FLUIDES FRIGORIGENES UTILISES EN GENIE FRIGORIFIQUE 1) Origine Ils peuvent tre : -dorigine naturelle : fluide inorganique comme lammoniac NH3 (R717) ou le dioxyde de carbone CO2 (R744). -issu des hydrocarbures : isobutane R600a ou propane R290 (famille des HC)-ou de synthse : fluides halogns comme le R12 (CFC), le R22 (HCFC), ou le R134a (HFC) Cest cette dernire famille de fluides qui est particulirement vise par la rglementation actuelle 2) Familles des fluides de synthse Lesfluidesfrigorignesdesynthsesedistinguenten3familles etsontsoumisaurglementCE N2037/2000 concernant leur utilisation : CFC : chlorofluorocarbone ou chlorofluorocarbure (R11, R12, R502, etc) Participe la destruction de la couche dozone cause des ses atomes de chlore. Contribue leffet de serre. Fluide interdit la commercialisation depuis octobre 2000. Interdit mme en maintenance (fluide recycl) depuis janvier 2001. Dgazage interdit, sauf si scurit des personnes engage. Rcupration et destruction obligatoire depuis janvier 2002. HCFC : hydrochlorofluorocarbone (R22, R408, R409, etc) Participe la destruction de la couche dozone cause des ses atomes de chlore. Contribue leffet de serre. Utilisation de fluide vierge interdit depuis janvier 2010. Autoris en maintenance avec du fluide recycl uniquement jusquau 1er janvier 2015. Dgazage interdit, sauf si scurit des personnes engage. Rcupration et retraitement obligatoire. HFC : hydrofluorocarbone (R134a, R404A, R410A, R407C, etc) Aucune action sur la couche dozone. Participe leffet de serre. Utilisation autorise, mais leur manipulation est aujourdhui rglemente. Dgazage interdit, sauf si scurit des personnes engage. Rcupration obligatoire. 3) Couche dozone et effet de serre Couche dozone : couche de gaz situe dans la stratosphre (20 km 50 km daltitude), compose de 3 atomes doxygne (O3), dont lintrt est de protger les tres vivants sur terre en absorbant une partie des rayons UV (ultra-violet) dorigine solaire. Sa destruction par les atomes de chlore, entrane une exposition plus importante aux UV, ce qui a pour consquence de multiplier les cancersdelapeauetdegnrerdesdommagessurlavgtationetlestresvivants=>1atomedechlorepeutdtruirejusqu 100.000 molcules dozone ! LepotentieldagressivitdesfluideschlorssurlozonesenommeODP(OzoneDepletionPotential),quiprendpourrfrencela capacit destructrice du R11. En Franais, lODP se nomme PDO : potentiel de diminution dozone. Par exemple, lODP du R22 est de 0.05, soit 5% de celle du R11. Anepasconfondreaveclozoneissudelapollutionatmosphriquesitueauniveaudusol(troposphre),etdontlorigineest principalement issue de la dcomposition des oxydes dazote produit par la combustion. Cest lors du protocole de Montral (1987) que la majorit des pays de la plante a planifi un calendrierdlimination des CFC et des HCFC. Effet de serre : cest la contribution dun gaz piger la chaleur dans latmosphre terrestre ; le rayonnement nest plus renvoy verslespace,maisrestesurterre :lvationdelatempraturemoyenneterrestre(mmeeffetquundoublervitrageautour dela terre). Les principales consquences sont les modifications climatiques, la fonte des glaces (ples, glaciers), llvation du niveau des mers, la rduction des rserves deau douce et la modification des cosystmes. Lesprincipauxgazeffetdeserresont :legazcarboniqueCO2(principalementissudelacombustion),lemthaneCH4etle protoxyde dazote (N20). Dautres gaz contribuent galement leffet de serre dont les CFC, HCFC, HFC. Il est reconnu, par la majorit des scientifiques, que les concentrations de gaz effet de serre saccroissent sous leffet des activits humaines. Cest lors du protocole de Kyoto (1997) quune grande partie des pays de la plante se sont engags rduire leur mission de gaz effet de serre (protocole entr en vigueur en 2005). En Europe, cette politique au niveau des fluides frigorignes sest principalement axe sur : *la rduction des charges en fluide frigorigne dans les systmes frigorifiques *linterdiction