Installation frigorifique au CO2 : principes, fonctionnement et avantages

Les installations frigorifiques au CO2 sont de plus en plus populaires en raison de leur efficacité énergétique élevée et de leur impact environnemental réduit par rapport aux systèmes traditionnels.

En effet, depuis 2015 et la réglementation « F-Gas » qui interdit l’utilisation de fluides frigorigènes fluorés tels le R22 ou le R404A et encourage les alternatives plus écologiques, le CO2 (R744) est de plus en plus utilisé pour les installations frigorifiques, notamment parce qu’il s’agit d’un fluide naturel. Son impact sur l’environnement est assez faible : il a un impact sur la couche d’ozone inexistant (ODP : 0) et un faible impact sur l’effet de serre (GWP : 1).

Quels sont les différents types d’installations frigorifiques au CO2 ?

La température critique du CO2, c’est-à-dire la température à laquelle liquide et gaz se confondent, est de 31°C, et sa pression critique est de 73,6 bars. 

En raison de ces caractéristiques physiques, il est possible de distinguer 2 types d'installation frigorifiques :

Installation frigorifique à CO2 transcritique

La pression de fonctionnement est supérieure à la pression critique du CO2, ce qui signifie que le cycle de réfrigération se déroule entièrement dans la phase gazeuse. Les systèmes transitiques sont particulièrement adaptés pour des réfrigérations à des températures moyennes à basses et offrent une efficacité énergétique élevée.

Installation frigorifique à CO2 subcritique

Dans un système subcritique, le CO2 est utilisé à des pressions inférieures à la pression critique, et le cycle de réfrigération implique un changement de phase du CO2 entre les phases liquide et gazeuse. Les systèmes subcritiques sont généralement utilisés pour des réfrigérations à basse et très basse température.

On distingue 2 types d’installations à CO2 subcritique :

1. Installation subcritique en cascade ;

2. Installation subcritique en frigoporteur.

Comment fonctionnent les différentes installations frigorifiques au CO2 ?

Quel est le principe de fonctionnement d'une installation frigorifique transcritique ?

1. Compression : Le CO2 gazeux à basse température et basse pression est aspiré par des compresseurs à plusieurs niveaux de pression, qui augmentent sa pression et sa température. Le CO2 sortant se trouve dans la phase supercritique, avec une pression supérieure à la pression critique.

2. Refroidissement : Le CO2 supercritique chaud passe ensuite à travers un refroidisseur de gaz (gaz cooler), où il cède une partie de sa chaleur à un agent de refroidissement externe (par exemple, de l'air ou de l'eau). Cela diminue la température du CO2, mais il reste dans la phase supercritique, un état où il n’est ni sous forme de gaz, ni sous forme liquide.

3. Détente : Le CO2 supercritique refroidi passe ensuite à travers un premier détendeur, où sa pression et sa température chutent en dessous du point critique, revenant à l’état subcritique et générant du gaz et liquide dans le réservoir. Le liquide est envoyé vers les postes à refroidir, et a nouveau détendue.

4. Évaporation : Le CO2 subcritique, maintenant à basse température et basse pression, entre dans un évaporateur à moyenne ou basse température où il absorbe la chaleur de l'air ou de l'eau de la zone à refroidir...

5. Retour au compresseur : Le CO2 gazeux à basse température et basse pression retourne au compresseur, et le cycle de réfrigération recommence.

Quel est le principe de fonctionnement d'une installation frigorifique subcritique ?

Le mode de fonctionnement est ici différent : le CO2 est comprimé à haute pression et ensuite condensé à une pression inférieure.

Contrairement aux installations frigorifiques à CO2 transcritique, les installations frigorifiques à CO2 subcritique fonctionnent selon un cycle de compression de vapeur classique, mais avec du CO2 comme réfrigérant.

Les installations frigorifiques subcritiques en cascade et frigoporteur sont deux types de systèmes de réfrigération qui utilisent le CO2 comme réfrigérant. Cependant, la manière dont la chaleur est transférée et la conception des systèmes diffèrent.

Voici les principales différences entre les deux :

    Conception des cycles de réfrigération

Subcritique en cascade : Dans ce système, deux cycles de réfrigération distincts sont utilisés, avec deux réfrigérants différents. Le CO2 est utilisé dans le cycle basse température, tandis qu'un autre réfrigérant, généralement de l’eau glycolée (mélange d’eau et de glycol), un hydrofluorocarbure (HFC) ou de l'ammoniac (NH3), est utilisé dans le cycle haute température. Les deux cycles sont interconnectés par un échangeur de chaleur (évaporateur en cascade) qui permet de transférer la chaleur du cycle haute température vers le cycle basse température.

