Cours Froid Environnement

8/2/2019 Cours Froid Environnement

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Froid et Environnement

Denis LEDUCQ, Cemagref

2009

1



Table des matières

1 Généralités sur les systèmes frigorifiques 4

1.1 Principe de production du froid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

1.1.1 Cycle monotherme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

1.1.2 Cycle frigorifique ditherme . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

1.1.3 Cycle frigorifique tritherme . . . . . . . . . . . . . . . . 14

1.1.4 Efficacité du cycle à compression de vapeur . . . . . . . . 16

2 Préserver la couche d’ozone 20

2.1 Les frigorigènes et la couche d’ozone . . . . . . . . . . . . . . . 21

2.2 Protocole de Montréal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

2.3 Règlement européen 2037/2000/CE du 29/06/2000 . . . . . . . . 24

2.4 Réglementation française : Décret du 07/12/1992 modifié en 98 . . 26

3 Limiter le réchauffement planétaire 27

3.1 Froid et effet de serre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

3.2 Protocole de Kyoto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

3.3 Réglement européen 842/2006 relatif à certains gaz à effet de serrefluorés (F-Gas) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

3.3.1 Directive 2006/40 concernant les systèmes de climatisa-

tion de véhicules à moteur . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

3.4 Décret français 737/2007 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

3.5 TEWI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

4 Les fluides frigorigènes 34

4.1 Critères de choix d’un fluide frigorigène . . . . . . . . . . . . . . 35

4.1.1 Dénomination des fluides Rxyz . . . . . . . . . . . . . . 36

4.1.2 Principaux fluides frigorigènes . . . . . . . . . . . . . . . 36

4.2 L’ammoniac : un fluide très réglementé . . . . . . . . . . . . . . 38

2



TABLE DES MATIÈRES 3

4.2.1 Risques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

4.2.2 Réglementation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38



Chapitre 1

Généralités sur les systèmes

frigorifiques

4



CHAPITRE 1. GÉNÉRALITÉS SUR LES SYSTÈMES FRIGORIFIQUES 5

1.1 Principe de production du froid

Produire du froid est un terme impropre, bien que très souvent utilisé. Un cycle

permettant de produire du froid ne "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 Cycle monotherme

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 :

x x x x x x x x x x x





x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x

T

Q

W

FIGURE 1.1 – Cycle monotherme

Q +W = 0 (1.1)

et le second principe :Q

T +∆S = 0 (1.2)

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. Ainsi, lors d’un cycle monotherme, la chaleur ne peut être que cédée

à l’extérieur (on chauffe la source) et le travail reçu de l’extérieur.




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 sourcede 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







Tf

Qf

W








Tc

-Qc

FIGURE 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




température des sources :Q f

T f +

Qc

T c= 0 (1.4)

d’où

Qc = −Q f

T c

T f (1.5)

Si on reporte cette expression dans l’équation 1.3, on obtient :

W = Q f

T cT f −1

(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’ex-

pression du coefficient de performance dans le cas d’un cycle réversible :

COP =1

T cT f −1

(1.8)

d’où l’expression de l’efficacité maximum pouvant être atteinte par un cycle di-

therme (efficacité de Carnot) :

COP =T f

T c−T f (1.9)




-30 -25 -20 -15 -10 -5 0

15

20

25

30

35

40

45

50

55

Tf

T c

4

5

6

7

8

9

10

11 12

FIGURE 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 mo-

trice 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 iso-

thermes. 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




T

s

1

234

5

67 8

P

h

1

2

34

5

67 8

FIGURE 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 etl’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 spéci-

fique : la vaporisation d’un liquide. Cependant, de nombreux phénomènes en-

dothermiques 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.




