Cours Froid Environnement

Froid et Environnement Denis LEDUCQ, Cemagref 2009

1

Table des matières 1

Généralités sur les systèmes frigorifiques 1.1 Principe de production du froid . . . . . . . . . . . 1.1.1 Cycle monotherme . . . . . . . . . . . . . 1.1.2 Cycle frigorifique ditherme . . . . . . . . . 1.1.3 Cycle frigorifique tritherme . . . . . . . . 1.1. 1.1.4 4 Effic Efficac acit itéé du cycl cyclee à comp compre ress ssio ion n de vapeu apeurr

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4 5 5 6 14 16

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Préserver la couche d’ozone 2.1 2.1 Les fri frigor gorigènes et la couch uche d’ozone one . . . . . . . . . . . . . . 2.2 Protocole de Montréal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3 2.3 Règl Règlem emen entt euro europé péen en 2037 2037/2 /200 000/ 0/CE CE du 29/0 29/06/ 6/20 2000 00 . . . . . . . 2.4 Réglem Réglement entati ation on frança française ise : Décret Décret du 07/12/1 07/12/1992 992 modifié modifié en 98 .

3

Limiter le réchauffement planétaire 27 3.1 Froid et effet de serre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 3.2 Protocole de Kyoto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 3.3 Régl Réglem emen entt euro europé péen en 842 842/2 /200 006 6 relat relatif if à cert certai ains ns gaz à effe effett de serre serre fluorés (F-Gas) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 3.3.1 Directiv Directivee 2006/40 2006/40 concernant concernant les systèmes systèmes de climatisaclimatisation de véhicules à moteur . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 3.4 Décret français 737/2007 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 3.5 TEWI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

4

Les fluides frigorigènes 4.1 4.1 Critè ritère ress de choi choix x d’un d’un fluid fluidee frig frigor orig igèn ènee 4.1.1 Dénomination des fluides Rxyz 4.1.2 Principau paux fluides frigorigènes . 4.2 4.2 L’ammoniac : un fluide uide très réglementé 2

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20 . 21 . 22 . 24 . 26

34 . . . . 35 . . . . 36 . . . . 36 . . . . 38

Table des matières 1

Généralités sur les systèmes frigorifiques 1.1 Principe de production du froid . . . . . . . . . . . 1.1.1 Cycle monotherme . . . . . . . . . . . . . 1.1.2 Cycle frigorifique ditherme . . . . . . . . . 1.1.3 Cycle frigorifique tritherme . . . . . . . . 1.1. 1.1.4 4 Effic Efficac acit itéé du cycl cyclee à comp compre ress ssio ion n de vapeu apeurr

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Préserver la couche d’ozone 2.1 2.1 Les fri frigor gorigènes et la couch uche d’ozone one . . . . . . . . . . . . . . 2.2 Protocole de Montréal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3 2.3 Règl Règlem emen entt euro europé péen en 2037 2037/2 /200 000/ 0/CE CE du 29/0 29/06/ 6/20 2000 00 . . . . . . . 2.4 Réglem Réglement entati ation on frança française ise : Décret Décret du 07/12/1 07/12/1992 992 modifié modifié en 98 .

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Limiter le réchauffement planétaire 27 3.1 Froid et effet de serre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 3.2 Protocole de Kyoto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 3.3 Régl Réglem emen entt euro europé péen en 842 842/2 /200 006 6 relat relatif if à cert certai ains ns gaz à effe effett de serre serre fluorés (F-Gas) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 3.3.1 Directiv Directivee 2006/40 2006/40 concernant concernant les systèmes systèmes de climatisaclimatisation de véhicules à moteur . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 3.4 Décret français 737/2007 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 3.5 TEWI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

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Les fluides frigorigènes 4.1 4.1 Critè ritère ress de choi choix x d’un d’un fluid fluidee frig frigor orig igèn ènee 4.1.1 Dénomination des fluides Rxyz 4.1.2 Principau paux fluides frigorigènes . 4.2 4.2 L’ammoniac : un fluide uide très réglementé 2

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34 . . . . 35 . . . . 36 . . . . 36 . . . . 38

TABLE DES MATIÈRES MATIÈRES 4.2.1 4.2.2

Risques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Réglementation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3 38 38

Chapitre 1 Généralités sur les systèmes frigorifiques

4

CHAPITRE 1. GÉNÉRALITÉS SUR LES SYSTÈMES FRIGORIFIQUES

1.1

5

Princi Principe pe de produ productio ction n du froid froid

Produi Produire re du froid froid est un un terme terme improp impropre, re, bien bien que très très souvent souvent utilis utilisé. é. Un cycle cycle permettant permettant de produire produire du froid ne "produit" "produit" rien, mais transporte de la chaleur d’une source froide vers une source chaude. Le problème est que ce transfert du froid vers le chaud ne peut se faire de manière spontanée. Ceci a été énoncé par Clausius et est l’un des énoncés du second principe de la thermodynamique : "La chaleur ne peut passer spontanément d’un corps froid vers un corps chaud"

1.1.1 1.1.1

Cycle Cycle monoth monotherm ermee

Il est cependant impossible de retirer de la chaleur d’un corps à partir d’un cycle monotherme (utilisant une seule et unique source de chaleur, figure 1.1). En effet, le premier principe s’écrit dans ce cas :

W

Q T F IGURE 1.1 – Cycle monotherme monotherme

Q + W = 0

(1.1)

et le second principe : Q

(1.2) + ∆S = 0 T où Q est la chaleur reçue de la source de chaleur à la température T , W l’énergie mécanique reçue, et ∆S l’entropie créée au cours du cycle (qui ne peut être que positive ou nulle). Puisque ∆S ≥ 0, l’équation 1.2 a pour conséquence que Q doit être négatif. négatif. Ainsi, lors d’un cycle monotherme, monotherme, la chaleur ne peut être que cédée à l’extérieur (on chauffe la source) et le travail reçu de l’extérieur.


6

Il est donc impossible de créer un cycle monotherme refroidissant un corps et entraînant un moteur par la même occasion ! Dommage! (Un exemple souvent cité d’un tel système, s’il était possible, serait un bateau pompant l’énergie calorifique de la mer, laissant derrière lui un sillon de glace dans la mer, et entraînant son propre moteur avec l’énergie récupérée). Lors d’un cycle monotherme, la chaleur ne peut qu’être cédée à la source de chaleur (Q < 0), et l’énergie mécanique reçue par le fluide (W > 0). Il n’est donc pas possible de réaliser un cycle frigorifique monotherme.

1.1.2

Cycle frigorifique ditherme

Pour mettre en oeuvre un cycle frigorifique, il est donc nécessaire de disposer d’au moins deux sources de chaleur (figure 1.2. L’une sera appelée source froide (celle dont on va extraire la chaleur) et l’autre la source chaude (celle où l’on va rejeter la chaleur). Appliquons le premier principe à un cycle décrit entre ces deux

Tc -Qc W

Qf Tf F IGURE 1.2 – Cycle ditherme sources : Q f + Qc + W = 0

(1.3)

où Q f est la chaleur reçue de la source froide, Qc la chaleur reçue de la source chaude et W l’énergie mécanique reçue. Le second principe nous permet d’écrire, pour un cycle réversible et en supposant que les échanges de chaleur se font à la


7

température des sources : Q f T f

+

Qc T c

=0

d’où Qc = −Q f

T c T f

(1.4)

(1.5)

Si on reporte cette expression dans l’équation 1.3, on obtient : W = Q f

  T c −1 T f

(1.6)

La température T c de la source chaude étant supérieure à la température de la source froide T f , et si la chaleur Q f est positive (on souhaite refroidir, donc extraire de la chaleur de la source froide), le travail reçu W est donc positif. Il faut donc ainsi nécessairement apporter un travail mécanique lors d’un cycle ditherme pour obtenir un effet frigorifique.

