CO2 (R-744), fonctionnement transcritique et subcritique
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CO2 (R-744), fonctionnement transcritique et subcritique
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L'utilisation du CO2 (dioxyde de carbone) comme gaz frigorifique se justifie au point de vue écologique, car son impact sur la couche d'ozone est nul et son impact sur l'effet de serre est négligeable. En outre il possède des caractéristiques thermodynamiques intéressantes, celles-ci permettent de réduire les volumes de fluide des circuits frigorifiques ainsi que les consommations énergétiques.
Par contre le CO2 présente l'inconvénient d'avoir des pressions de fonctionnement très élevées ce qui pose un problème de fiabilité de matériel, de formation du personnel et de sécurité.
Le CO2 est la combinaison de deux éléments:un atome de carbone C et deux atomes d'oxygène O, soit CO2. C'est aussi le seul fluide existant présent sous quatre formes, solide, liquide, gazeuse et transcritique.
Fonctionnement transcritique
Les installations frigorifiques fonctionnant en cycle transcritique sont principalement les centrales frigorifiques moyennes températures et les pompes de chaleur.
Tous les fluides frigorigènes dits classiques ont un point critique c'est-à-dire un point dans une courbe reliant pression, température et masse volumique,ce point critique n'est jamais dépassé, car il marque les limites du couple d'échange thermique l'évaporation et la condensation au-delà de ce point, l’état est qualifié de « transcritique » état dans lequel un corps ne peut être physiquement ni liquide ni gazeux,c’est un état qui n’existe pas dans la nature.
Le CO2 possède une température critique extrêmement basse (31,1 °C) par rapport aux autres fluides frigorigènes obligeants ainsi à l'utiliser en cycle transcritique, donc à des températures et des pressions bien supérieures à la normale de l'ordre de 90 à120 Bars en haute pression et d' environ 30 bars en basse pression. On comprend aisément qu'à ces pressions des problèmes d'étanchéité et de fiabilité de matériel se posent. Notons que dans ce cycle thermodynamique la relation pression température n'existe plus. Le CO2 modifie compte tenu de son mode de fonctionnement thermodynamique profondément le circuit frigorifique,l'utilisation d'un sous-refroidisseur ou gaz cooler dont le rôle permet d'optimiser l'efficacité de la détente, on utillise aussi une bouteille de séparation. L'utilisation du CO2 au-delà du point critique présente l'avantage d'améliorer le coefficient de performance, en cycle transcritique l'élévation de quelques degrés de la haute pression améliore nettement le COP des pompes à chaleur par exemple.
Fonctionnement d'une installation transcritique, bi étagée.
Dans les installations ayant des évaporateurs en positif et négatif, les compresseurs (1) Basse Pression (CO2 subcritique), refoulent à l'aspiration des compresseurs HP ou transcritique(2). Ce cycle bi-étagé est aussi appelé booster.
Un piège à huile (3) permet à l'huile après séparation avec le gaz, de rejoindre les carters des compresseurs. Le gaz est sous-refroidi dans le gas cooler (4),c'est un échangeur de type sensible, il n'y a donc pas changement d'état.Un variateur de fréquence régule la vitesse du ou des ventilateurs en fonction de la delta T entre la température extérieure et la température du fluide en sortie de gas cooler, généralement 2 à 3 degrés. Par exemple température extérieure 32 °C température calculée par l'automate en sortie de gas cooler 35°C.
La vanne de régulation (5) maintien une pression HP correcte (environ 40 bar).
La bouteille de séparation ou réservoir (6) permet au gaz de changer d'état, la pression réglée de façon constante par le vanne de décharge (9).Cette vanne de décharge (9) régule aussi la moyenne pression, à l'aspiration des compresseurs transcritiques tout en maintenant une certaine pression dans le réservoir. Le fluide est aussi refroidi par un échangeur alimenté par les gaz froids des évaporateurs négatifs. La pression dans cette bouteille est supérieure à la pression d'évaporation des évaporateurs positifs afin d'assurer leur alimentation par des détendeurs. Les détendeurs de types électroniques (7 et 8) régulent l'alimentation en fluide de chaque évaporateur.
Une bouteille anti-coup de liquide (10) protège les compresseurs contre une arrivée massive de fluide à l'état liquide.
Des soupapes de sécurité protègent les différents niveaux de pression du circuit frigorifique, HP,MP,BP.
Un automate doté d'un programme complexe permet le contrôle, le réglage, la surveillance de l'installation.
Fonctionnement subcritique
Les installations CO2 fonctionnnant en cycle subcritique sont plutôt destinées à la réfrigération basse température (-25°C à - 40°C). Pour ce type d’utilisation les conditions de températures de condensation doivent rester en dessous du point critique c’est à dire 31°C.