TABLE 1.1 – Phénomènes endothermiques

Phénomènes Commentaires

Vaporisation d’un liquide Ex : vaporisation d’azote liquide

(pour l’eau, à P=1 atm, Lv = 2258kJ /kg )

Fusion d’un solide Ex : glaçon dans le pastis !(pour la glace L f = 333kJ /kg )

Sublimation d’un solide Ex : glace carbonique

Désorption d’un gaz Ex : cycle à absorption et adsorption

d’un liquide ou d’un solide

Détente d’un gaz Ex : détente d’air

dans certaines conditions

Effet Peltier Echauffement de jonctions de métaux

alimentés electriquement

Dissolution d’un soluté

dans un solvant

Désaimantation d’un métal Effet frigorifique pour quelques métaux raresparamagnétique

On utilise la détente d’un gaz dans le cycle à air ouvert, cycle peu utilisé ce-

pendant. 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 Pel-

tier. Ces unités sont notamment utiles lorsque la mise en oeuvre d’une machine

frigorifique utilisant un liquide pose des problèmes pratiques ou de sécurité (re-

froidissement de composants électroniques par exemple). Le rendement de ces

modules est faible et dégage donc beaucoup plus de chaleur qu’il n’en extraitdu 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 :




T

s

P

h

1

234

5

7 8

6

1

2

3

45

6

7

8

FIGURE 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 mécaniquelors de la détente, et cette énergie mécanique est habituellement utilisée pour l’en-

traînement du compresseur (il est nécessaire d’apporter cependant une énergie

mécanique supplémentaire pour effectuer la compression). On utilise alors un élé-

ment 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 :

W = −

V 1

V 2PdV (1.10)

La compression étant supposée adiabatique, on a :

PV γ = constante (1.11)

L’équation 1.10 peut donc s’écrire :

W = −PV γ V 1

V 2

dV

V γ (1.12)

En intégrant cette équation, on obtient :

W = P2V 2−

P1V 1γ −1

(1.13)




L’air étant considéré comme un gaz parfait, dont le comportement est régi par

l’équation PV = nRT , on peut écrire :

W = nRT 2−T 1

γ −1(1.14)

Le coefficient de performance d’un cycle tel que présenté dans la figure 1.5

peut ainsi être exprimé par :

COP =Q7−8

W 1−2 −W 5−6=

C p (T 8−T 7)nRγ −1 (T 2 −T 1−T 5 + T 6)

(1.15)

Puisque C p = nR

1− 1γ

, on obtient l’expression :

COP = γ (T 8−T 7)(T 2−T 1−T 5+T 6) (1.16)

Une application numérique est présentée dans la figure 1.6.

P1=P8=4barT1=T8=5˚C

P2=20barT2=167,3˚C

TPγ−1

=cste

(γ air=1,4)

Compressionadiabatique

Refroidissementisobare

P5=20barT5=20˚C

TPγ−1

=cste

Détenteadiabatique

P7=P6=4barT7=T6=-88˚C

Réchauffementisobare

FIGURE 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)

COP = 2,4 (1.17)




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 compo-

sants :

– 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.

W

Qc

Qf

Compresseur

Condenseur

Détendeur

Evaporateur 1

2

34

5

6

7 8

FIGURE 1.7 – Système frigorifique à compression mécanique de vapeur

Ce système est composé de :




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’évapora-

tion

Ce système ne peut fonctionner de manière réversible. Même si la compres-

sion 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 majo-rité 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 isentro-

pique.

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

T

s

1

23

4

5

6 7 8

P

h

1

234

5

6

7 8

3'

FIGURE 1.8 – Tracés du cycle de réfrigération à compression de vapeur dans les

diagrammes T-s et P-h




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.

P1=Tsat(5˚C)=5,2barT1=5˚C

(vapeur saturée)

P2=Tsat(20˚C)=8,6barT2=38,9˚C

(vapeur surchauffée)

(Fluide NH3)

Compressionisentropique

Refroidissementisobare

Détenteisenthalpique

Réchauffementisobare

P3'=Tsat(20˚C)=8,6barT3'=20˚C

(vapeur saturée)

Condensationisobare


(liquide saturé)


(mélange liquide-vapeur)

FIGURE 1.9 – Application numérique cycle à compression de vapeur avec chan-

gement de phase

Le coefficient de performance du cycle Evans Perkins, en négligeant les irré-

versibilités de la compression et en supposant que l’évaporation et la condensation

s’effectuent à la température des sources est :

COP =h8−h7

h2−h1(1.18)

où h est l’enthalpie du fluide.