Coefficient de performance Le coefficient de performance d’un cycle frigorifique, noté COP se définit comme le rapport entre ce que l’on récupère (la chaleur extraite de la source froide) par rapport à ce que l’on apporte (l’énergie mécanique). On a ainsi : COP =

Q f W

(1.7)

Dans le cas du cycle ditherme, en reprenant l’expression 1.6, on obtient l’expression du coefficient de performance dans le cas d’un cycle réversible : COP =

1

  T c −1 T f

(1.8)

d’où l’expression de l’efficacité maximum pouvant être atteinte par un cycle ditherme (efficacité de Carnot) : COP =

T f T c −T f

(1.9)


8

55

50

45 4

40

35 c T

5

30

6 7

25

8 9

20

10 11

12

15 -30

-25

-20

-15

-10

-5

0

Tf

F IGURE 1.3 – Efficacité de Carnot en fonction des températures des sources

Cycle de Carnot Sadi Carnot a posé en 1824 dans son ouvrage " Réflexions sur la puissance motrice du feu et les machines propres à développer cette puissance" les bases d’un cycle idéal entre deux sources de chaleur, connu depuis sous le nom de "cycle de Carnot". Celui-ci est composé de deux isentropes adiabatiques et de deux isothermes. Un exemple (cycle moteur) est donné dans la figure 1.4 et l’efficacité de ce cycle est donnée par la formule 1.9. Si l’on fait fonctionner ce cycle en sens opposé, on obtient un cycle qui absorbe de la chaleur à la source froide et qui en dégage à la source chaude. Il s’agit donc bien d’un cycle frigorifique, on parle alors communément de " cycle inverse". Les cycles réels à compression de vapeur , tels que celui présenté dans la figure 1.8 diffèrent principalement du cycle présenté dans la figure 1.4 en deux points : – on effectue la compression d’un gaz, et non d’un mélange diphasique – le gaz est détendu sans récupération d’énergie mécanique, cette détente n’est donc pas isentropique En effet, la technologie ne permet pas actuellement de compresser un mélange diphasique liquide-vapeur, c’est même une des premières causes de rupture des


9

P

T

4 5

4

3

2

6

1 7

3

5

6

8

s

7

2

8

1

h

F IGURE 1.4 – Exemple d’un cycle moteur de Carnot : représentation P-h et T-s compresseurs. Bien que des turbines permettent de récupérer l’énergie mécanique lors d’une détente, le rendement encore faible, le fait de travailler avec un mélange diphasique et le coût de ces appareils rendent leur utilisation exceptionelle. Ainsi, pour des raisons technologiques, la détente n’étant pas isentropique et l’échange de chaleur avec la source chaude non isotherme, l’efficacité du cycle réel à compression de vapeur est par conception inférieure à l’efficacité du cycle de Carnot.

Phénomènes endothermiques Le cycle le plus utilisé actuellement pour "produire du froid" est le cycle à compression de vapeur. Ce cycle utilise un phénomène endothermique spécifique : la vaporisation d’un liquide. Cependant, de nombreux phénomènes endothermiques existent et plusieurs peuvent ou sont utilisés pour obtenir un effet frigorifique (tableau 1.1) La vaporisation d’un fluide est utilisée dans le cycle à compression de vapeur, mais est également souvent utilisée dans des systèmes ouverts (refroidissement par cryogénie, par azote liquide par exemple) : le fluide n’est alors pas récupéré, mais perdu. La fusion d’un solide est principalement utilisée pour stocker le froid ou pour le transporter plus efficacement : frigoporteurs diphasiques, stockage du froid par des matériaux à changement de phase. La désorption d’un gaz d’un solide est utilisée dans le cycle à adsorption et la désorption d’un gaz d’un liquide dans le cycle à absorption. Ces cycles mettent en oeuvre 3 sources de chaleur.

CHAPITRE 1. GÉNÉRALITÉS SUR LES SYSTÈMES FRIGORIFIQUES 10 TABLE 1.1 – Phénomènes endothermiques

Phénomènes Vaporisation d’un liquide Fusion d’un solide Sublimation d’un solide Désorption d’un gaz d’un liquide ou d’un solide Détente d’un gaz dans certaines conditions Effet Peltier Dissolution d’un soluté dans un solvant Désaimantation d’un métal paramagnétique

Commentaires Ex : vaporisation d’azote liquide (pour l’eau, à P=1 atm, Lv = 2258kJ /kg ) Ex : glaçon dans le pastis ! (pour la glace L f = 333kJ /kg ) Ex : glace carbonique Ex : cycle à absorption et adsorption Ex : détente d’air Echauffement de jonctions de métaux alimentés electriquement

Effet frigorifique pour quelques métaux rares

On utilise la détente d’un gaz dans le cycle à air ouvert, cycle peu utilisé cependant. On pourrait également avoir un effet frigorifique lors de la détente d’un gaz si l’on récupère de l’énergie mécanique. Il existe des modules de refroidissement utilisant l’effet thermoélectrique Peltier. Ces unités sont notamment utiles lorsque la mise en oeuvre d’une machine frigorifique utilisant un liquide pose des problèmes pratiques ou de sécurité (refroidissement de composants électroniques par exemple). Le rendement de ces modules est faible et dégage donc beaucoup plus de chaleur qu’il n’en extrait du corps à refroidir, chaleur qu’il faut évacuer. Enfin l’effet paramagnétique est l’objet de nombreuses recherches actuellement. Des prototypes de réfrigérateur de faible puissance utilisant cette technologie ont été developpés récemment dans plusieurs laboratoires.

Cycle à compression sans changement de phase On oublie souvent que le cycle à compression de vapeur peut être effectué sans changement de phase. C’est le cas par exemple du cycle à air fermé, tel que décrit dans le diagramme de la figure 1.5. Ce cycle est ainsi constitué de quatre composants :

CHAPITRE 1. GÉNÉRALITÉS SUR LES SYSTÈMES FRIGORIFIQUES 11

P

T

4

4 5

3

5

2

3 2 6 6

7

8

1

7 1 8

h

s

F IGURE 1.5 – Exemple d’un cycle à air fermé : représentation P-h et T-s – un système de compression – deux échangeurs de chaleur – un système de détente Comme on peut le voir sur la figure 1.5, on récupére de l’énergie mécanique lors de la détente, et cette énergie mécanique est habituellement utilisée pour l’entraînement du compresseur (il est nécessaire d’apporter cependant une énergie mécanique supplémentaire pour effectuer la compression). On utilise alors un élément appelé "turbocompresseur" assurant à la fois la compression du gaz et la récupération d’énergie mécanique lors de la détente. L’énergie nécessaire pour compresser l’air d’un état 1 à un état 2, si on suppose que son comportement est celui d’un gaz parfait, est :



V 1

W = −

PdV

(1.10)

V 2

La compression étant supposée adiabatique, on a : PV γ = constante

(1.11)

L’équation 1.10 peut donc s’écrire :



γ

W = −PV

V 1

V 2

dV V γ

(1.12)

En intégrant cette équation, on obtient : W =

P2V 2 − P1V 1 γ − 1

(1.13)

CHAPITRE 1. GÉNÉRALITÉS SUR LES SYSTÈMES FRIGORIFIQUES 12 L’air étant considéré comme un gaz parfait, dont le comportement est régi par l’équation PV = nRT , on peut écrire : W = nR

T 2 − T 1

(1.14)

γ − 1

Le coefficient de performance d’un cycle tel que présenté dans la figure 1.5 peut ainsi être exprimé par : COP =

Puisque C p =

nR , on 1− 1γ

Q7−8 W 1−2 − W 5−6

=

C p (T 8 − T 7 ) nR

(T 2 − T 1 − T 5 + T 6 ) γ −1

(1.15)

obtient l’expression : γ (T −T )

COP = (T −T 8−T 7+T ) 2 1 5 6

(1.16)

Une application numérique est présentée dans la figure 1.6. (γ air=1,4)

P1=P8=4bar T1=T8=5˚C

TPγ−1=cste Compression adiabatique

Refroidissement isobare

Réchauffement isobare

P7=P6=4bar T7=T6=-88˚C

P2=20bar T2=167,3˚C

TPγ−1=cste Détente adiabatique

P5=20bar T5=20˚C

F IGURE 1.6 – Application numérique cycle à air La valeur du coefficient de performance pour cet exemple, où l’on échange avec une source froide à 5˚C et une source chaude à 20˚C est : (avec γ = 1.4) (1.17) COP = 2, 4

CHAPITRE 1. GÉNÉRALITÉS SUR LES SYSTÈMES FRIGORIFIQUES 13 Même en négligeant ici les irréversibilités de la compression et de la détente, cette efficacité est néanmoins plus faible que celle que nous pourrions obtenir avec un cycle à compression de vapeur avec changement de phase, telle que présenté dans le paragraphe suivant (1.1.2).

Cycle à compression de vapeur avec changement de phase Ce cycle à compression de vapeur est constitué d’au moins quatre composants : – un système de compression – deux échangeurs de chaleur – un système de détente Un système frigorifique mettant en oeuvre un cycle à compression de vapeur est présenté dans la figure 1.7.

