Author Image Posted By : Sylvie 15 Sep, 2014

Comparer les performances des fluides frigorigènes

Comparer les performances des fluides frigorigènes

Principes

Les différents fluides frigorigènes ne sont pas égaux devant le froid. Certains ont une meilleure efficacité frigorifique que d’autres; c’est pourquoi il est important d’évaluer leurs différences.

Coefficient de performance instantané COP

Cycle frigorifique classique.

L’effet frigorifique ou COP est défini par la relation suivante :

COP = Puissance frigorifique / Puissance électrique absorbée

Où :

  • Puissance frigorifique : puissance utile à l’évaporateur [kWf];
  • Puissance électrique absorbée : puissance électrique par le compresseur [kWe].

Production frigorifique spécifique

Le type de fluide frigorigène influence le COP. La recherche d’un fluide frigorigène à forte production frigorifique par volume de gaz aspiré au niveau du compresseur est primordiale. Un fluide frigorigène est d’autant plus performant que sa chaleur latente d’ébullition (ou d’évaporation) à l’évaporateur et un faible volume spécifique des vapeurs à l’aspiration.

La production par m³ de fluide aspiré sous forme de gaz au compresseur est donnée par la relation suivante :

Production frigorifique spécifique = Chaleur latente d’ébullition / Volume spécifique des vapeurs à l’aspiration

[kJ/m³]

Où :

  • La chaleur latente d’ébullition est exprimée en kJ/kg ;
  • Et le volume spécifique des vapeurs en m³/kg.

Cette production frigorique par m³ de gaz aspiré est donc inversement proportionnelle à la cylindrée des compresseurs et donc de leurs coûts. Il en résulte que les quantités de fluides frigorigènes, pour une même puissance frigorifique, peuvent être plus importantes d’un type à l’autre de fluide.

Comparaison

L’exercice consiste à comparer plusieurs fluides frigorigènes entre eux afin de déterminer leur production frigorifique spécifique et leur COP.

Pour ce faire, on se propose d’étudier, à travers d’un exemple et succinctement, les fluides suivants :

  • Le R22 ou fluide pur HCFC encore présent dans beaucoup d’installations existantes à faible ODP (ODP = 0,055) mais à GWP important (GWP = 1700) ;
  • Le R404A ou mélange de HCFC majoritairement utilisé dans les nouvelles installations de froid commercial sans impact sur la couche d’ozone (ODP = 0) mais à GWP important (GWP = 3260) ;
  • Le R507 ou autre mélange de HFC utilisé régulièrement dans les nouvelles installations.

Hypothèses :

  • Puissance frigorifique utile nécessaire : Pfrigorifique = 100 kW;
  • Température de condensation = 40°C;
  • Température d’évaporation ou d’ébullition -10°C;
  • Sous-refroidissement = 5°C;
  • Surchauffe = 5°C;
  • rendement du compresseur ηcomp = 0,85;
  • rendement du moteur électrique ηmoteur_élec = 0,85;
  • pas de pertes de charge ni d’échange thermique au niveau des conduites;

Cycle théorique :

R22

En fonction des hypothèses prises, on peut établir le graphique suivant qui permet de déterminer les valeurs :

  • d’enthalpie au niveau de l’évaporateur : soit Δhévaporateur = 405 – 244 = 161 kJ/kg;
  • énergie théorique de compression : soit Δhcompression = 443 – 405 = 38 kJ/kg;
  • de volume massique à l’aspiration : soit Vmassique_aspiration = 0,067 m³/kg.

Calculs :

  • Pour une puissance frigorifique demandée de 100 kW, le débit massique de R22 est de :

débitmassique = Pfr / hévaporateur [kg/s]

débitmassique = 100 [kJ/kg] / 161 [kW] = 0,62 kg/s ou 2 236 kg/h

  • Le volume réel à aspirer par le compresseur est de :

Volumeréel = débitmassique * volumemassique_aspiration

Volumeréel  = 0,62  [kg/s] / 0,067  [m³/kg] = 0,04 m³/s

soit en une heure un volume aspiré au niveau du compresseur de 0,04 x 3 600 = 150 m³/h

  • Le rendement volumétrique du compresseur est de :

ηVolume = 1 – (0,05 x τ)

Où :

τ  = HP / BP (en pression absolue)

ηVolume  = 1 – (0,05 x HP / BP)

ηVolume  = 1 – (0,05 x 15,3 / 3,55) = 0,78

  • Le débit théorique nécessaire est de :

Débitcompresseur = Volumeréel / ηVolume

Débitcompresseur = 150 / 0,78

Débitcompresseur = 190 m³/h

  • La puissance électrique du moteur du compresseur est de :

Pelectr_absorbée = débitmassique x  Δhcompression x (1 /  ( ηcomp x ηmoteur_elec x ηVolume))

Pelectr_absorbée = 0,62 x 38 x (1 / (0,85 x 0,85 x 0,785))

Pelectr_absorbée = 41 kW

  • Enfin, la performance énergétique (ou effet frigorifique) de la machine est de :

COP = Pfrigorifique / Pelectr_absorbée

COP = 100 / 41 = 2,4

R404A

Comme pour le R22, avec les mêmes hypothèses, on effectue les calculs amenant à déterminer le COP de l’installation. Le tout est consigné dans le tableau de synthèse ci-dessous.

R507

Comme pour le R22, avec les mêmes hypothèses, on effectue les calculs amenant à déterminer le COP de l’installation. Le tout est consigné dans le tableau de synthèse ci-dessous.

Synthèse

Pour les 3 fluides étudiés ci-dessus, on établit un tableau synthétique qui nous permet une comparaison des principales caractéristiques et performances des fluides réfrigérants :

Caractéristiques et performances des fluides frigorigènes

R22

R404A

R507

Haute pression [bar]

15

18,2

18,8

Basse pression [bar]

3,6

4,3

4,5

Taux de compression (τ = HP / BP)

4,3

4,2

4,2

Rendement volumétrique ηVolume

0,78

0,79

0,79

Température de fin de compression [°C]

70

50

53

Volume spécifique à l’aspiration du compresseur [m³/kg]

0,067

0,048

0,046

Débit massique du fluide réfrigérant [kg/s]

0,62

0,85

0,88

Volume réellement aspiré [m³/s]

0,04

0,04

0,04

Volume théorique [m³/h]

191

185,3

185,5

Puissance électrique [kW]

41

39

50

COP

2,4

2,6

2

Diminution des performances

– 8 %

– 23 %

Conclusion

Les fluides frigorigènes étudiés présentent beaucoup de similitudes. On voit néanmoins que le COP du R404A est meilleur; ce qui signifie que dans des conditions idéales et identiques (en régime permanent et stable par exemple), pour une période de temps identique, la consommation d’une machine :

  • au R22 est 8 % plus élevée;
  • au R507 est 23 % plus élevée.