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

15

= 18,5 (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 :Qc = (KS)c (T c −T sc)Qe = (KS)e

T e −T s f

(1.20)

où Qc est la puissance échangée au condenseur, KS est la conductance thermiqueglobale de l’échangeur, T c la température de condensation et T sc la température de

la source chaude, Qe 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 :Qe + Qc +W = 0

Qe/T e + Qc/T c = 0(1.21)

En combinant les équations précédentes, le coefficient de performance peut

être exprimé par :

COP =˙

QeW =

T s f −Q

e/KS

T sc−T s f +Qe/KS (1.22)

où KS est défini par :1

KS=

1

(KS)c+

1

(KS)e(1.23)

Si l’on trace le coefficient de performance en fonction de la puissance frigori-

fique, 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.




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 KSc = 2kW /K et KSe = 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 paragrapheprécédent.

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 trèschaude !). 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







Tf

Qf








Tc

-Qc









Th

Qh

FIGURE 1.10 – Cycle tritherme




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 températureLe second principe nous permet d’écrire, pour un cycle réversible et en sup-

posant que les échanges de chaleur se font à la température des sources :

Q f

T f +

Qc

T c+

Qh

T h= 0 (1.25)

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

COP =Q f

Qh

(1.26)

soit en reportant l’équation 1.25 :

COP = −T f

T h−

T f

T c

Qc

Qh

(1.27)

D’après 1.24 :Qc

Qh

= −Q f

Qh

−1 = −COP−1 (1.28)

d’où

COP

1−

T f

T c

=

T f

T c−

T f

T h(1.29)

et donc

COP = T f

T c−T f

T h−T cT 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 ma-

nière thermique. Ainsi on retrouve les principaux composants déjà cités, conden-

seur, détendeur, évaporateur.




Qc

Qf

Condenseur

Détendeur

Evaporateurvapeur Qc'

Pompe

Solutionriche Qbo

Absorbeur Bouilleur

"Compressionthermique"

Détendeur

Solutionpauvre

FIGURE 1.11 – Système frigorifique à absorption

Le compresseur est par contre remplacé par l’ensemble de composants consti-

tué 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 ma-

nière 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 pro-

cessus 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 com-

presseur)

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.




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.

Qc

Condenseur

Vanne

Evaporateur

Adsorbeur

Qf

Qh

FIGURE 1.12 – Système frigorifique à adsorption




La figure 1.12 présente une machine frigorifique utilisant le rayonnement so-

laire 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’adsor-

beur (le mécanisme d’adsorption jouant le rôle de "pompe") où elles sont à

nouveau adsorbées (la sorption étant exothermique, la chaleur est ici déga-

gée 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’applica-

tion du premier et second principe. La destruction d’exergie a cependant l’avan-

tage 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-




versible, on a :

Q0 + Qc +W = 0Q0

T 0+

Qc

T c+∆S = 0

(1.31)

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

A partir des équations précédentes, on peut exprimer l’énergie mécanique pro-

duite :

W = T 0

Qc

T c+∆S

−Qc (1.32)

qui peut réécrite sous la forme :

−W Energie mecanique produite

= Qc

1−

T 0

T c

Energie mec. maximum entre T f et T 0

− T 0∆S Destruct ion d exergie

(1.33)

Le terme gauche de l’équation 1.33 représente l’énergie mécanique produiteau cours du cycle. On reconnait dans le terme Qc

1−

T 0T 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

Qc1−T

0T c (1.34)

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 :

ηex =Q f

1−

T 0T f

W

(1.35)

On reconnaît dans cette expression celle du coefficient de performance frigorifiqueQ f