Qc

4

3

Condenseur 2 5

W Détendeur 6

Compresseur 1

Evaporateur

7

8

Qf

F IGURE 1.7 – Système frigorifique à compression mécanique de vapeur Ce système est composé de :

CHAPITRE 1. GÉNÉRALITÉS SUR LES SYSTÈMES FRIGORIFIQUES 14 un évaporateur le frigorigène se vaporise dans cet échangeur. La vapeur sortante peut être saturante ou le plus souvent légèrement surchauffée. L’évaporation est effectuée à pression constante (si l’on néglige les pertes de pression dans l’échangeur), et donc à temperature constante pour les fluides purs un compresseur il aspire la vapeur surchauffée sortant de l’évaporateur, et la comprime jusqu’à la pression qui règne dans le condenseur, et la rejette dans celui-ci un condenseur le frigorigène se condense dans cet échangeur. Le liquide sortant est à saturation ou légèrement sous refroidi un détendeur il alimente l’évaporateur avec un fluide à basse pression. Le fluide y subit une détente de la pression de condensation à la pression d’évaporation Ce système ne peut fonctionner de manière réversible. Même si la compression est insentropique, l’échange de chaleur des vapeurs surchauffées avec la source chaude s’effectue sous un écart de température fini. De plus, dans la majorité des cas, le détendeur est une simple vanne de laminage, et la détente s’effectue donc sans récupération d’énergie mécanique. Cette détente n’est donc pas isentropique. Le tracé de ce cycle, appelé cycle Evans-Perkins, sur les diagrammes T-s et P-h est présenté dans la figure 1.8. Sur ces diagrammes, le fluide subit la série de

P

T 2

3

4

4

3'

3 2

5

5

6

1 6 7

7

8

8

1

s

F IGURE 1.8 – Tracés du cycle de réfrigération à compression de vapeur dans les diagrammes T-s et P-h

h

CHAPITRE 1. GÉNÉRALITÉS SUR LES SYSTÈMES FRIGORIFIQUES 15 transformations suivantes : 1. Compression isentropique de 1 à 2 2. Refroidissement des vapeurs surchauffées de 3 à 3’ (isobare) 3. Condensation isotherme de 3’ à 4 4. Détente isenthalpique de 5 à 6 5. Evaporation isotherme de 7 à 8

Exemple et application numérique Reprenons le cas présenté pour le cycle à air avec une source chaude à 20˚C et une source froide à 5˚C. (Fluide NH3)

P1=Tsat(5˚C)=5,2bar T1=5˚C (vapeur saturée)

Compression isentropique

P2=Tsat(20˚C)=8,6bar T2=38,9˚C (vapeur surchauffée) Refroidissement isobare

Réchauffement isobare

P3'=Tsat(20˚C)=8,6bar T3'=20˚C (vapeur saturée) Condensation isobare

P6=Tsat(5˚C)=5,2bar T6=5˚C (mélange liquide-vapeur)

Détente isenthalpique

P4=Tsat(20˚C)=8,6bar T4=20˚C (liquide saturé)

F IGURE 1.9 – Application numérique cycle à compression de vapeur avec changement de phase Le coefficient de performance du cycle Evans Perkins, en négligeant les irréversibilités de la compression et en supposant que l’évaporation et la condensation s’effectuent à la température des sources est : COP =

où h est l’enthalpie du fluide.

h8 − h7 h2 − h1

(1.18)

CHAPITRE 1. GÉNÉRALITÉS SUR LES SYSTÈMES FRIGORIFIQUES 16 Dans le cas de l’ammoniac, on obtient h8 − h7 = 1173kJ /kg et h2 − h1 = 67, 4kJ /kg, soit un COP de 17 , 4, à comparer au COP obtenu pour le cycle à air (2, 4). L’efficacité de Carnot pour ce cycle est : COPCarnot =

T f T c − T f

=

278 = 18, 5 15

(1.19)

Conséquence des écarts de température entre le fluide et les températures des sources L’évaporation et la condensation dans un cycle Evans Perkins ne peut s’effectuer exactement à la température des sources. En effet, les résistances thermiques des échangeurs imposent des écarts de température entre les sources et le fluide. Ceci peut être exprimé par :



Q˙ c = (KS )c (T c − T sc ) Q˙ e = (KS )e T e − T s f





(1.20)

où Q˙ c est la puissance échangée au condenseur, KS est la conductance thermique globale de l’échangeur, T c la température de condensation et T sc la température de la source chaude, Q˙ e est la puissance échangée à l’évaporateur, T e la température d’évaporation et T s f la température de la source froide. L’application du premier et du second principe permet d’écrire :



˙ =0 Q˙ e + Q˙ c + W Q˙ e /T e + Q˙ c /T c = 0

(1.21)

En combinant les équations précédentes, le coefficient de performance peut être exprimé par : COP =

Q˙ e ˙ W

=

T s f −Q˙ e /KS T sc −T s f +Q˙ e /KS

(1.22)

où KS est défini par : 1 1 1 = + KS (KS )c (KS )e

(1.23)

Si l’on trace le coefficient de performance en fonction de la puissance frigorifique, on obtient une fonction monotone décroissante. Ainsi la performance d’une machine frigorifique à compression de vapeur tendra à diminuer lorsque l’on la fera fonctionner à pleine charge plutôt qu’à charge partielle. La performance peut par contre être améliorée en augmentant la qualité des échangeurs (le paramètre KS ), par exemple en augmentant les surfaces d’échange, ou en améliorant la qualité de l’échange thermique.

CHAPITRE 1. GÉNÉRALITÉS SUR LES SYSTÈMES FRIGORIFIQUES 17 Application numérique Reprenons l’exemple précédent avec une température de source chaude à 20 ˚C et une température de source froide à 5 ˚C. On supposera que KS c = 2kW /K et KS e = 2kW /K , soit KS = 1kW /K . Pour une puissance de 20 kW (soit un écart de 10 ˚C entre la température d’évaporation et la température de la source froide), la valeur du coefficient de performance est de 7,4 , à comparer à la valeur de 17,4 trouvée dans le paragraphe précédent. Pour une puissance de 10 kW, la valeur du coefficient de performance est de 10,7.

1.1.3

Cycle frigorifique tritherme

Cycle frigorifique tritherme théorique Si l’on dispose d’une troisième source de chaleur, il est possible de remplacer l’apport de travail mécanique du cycle ditherme par un apport de "chaleur motrice" à un niveau de température supérieur à la source chaude (une source donc très chaude !). De la chute de température entre le "très chaud" et le "chaud", il est possible d’obtenir un effet moteur. Le principe d’un tel cycle est présenté dans la figure 1.10. Si on note T h la Th

Tc -Qc

Qh Qf Tf

F IGURE 1.10 – Cycle tritherme

CHAPITRE 1. GÉNÉRALITÉS SUR LES SYSTÈMES FRIGORIFIQUES 18 température de la troisième source, l’application du premier principe mène à : Q f + Qc + Qh = 0

(1.24)

où Q f est la chaleur reçue de la source froide, Qc la chaleur reçue de la source chaude et Qh la chaleur reçue par cette source à haute température Le second principe nous permet d’écrire, pour un cycle réversible et en supposant que les échanges de chaleur se font à la température des sources : Q f T f

+

Qc

+

T c

Qh

=0

T h

(1.25)

Le coefficient de performance d’un tel cycle frigorifique tritherme s’écrit : COP =

Q f

(1.26)

Qh

soit en reportant l’équation 1.25 : COP = −

T f T h

−

T f Qc

(1.27)

T c Qh

D’après 1.24 : Qc Qh

d’où

=−

Q f Qh

− 1 = −COP − 1

 

COP 1 −

T f T c

=

T f T c

−

T f T h

(1.28)

(1.29)

et donc COP =

T f T h −T c T c −T f T h

(1.30)

Remarquons que l’expression de ce coefficient de performance fait abstraction de la technologie employée. Il s’agit du COP théorique pouvant être obtenu par un cycle réversible entre trois sources de chaleur.

Cycle à absorption Le cycle à absorption est une exemple de cycle tritherme. Il peut être vu comme un cycle à compression de vapeur dont la compression est réalisée de manière thermique. Ainsi on retrouve les principaux composants déjà cités, condenseur, détendeur, évaporateur.

