Différents types de fluides employés dans les systèmes frigorifiques

Le fonctionnement des machines frigorifiques requiert l'emploi de différents types de fluides : Les fluides frigorigènes pour la fabrication du froid et les fluides frigoporteurs pour son stockage et transport jusqu’au lieu d’utilisation dans les systèmes de réfrigération secondaire.

I.2.1 Fluides frigorigènes

Ils sont utilisés pour produire le froid dans les systèmes de réfrigération. Afin d'être performants, ils doivent posséder des propriétés thermodynamiques leurs permettant de s'évaporer et de se condenser aux températures et pressions requises par les applications visées. Il en existe différents types, parmi lesquels :

 les ChloroFluoroCarbures (CFC) : gaz fluorés interdits depuis le protocole de Montréal de 1987 en raison de leur impact sur la couche d’ozone ;

 les HydroChloroFluoroCarbures (HCFC) : gaz fluorés utilisées en remplacement des

CFC, moins stables ce qui les rend un peu moins nocifs que ces derniers, néanmoins ayant un impact sur la couche d’ozone et étant considérés comme gaz à effet de serre ; appelés à une disparition d’ici 2030 (protocole de Copenhague) ;

 les HydroFluoroCarbures (HFC) : gaz non fluorés donc sans impact sur la couche d’ozone, mais présentant un potentiel de réchauffement (gaz à effet de serre) ; moins dangereux que ses prédécesseurs, il doit cependant rester sous contrôle et être confiné le plus possible de manière à éviter au maximum tout type de fuites

 les HydroFluoro-Oléfines (HFO) : nouveaux composés, non saturés (double liaison

C-C), les rendant très réactifs dans l’atmosphère et avec une durée de vie très limitée (inférieure à un mois), ce qui diminue fortement leur impact sur l’environnement ; leur pouvoir de réchauffement global (GWP) de l’ordre de 5 est nettement inférieur à celui des HFC (entre 100 et 8000) ; son principal inconvénient vient des produits issus de sa dégradation puisque sa décomposition forme de l’acide trifluoroacétique (TFA) potentiellement dangereux pour l’environnement lorsqu’il passe dans l’hydrosphère.

I.2.2 Les fluides frigoporteurs

Bien que les propriétés environnementales des fluides frigorigènes soient en constante amélioration ils ne sont pas encore neutres, d’où l’intérêt des fluides frigoporteurs. Ces derniers ont pour but de transporter le froid du lieu de production vers le lieu d'utilisation. Afin de remplir cet objectif, ils doivent posséder une forte densité énergétique et de bons coefficients de transfert de manière à emmagasiner et restituer facilement de grandes quantités de chaleur. Ils doivent de plus être non polluants et avoir une viscosité suffisamment faible pour diminuer les pertes par frottement le long des canalisations. Il en existe deux sortes (Fournaison et al., 2000) : les monophasiques et les diphasiques.

I.2.2.1 Fluides monophasiques

Les fluides monophasiques échangent de la chaleur sensible avec le milieu à refroidir. Ils sont actuellement les plus utilisés en réfrigération secondaire. Il en existe de plusieurs types tels que les gaz comme l'azote pour le transport à basse température, ou encore les solutions aqueuses saturées en sels (saumures) comme le chlorure de sodium. Des mélanges d'eau et d'alcool comme le mono-éthylène glycol et le propylène glycol peuvent également être trouvés.

I.2.2.2 Fluides diphasiques

Ces fluides ont la particularité d'avoir simultanément deux phases en présence. Il en existe deux sortes : les mélanges liquide-vapeur et les mélanges liquide-solide comme les coulis de glace ou d'hydrates. Seuls les mélanges liquide-solide seront abordés dans cette thèse.

Dans le cas des fluides liquide/solide, la phase solide est constituée de particules en suspension dans une phase liquide. Le transport des calories s'effectue ainsi de deux manières : par chaleur latente lors de la formation et la dissociation de la phase solide, mais également par chaleur sensible lors de l’élévation ou la diminution de température du fluide. Ils peuvent ainsi transporter beaucoup plus de chaleur par unité de volume que les fluides monophasiques. Par exemple, dans le cas des coulis de glace, l'enthalpie de fusion de la glace est de 333 kJ.kg-1, tandis que la chaleur sensible de l'eau liquide est de 4,18 kJ.kg-1.K-1. La quantité de chaleur dégagée par chaleur latente est donc 80 fois plus importante que celle par chaleur sensible (pour une variation de température de 1 K). On comprend ainsi l'intérêt qu’apportent les fluides diphasiques par rapport aux monophasiques. La chaleur latente de

Chapitre I : Etat de l’art général

___________________________________________________________________________ fusion mise en œuvre lors de leur changement de phase en fait ainsi de bons candidats pour les systèmes de réfrigération secondaire.

I.2.2.3 Avantages et inconvénients des frigoporteurs

Les frigoporteurs monophasiques possèdent l’avantage d'être faciles à utiliser puisqu'ils circulent simplement dans la boucle du circuit secondaire en échangeant de l'énergie par chaleur sensible au niveau de l’échangeur. Les systèmes à frigoporteurs monophasiques ont une efficacité globale assez faible et nécessitent l'emploi de canalisations possédant un diamètre élevé et des débits importants pour assurer un échange thermique suffisant.

Les frigoporteurs diphasiques possèdent quant à eux une plus grande densité énergétique (Malek et al., 1991; Fournaison et al., 2000) ce qui permet de réduire les débits de circulation des fluides ainsi que le diamètre des canalisations. Selon la nature du fluide, les températures de changement de phase sont variées, leur permettant ainsi de s’adapter à des applications nécessitant des températures très différentes allant de la conservation des aliments (-5 °C) à la climatisation domestique (10 °C). Par contre, ces fluides présentent un inconvénient lié au procédé de formation de la phase solide, qui nécessite un surcout à la fois économique et énergétique. Il est ainsi possible de citer les matériaux à changements de phase microencapsulés, les coulis de glace mais également les coulis d‘hydrates de CO2 qui vont être plus amplement détaillés dans la suite de cette partie.

Il existe plusieurs types de fluides frigoporteurs diphasiques, parmi lesquels les coulis de glace et les coulis d’hydrates. La différence entre ces coulis réside dans les procédés de fabrication et leurs propriétés thermophysiques. Les coulis de glace sont formés à pression atmosphérique par des échangeurs de chaleur spéciaux. La formation des cristaux de glace qui en résulte est ensuite collectée par brossage ou raclage. Ils sont déjà utilisés dans certains secteurs comme le stockage du froid dans l'alimentaire. Les coulis d’hydrates de gaz peuvent quant à eux être formés par injection de gaz ou par refroidissement, à pressions modérées (1-2 MPa). Ils peuvent donc s’affranchir des procédés de raclage brossage (énergivores et peu fiables), mais nécessitent une production et un fonctionnement sous pression. Néanmoins, les hydrates de CO2 présentent une chaleur latente de fusion (374 kJ.kg-1) supérieure à celle de la glace (333 kJ.kg-1), ce qui les rend très attractifs pour le stockage et le transport de froid.