W et celle du coefficient de performance du cycle de Carnot 1 − T 0

T f . On peut




donc réécrire l’expression du rendement exergétique d’un cycle frigorifique

ditherme sous la forme :

ηex = COP

1−

T 0T f

= COP

COPCarnot (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’exer-

gie 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 :

∆h1−2 = 2

1T dS (1.37)

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

1

2

T

s

x x x x x x x x x x x x x x








x x x x x x x x x x x x x x aire=∆h1-2

FIGURE 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 0et une source froide à la température T f , on obtient le diagramme présenté dans la

figure 1.14

L’énergie frigorifique Q f

= ∆h4−

1est représentée par l’aire a-1-4-b. La cha-

leur Q0 libérée par le condenseur pour le cycle à compression de vapeur est l’aire




T

s

1

2

3

4

3'2'

destructiond'exergie

cycleréversible1-2'-3'-4

cycle

compression1-2-3-4

w réversible

+ = w compression

b ac

T0

Tf

2"

4"

FIGURE 1.14 – Représentation du cycle à compression de vapeur dans le dia-

gramme 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 airessont 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)




Rappelons que l’on h3−h4 = 0 car la détente est supposée isenthalpique. La des-

truction 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 27

2.1 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 aurayonnement 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. Néan-

moins 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 rayonne-ment ultraviolet résulte d’un équilibre entre des réactions chimiques de dégrada-

tion (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 at-

teignent 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.




Le rayonnement solairede forte énergie est aborbé

par la molécule d'O3

O3

La molécule d'ozonese divise en un

atome d'oxygène etune molécule de

dioxygène

OL'atome d'O

entre en collisionavec une molécule

d'ozone

Deux moléculesde dioxygène (O2)

se sont formées

O2

O3O

O2

FIGURE 2.1 – Dégradation d’une molécule d’ozone en deux atomes d’oxygène

par l’effet du rayonnement

Le rayonnement solairede forte énergie brise la

molécule d'O2

O2

La moléculed'oxygène se diviseen deux atomes d'O

O

Les atomes d'Oentrent en collision

avec d'autres moléculesd'O2

Des moléculesd'ozone (O3)

se forment

O3O O2

FIGURE 2.2 – Formation d’ozone à partir de l’oxygène

On recueille des données sur cette couche d’ozone depuis les années 50. Lafigure 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’épais-

seur) mesurée par le satellite Nimbus-7, et une deuxième mesure effectuée par

les "instruments Dobson" au niveau du sol comme le font les scientifiques de-

puis 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.




Le rayonnement solairede forte énergie cassela molécule de CFC

Cl

Cl

ClF

Cl Cl

Cl

ClF

Cl

ClO

OO

Un atome de chloreest libéré

L'atome de chlore entreen collision avecla molécule d'ozone

Cl

O

OO

Une molécule de monoxydede chlore est formée

Cl

OO

Un atome d'oxygène entreen collision avec la

molécule de monoxyde dechlore

O

O

Cl

Une molécule de dioxygènes'est formée et l'atome dechlore est à nouveau libre

pour détruire une autremolécule d'ozone

FIGURE 2.3 – La molécule de chlore est un catalyseur d’une réaction de dégrada-tion 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 consomma-

tion des substances appauvrissant la couche d’ozone. Il a été signé en septembre1987 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 re-

cherche, 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 gouver-

nements 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 uti-

lisés alors en génie frigorifique). Le Protocole de Montréal relatif à des substances




Moyenne des mesures en Octobre

U n i t é s D o b s o n

Année

FIGURE 2.4 – Evolution de l’épaisseur de la couche d’ozone au dessus de l’An-

tarctique 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 Pro-

tocole 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 nom-

breux 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 éva-

luations 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

FIGURE 2.5 – Evolution du trou de la couche d’ozone au dessus de l’Antarctique.