CHAPITRE 1. GÉNÉRALITÉS SUR LES SYSTÈMES FRIGORIFIQUES 19 "Compression thermique" Qc

Condenseur

Détendeur Bouilleur

Absorbeur Détendeur Evaporateur

vapeur

Qc' Solution pauvre

Solution riche

Qbo

Qf Pompe

F IGURE 1.11 – Système frigorifique à absorption Le compresseur est par contre remplacé par l’ensemble de composants constitué d’un absorbeur, d’une pompe et d’un bouilleur, comme présenté dans la figure 1.11. Le fonctionnement de ce "compresseur thermique" peut être décrit de la manière suivante : 1. Le réfrigérant à l’état vapeur à la sortie de l’évaporateur est envoyé dans l’absorbeur où il est absorbé partiellement par le liquide. Ceci est un processus exothermique, il faut donc extraire de la chaleur de l’absorbeur 2. Une solution riche en réfrigérant est alors pompée de l’absorbeur vers le bouilleur (on passe alors de la basse pression à la haute pression, avec une consommation électrique très inférieure à ce que l’on aurait avec un compresseur) 3. La solution est chauffée par une source de chaleur à haute température afin de désorber le réfrigérant de la solution (phénomène endothermique). Les vapeurs libérées sont alors entraînées vers le condenseur.

CHAPITRE 1. GÉNÉRALITÉS SUR LES SYSTÈMES FRIGORIFIQUES 20 Ce cycle met en oeuvre au moins 3 sources de chaleur. Une source de chaleur supplémentaire à haute température est en effet nécessaire au niveau du bouilleur afin de désorber le frigorigène contenu dans la solution. Ce cycle était celui utilisé par Ferdinand Carré (solution eau-ammoniac) dans sa machine qui fabriquait des cubes de glace, invention présentée à l’exposition universelle de 1867.

Cycle à adsorption Le cycle à adsorption est un autre exemple de cycle tritherme. On utilise cette fois la capacité qu’ont certains solides de fixer des molécules de vapeur à leur surface sans modifier leur nature chimique. On parle alors d’adsorption.

Qh

Adsorbeur

Qc

Condenseur

Vanne

Evaporateur

Qf

F IGURE 1.12 – Système frigorifique à adsorption

CHAPITRE 1. GÉNÉRALITÉS SUR LES SYSTÈMES FRIGORIFIQUES 21 La figure 1.12 présente une machine frigorifique utilisant le rayonnement solaire comme troisième source de chaleur (gratuite). Ce cycle fermé est donc par nature un cycle intermittent, se décomposant en deux phases distinctes : 1. Phase 1 Durant la période d’ensoleillement (le jour), les vapeurs du fluide (par exemple de l’eau) sont désorbées et migrent vers le condenseur, où elles sont condensées en échangeant avec l’air extérieur. La désorption est une réaction endothermique, l’énergie étant ici apportée par le rayonnement. Notons que lors de cette phase la vanne d’isolement est fermée. 2. Phase 2 Lorsque l’ensoleillement cesse (la nuit), la vanne d’isolement est ouverte et l’eau migre vers l’évaporateur. Cette eau s’évapore en absorbant la chaleur du compartiment réfrigéré. Les vapeurs reviennent vers l’adsorbeur (le mécanisme d’adsorption jouant le rôle de "pompe") où elles sont à nouveau adsorbées (la sorption étant exothermique, la chaleur est ici dégagée dans l’ambiance).

1.1.4

Efficacité du cycle à compression de vapeur

Le cycle à compression de vapeur est le cycle le plus utilisé pour les machines frigorifiques, principalement pour des raisons de performance. Comme on l’a vu dans les paragraphes précédents, l’efficacité de Carnot peut être vu comme une référence de performance maximale, même si la nature du cycle à compression de vapeur fait que cette performance ne peut être jamais atteinte (paragraphe 1.1.2).

Notion d’exergie Les irréversibilités réduisent également la performance des cycles frigorifiques réels. Celles-ci peuvent être analysées, soit par un bilan de production d’entropie, soit par un bilan de destruction d’exergie. Les deux diffèrent principalement sur la manière de traiter le problème car elles sont toutes deux basées sur l’application du premier et second principe. La destruction d’exergie a cependant l’avantage d’être un peu plus intuitive : il est plus logique de parler de "destruction" de quelque chose si l’on a des irréversibilités que de "production". Pour illustrer ceci, prenons le cas d’un cycle moteur, par exemple une machine à vapeur, entre une source chaude à la température T c et la température ambiante T 0 . Si l’on applique le premier et le second principe pour un cycle ditherme irré-

CHAPITRE 1. GÉNÉRALITÉS SUR LES SYSTÈMES FRIGORIFIQUES 22 versible, on a :

 

Q0 + Qc + W = 0 Q0 Qc + + ∆S = 0 T 0 T c

(1.31)

∆S est l’entropie produite au cours du cycle.

A partir des équations précédentes, on peut exprimer l’énergie mécanique produite : Qc W = T 0 (1.32) + ∆S − Qc T c





qui peut réécrite sous la forme :

       

=

−W



Qc 1 −

E nergie mecanique produite

T 0

T 0 ∆S

−

T c

Energie mec. maximum entre T f et T 0

Destruct ion d  exergie

(1.33) Le terme gauche de l’équation 1.33 représente l’énergie mécanique produite 0 au cours du cycle. On reconnait dans le terme Qc 1 − T T c

l’énergie mécanique

maximum que pourrait produire un cycle moteur réversible entre T 0 et T c (on parle de flux d’exergie entrant). C’est la "valeur" en terme d’énergie mécanique que représente une source de chaleur à la température T c . Enfin le terme T 0 ∆S représente en quelque sorte la pénalité en terme d’énergie mécanique due aux irréversibilités . Il s’agit de la destruction d’exergie. Le rendement exergétique est dans ce cas du cycle moteur : ηex

=

f lux d  exergie recuperee f lux d  exergie apportee

−W

= Qc

(1.34)

  0 1 − T T c

Dans le cas d’un cycle de machine frigorifique effectué entre une source froide à la température T f et la température ambiante T 0 , on apporte de l’exergie pure sous forme de travail mécanique W . Le rendement exergétique peut être exprimé sous la forme :

  T

ηex

=

Q f 1 − T 0

f

(1.35)

W

On reconnaît dans cette expression celle du coefficient de performance frigorifique Q f T 0 et celle du coefficient de performance du cycle de Carnot 1 − T . On peut W f

CHAPITRE 1. GÉNÉRALITÉS SUR LES SYSTÈMES FRIGORIFIQUES 23 donc réécrire l’expression du rendement exergétique d’un cycle frigorifique ditherme sous la forme : ηex

 

T 0 COP = COP 1 − T = COP f Carnot

(1.36)

Ce rendement exergétique est une valeur comprise entre 0 et 1 et représente la "qualité" thermodynamique du cycle thermodynamique.

Diagramme T-s et destructions d’énergie Le diagramme T-s permet de représenter graphiquement les destructions d’exergie tout au long du cycle et en particulier au niveau de chaque composant. Rappelons que l’enthalpie échangée pour une transformation isobare entre un état 1 et un état 2 est :



2

∆h1−2 =

(1.37)

T dS

1

et peut se représenter sur le diagramme T-s par l’aire entre l’axe des abscisses et le chemin décrit entre 1 et 2, comme illustré dans la figure 1.13 T aire=∆h

1

1-2

2

s

F IGURE 1.13 – Représentation de la variation d’enthalpie dans le diagramme T-s

Destruction d’exergie du cycle Evans-Perkins Si l’on représente un cycle à compression de vapeur et le cycle réversible entre l’ambiance à la température T 0 et une source froide à la température T f , on obtient le diagramme présenté dans la figure 1.14 L’énergie frigorifique Q f = ∆h4−1 est représentée par l’aire a-1-4-b. La chaleur Q0 libérée par le condenseur pour le cycle à compression de vapeur est l’aire

CHAPITRE 1. GÉNÉRALITÉS SUR LES SYSTÈMES FRIGORIFIQUES 24 T

2

T0

3

3'

cycle compression 1-2-3-4

2"

2'

cycle réversible 1-2'-3'-4 destruction d'exergie

Tf

4"

4

w réversible

1

+

c

b

a

= w compression

s

F IGURE 1.14 – Représentation du cycle à compression de vapeur dans le diagramme T-s a-2-3-c. Le travail de compression est telle que W = Qc − Qe et donc représentée par l’aire 1-2-3-c-b-4-1. Pour le cycle réversible, le travail de compression est représentée par l’aire 1-2’-3’-4. La différence entre les deux puissances est due aux irréversibilités, et les aires sont représentatives des destructions d’exergie. En effet, la destruction d’exergie au niveau du condenseur peut être obtenue par le bilan suivant : Lcond = h2 − h3 − T 0 (s2 − s3 )

(1.38)

ce qui graphiquement peut être représenté par l’aire 2’-2-2". Cette destruction est due au fait que l’échange de chaleur n’est pas isotherme, comme c’est le cas pour le cycle réversible. La destruction d’exergie au niveau du détendeur est : Ldet = h3 − h4 − T 0 (s3 − s4 )

(1.39)

CHAPITRE 1. GÉNÉRALITÉS SUR LES SYSTÈMES FRIGORIFIQUES 25 Rappelons que l’on h3 − h4 = 0 car la détente est supposée isenthalpique. La destruction d’exergie peut donc être représentée par l’aire b-3’-3-c Ainsi la représentation des destructions d’exergies dans le diagramme T-s permet de visualiser les irréversibilités du cycle Evans-Perkins, et de quantifier leur importance.