Pour respecter ces conditions une installation en cascade est obligatoire. Le premier étage de la cascade est soit assurée par de l’eau glycolée soit par un autre fluide frigorigène, hydrocarbure, R 134a, NH3. Le couple NH3/CO2 permet un coefficient de performance plus élevé que toutes les autres solutions, mais les contraintes réglementaires liées à la toxicité du NH3 freine un peu les installateurs.
Shéma frigorifique d'une installation subcritique ( cascade)
Dans le schéma ci-dessous vous remarquerez que la partie dédiée au températures moyennes est alimentée par du CO2 mais en phase liquide comme un frigoporteur monophasique, tandis que la partie basse ou très basse température est alimentée comme toute installation par un détendeur ( fonctionnement diphasique=changement d'état).
Non représenter soupapes de sécurité et système de maintien de température ou d'expansion.
Mise sous pression des circuits frigorifiques utilisant le CO2
Le remplissage d'un circuit frigorifique utilisant le CO2 s'effectue en 2 étapes :
La mise sous pression du circuit doit être faite obligatoirement en phase gazeuse au-delà du point triple* (diagramme pression-température) du CO2 c'est à dire à 5,2 bars.
Car en-dessous de ce point un bouchon de neige carbonique (glace sèche) est à prévoir dans le circuit ou dans les flexibles.
Le complément de la charge est introduit en phase liquide uniquement eau-delà de 5,2 bar .
*Point triple: point d'un corp pur où les trois phases ne peuvent coexister qu'à une température et une pression bien précises.
Image Air Liquide
À retenir
Avantages : Écologique Fluide naturel,disponible, non corrosif, nocif qu'a très haute concentration, tuyauterie de faible diamètre, non inflammable, rendement énergétique, miscibilité avec les huiles POE.
Inconvénients : Pressions très élevées, prix des organes frigorifiques, fiabilité, formation du personnel, déshydratation du circuit frigorifique (acides).
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Abdel naoumi
Abdel:Bonjour,C oncernant le cycle transcritique, les pressions ne dépassent pas les 120 bar, qui est pour la plupart des constructeurs la PS maxi en haute pression (l'installation se mettera en sécurité suivant cette pression). La T° de la bouteille MP se situe aux alentours de 2°c soit 36 bar. La PS de la MP est de 45 bar. La pression BP pour du positif est de 26 bar soit -10°.Et pour le pincement au gas gooler, si il fait 32 °c extérieur, la température en sortie gas cooler est de 2-3 °c supérieur soit 35° (elle ne peut pas être inférieure à la température extérieure). A cette température la haute pression est d'environ 90 bar (calculée par l'automate pour avoir le meilleur COP). Petit détail concernant la compression de l'étage négatif au positif, il faut refroidir les vapeurs comprimées avant de les aspirer par les compresseur positifs(par un intercooler)afi n de ne pas atteindre des températures de refoulement excessives.
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Bernard
Bonjour, Et le plat arrête de critiquer les gens qui sont plus compétents que toi..Sache juste pour info: Soi-disant minimum 5 par 2 en gaz pour commencer à charger en liquide...Désolé après avoir testé:Install ation-au vide - 0,99...Je cherche en liquide direct... côté BP il y a sublimation vide cassée....Côté HP tu pousses avec du liquide à plus de 50 bars...Résultats la neige carbonique se transforme en liquide....Et ça marche....est tu verras par toi-même....
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Bernard
leplat a dit :
jeremy vacher a dit :
Bonjour petite question concernant la mise en service.Dans l'article il est mits de remplir en phase gazeuse au delà de 5.2bar , ne serai ce pas en dessous a la place?
La première phase du remplissage co2, du vide jusqu'au dessus de 5.2 bars en gaz puis la seconde phase en liquide, il ne faut pas oublié de laissé une pression suffisante dans les flexibles de charge .[/quotea ]leplat a dit :
Bonjour petite question concernant la mise en service.Dans l'article il est mits de remplir en phase gazeuse au delà de 5.2bar , ne serai ce pas en dessous a la place?
La première phase du remplissage co2, du vide jusqu'au dessus de 5.2 bars en gaz puis la seconde phase en liquide, il ne faut pas oublié de laissé une pression suffisante dans les flexs de charge .
Autodidacte avec 40 ans de terrain dans le froid et la climatisation, j'ai parcouru la France pour installer, dépanner et maintenir des installations frigorifiques de tous types. Vous trouverez sur ces pages la majeure partie de mon expérience accumulée pendant toutes ces années. » En savoir plus sur l'auteur !