http ://eospso.gsfc.nasa.gov




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 partirdu 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 éco-

nomique. 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 déve-loppé pour remplacer le R22 dans les systèmes monoétagés qui générait une tem-

pérature de refoulement trop élevée. Il était particulièrement utilisé dans les cen-

trales 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 Deple-

tion 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




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

d e 1 9 8 9

Année

0

20

40

60

80

100

120

1990 1995 2000 2005 2010 2020 20252015 2030 2035 2040 2045

x x x x x x x x x

x x x x x x x x x

x x x x x x x x x

x x x x x x x x x

x x x x x x x x x

x x x x x x x x x

x x x x x x x x x

x x x x x x x x x

x x x x x x x x x

x x x x x x x x x

x x x x x x x x x

x x x x x x x x x

x x x x x x x x x

x x x x x x x x x

x x x x x x x x x

x x x x x x x x x

x x x x x x x x x

x x x x x x x x x

x x x x x x x x x

x x x x x x x x x

x x x x x x x x x

x x x x x x x x x

x x x x x x x x x

x x x x x x x x x

x x x x x x x x x

x x x x x x x x x

x x x x x x x

x x x x x x x

x x x x x x x

x x x x x x x

x x x x x x x

x x x x x x x

x x x x x x x

x x x x x x x

x x x x x x x

x x x x x x x

x x x x x x x

x x x x x x x

x x x x x x x

x x x x x x x

x x x x x x x

x x x x x x x

x x x x x x x

x x x x x x x

x x x x x x

x x x x x x

x x x x x x

x x x x x x

x x x x x x

x x x x x x

x x x x x x

x x x x x x

x x x x x x

x x x x x x

x x x x x x

x x x x x x

x x x x x x

x x x x x x

x x x x x

100%

65%

35%

10%

0,5% 0%

à partir de 1996

FIGURE 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 29/06/2000Pour 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 %




3. de 2014 à 2020, 20 %

4. de 2020 à 2025, 15%

5. au delà de 2025, 0 %

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

Année

0

20

40

60

80

100

120

1990 1995 2000 2005 2010 2020 20252015 2030 2035 2040 2045

100%

65%

35%

20%15%

0%

à partir de 1997

FIGURE 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 res-pecter 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 pro-

duites, 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 ré-

glement définit également un certain nombre de points concernant les utilisateurs :

– interdiction d’utiliser les HCFC dans les aérosols et en tant que solvants




– interdiction d’utiliser les HCFC dans les réfrigérateurs/congélateurs après

le 31/12/1995

– interdiction d’utiliser les HCFC dans les groupes frigorifiques de clima-

tisation pour véhicules (automobiles, camions, tracteurs etc...) à partir du

31/12/2008

– interdiction d’utiliser des HCFC depuis le 1/1/2001 pour un équipementfrigorifique 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 re-

cyclés 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




– 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 37

3.1 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

FIGURE 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 no-

tamment par exemple la combustion de pétrole, charbon et gaz intensifient leurs

émissio depuis deux siècles. Selon le troisième rapport d’évaluation du GIEC (Na-

tions 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 enre-

gistrée 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,




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’ef-

fet 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 parrapport 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 2O) pour 5 %, le perfluoro-

carbone (PFC ), le hexafluorure de soufre (SF 6) et les HFC.

FIGURE 3.2 – Gaz contribuant à l’effet de serre




Pays Accord de réduction 1990/2008

(ou d’accroissement)

Luxembourg -27 %

Allemagne -21 %

Autriche -13 %

Royaume-Uni -12,5 %Belgique -7,5 %

Italie -6,5 %

Pays-Bas -6 %

France 0 %

Finlande 0 %

Suède +4 %

Irlande +13 %

Espagne +15 %

Grèce +25 %

Portugal +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 War-

ming 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 pla-

nétaire) 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 =∑i

( xi% ·GWPi) (3.1)

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 instal-

latoins 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 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 sys-

tèmes de climatisations d’automobiles et Règlement du 17/05/2006 relatif à cer-tains 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, clima-

tisation, 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 règle-

ment 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’étan-

chéité des installations par des personnels certifiés est obligatoire et périodique

(voir tableau 3.2).