Chapitre 2 Préserver la couche d’ozone

26

CHAPITRE 2. PRÉSERVER LA COUCHE D’OZONE

2.1

27

Les frigorigènes et la couche d’ozone

L’ozone (O3 ) est un gaz toxique pour l’homme et présent dans l’atmosphère en très faible quantité. L’ozone présent est principalement concentré entre les altitudes 20 à 40 km (la stratosphère) et forme une couche filtrante des rayons ultra-violets : la "couche d’ozone". Sans cette couche, nous serions exposés au rayonnement solaire ultraviolet. On classe le rayonnement ultraviolet en trois catégories selon la longueur d’onde :

les UV-A (de 320 à 400 nm ) sont très peu absorbés par l’atmosphère. La plupart des UV-A traversent la couche d’ozone et atteignent la terre les UV-B (de 280 à 320 nm) sont en grande partie arrêtés par la couche d’ozone. Le rayonnement UV-B varie beaucoup dans la journée et est maximum vers midi les UV-C (de 200 à 280 nm) sont totalement arrêtés par la couche d’ozone De manière générale, le rayonnement ultraviolet est nocif pour la santé. Néanmoins on peut dire que plus les longueurs d’onde sont courtes plus le rayonnement est dangereux. Ainsi c’est principalement l’exposition aux UV-B qui provoquent des effets (les UV-C n’atteignant pas la surface de la terre) : – les UV-B sont principalement responsables des "coups de soleil" ! – ils provoquent un vieillissement accéléré de la peau – les UV-B à forte dose sont dangereux pour les yeux et peuvent provoquer une photokératite (flash du soudeur). – ils affaiblissent le système immunitaire – ils sont également à l’origine de certains cancers de la peau La concentration d’ozone dans l’atmosphère qui nous protège de ce rayonnement ultraviolet résulte d’un équilibre entre des réactions chimiques de dégradation (figure 2.1) et de processus de formation, principalement par le rayonnement solaire (figure 2.2). Les molécules de composés chlorés, parmi lesquels on trouve les CFC (chlorofluorocarbures), agissent comme des catalyseurs des réactions de dégradation de l’ozone et déséquilibrent les processus. Lorsque ces composés atteignent la stratosphère, ils se décomposent sous l’effet du rayonnement solaire et libère du chlore, qui à son tour décompose l’ozone (figure 2.3). Ces molécules agissent comme des catalyseurs et ne sont pas détruites par la réaction chimique. Elles sont donc stables et peuvent rester de 20 à 120 ans dans l’atmophère, voire plus. On estime qu’une molécule de chlore peut détruire jusqu’à 100 000 molécules d’ozone avant de disparaître.


28

O2

O

O3 Le rayonnement solaire de forte énergie est aborbé par la molécule d'O3

O La molécule d'ozone se divise en un atome d'oxygène et une molécule de dioxygène

O3 O2

L'atome d'O entre en collision avec une molécule d'ozone

Deux molécules de dioxygène (O2) se sont formées

F IGURE 2.1 – Dégradation d’une molécule d’ozone en deux atomes d’oxygène par l’effet du rayonnement

O2 Le rayonnement solaire de forte énergie brise la molécule d'O 2

O La molécule d'oxygène se divise en deux atomes d'O

O

O2

Les atomes d'O entrent en collision avec d'autres molécules d'O2

O3 Des molécules d'ozone (O 3) se forment

F IGURE 2.2 – Formation d’ozone à partir de l’oxygène On recueille des données sur cette couche d’ozone depuis les années 50. La figure 2.4 présente l’évolution de l’épaisseur de la couche d’ozone au dessus de l’antarctique en unités Dobson (une unité Dobson correspond à 0.001 cm d’épaisseur) mesurée par le satellite Nimbus-7, et une deuxième mesure effectuée par les "instruments Dobson" au niveau du sol comme le font les scientifiques depuis les années 20. Dans les deux cas, on constate que la quantité d’ozone a été relativement stable jusque dans les années 1970. Depuis 1979, on assiste à un amincissement grave de la couche d’ozone au dessus de l’Antarctique. L’effet des gaz frigorigènes CFC et HCFC est différent pour chaque gaz. L’ODP est un indice permettant de caractériser la participation de la molécule à l’appauvrissement de la couche d’ozone. Il est calculé par rapport à une molécule de référence (CFC11) auquel on attribue un indice de 1.


29

Cl Cl Cl

Cl Cl

Cl

F

Cl

Cl

Le rayonnement solaire de forte énergie casse la molécule de CFC

O O

Cl

O Cl

Une molécule de dioxygène s'est formée et l'atome de chlore est à nouveau libre pour détruire une autre molécule d'ozone

O

F

Un atome de chlore est libéré

O Cl

Un atome d'oxygène entre en collision avec la molécule de monoxyde de chlore

O

O

L'atome de chlore entre en collision avec la molécule d'ozone

O Cl

O

O

Une molécule de monoxyde de chlore est formée

F IGURE 2.3 – La molécule de chlore est un catalyseur d’une réaction de dégradation de l’ozone Le tableau (4.1) présente la valeur de l’ODP (Ozone Depletion Potential) de chacun.

2.2

Protocole de Montréal

Le protocole de Montréal est un traité international relatif à des substances qui appauvrissent la couche d’ozone et qui réglemente la production et la consommation des substances appauvrissant la couche d’ozone. Il a été signé en septembre 1987 et mis en vigueur en 1989. Il a été précédé de la Convention de Vienne en 1985 qui encourageait la coopération intergouvernementale en matière de recherche, d’observation systématique de la couche d’ozone, de surveillance de la production de CFC, et d’échange de renseignements. Suite à la découverte du trou d’ozone de l’Antarctique, fin 1985, les gouvernements ont reconnu la nécessité de prendre des mesures plus vigoureuses pour diminuer la production et la consommation d’un certain nombre de CFC (CFC 11, 12, 113, 114, et 115), ainsi que de plusieurs halons (1211, 1301, 2402) ainsi que les HCFC (notamment le R22, le R123, le R141b et le R142b parmi les fluides utilisés alors en génie frigorifique). Le Protocole de Montréal relatif à des substances


30

Moyenne des mesures en Octobre

n o s b o D s é t i n U

Année

F IGURE 2.4 – Evolution de l’épaisseur de la couche d’ozone au dessus de l’Antarctique mesurée au sol et par satellite qui appauvrissent la couche d’ozone a finalement été arrêté le 16 septembre 1987 au Siège de l’Organisation de l’aviation civile internationale à Montréal. Le Protocole est entré en vigueur à la date prévue, le 1er janvier 1989, après avoir été ratifié par 29 pays et la Communauté économique européenne. Depuis de nombreux autres pays ont rejoint leurs rangs. Le Protocole a été conçu de manière à ce que le calendrier d’élimination puisse faire l’objet de révisions, en fonction d’évaluations scientifiques et techniques régulières. C’est à la suite de telles évaluations que le Protocole a été modifié afin d’accélérer le rythme des éliminations. Il a également été amendé afin d’introduire de nouveaux types de réglementations

F IGURE 2.5 – Evolution du trou de la couche d’ozone au dessus de l’Antarctique. http ://eospso.gsfc.nasa.gov


