Les fluides frigorigènes hydrocarbures

La règlementation F gaz et notamment le phase Down c’est-à-dire la limitation progressive des HFC en fonction de leur nocivité concernant l’effet de serre (PRG = pouvoir réchauffement global) est de nature à mettre en avant des fluides moins nocifs pour notre planète.
Les hydrocarbures tels que le R290 (propane) dédié au froid commercial et le R600a (isobutane) pour le froid domestique deviennent des fluides frigorigènes incontournables.
Si ces fluides représentent un avantage au point de vue écologique ( ODP = 0, GWP= 3 ), ils ont un inconvénient de taille car ils présentent une certaine dangerosité, en effet ils appartiennent au groupe A3, ils sont donc potentiellement inflammables et dans certaines conditions il y a risque d’explosion. Bien entendu ces risques sont mesurés, ces fluides sont dangereux en fonction de leur concentration dans l’air ( voir tableaux). Notons que leur utilisation est pour le moment limitée et encadrée selon des normes est bien définie (EN378-1, EN 60335-2-24 et EN 60335-2-89).
Les seuls accidents notables sont d’ailleurs survenus en usine lors de la charge en fluide d’appareils ménagers.

Petite histoire des hydrocarbures

Comme souvent dans l’histoire de la réfrigération on redécouvre des fluides qui ont été déjà utilisés parfois il y a longtemps mais qui n’ont pas connu de réel développement industriel.
Vers 1908 on retrouve des traces d’utilisation d’éthylène pour une installation frigorifique en cascade, un peu plus tard vers la fin des années 1920 J.G. de Remer (USA) utilisera l’isobutane dans plusieurs machines ne dépassant pas le stade de prototype. Un peu plus près de nous un scientifique anglais M.Ruheman vers 1950 utilisera un mélange de butane et de propane pour une machine frigorifique. Le peu de succès de ces diverses entreprises peut s’expliquer par la difficulté de rendre étanche les circuits frigorifiques afin de garantir la sécurité des biens et des personnes, d’autant que d’autres fluides réfrigérant (CFC, HCFC) plus faciles d’utilisation ont connu un succès grandissant pendant des décennies.
Ce n’est que très récemment que Greenpeace, l’O.N.G. bien connue a pu financer des études de recherche et de développement afin de mettre au point des réfrigérateurs fonctionnant à l’isobutane, les premiers réfrigérateurs de ce type furent commercialisés en 1992 en collaboration avec l’entreprise Foron.

Formation et dangerosité des hydrocarbures

Cette relative dangerosité implique une formation théorique et pratique des techniciens frigoristes, encore une fois ceux-ci devront s’adapter à de nouvelles pratiques. L’EN378-4 spécifie que tout intervenant sur un circuit avec gaz inflammable doit au préalable avoir suivi une formation et il doit bien entendu être titulaire d'une attestation de capacité. Cette formation théorique et pratique dure en général une journée, l’apprenant recevant en fin de journée une attestation prouvant qu’il a suivi une formation sur les hydrocarbures.
Ces fluides nécessitent un outillage spécifique et adapté, l’utilisation de raccords de type Lokring (sertissage) est souvent préconisée, le brasage est souvent déconseillé mais tout à fait possible en prenant certaines précautions d’inertage (mise sous pression d’azote + plus tirage au vide en plusieurs fois).
Compte tenu de leur faible impact sur l’environnement ( gaz à effet de serre) les hydrocarbures peuvent être rejetés directement dans l’atmosphère en respectant quelques règles de sécurité (concentration inférieure à la limite d’inflammabilité). Ils peuvent aussi être récupérés dans une bouteille de récupération spécifique pour être rejeté à l’extérieur ultérieurement. L’utilisation d’une bouteille de récupération classique n’est pas conseillée surtout si celle-ci doit être transportée dans un véhicule par exemple. En usine un additif est incorporé à tous fluides hydrocarbures afin de pouvoir identifier à l’odeur une éventuelle fuite.

