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R744

Le CO2 dans la réfrigération : une technologie intéressante

Daniel Giguère, CTEC-Varennes, AQME Trois-Rivières, 11 avril 2008

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R744La présentation

Depuis quelques années le dioxide de carbone (CO2)revient en force en réfrigération. Cette présentation veutinformer sur l’état actuel des technologies et desapplications qui utilisent le CO2 comme fluide réfrigérantou comme caloporteur. Les points suivant serontprésentés : un court historique du CO2 en réfrigération,les propriétés thermodynamiques, les mesures desécurité, les applications industrielles, commercialeset résidentielles et finalement quelques produitsdisponibles sur le marché.

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3

R744

1850 199319601920 ----------1930

Âge d’or du CO2

Réinvention du CO2 en réfrigération

(G. Lorentzen)NorvègeConsidération du CO2comme réfrigérant(Alexander Twining ,British patent)

Danfoss ,Niels P Vestergaard Niels P Vestergaard Ver 2004-04-SI+US

Premier système de réfrigérationau CO2 Carle Linde

J&E Hall premier système de réfrigération deuxstages CO2

Cycle transcritique CO2

Invention des CFC 1928

Histoire du CO2

Protocolede Montréal

1er jan. 1989

Compresseur CO2

vers 1900

R744

Les propriétésthermodynamiques du CO2

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5

R744

Il est présent dans l'atmosphère dans une proportion approximativement égale à 0,0375 % en volume, dans cette décennie (années 2000), soit 375 ppmv (parties par million en volume). Mais elle augmente rapidement, d'environ 2 ppmv/an, de par les activités humaines de consommation des combustibles fossiles : charbon, pétrole, gaz.Le CO2 utilisé en réfrigération est un sous-produit des procédés de production d’ammoniac ou d’hydrogène(Wikipedia).

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R744

0.33.42.1ΔTsaturée / ΔP = 1 psi à -40 [oF]2262436BTU / PIED CUBE à -40 [oF]16144137Température d’ébullition 400 psig [oF]

NONOUINONToxicité

1-3260Potentiel de réchauffement de la planète(PRG)

1067/881640/270541/162Condition critique [psi]/ [oF]-69-28-51Température d’ébullition 15psig [oF]

NON(peu)NONInflammabilité

000Potentiel d’appauvrissement de la couched’ozone (PDO)

OUIOUINONRéfrigérant naturelCO2NH3R404ARéfrigérant

Propriétés

4

7

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145

1070

87,8 °F Point critique : là où

densité du liquide = densité du gaz

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145

1070

87,8 °F

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Les cycles de réfrigérationsous les conditions critiques

• systèmes cascade • systèmes DX• fluides secondaires

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R744

+86 oF

Enthalpie

Cascade 717- CO2

CO2-evaporateurCO2

+30 oC (12 bar)

-20 oC (1,9 bar)

-20 oC [-4 oF]

-15 oC [+5 oF]

Pres

sion

Enthalpie

-15 oC (23 bar)

-40 oC (10 bar)

Pres

sion

CO2

R717

-40 oC [-40 oF]

CO2 compresseur

CO2 - réservoir

CO2 - R717 HX

-40 oF (135 psi)

+5 oF (333 psi)

+86 oF (171 psi)

-4 oF (28 psi)

- 40 oF

Danfoss ,Niels P Vestergaard Niels P Vestergaard Ver 2004-04-SI+US

R717/HFC404A

6

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R744Cascade DX 404A-CO2

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7

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R744

8

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16

R744Système CO2 cascade à 2 niveauxde température (supermarchés)

R717,R404, R134a,….