31

et pour ajouter de nouvelles substances réglementées à la liste. Il a depuis été ratifié par plus de 180 pays et a été amendé 4 fois : – à Londres en 1990 ou l’on y a inclus des CFC supplémentaires (CFC 13, 111, 112, 211, 212, 213, 214, 215, 216, 217) ainsi que deux solvants (le tétrachlorure de carbone et le méthyle chloroforme). La production et la consommation de CFC pour les pays de l’article 2 ont été interdits à partir du 1er janvier 1996 – à Copenhague en 1992, où ont été ajouté le bromure de méthyle, les HBFC, et les HCFC. Un gel de la production de HCFC ainsi qu’un calendrier de réduction progressive de la consommation de HCFC ont été mis en place. – à Montréal en 1997 – à Pékin en 1999. En ce qui concerne les CFC, les pays ratifiant le Protocole se sont engagés notamment à réduire, avant la fin des années 1990, leur consommation de 50 % par rapport aux niveaux de 1989 et à 0 % en 1996. En ce qui concerne les HCFC, les pays déterminent un calendrier de réduction progressive de la consommation jusqu’en 2030 (figure 2.6). Des règles moins exigeantes ont été établies pour les pays en voie de développement afin de ne pas trop freiner leur croissance économique. Le protocole demande aux Etats de favoriser les actions de recherche, développement et sensibilisation du public visant à améliorer le confinement, la récupération, le recyclage ou la destruction des substances visées. En ce qui concerne les installations frigorifiques, plusieurs fluides qui étaient alors utilisés sont concernés par ce protocole : les CFC (et notamment le R11, R12, R502) et les HCFC (notammemnt le R22). Le R11 était essentiellement utilisé pour les refroidisseurs d’eau. Le R12 était principalement utilisé pour le froid domestique et la climatisation automobile et dans quelques autres applications. Le R502, apparu dans les années 70, a été développé pour remplacer le R22 dans les systèmes monoétagés qui générait une température de refoulement trop élevée. Il était particulièrement utilisé dans les centrales frigorifiques des hyper et supermarchés, mais aussi dans un certain nombre d’applications industrielles et dans les transports frigorifiques. Le R22 est un HCFC. Il comporte un atome d’hydrogène, ce qui diminue très fortement sa durée de vie atmosphérique (12 ans) et donc son ODP (Ozone Depletion Potential) est au moins 50 fois plus faible que celui du R12. C’est pourquoi l’utilisation est encore possible maintenant dans les installations anciennes. Ce fluide était devenu à partir des années 60 le fluide frigorigène le plus vendu car utilisé dans le froid alimentaire comme dans la climatisation air/air, mais aussi dans les installations industrielles, dans les transports frigorifiques. C’est le fluide


32

120

9 8 9 1 e d C F C H e d n o i t a m m o s n o c a l e d %

à partir de 1996 100%

100

80 65% 60

40

35%

20 10% 0,5%

0%

0 1990

1995

2000

2005

2010

2015

2020

2025

2030

2035

2040

2045

Année

F IGURE 2.6 – Calendrier de réduction de la consommation de HCFC fixé par le protocole de Montréal qui est le plus difficile à remplacer car les fluides de substitution n’ont pas la même efficacité ni tout à fait les mêmes caractéristiques.

2.3

Règlement européen 2037/2000/CE du 29/06/2000

Pour mettre en oeuvre le protocole de Montréal et tenir ses engagements, l’Europe a établi le réglement 2037/2000 relatif aux substances appauvrissant la couche d’ozone. Il existait déjà un règlement (3083/94) relatif à ces substances qui avait établi l’arrêt de production des CFC, mais qui ne prévoyait pas la limitation de la production des HCFC. Ce nouveau réglement précise notamment que : – en ce qui concerne les CFC, la production est interdite – en ce qui concerne les HCFC, l’objectif fixé pour chaque état européen est : 1. de 2000 à 2008, de limiter la production à 100 % de la production de 1997 2. de 2008 à 2014, à 35 %


33

3. de 2014 à 2020, 20 % 4. de 2020 à 2025, 15% 5. au delà de 2025, 0 %

120

7 9 9 1 e d C F C H e d n o i t a m m o s n o c a l e d %

à partir de 1997 100%

100

80 65% 60

40

35%

20%

20

15% 0%

0 1990

1995

2000

2005

2010

2015

2020

2025

2030

2035

2040

2045

Année

F IGURE 2.7 – Calendrier de réduction de la consommation de HCFC fixé par l’Europe dans le règlement 2037/2000 (et en grisé par Montréal) Comme on peut le voir dans la figure 2.7, ce calendrier veille simplement à respecter le protocole de Montréal et reste modéré dans son application. Par contre, les limites pour la mise sur le marché des HCFC sont finalement beaucoup plus restrictives. En effet, ce réglement précise également les quantités pouvant être mises sur le marché par les producteurs (qui sont différentes des quantités produites, ceci étant principalement dû aux stocks et aux importations). L’essentiel à retenir est que, d’après ce réglement, la mise sur le marché de HCFC est interdite après le 31 décembre 2009. Les calendriers présentés jusqu’ici ne concernaient que les producteurs. Le réglement définit également un certain nombre de points concernant les utilisateurs : – interdiction d’utiliser les HCFC dans les aérosols et en tant que solvants


34

– interdiction d’utiliser les HCFC dans les réfrigérateurs/congélateurs après le 31/12/1995 – interdiction d’utiliser les HCFC dans les groupes frigorifiques de climatisation pour véhicules (automobiles, camions, tracteurs etc...) à partir du 31/12/2008 – interdiction d’utiliser des HCFC depuis le 1/1/2001 pour un équipement frigorifique au-dessus de 100 kW fabriqué après le 31/12/2000 – depuis le 1/7/2002 pour les équipements en dessous de 100 kW de puissance frigorifique fabriqué après le 30/06/2002 – depuis le 1/1/2004 pour les pompes à chaleur/climatisations réversibles : – le remplissage d’installations existantes pour maintenance et entretien sera interdit avec des HCFC vierges à partir du 1/1/2010 et avec des HCFC recyclés à partir du 1/1/2015 Le réglement définit également des mesures concernant l’utilisation de ces réfrigérants dans les mousses d’isolation (à retenir que dans tous les cas, cette utilisation est interdite à partir de 2004). Ce réglement fait également état de l’obligation de récupérer les substances réglementées pour destruction, et ceci pour tous les équipements frigorifiques (à partir du 31/12/2001 pour les réfrigérateurs et congélateurs). Il impose également un contrôle annuel de la présence de fuites pour tous les équipements frigorifiques contenant plus de 3 kg de fluide, et ceci par un personnel qualifié. Cette dernière mesure est en fait peu appliquée encore actuellement. Il impose aux producteurs, aux importateurs et exportateurs de substances de communiquer annuellement un ensemble de données concernant la production, les importations, la mise sur le marché, le recyclage et les stocks. Le principal fluide frigorigène HCFC concerné par ce règlement est le R22 (CH F 2Cl ).

2.4

Réglementation française : Décret du 07/12/1992 modifié en 98

Ce décret a été promulgué suite au protocole de Montréal et au réglement européen 594/91 (antérieur au 2037/2000 présenté dans le paragraphe précédent). Il établit un certain nombre de règles pour l’usage des fluides frigorigènes CFC, HCFC et HFC pour les installations utilisant plus de 2 kg de fluide : – tout dégazage dans l’atmosphère de ces fluides est interdit


35

– la récupération lors des opérations de vidange et d’entretien est obligatoire – tous les emballages contenant ces fluides doivent permettre la récupération des fluides résiduels – pour chaque opération concernant ces fluides, une fiche d’intervention doit être établie, indiquant la date et la nature de l’intervention, la nature et le volume du fluide récupéré et/ou réintroduit – comme dans le réglement européen, il est stipulé qu’une visite annuelle de contrôle d’étanchéité est obligatoire par une entreprise qualifiée (cette qualification est précisée dans des décrets suivants) – tout contrevenant est puni d’une amende pour une contravention de 5ème classe (on passe devant les tribunaux, amende au moins supérieure à 1500 euros) L’arrêté du 10 février 1993 précise la qualification et les diplômes demandée aux entreprises et personnels chargés de faire le contrôle d’étanchéité. L’arrêté du 12 janvier 2000 précise les modalités de ce contrôle (appareils, procédures, marquage des installations).