de dgazer du fluide dans latmosphre et lobligation de rcuprer *le contrle du taux de fuite sur les installations *lamlioration de la qualit des soudures, et de la qualification du personnel *la diminution de la consommation nergtique des systmes frigorifiques *le dveloppement de nouvelles techniques ou de nouveaux fluides *lamlioration de la qualit de construction des btiments et des besoins (RT2000, RT 2005, RT 2012) Effet de serre direct (GWP) : Cest la contribution directe dun gaz leffet de serre sur 100 ans, qui prend comme rfrence la masse quivalente en CO2. Parexemple,1kgR404Arelchdanslatmosphrerevientlquivalencede3360kgdeCO2rejet.LeGWP(GobalWarming Potential)du R404A est donc de 3360. En Franais, le GWP se nomme PRG (potentiel de rchauffement global). Leffet de serre direct est principalement du aux fuites sur les circuits frigo, mais aussi leur dgazage latmosphre. Effet de serre indirect : Toute machine thermodynamique consomme de llectricit, produit par une centrale lectrique pouvant tre thermique (fioul lourd, charbon, gaz), nuclaire ou encore utilisant les nergies renouvelables (olienne, panneaux solaires, gothermie, hydraulique, ). Pourfournirlaquantitncessairedlectricit,lusinethermiquerejetteradoncdesproduitsdecombustiondanslatmosphre (CO2, NOX, CO, ) qui participeront leffet de serre. Leffet de serre indirect est principalement d la consommation nergtique du systme frigorifique, dont le fluide frigorigne est le principalement vecteur sur le compresseur. Aussi,pourlimiterlactiondirectedesfluidesfrigorigneshalognssurnotreatmosphre,lalgislation europenne et franaise (voir le code de lEnvironnement, article R543-75 R543-123) impose, pour tout intervenant : Quelesentreprises(appelesoprateurs)obtiennentuneattestationdecapacitauprsdunorganisme certificateur (Veritas, Qualiclimafroid, SGS, etc ). Cette certification devra tre renouvele tous les 5 ans, et tient compte dune obligation de dtention doutillages appropris, et tient compte galement de la capacit professionnelle du personnel. Lorganismecertificateurpeuttoutmomentsuspendrelattestationdecapacitduneentreprisesielleenfreintle rglement, ou ne justifie pas les mouvements de fluides Pourobtenirlattestationdecapacit,lepersonnelmanipulantlesfluidesdoitavoiruneattestationdaptitude (valable vie), dlivre par un organisme valuateur (AFPA et autres centres de formation par exemple). Les oprateurs ne pourront se procurer des HFC auprs des distributeurs que sils possdent une attestation de capacit Interdictiondedgazagelatmosphre+rcuprationobligatoire(peutimportelamasseprsentedans linstallation). Dclarationannuellelorganismecertificateurdesstocks,desquantitscharges,rcupresouremisesau fournisseur Larrt du 7 mai 2007 impose tout dtenteur dquipement contenant des fluides fluors :Contrle annuel de fuite pour charge > 2 kg ; tous les 6 mois pour charge > 30 kg et trimestriel pour charge > 300 kg Le dtecteur de fuite doit avoir une sensibilit dau moins 5 gr/an Cette frquence de contrle est divise par 2 si utilisation dune centrale de dtection en salle des machines pour charges > 30 kg Les rsultats du contrle doivent figurer sur une fiche dintervention Rchauffement total quivalent (TEWI) : LeTEWI(TotalEquivalentWarmingImpact)permetdestimerlacontributiondirecteetindirectedune machine frigorifique leffet de serre. Le TEWI peut sestimer par la formule suivante : TEWI = GWP*[m*(1-x)+m*f*N]+W*aen kg equivalent CO2 par an mCharge de linstallation (kg)fTauxdefuite par an (~0.01 0.05 en moyenne) WConsommationannuelle dlectricit par an (kWh) xTaux de rcupration (~ 0.9)NDuredeviedelamachine (anne) aCoefficientdeconversion dnergie (kgCO2/kWh) a est variable selon les pays (dpend de leurs modes de production de lnergie lectrique) En France : a = 0.13 kg CO2/kWh Allemagne : 0.66 kg CO2/kWh Moyenne mondiale : a = 0.65 kg CO2/kWh Exemple destimation du TEWI : Installation au R404A, avec 80 kg de charge en fluide, Pabs lec