Réfrigération au CO2 subcritique
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Qu’est-ce qu’un cycle de CO2 subcritique ?
Les cycles subcritiques sont les cycles durant lesquels la pression de refoulement du compresseur est inférieure à la pression critique, ce qui permet la condensation du fluide frigorigène. Sur le diagramme de Mollier, la représentation d’un cycle de CO2 subcritique est similaire à celle de n’importe quel autre réfrigérant, la différence fondamentale résidant dans les valeurs des pressions ainsi que dans celles des températures d’évaporation et de condensation.
Comme il est possible d’observer sur la figure ci-dessous, dans un cycle pour basse température avec une aspiration à 10 bar (-40 ºC) et une condensation à 25 ºC (65 bar), on constate que la pression de refoulement est très supérieure à la pression utilisée avec les réfrigérants HFC. Dans un pays comme l’Espagne, où les températures ambiantes peuvent être supérieures à 40 ºC, l’utilisation de l’air extérieur pour condenser le CO2 n’est pas envisageable, tout le contraire de la condensation par eau, par exemple. Il faut garder à l’esprit que les condensateurs ainsi que les autres éléments doivent être conçus pour supporter ces pressions de travail si élevées.
Exception
Si le fluide caloporteur utilisé est différent de l’eau (solutions salines ou solutions glycolées à des températures inférieures à 0 ºC) ou s’il s’agit d’un réfrigérant capable d’évaporer à une température inférieure à 0 ºC, un système subcritique au CO2 de pression moindre, comme illustré sur la figure ci-dessous, peut être envisagé. Le cas échéant, le fluide caloporteur en question échange de la chaleur avec le CO2 et le condense. Il est constaté que le système continue d’être efficace pour atteindre des températures de congélation sans aucune difficulté à une pression raisonnable (10 bar). C’est ici qu’entrent en jeu les systèmes en cascade à deux fluides frigorigènes, avec un circuit de réfrigérant (CO2) qui est condensé par l’autre fluide (R134a, R717, R290, eau glycolée, solution saline, etc.).
Cycle du CO2 subcritique : types d’installations
Sur les systèmes en cascade, l’installation est composée de deux circuits de réfrigération indépendants. L’un des circuits utilise le CO2 comme réfrigérant dans les zones de production de froid négatif destinées à la conservation des aliments. Le CO2 y est condensé à environ -10 ºC à l’aide du froid produit dans un évaporateur de l’autre circuit utilisant un autre fluide frigorigène. À titre d’exemple, la figure ci-dessous permet d’observer le cycle d’un système en cascade CO2/ammoniac (R717) :
Cascade CO2 pour basse température
Un système en « cascade au CO2 pour basse température » comme le précédent présente la configuration la plus simple possible parmi l’ensemble des systèmes en cascade existants. Dans ce cas de figure, un réfrigérant (HFC, par exemple) est utilisé dans l’étage haute température pour approvisionner les étages moyenne température et condenser le CO2 du circuit des étages basse température ou des tunnels de congélation. Tous les évaporateurs du système fonctionnent en détente directe (DX).
Dans l’intention de minimiser la charge d’HFC du système, une solution différente consiste à faire appel à un fluide caloporteur glycolé (issu d’un refroidisseur) aussi bien pour condenser le CO2 que pour approvisionner les étages moyenne température. On se retrouve alors avec un « système en cascade avec une solution glycolée pompée pour les moyennes températures (MT) et avec CO2 en détente directe (DX) pour les basses températures (BT) ». Ce type de configuration est technologiquement plus simple que la mise en œuvre précédente. En revanche, elle est énergétiquement moins efficace puisque la température d’évaporation de l’étage haute température doit être légèrement inférieure. La charge de réfrigérant (HFC ou tout autre fluide) est plus faible et le système présente l’avantage de minimiser le risque de fuites grâce au confinement du fluide à l’intérieur du refroidisseur.
Système en cascade avec réfrigérant naturel au CO2 pompé pour MT et en DX pour BT
L’élimination totale de l’HFC de l’étage haute température peut également être envisagée en remplaçant ce fluide par un réfrigérant naturel et ainsi s’engager dans un avenir plus respectueux de l’environnement. De la même façon, il est possible d’associer cette solution à un système au CO2 pompé pour approvisionner les étages moyenne température et à un système au CO2 en détente directe pour les étages basse température, ce qui conduit à un « système en cascade avec réfrigérant naturel au CO2 pompé pour MT et en DX pour BT » :
Dans ce type de montage, les évaporateurs basse température fonctionnent en détente directe, tandis que les étages moyenne température sont immergés et fonctionnent avec leur pompe de recirculation de CO2 respective.
L’échangeur de chaleur (condensateur de CO2 et évaporateur de R717) procède quant à lui à l’échange thermique nécessaire pour condenser le CO2 aux dépens de l’évaporation du R717.
L’utilisation d’évaporateurs immergés présente l’avantage d’améliorer légèrement l’efficacité énergétique du système, puisqu’il est possible de travailler à une pression d’évaporation plus élevée dans les étages moyenne température.
En contrepartie, les systèmes faisant appel à ces évaporateurs immergés requièrent une charge de CO2 bien plus élevée.
Système en cascade avec réfrigérant naturel au CO2 pompé (ou immergé) pour BT
De la même manière, il est possible d’envisager un « système en cascade avec réfrigérant naturel au CO2 pompé (ou immergé) pour BT. Comme représenté sur la figure ci-dessous :
La différence avec le système précédent réside dans l’absence d’étage moyenne température, les étages basse température étant désormais les parties qui fonctionnent en immergé.
Cette solution conduit là aussi à une légère amélioration de l’efficacité énergétique du système grâce à l’augmentation de la température d’évaporation. En revanche, la charge de CO2 de l’installation est là encore augmentée.
Système subcritique en cascade avec distribution tout CO2
Comme dernier exemple, il est également possible de concevoir un système possédant une seule ligne de liquide commune de CO2 (sous-refroidissement possible). Aussi bien pour l’étage basse température que pour l’étage moyenne température, et une double ligne d’aspiration (une pour l’étage MT et l’autre pour l’étage BT). Le circuit haute température serait quant à lui intégralement contenu dans le système de réfrigération centralisé, avec une utilisation possible d’HFC ou R290, le système ayant pour grand avantage de bénéficier d’une charge de réfrigérant très faible. Le schéma frigorifique du système est représenté ci-dessous et il s’agit précisément de cette solution d’avenir qu’INTARCON envisage de mettre en œuvre pour les centrales subcritiques moyenne puissance avec le développement de la gamme de produits ECO2market.