Chapitre 3 Limiter le réchauffement planétaire

36

CHAPITRE 3. LIMITER LE RÉCHAUFFEMENT PLANÉTAIRE

3.1

37

Froid et effet de serre

L’atmosphère retient en partie la chaleur que lui apporte le soleil (figure 3.1). Sans cet effet, la température au sol serait en moyenne de -15 °C. Ceci est dû à

F IGURE 3.1 – Mécanisme de l’effet de serre un certain nombre de gaz présents dans l’atmosphère dits "à effet de serre". Parmi ces gaz, le plus important en quantité est le CO2 . Ces gaz sont naturellement peu abondants, mais les activités humaines, et notamment par exemple la combustion de pétrole, charbon et gaz intensifient leurs émissio depuis deux siècles. Selon le troisième rapport d’évaluation du GIEC (Nations Unies) : – la concentration en gaz carbonique dans l’atmosphère atteint des niveaux jamais enregistrés depuis 420 000 ans – la vitesse d’évolution de cette concentration est la plus rapide jamais enregistrée depuis 20 000 ans Les conséquences attendues sont : – un réchauffement global d’ici 2100 compris entre 1,4 °C et 5,8 °C – des vagues de chaleurs plus longues et plus intenses – des précipitations de plus en plus intenses et de plus en plus variables – une élévation du niveau des océans (3 °C de plus devraient mener à une élévation de 5m) Certains effets sont déjà visibles, et notamment en France : retrait des glaciers,


38

modifications des écosystèmes (floraisons, migrations, périodes de végétation), évolutions des phénomènes agricoles (dates de récolte, conditions hydriques). Les réfrigérants HFC sont un effet de serre assez important. Comme pour l’effet vis à vis de la couche d’ozone, un indice a été établi afin de caractériser la participation de la molécule à l’effet de serre : c’est le GWP (Global Warming Potential). Il est calculé pour une durée déterminée ( 20 , 100 ,500 ans...) et par rapport à une molécule de référence (C02, CFC 11..) à laquelle on attribue un GWP égal à 1. Le tableau 4.1 présente la valeur du GWP pour la plupart des gaz réfrigérants.

3.2

Protocole de Kyoto

La conférence des Parties de Kyoto (1997) est un premier pas afin de limiter les concentrations atmosphériques de gaz à effet de serre à un niveau non dangereux pour l’humanité. Elle assigne aux pays industrialisés un objectif de réduction de 5,5 % en moyenne pour la période 2008/2012. L’Europe s’est engagée, elle, à réduire ses émissions de gaz à effet de serre (GES) de 8 % entre 2008 et 2012 sur la base de 1990. Ceci est une valeur moyenne pour la Communauté Européenne et chaque état a des objectifs propres (tableau 3.1). Les gaz à effet de serre sont principalement le gaz carbonique (C 02 ) pour 53 % , le méthane (CH 4 ) pour 17 %, l’oxyde d’azote ( N 2 O) pour 5 %, le perfluorocarbone (PFC ), le hexafluorure de soufre (SF 6 ) et les HFC.

F IGURE 3.2 – Gaz contribuant à l’effet de serre

CHAPITRE 3. LIMITER LE RÉCHAUFFEMENT PLANÉTAIRE Pays Luxembourg Allemagne Autriche Royaume-Uni Belgique Italie Pays-Bas France Finlande Suède Irlande Espagne Grèce Portugal

39

Accord de réduction 1990/2008 (ou d’accroissement) -27 % -21 % -13 % -12,5 % -7,5 % -6,5 % -6 % 0% 0% +4 % +13 % +15 % +25 % +27 %

TABLE 3.1 – Engagement des Pays d’Europe à réduire leurs émissions de gaz à effet de serre L’impact sur l’effet de serre d’un gaz est donné par son GWP (Global Warming Potential). Il représente la quantité de CO2 ayant le même impact qu’un kilo de ce gaz. Le GWP (Global Warming Potential) ou PRP (Potentiel de réchauffement planétaire) d’un mélange de fluides se calcule à partir des GWP et des fractions en masse ( xi ) de chacun des fluides qui le compose : GWPmelange = ∑( xi % · GWPi )

(3.1)

i

A noter : L’élimination des CFC par le protocole de Montréal a permis de réduire indirectement de façon significative l’impact sur l’effet de serre des installatoins frigorifiques. En 1990 les CFC représentaient 25 % des émissions globales de GES. En 2002 les émissions dues à l’utilisation des HFC ne représentaient plus que 0,5 % des émissions globales de tous les GES.


3.3

40

Réglement européen 842/2006 relatif à certains gaz à effet de serre fluorés (F-Gas)

Cette directive du 17/05/2006 concernant les émissions provenant des systèmes de climatisations d’automobiles et Règlement du 17/05/2006 relatif à certains gaz à effet de serre fluorés. Le règlement n° 842/2006 s’appliquera au 4 juillet 2007 à tous les GES fluorés contenus dans les équipements de froid, climatisation, pompe à chaleur et matériels de lutte incendie lorsque ces équipements sont fixes. Elle est présentée ici plus en détail car c’est le réglement le plus récent et qui sera appliqué dès 2007. On retrouve dans ce réglement de nombreux points déjà vus dans le règlement 2037/2000, mais cette fois pour toute installation contenant des HFC. En ce qui concerne le confinement, il est demandé de prendre toutes les dispositions nécessaires afin d’éviter les fuites de fluide. En particulier, le contrôle de l’étanchéité des installations par des personnels certifiés est obligatoire et périodique (voir tableau 3.2). Installation contenant A ≥ 3 kg ou ≥ 6 kg et hermétique B ≥ 30 kg C ≥ 300 kg

Un mois après réparation

Tous les 3 mois

Tous les 6 mois





 

Tous les 12 mois

 

TABLE 3.2 – Fréquence des contrôles d’étanchéité Si un système de détection des fuites est mis en place pour un système contenant plus de 30 kg de fluide, la fréquence des contrôles périodiques est divisée par deux (tous les 12 mois pour les systèmes de plus de 30 kg). Tout exploitant d’installations frigorifique plus de 3 kg de fluide doit tenir un registre où sont consignés la quantité et le type de gaz installé, les quantités ajoutées et récupérées ainsi que le nom des entreprises et techniciens intervenant. Des détecteurs de fuite doivent être installés pour les installations dont la charge est supérieure à 300kg. Ces détecteurs doivent être vérifiés tous les 12 mois. Tout exploitant d’installation doit mettre en oeuvre des moyens de récupération de fluide, ceci en ayant recours pour la plupart à une entreprise certifiée. Il en est de même des conteneurs de fluide (bouteilles, etc..)


41

Les intervenants sur les installations contenant plus de 3kg doivent tenir un registre dans lequel sont notés tous les ajouts et manipulations des fluides à effet de serre, en notant la date, la quantité, le type de fluide, et toutes les informations concernant l’entreprise et le technicien qui a effectué ces opérations. Ces registres doivent être présentés en cas de contrôle. Une nouveauté : le réglement stipule que l’étiquetage pour tout équipement contenant un gaz fluoré (dont les HFC) est obligatoire. Cette étiquette doit indiquer le type du fluide utilisé et la quantité. L’usage de HFC dans les mousses et aérosols, ainsi que dans des conteneurs non équipés pour la récupération sera interdit à partir de juillet 2007. Enfin, le règlement F-Gas européen Nˇr842/2006 impose des conditions techniques de qualification minimales pour toute entreprise dont le personnel manipule des fluides frigorigènes. La manipulation de ces fluides frigorigénes (CFC - HCFC - HFC) nécessite donc désormais des compétences techniques et des connaissances réglementaires.