CO2

CO2 fluide secondaire

Système CO2 DX

+30 oC[+86 oF]

-20 oC [-4 oF]

-12 oC [+10 oF]-7 oC [+19 oF]

-7 oC[+19 oF]

Danfoss ,Niels P Vestergaard Niels P Vestergaard Ver 2004-04-SI+US

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R744Cascade DX-fluide secondaire 404A-CO2

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R744Fluide secondaire R717 ou HFC - CO2

+30 oC[+86 oF]

R717/HFC404A

CO2

Enthalpie

Enthalpie

Pres

sion

Pres

sion

CO2

R717

CO2-R717 HX

CO2-evaporateur

-45 oC [-49 oF]

-40 oC [-40 oF]

-40 oC [-40 oF]

CO2 - réservoir

+30 oC (12 bar)

-45 oC (0.5 bar)

+86 oF (171 psi)

-49 oF (7 psi)

-40 oC (10 bar)-40 oF (135 psi)

-40 oC [-40 oF]

Danfoss ,Niels P Vestergaard Niels P Vestergaard Ver 2004-04-SI+US

PAS D’HUILE

10

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R744CO2 fluide secondaireseulement

CO2 PUMP

CO2 SEPARATOR/RECEIVER Low Temperature Display Cases

HEAT RECOVERY LOOP

LOW TEMP. REFRIGERATION SYSTEM

CO2 CASCADE CONDENSER

STANDBYPRESSURE

SUPERVISION UNIT (OPTIONAL)

BackpressureRegulator

Pressure Relief Valves

To Atmosphere

Supermarché Scarborough

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R744

Les cycles de réfrigérationtranscritiques

11

21

R744

xx

0 6 00

x

0

1015

435

725

1305

73

580

290

145

870

1160

1450

psi

Enthalpie

-5.5 oC [22 oF]

-40 oC [-40 oF]

95 oF 203 oF

10 oF

363Pres

sion

Le cycle transcritique

Ref. Gaz

-40 oF

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R744

0

1015

435

725

1305

73

580

290

145

870

1160

1450 psi

Enthalpie

Pres

sion

xx

0 600

95 oF

Cyle transcritique influence la pression de refroulement

1

1,5

2

2,5

3

70 75 80 85 90 95 100 105 110

Compressor outlet pressure [bar]

CO

P

80[1160]

100[1450]

90[1305]

bar[psi]

MaxCOP = 2,46

1450 psi1450 psi

COP = 2,51

1305 psi1305 psi

COP = (ΔhEVAP*m )/ (ΔhComp-is*m)

ΔhComp-isΔhEVAP

COP = 1,72

1160 psi1160 psi

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R744Supermarchés CO2 transcritiqueavec récupération de chaleur

RAC Cooling with Carbon Dioxide Conference 28 March 2007,A. Butler M.Inst.R, Space Engineering Services, Causeway Central, Pioneer Park, Bristol, BS4 3QB

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R744

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R744Autre cycle transcritique

R744

Les mesures de sécurité au CO2

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R744Classification du réfrigérant CO2

Source: CSA

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R744Santé / Toxicité

L’air contient entre 0,03 % (300 ppm) et 0,06 % (600 ppm) de dioxydede carbone selon l’endroit sur terre. La concentration de dioxyde de carbone augmente de 2 ppm par année, à cause des activitéshumaines.Une personne exhale environ 4,5 % (45,000 ppm) de dioxyde de carbone (en volume).Le code de réfrigération CSA B52 détermine la concentration maximalede réfrigérant en pourcentage par volume pour qu’une personne puissequitter les lieux sans perturbation irréversible de la santé (IDLH). Pour le dioxyde de carbone, cette valeur est de 5 % ou 50,000 ppm (5,7 lb/1000 pieds cubes). Par exemple, un supermarché de 50 000 piedscarrés et 25 pieds de hauteur peut accepter une quantité de 50 000*25 *5,7/1000 = 7,125 livres de dioxyde de carbone.Pour les frigoristes ou les personnes qui sont exposés pendant 8 heures par jour aux réfrigérants, le seuil de concentration acceptable sans que leur santé en subisse d’effets adverses (threshold limit value TLV) est de 0,5 % ou 5,000 ppm. Pour la qualité de l’air, 1,000 ppm provoque de l’inconfort pour 20 % des gens, à 2,000 ppm l’inconfort est généralisé et peut provoquer des maux de têtes ou des nausées. Le dioxyde de carbone est inodore, donc un détecteur devrait être installé dans une salle mécanique ventilée.