Installation contenant Un mois Tous les Tous les Tous les

après réparation 3 mois 6 mois 12 mois

A ≥ 3 kg

ou ≥ 6 kg et hermétique

B ≥ 30 kg

C ≥ 300 kg

TABLE 3.2 – Fréquence des contrôles d’étanchéité

Si un système de détection des fuites est mis en place pour un système conte-nant 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 récupéra-

tion de fluide, ceci en ayant recours pour la plupart à une entreprise certifiée. Il en

est de même des conteneurs de fluide (bouteilles, etc..)




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 équipementcontenant un gaz fluoré (dont les HFC) est obligatoire. Cette étiquette doit indi-

quer 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 Nr842/2006 impose des conditions tech-

niques de qualification minimales pour toute entreprise dont le personnel mani-

pule 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 climatisa-

tion de véhicules à moteur

Les systèmes de climatisation utilisés pour les véhicules à moteur (automo-

biles, 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,




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 eu-

ropéens. 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 quali-

fication et la compétence des opérateurs, impose la vente de fluide qu’aux opéra-

teurs ayant une attestation de capacité, l’interdiction totale de dégazage et l’obli-

gation 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 décla-

ration 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 entre-

prise 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’atmo-

sphère. Le concept de TEWI a été introduit pour prendre ces éléments en compte.

La formule 3.2 permet de calculer les différentes contributions.

TEW I = (GWP ·mi ·d e) n Fuites

+ GWP ·mi (1−d r ) Emissions en f in de vie

E f f et direct

+ ( E ·b)t ·n E f f et indirect

(3.2)

avec

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




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 estde 75 % en moyenne contre 25 % pour l’effet direct.



Chapitre 4

Les fluides frigorigènes

44



CHAPITRE 4. LES FLUIDES FRIGORIGÈNES 45

4.1 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 su-

périeure à la pression atmosphérique afin d’éviter toute possibilité d’en-

trer 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 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<x<3 le nombre d’atomes de carbone -1

– pour x=4 mélanges zéotropiques– pour x=5 mélanges azéotropiques

– pour x=6 composés organiques

– pour x=7 composés inorganiques

y – pour 0<x<3 le nombre d’atomes d’hydrogène +1

– pour x=4 ou 5 yz code composition du mélange, avec lettre capitale

– pour x=6 y=0 pour hydrocarbones, 1 pour composés avec oxygène, 2

pour composés sulfuriques, 3 pour composés avec azote

– pour x=7 yz est la masse moléculaire

z – pour 0<x<3 z est le nombre d’atomes de fluor

Chlore Le nombre d’atomes de chlore peut être obtenu en soustrayant le nombre

d’atomes pouvant être connectés à l’atome de carbone :

– 4 pour les dérivés du méthane (CH4)

– 6 pour les dérivés de l’éthane (C2H6)

– etc...

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).




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 tem-

pérature critique relativement basse (31 °C), ce qui implique la conception de

systèmes fonctionnant selon un cycle transcritique (figure ). Ce cycle induit des

Pression

Enthalpie

Point critique

gaz

gaz+liquideliquide

gaz

FIGURE 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 pressionstypiques au refoulement du compresseur se situent entre 90 et 140 bar. Historique-

ment 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.




– 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, R-

404A, 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, clima-

tisation embarquée.

– R-410A : transports frigorifiques, groupes refroidisseurs d’eau, climatisa-

tion 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), mu-

queuse 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 gé-

néralement 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




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 notam-

ment 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 né-

cessitent 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 égale-

ment déposé auprès du Préfet, mais il est plus complexe. Il doit notammentcomporter 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 fri-

gorigène 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 del’ammoniac doivent disposer d’un système (désenfumoire) permettant d’évacuer

la fumée qui s’y accumulerait en cas d’incendie. Ces sytèmes doivent pouvoir ex-

traire 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 ma-

chines, 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




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 suffisam-

ment 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 installa-

tions à la réglementation des équipements sous pression.



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Cours Froid Environnement