Dioxyde de carbone (CO₂)

Propriétés générales

Du point de vue purement thermodynamique, le CO₂ n'est pas un réfrigérant idéal. Il possède en revanche plusieurs propriétés thermophysiques uniques :

  • un très bon coefficient de transfert de chaleur
  • une relative insensibilité aux pertes de pression
  • une viscosité très faible

Dans les applications pratiques, les systèmes au CO₂ offrent des performances très élevées, principalement en raison du meilleur échange thermique, de la puissance de pompage très faible lorsque le CO₂ est utilisé comme fluide secondaire et de la possibilité, en climat froid, de fonctionner avec une pression de condensation très basse en hiver.

L'efficacité des systèmes au CO₂ dépend plus de l'application et du climat que celle des autres réfrigérants. L'efficacité des systèmes diminue en effet avec l'augmentation des températures de condensation pour tous les réfrigérants, mais le CO₂ compte parmi les réfrigérants présentant la baisse la plus forte. Les bonnes propriétés thermophysiques du CO₂ peuvent compenser ce phénomène dans une certaine mesure, mais pas complètement.

Le CO₂ a une teneur énergétique élevée à des températures supérieures, et lorsque cette chaleur peut être récupérée pour chauffer l'eau sanitaire ou pour une application similaire, l'efficacité du système global devient considérable.

Impact sur l'environnement

Du point de vue environnemental, le CO₂ est un réfrigérant très intéressant au PACO nul et au PRG égal à 1. C'est une substance naturelle présente en quantité abondante dans l'atmosphère.

Pression et température

Le CO₂ est un fluide frigorigène haute pression nécessitant des pressions de service élevées pour un fonctionnement efficace. À l'arrêt, la température ambiante peut atteindre et dépasser la température critique et la pression peut dépasser la pression critique. Les systèmes sont donc généralement conçus pour résister à des pressions allant jusqu'à 90 bars, voire équipés d'un petit groupe de condensation d'arrêt permettant de maintenir les pressions à un niveau bas.

Le CO₂ présente par ailleurs un faible rapport de pression de compression (20 à 50 % de moins que les HFC et l'ammoniac), ce qui améliore le rendement volumétrique. Avec des températures d'évaporation comprises entre -55 °C et 0 °C, la performance volumétrique du CO₂ est par exemple quatre à douze fois supérieure à celle de l'ammoniac, ce qui permet d'utiliser des compresseurs à plus faible volume balayé.

Le point triple et le point critique du CO₂ sont très proches de la plage de service. Le point critique peut être atteint pendant le fonctionnement normal du système. Le point triple peut quant à lui être atteint pendant l'entretien du système, comme l'indique la formation de glace carbonique lorsque des parties du système contenant du liquide sont exposées à la pression atmosphérique. Des procédures spéciales sont nécessaires pour prévenir la formation de glace carbonique pendant l'aération de service.

Interaction avec d'autres matériaux

Le CO₂ ne réagit pas avec les métaux courants ou avec les composants en Teflon®, en PEEK ou en néoprène. Il se diffuse toutefois en élastomères et peut provoquer un gonflement avec le caoutchouc butyle (IIR), le caoutchouc nitrile (NBR) et les matériaux éthylène-propylène (EPDM).

La densité du CO₂ liquide est environ 1,5 fois supérieure à celle de l'ammoniac, ce qui entraîne une charge massique plus élevée dans les évaporateurs, comme les grands refroidisseurs à plaques des grands systèmes industriels. Une densité plus élevée implique une circulation d'huile également plus importante, rendant indispensables des séparateurs d'huile efficaces pour les systèmes industriels.

Rentabilité

Le CO₂ étant un sous-produit dans de nombreux secteurs, il est peu onéreux. Les systèmes au CO₂ ont toutefois tendance à être plus coûteux que les systèmes traditionnels en raison de pressions plus élevées (dans les systèmes transcritiques) ou d'une complexité accrue (à la fois dans les systèmes transcritiques et sous-critiques). La complexité des systèmes semble diminuer avec l'arrivée des systèmes Booster, et le nombre d'installations au CO₂ ayant augmenté, leur coût avoisine désormais celui des systèmes de référence utilisant des HFC.

Les grands systèmes secondaires au CO₂, en particulier dans la réfrigération industrielle, peuvent être moins chers à construire que leurs équivalents au glycol et donc présenter un coût initial et un coût de cycle de vie moins élevés.

Applications

Contrairement à la plupart des autres réfrigérants, le CO₂ est, en pratique, utilisé dans trois cycles de réfrigération différents :

  • sous-critique (systèmes en cascade) 
  • transcritique (systèmes exclusivement au CO₂)
  • fluide secondaire (CO₂ utilisé en saumure volatile) 

La technologie employée dépend de l'application et de l'emplacement prévu du système. Il existe plusieurs applications pour lesquelles le CO₂ est une option intéressante déjà largement utilisée : 

  • la réfrigération industrielle (le CO₂ est généralement associé à de l'ammoniac, soit dans des systèmes en cascade, soit sous la forme de saumure volatile) 
  • la réfrigération dans le commerce/l'alimentation au détail
  • les pompes à chaleur
  • le transport frigorifique

Danfoss estime que le CO₂ sera le principal réfrigérant dans les systèmes de réfrigération commerciaux multipack. Le règlement sur les gaz à effet de serre fluorés va clairement dans ce sens. 

Les systèmes au CO₂ peuvent également être étendus à la récupération de chaleur. Plusieurs cas l'ont démontré, l'investissement supplémentaire pour obtenir la chaleur résiduelle est très souvent négligeable.

Applications au CO₂ dans l'alimentation au détail et la réfrigération industrielle

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