Concernant les fluides frigorigènes de type hydrocarbures quelques notions doivent être connues :

• Point éclair : température à partir de laquelle un fluide peut s’enflammer en présence d’une flamme.
• Point d’auto-inflammation : température où un fluide s’enflamme spontanément sans apport de chaleur.
• La limite inférieure d’inflammabilité c’est la limite en dessous de laquelle un mélange gaz/air est pauvre en gaz.
• La limite supérieure d’inflammabilité c’est la limite en dessus de laquelle un mélange gaz/air est pauvre en air.

Entre ces deux limites se situe le domaine d’inflammabilité du fluide en question.

Manipulation des fluides hydrocarbures

La règlementation en bref

Pour l’utilisation en réfrigération domestique la charge de fluide (R290, R600a) ne doit pas dépasser 150 g pour des appareils hermétiquement scellés. Ce qui garanti un taux de concentration faible dans une habitation.

Dans les ERP que dit la règlementation ?
Concernant la charge en fluide frigorigène de classe A2L, A2 ou A3 deux conditions devront être respectées :

1. La charge totale en kg doit être inférieure à 20 % de la limite d’explosivité* en kg/m3 × volume de la salle en m3.
2. La charge par circuits doit être inférieure à 1,5 kg si l’appareil est en RDC ou en étage, 1 kg si l’appareil est en sous-sol.

*Attention, la limite d’explosivité est différente pour chaque fluide.

Exemple :
Dans un magasin de 1000 m³ en RDC utilisant des appareils (groupes logés) au R290, le calcul nous donne :
20 % × 0,038 × 1000 = 7,6 kg
Et pour respecter la deuxième condition la charge sera limitée à 1,5 kg par circuit (indépendant).

La filière du froid a récemment mis à disposition un nouvel outil de calcul permettant de déterminer la charge maximale d’un fluide frigorigène en fonction de son inflammabilité. Cet outil vise à aider les professionnels à respecter la réglementation et à garantir la sécurité des installations frigorifiques, notamment face à l’utilisation croissante de fluides alternatifs parfois plus inflammables. Grâce à ce calculateur, il est possible d’adapter précisément la quantité de fluide utilisée selon les caractéristiques du local et du fluide, tout en respectant les normes en vigueur. https://cchargefluide.md-pro.fr/

Caractéristiques du R290 et du R600a

Le propane ou R 290

C’est un produit du traitement naturel de gaz et du raffinage de pétrole, avec la formule moléculaire C3H8.Il présente des propriétés thermodynamique assez semblable au R404, avec tout de même des températures de refoulement plus faibles. C’est un fluide qui avec ses performances, taux de compression et température refoulement faibles peut être utilisé dans de nombreuses applications, du froid positif ou négatif à la pompe à chaleur. Par contre sa capacité volumétrique est plus faible que celle du R-404A, ce qui représente un désavantage pour les grosses puissances.

Quelques utilisations du R 290 :

• Meubles réfrigérés positif ou négatif
• Distributeur de boisson automatique
• Climatiseur portable et split système (en ASIE)

Le R600a ou Isobutane

Le R600a est un hydrocarbure de formule brute C4H10, qui a comme particularité d’avoir une température d’évaporation assez haute – 11,7 °C, et une capacité frigorifique volumétrique faible ce qui limite son champ d’application. Il est donc le candidat idéal pour la réfrigération domestique et le froid commercial de petite puissance.

D’autres hydrocarbures comme le R-50 (méthane), le R-601 (pentane), le R-601a (isopentane) et le R-1150 (éthylène) sont employés pour des applications industrielles.

Les huiles

Les hydrocarbures sont assez miscibles avec les huiles de lubrification, surtout à basse température, ce qui pose des problèmes d’abrasion et d’usure. Les huiles minérales et POE sont compatibles avec les fluides hydrocarbures avec des additifs. En cas de manipulation sur le circuit frigorifique il faudra procéder à un tirage au vide poussé pour dégazer le fluide contenu dans l’huile.