3.3.1

Directive 2006/40 concernant les systèmes de climatisation de véhicules à moteur

Les systèmes de climatisation utilisés pour les véhicules à moteur (automobiles, camions, etc...) font l’objet d’une réglementation particulière. Ces systèmes utilisent actuellement pour une grande majorité le R134a, fluide ayant un GWP de 1300. Cette directive introduit la notion de limite de GWP à ne pas dépasser pour ces installations (150). Ceci exclut à terme le R134a. A retenir de cette directive : à partir du 1er janvier 2011, il ne sera plus possible de faire immatriculer un véhicule utilisant un fluide dont le GWP est supérieur à 150. Les principales autres règles à retenir, communes au réglement 842/2006, sont : – Pour pouvoir effectuer une opération de maintenance portant sur les fluides frigorigènes, l’opérateur doit avoir obtenu une attestation de capacité par un organisme agréé par l’état – Tout dégazage dans l’atmosphère de CFC, HCHC ou HFC est interdit – Les installations contenant plus de 2 kg doivent faire l’objet d’un contrôle d’étanchéité annuel – La recharge d’un système présentant un défaut d’étanchéité est interdite – L’opérateur doit renseigner un registre décrivant les interventions, quantité,


42

nature des fluides... – La récupération et le recyclage est obligatoire

3.4

Décret français 737/2007

Les décrets français ajoutent ou précisent certains points des réglements européens. Entre la règle européenne et la règle française, la plus stricte s’applique. C’est le cas du décret français 737/2007 qui précise et ajoute certaines règles du réglement européen 842/2006. Ce décret précise entre autres les conditions du contrôle par audit de la qualification et la compétence des opérateurs, impose la vente de fluide qu’aux opérateurs ayant une attestation de capacité, l’interdiction totale de dégazage et l’obligation de réparation immédiate de fuite, le contrôle de fuite des équipements de plus de 2 kg (et non plus 3 kg pour le réglement européen), l’obligation de déclaration annuelle des utilisations de fluide, l’obligation de marquage des appareils et installations et d’un carnet d’entretien. Comme le règlement F-Gas européen N 842/2006, le décret français 737/2007 imposent des conditions techniques de qualification minimales pour toute entreprise dont le personnel manipule des fluides frigorigènes (CFC - HCFC - HFC). Cette entreprise doit être préalablement inscrite en préfecture, et à compter du 4/07/2008 demander une attestation de capacité à un des organismes agréés par les Ministères de l’Ecologie et de l’Industrie.

3.5

TEWI

L’analyse de l’impact des installations frigorifiques sur l’effet de serre montrent qu’il faut prendre en compte deux contributions : les émissions de CO2 associées à la consommation d’énergie et les émissions directes de fluide frigorigène à l’atmosphère. Le concept de TEWI a été introduit pour prendre ces éléments en compte. La formule 3.2 permet de calculer les différentes contributions. T E W I = (GWP · mi · d e ) n + GWP · mi (1 − d r ) + ( E · b) t · n

            Fuites

Emi ssions en f in de vie

E f f et indirect

E f f et direct

avec

TEWI : kg de CO2 produit pendant la durée de vie de l’équipement

(3.2)


43

GWP : kg de CO2 équivalent au rejet d’1 kg de fluide mi : charge initiale de fluide frigorigène (kg) d e : taux d’émission annuel (kg de fluide émis/kg de charge initiale) n : durée de vie de l’installation (an) d r : efficacité de récupération lors de la mise au rebut (kg de fluide récupéré/charge initiale) E : consommation journalière d’électricité (kWh / 24 h) b : émission de CO2 par kWh d’énergie électrique produite (kg CO2/kWh) t : nombre de jours de fonctionnement annuel (jours/an)

Le paramètre b dépend beaucoup du moyen utilisé pour la production de l’électricité, et ceci est très différent d’un pays à l’autre. Par exemple, en France la valeur moyenne en 1998 est de 95 g équivalent CO2 /kWh alors que la valeur moyenne européenne est de 460 g équivalent CO2 /kWh (2003). Selon l’Institut International du Froid, la part due à la contribution directe est de 75 % en moyenne contre 25 % pour l’effet direct.

Chapitre 4 Les fluides frigorigènes

44

CHAPITRE 4. LES FLUIDES FRIGORIGÈNES

4.1

45

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)


4.1.1

46

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
4.1.2

Principaux fluides frigorigènes

Les caractéristiques des principaux fluides utilisés actuellement sont présentés dans le tableau 4.1.

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).


47

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 Pression gaz

Point critique

gaz liquide gaz+liquide

Enthalpie

F IGURE 4.1 – Cycle transcritique 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.


48

– 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, R404A, 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.

4.2

L’ammoniac : un fluide très réglementé

L’ammoniac est un produit naturel, très répandu dans la nature, nécessaire à la vie et sans influence sur la couche d’ozone, ni sur l’effet de serre. Par contre sa toxicité rend son utilisation dangereuse. L’odorat humain permet heureusement une détection de l’ammoniac dans l’air à des concentrations très faibles (3 à 5 ppm) bien inférieure au seuil de toxicité.

4.2.1

Risques

Dans les conditions ordinaires de température et de pression, il se présente sous forme de gaz incolore, beaucoup plus léger que l’air. L’ammoniac est un gaz irritant pour les muqueuses : conjonctive (partie qui recouvre l’intérieur des paupières et la surface de l’oeil jusqu’à la cornée), muqueuse nasale et pharynx. Sur la peau, l’ammoniac peut causer des brûlures dues à son pouvoir caustique ou dues à l’action du froid, on parle alors de brûlures froides (l’ammoniac contenu dans les installations de réfrigération se trouvant généralement à des températures très négatives (de 0 ˚C à -40 ˚C)). L’ammoniac qui est parfaitement soluble dans l’eau peut présenter, en cas de fuite importante, un risque pour la faune et la flore, et notamment pour les poissons


49

de rivière qui sont très sensibles à tout changement qualitatif de leurs milieux. Le gaz ammoniac brûle difficilement dans l’air, mais peut, dans le cas notamment des espaces clos, être suffisamment concentré pour exploser. On considère que l’ammoniac est explosible à partir de concentration volumique comprise entre 16 et 25

4.2.2

Réglementation

Les installations à l’ammoniac sont soumises à la loi 76-663 du 19 juillet 1976 relative aux installations classées pour la protection de l’environnement (ICPE). Cette loi définit deux grandes catégories d’installation :

les installations soumises à déclaration Ce sont les plus nombreuses. Elles nécessitent de déposer un dossier de demande auprès de M. le Préfet. Il n’ a pas d’étude d’impact demandée les installations soumises à autorisation Un dossier de demande doit être également déposé auprès du Préfet, mais il est plus complexe. Il doit notamment comporter des études qui visent à prévenir les risques, une étude d’impact écologique, une notice concernant l’hygiène et la sécurité du personnel. Ce dossier doit être déposé en même temps que le permis de construire. Ainsi, les installations de réfrigération utilisant l’ammoniac comme fluide frigorigène sont soumises à cette réglementation quand : – la quantité d’ammoniac utilisée pour produire du froid est supérieure à 150 kg (déclaration), le seuil de l’autorisation étant de 1,5 tonnes – la puissance des machines utilisées pour produire le froid est supérieure à 20 kW (déclaration), le seuil de l’autorisation étant de 300 kW Les salles des machines qui abritent la plupart des équipements contenant de l’ammoniac doivent disposer d’un système (désenfumoire) permettant d’ évacuer la fumée qui s’y accumulerait en cas d’incendie. Ces sytèmes doivent pouvoir extraire les fumées pour évacuer l’ammoniac en cas de fuite (débit d’extraction...) et d’autre part être compatible avec l’extracteur lui même (emplacement, résistance à la chaleur...). L’installation doit bien sûr être équipée de moyens de détection et de lutte concernant l’incendie et une fuite d’ammoniac. Les installations utilisant de l’ammoniac comme fluide frigorigène disposent d’un certain nombre de vannes concentrées principalement dans la salle des machines, et qui permettent d’isoler l’ammoniac pour notamment éviter qu’en cas de fuite une trop grosse quantité ne soit rejetée. Ces vannes doivent être accessibles


50

en toutes circonstances et le sens de fermeture de celles-ci doit être clairement indiqué. L’ammoniac étant un produit dangereux pour la faune et la flore, et notamment pour le milieu aquatique, la prévention de la pollution des eaux est un des enjeux des installations utilisant l’ammoniac. Plusieurs mesures sont ainsi imposées aux exploitants : – les installations doivent être associées à une rétention étanche et suffisamment dimensionnée, pour récupérer les fuites éventuelles – l’exploitant ne peut rejeter l’eau qu’il utilise qu’après avoir vérifié qu’elle n’était pas chargée en ammoniac – l’exploitant doit réaliser des contrôles de ses rejets au moins une fois par an L’exploitant doit posséder des plans complets et à jour de ses réseaux d’eau, des installations de réfrigération et de l’implantation des détecteurs ammoniac et incendie. Ils permettent de s’assurer de la présence d’organes de sécurité sur les installations de réfrigération. Ils permettent également de vérifier que les réseaux d’eau sont bien de type séparatif. Enfin les installations à l’ammoniac sont soumises comme les autres installations à la réglementation des équipements sous pression.

Cours Froid Environnement

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