NON Toxicité 1 - 3260 Potentiel de réchauffement de la planète (PRG) 1067/88 1640/270 541/162 Condition Critique [psi]/ [oF] -69 -28 -51 Température d’ébullition 15psig [oF] NON (peu) NON Inflammabilité 0 0 0 Potentiel d’appauvrissement de la couche d’ozone (PDO) OUI OUI NON Réfrigérant naturel CO2 NH3 R404A Réfrigerant Propriétés 34 +86 oF Enthalpie Cascade 717- CO2 CO2 -4 oF +5 oF Pressure Enthalpie Pressure CO2 R717 -40 oF -40 oF (135 psi) +5 oF (333 psi) +86 oF (171 psi) -4 oF (28 psi) - 40 oF Danfoss ,Niels P Vestergaard Niels P Vestergaard Ver 2004-04-SI+US R717 18 35 Cascades HFC- CO2 CO2 -4oF +5oF -40oF -40oF HFC -20oF 10 oF 20 oF 20oF HFC CO2 36 Le fluide secondaire CO2 -25oF -20oF -20oF HFC PAS D’HUILE 19 37 Le cycle transcritique Pression Enthalpie La PAC à eau chaude Eco-Cute produit de l’eau chaude à 180 °F avec un COP de 4 à 8! 38 Industriel Commercial Les arguments porteurs Pourquoi le CO2 ? Environnement Élimination progressive des substances qui affectent l’environnement, HCFC, HFC : (ODP (Ozone Depletion Potential), GWP (Global Warming Potential) ) Sécurité Toxicité et inflammabilité pour les systèmes utilisant des quantités importantes d’ammoniac Coûts • Réduction des coûts d’opération • Systèmes plus efficaces • Réduction du coût du réfrigérant. • Réduction du volume des composants ( ( ( ( 20 39 Conclusions Depuis 10 ans les produits disponibles pour les applications utilisant le CO2 sont de plus en plus nombreux. Les applications couvrent tous les secteurs La réfrigération basse température et les pompes à chaleur sont particulièrement intéressants. Les pressions d’opération peuvent être élevées mais les équipements uploads/Geographie/ la-refrigeration-les-technologies-en-developpement.pdf