Critères de choix d’un fluide frigorigène

Le choix d’un fluide se fait en fonction de ses propriétés thermophysiques, mais également en fonction d’autres critères tels que des critères technologiques, des critères de sécurité et notamment son action sur l’homme, son impact sur l’environnement, son coût :



Principaux critères thermodynamiques	– la fonction température-pression : on cherche en général à utiliser des fluides dont la pression reste toujours supérieure à la pression atmosphérique afin d’éviter toute possibilité d’entrer de l’air (et donc également de la vapeur d’eau) dans le circuit – la production frigorifique volumétrique : le rapport entre la production frigorifique et le débit volumétrique devrait être le plus élevé possible. Ceci permet de réduire la taille des différents éléments de l’installation et notamment le compresseur – la température de refoulement à la sortie du compresseur est également un critère important. On évite d’avoir des températures supérieures à 150 °C pour éviter de dégrader le comportement lubrifiant de l’huile. – la pression (température) critique : au delà de cette pression le fluide n’existe plus à l’état liquide. Il est donc souhaitable de travailler sous cette pression, même s’il est possible de réaliser des cycles transcritiques. De manière générale, on cherche à avoir la pression de condensation qui se situe entre 50 et 85 % de la pression critique et la pression d’évaporation entre 5 et 15 %.
Principaux critères de sécurité	– la toxicité – l’inflammabilité
Critères techniques	– Température de refoulement à la sortie du compresseur – action du fluide sur les matériaux et sur l’huile de lubrification – efficacité des échanges thermiques – facilité de détection des fuites...
Critères économiques	– prix du frigorigène – prix des composants de l’installation imposés par la nature du fluide
Critères environnementaux	Contribution du fluide à la destruction de la couche d’ozone ou à l’effet de serre (à prendre en compte de toute façon puisque liés à la législation)

Dénomination des fluides Rxyz

La codification Rxyz des fluides suit des règles précises et permet dans la plupart des cas de déduire la nature et même la formule chimique du fluide :

• x – pour 0<x<3 le nombre d’atomes de carbone -1
  • pour x=4 mélanges zéotropiques
  • pour x=5 mélanges azéotropiques
  • pour x=6 composés organiques
  • pour x=7 composés inorganiques
• y – pour 0<x<3 le nombre d’atomes d’hydrogène +1
  • pour x=4 ou 5 yz code composition du mélange, avec lettre capitale
  • pour x=6 y=0 pour hydrocarbones, 1 pour composés avec oxygène, 2 pour composés sulfuriques, 3 pour composés avec azote
  • pour x=7 yz est la masse moléculaire
• z – pour 0<x<3, z est le nombre d’atomes de fluor

Principaux fluides frigorigènes

Les fluides dits " naturels "

• Propane, isobutane (R-600A)
• CO₂ (R-744)
• Ammoniac (R-717)

Principalement utilisés au début du 20ème siècle, ces fluides ont pour la plupart été remis en cause du fait de leur dangerosité : toxicité ou inflammabilité. Ces fluides sont principalement utilisés en industrie. L’utilisation de l’ammoniac a été réduite au froid agroalimentaire de grande puissance. Ils sont également utilisés quand les charges de fluides frigorigènes sont faibles (isobutane dans les appareils ménagers par exemple).

De manière générale, les hydrocarbures sont interdits d’utilisation dans les immeubles recevant du public (arrêté du 14 février 2000).

Cas particulier du CO₂
Les limites d’usage du CO₂ proviennent de sa température critique relativement basse (31 °C), ce qui implique la conception de systèmes fonctionnant selon un cycle transcritique (figure ). Ce cycle induit des fonctionnements à très haute pression et le développement de composants ad hoc. La pression correspondant à la température de 2 °C est de 36 bar et les pressions typiques au refoulement du compresseur se situent entre 90 et 140 bar. Historiquement le CO₂ était utilisé avant les CFC et dès que ces fluides ont été introduits, il a progressivement disparu des applications frigorifiques. Il est actuellement l’objet d’un regain d’attention, car c’est un fluide ayant finalement peu d’action sur la couche d’ozone (GWP=1 !).



Les fluides chlorés et fluorés de 1ère et 2ème génération
Développés dans les années 1930 pour remplacer les fluides inflammables (dérivés de la molécule de méthane), les CFC (chlorofluorocarbures) et HCFC (hydrochlorofluorocarbures) sont aujourd’hui proscrits car ils sont dangereux pour la couche d’ozone.

• CFC (R-11, R-12...) : composés chimiques formés de carbone, chlore et fluor.
• HCFC (R-502, R-22...) : composés chimiques formés de carbone, chlore, fluor, hydrogène.

Les fluides fluorés de 3ème génération
Développés ces dernières années, ces fluides HFC (hydrofluorocarbures tels que le R-134A, R-32, R-125,R-143A, R-404A, R-407C, R410A...) ont l’avantage de ne pas être dangereux pour la couche d’ozone, mais ils contribuent à l’effet de serre. Les principales applications sont :

• R-404A : procédés agroalimentaires, transports frigorifiques, refroidisseurs d’eau, froid commercial.
• R-134A : froid domestique et commercial, conteneurs frigorifiques, climatisation embarquée.
• R-410A : transports frigorifiques, groupes refroidisseurs d’eau, climatisation air/air.
• R-407C : groupes refroidisseurs d’eau, climatisation air/air.