de l installation : 34 kW Taux de fuite annuel : 2% Taux de rcupration en fin de vie de linstallation : 90% Dure de vie de la machine : 15 ansFonctionnement : 16h/jours ; 7j/7 ; 52 semaines/an Machine installe en France : a =0.13 kg CO2/kWh Effet direct = GWP*[m*(1-x)+m*f*N) = 3360*[80*(1-0.9)+80*0.02*15] = 107520kgCO2 Effet indirect = W*a =[(16*7*52*15)*34]*0.13=386131kgCO2 (78% des missions) TEWI = effet direct + effet indirect = 107720+386131 = 493651 kgCO2 (500 Tonnes de CO2 sur 15 ans) Cet exemple montre que la lutte contre leffet de serre au niveau des installations frigorifiques passe par : *le choix du fluide frigorigne participant le moins possible leffet de serre (faible GWP et faible Pabs) *la rduction de la consommation nergtique des appareils *une rcupration rigoureuse du fluide frigorigne lorsque linstallation est en fin de vie *une amlioration de la qualit des soudures et des contrles accrus pour minimiser les fuites Rappel : la Pabs lectrique du compresseur reprsente la majorit de la consommation lectrique du systme frigorifique Pabs = Peff/(qt*qlec)et Peff = qvb*qv*(h2is-h1)/(qv*qm) = qvb*(h2is-h1)/qm Qvb = qm*vaspi/qv qm = uo/Aho et qv dpend principalement du t = Prefoul/Paspi => la consommation nergtique est donc troitement lie aux caractristiques thermodynamiques du fluide frigorigne employ Note : voir le cours de production de froid machine frigorifique mono-tage pour plus de dtail sur les quations et utilisation des diagrammes enthalpiques. 4) Choix du fluide frigorigne Plusieurs critres sont considrer : +critresthermodynamiques : ucritique(upartirdelaquelleilnyaplusdepalierdecondensation),uo,uketurefoul compatibles ? Pressions du cycle frigo. acceptables ? +critres de scurit : toxicit, explosivit, inflammabilit, action sur les tres vivants ou sur les produits entreposs +critres daction sur lenvironnement : action sur la couche dozone ou sur leffet de serre +critrestechniques :actionsurlesmtaux,lesjoints,leshuiles,efficacitdeschangesthermiques,aptitudeauxfuites, commodit de dtection et localisation des fuite +critres conomiques : prix du fluide frigorigne, prix du lubrifiant associ, incidence du fluide sur le prix de linstallation (taille des appareils, scurit, rsistance la pression), disponibilit du fluide Exemple dtude : Refroidissement deau glace :uo = 100kW, uo = 0C, uk = 45C, qis = 0.8, SC = SR = 5C, qm = 0.9, qv = 1-0.03*t Essai avec R134a, R404A, R407C, R717 (NH3), R410, R22 Fluideucritique (C) Pasp/Pref (bar abs) Peff (kW) COPurefoul (C) GWPQvb (m3/h) Remarques R134a1012.93/11.622.54.44601300198 excellent COP, TEWI raisonnable, mais pnalis par un compresseur de forte taille (Qvb important) R407C86.744.52/17.2827.693.61701530143 COP intressant, TEWI assez important, pnalis par un compresseur de taille importante. R404A726.03/20.4528.23.55543360126COP mdiocre, TEWI trs important R7171324.29/17.8224.214.131310109 Toxique.InterditenERP,dispositifsdescurit coteux,urefoulimportante,bonCOP,faibletaille compresseur et faible TEWI grce un GWP nul R410A1328/2727.233.6779173087 COPintressant,TEWIassezimportant,maispetit compresseur (Qvb faible). Pressions leves. R22Interdit dans toute installation neuve : ODP = 0.05 +Le fluide qui rassemble le plus de qualits appropries cette application est le R134a, mais avec un surcot dinvestissement +Si lon veut rduire le cotdinvestissement, le R410A parait intressant, mais le cot dexploitation et environnemental sont importants +Note : en climatisation, le COP se nomme EER (mode froid). Le terme de COP est alors rserv aux pompes chaleur (PAC). 5) Domaines dutilisation des principaux fluides frigorignes (liste non exhaustive) Fluide uo 1bar abs (C) u critique (C) Glide 1bar (C) GWP Domaine dutilisation et plage optimale de temprature Remarques R134a-2610101300 Hautes et moyennes tempratures, pour climatisation, rfrigration, refroidissement des liquides de forte puissance, PAC de forte puissance -15C