Frigoporteur : Ce système utilise un cycle de réfrigération unique où le CO2 refroidit un frigoporteur (par exemple de l’eau glycolée) dans un échangeur de chaleur. Le frigoporteur refroidi est ensuite pompé vers la zone à refroidir, où il absorbe la chaleur avant de retourner à l'échangeur de chaleur pour être refroidi à nouveau par le CO2.

    Transfert de chaleur

Subcritique en cascade : La chaleur est transférée directement entre les deux cycles de réfrigération par l'évaporateur en cascade. Le réfrigérant haute température absorbe la chaleur de la zone à refroidir et la transfère au réfrigérant basse température (CO2) dans l'évaporateur en cascade.

Frigoporteur :

• Cycle primaire : Le CO2 est utilisé comme réfrigérant dans le cycle primaire de réfrigération. Le CO2 est comprimé, condensé, détendu et évaporé pour absorber la chaleur du fluide frigoporteur dans un échangeur de chaleur.

• Cycle secondaire : Le fluide frigoporteur, qui peut être de l'eau, de la saumure, du glycol, ou tout autre fluide approprié, circule dans le cycle secondaire. Il absorbe la chaleur des espaces ou des équipements à refroidir et la transfère vers l'échangeur de chaleur dans le cycle primaire, où il est refroidi par le CO2.

    Applications et adaptabilité

Subcritique en cascade : Les installations frigorifiques en cascade sont particulièrement adaptées aux applications industrielles et commerciales, comme la réfrigération dans les supermarchés, les entrepôts frigorifiques et les usines de transformation alimentaire.

Frigoporteur : Les systèmes frigoporteurs sont adaptés aux applications où la réfrigération doit être fournie à plusieurs endroits éloignés les uns des autres.

En résumé, les installations frigorifiques subcritiques en cascade utilisent deux cycles de réfrigération avec deux réfrigérants différents et transfèrent la chaleur directement entre les cycles, tandis que les installations frigorifiques frigoporteurs utilisent un cycle de réfrigération unique avec un frigoporteur pour transférer la chaleur de manière indirecte entre la zone à refroidir et le cycle de réfrigération.

Quels sont les avantages d’une installation frigorifique au CO2 ?

Les installations frigorifiques au CO2 présentent plusieurs avantages par rapport aux systèmes traditionnels utilisant des réfrigérants synthétiques. Voici quelques-uns des principaux avantages :

Impact environnemental réduit : Le CO2 a un potentiel de réchauffement global (PRG) beaucoup plus faible que les réfrigérants synthétiques couramment utilisés. De plus, le CO2 est un réfrigérant naturel et non un gaz à effet de serre synthétique, ce qui réduit les émissions de gaz à effet de serre.

Efficacité énergétique : Les systèmes frigorifiques au CO2 ont une efficacité énergétique comparable, voire supérieure, à celle des systèmes utilisant des réfrigérants traditionnels, en particulier dans des conditions de température modérée à basse.

Propriétés thermodynamiques et thermophysiques favorables : Le CO2 a des propriétés thermodynamiques intéressantes, telles qu'une capacité calorifique élevée et une faible viscosité, qui permettent un transfert de chaleur efficace et des cycles de compression et de détente rapides. Ce gaz se distingue par sa conductivité thermique élevée et sa densité importante en phase gazeuse, entraînant un transfert de chaleur efficace dans les évaporateurs, condensateurs et refroidisseurs de gaz.
Ces avantages permettent de concevoir des équipements plus compacts par rapport aux unités utilisant des CFC, HCFC et HFC. De plus, la faible perte de pression du CO2 permet de diminuer le diamètre des conduites et flexibles.

Non-inflammable et non-toxique : Le CO2 est un réfrigérant sûr et stable, il n'est ni inflammable ni toxique, ce qui réduit les risques d'accidents et facilite la manipulation et l'entretien des systèmes frigorifiques.

Disponibilité et coût : Le CO2 est un sous-produit courant de nombreux processus industriels et est largement disponible à un coût relativement faible. De plus, le CO2 a une longue durée de vie en tant que réfrigérant, ce qui réduit les coûts de remplacement et d'entretien.

Conformité réglementaire : De nombreux pays et régions imposent des réglementations pour réduire l'utilisation de réfrigérants à fort potentiel de réchauffement global. Les systèmes frigorifiques au CO2 sont conformes à ces réglementations, ce qui permet d'éviter des problèmes juridiques et des amendes.

Applications polyvalentes : Les systèmes frigorifiques au CO2 peuvent être utilisés dans diverses applications, telles que la réfrigération commerciale et industrielle, les pompes à chaleur et la climatisation.

Cependant, il est important de noter que les installations frigorifiques au CO2 peuvent présenter des défis en termes de conception et d'installation, notamment en raison de la haute pression de fonctionnement du CO2. Il est donc essentiel de travailler avec des professionnels expérimentés pour concevoir et mettre en place ces systèmes.