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R744

La pression de calcul dépend de :

• La pression durant l’opération• La pression durant l’arrêt du système• Code CSA B52 - Réfrigération

• Code CSA B51 - Appareils ettuyauteries sous pression

Pression de calcul ouDesign pressure

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R744Pression minimale de calcul CSA

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R744

R717

CO2

Maintien de la pressionà l’arrêt

Unité de régulation de pression

Danfoss ,Niels P Vestergaard Niels P Vestergaard Ver 2004-04-SI+US

CO2 régulateur de pression,

purge àl’atmosphère

R744

Les applications

Les produits disponiblessur le marché

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R744

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R744

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R744Eco Cute chauffe-eau au CO2

5 millions d’installation pour 2010 au Japon

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R744

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R744

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R744Nestlé

En 2000, aucun congélateur à échangeur de chaleur àsurface raclée au CO2 était disponible sur le marché. En 2001, Nestlé a mis en service le plus grossystème en cascade au CO2/NH3 jamais construitdans les 50 dernières années dans son usineNescafé à Hayes au Royaume-Uni. Les ingénieurs de Nestlé et son service de R-D, en collaboration avec des fournisseurs clés tels que Star Refrigeration (www.star-ref.co.uk/), ont relevé le défi de développer à l’internece premier congélateur au CO2 pour congeler la liqueur de café.

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R744

CHAUFFE-EAU SÉCHOIR

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R744Boucles horizontales au CO2 souterraines

A. PRESETSCHNIK(a), K. MITTERMAYR(b), C. KÖFINGER(a), I. MALENKOVIC(a)7th IIR Gustav Lorentzen Conference on Natural Working Fluids, Trondheim, Norway, May 28-31, 2006

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R744

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R744

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R744

Linde Kältetechnik GmbH & Co. KG

CascadeTranscritique Transcritique

Équipements de réfrigération commerciaux CO2

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R744Fluide secondaire CO2

CO2 Pompes

CO2 tuyaux de cuivre

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R744Display Case Air Coil

CO2 tuyaux de cuivre

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R744Conclusions

Depuis 10 ans le développement des produits, des applications utilisant le CO2 s’accélèreLes applications couvrent tous les secteurs La réfrigération basse température et les pompes à chaleur sont particulièrement intéressants Les pressions d’opération peuvent être élevées mais les équipements sont plus compacts et souvent plus efficaces C’est un réfrigérant naturel et sécuritaire qui ne coûte pas cher

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R744Conclusions

C’est un réfrigérant qui peut être utilisé comme fluide secondaire pour transporter le froid efficacement et de façon sécuritaireLes équipements subcritiques sont disponibles sur le marché à un coût compétitifLes équipements transcritiques sont en développement Tous les manufacturiers d’équipements de réfrigération à travers le monde s’intéressent au CO2 en tant que réfrigérant

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R744

Réfrigération Industrielle

Commercial/Supermarchés

Les arguments porteurs

Pourquoi le CO2 ?

EnvironnementÉlimination progressive des substances qui appauvrissent la couche d'ozone CFC, HCFC :(ODP (Ozone Depletion Potential), GWP (Global Warming Potential))

SécuritéToxicité et inflammabilité pour les systèmes utilisantdes charges importantes d’ammoniac

Coûts• Réduction des coûts d’opération à cause de • L’efficacité énergétique des compresseurs et d’un • Transfert de chaleur amélioré• Réduction du coût du réfrigérant.• Réduction du volume des composants

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R744

Le CO2 c’est un réfrigérant HOT

Merci

Questions?

www.R744.comc-dig, the carbon dioxide interest group

http://www.heatpumpcentre.org