fluide frigorigène

fluide frigorigène

Un fluide frigorigène (ou réfrigérant) est un fluide pur ou un mélange de fluide pur présent en phase liquide, gazeuse ou les deux à la fois en fonction de la température et de la pression de celui-ci. La principale propriété des fluides frigorigènes est de s'évaporer à une faible température sous pression atmosphérique. Les fluides frigorigènes sont utilisés dans les systèmes de production de froid (climatisation, congélateur, réfrigérateur,...).

Propriétés

En théorie, l'air ou l'azote (des fluides courants sur notre planète...) pourraient servir de réfrigérant. En somme, tout fluide présente un potentiel en terme de réfrigération. Mais, en pratique, il en est tout autrement. Ces fluides doivent répondre aux critères suivants :

• Les fluides réfrigérants sont sélectionnés principalement pour leur grande propriété d'absorption de calories lorsqu'ils passent de leur phase liquide à leur phase gazeuse (la chaleur absorbée par le fluide lors du changement d'état est appelée : chaleur latente de vaporisation). Les réfrigérants sont utilisés purs ou en mélange dans les métiers du froid et de la climatisation.

• Ces fluides doivent respecter l'environnement du fait du risque potentiel de fuite dans l'atmosphère.

• Ils doivent aussi être inoffensifs pour l'homme pour la même raison que ci-dessus...

• Ils sont également choisis en fonction des températures de fonctionnement des deux échangeurs du circuit frigorifique concerné (le condenseur et l'évaporateur). En effet, les fluides utilisés pour obtenir des basses températures sont différents des fluides de climatisation par exemple.

• Enfin, leurs pressions (qui sont fonction des températures de service des échangeurs cités ci-dessus) doivent permettre leur utilisation dans un circuit frigorifique avec un dimensionnement raisonnable des tuyauteries et du compresseur. En effet, il ne serait pas rentable d'utiliser de l'azote pour faire de la climatisation, la pression nécessaire étant trop importante, ce qui nécessiterait des tuyaux très épais et un compresseur gigantesque.

Dans les climatisations, leur capacité à absorber une certaine quantité de chaleur par unité réfrigérante est encore exprimée en BTU.

Le Fréon est le nom commercial de plusieurs des gaz réfrigérants fabriqués par la société DuPont de Nemours.

Rôle du fluide frigorigène

Dans un circuit frigorifique, le fluide frigorigène véhicule deux éléments :

• Les calories. Celles ci sont captées à l'évaporateur et au niveau du compresseur. Elles sont ensuite évacuées au niveau du condenseur.
• L'huile du compresseur. Ceci est plutôt un inconvénient. En effet, l’huile du compresseur est complètement inutile pour les autres organes du circuit frigorifique.

(Pour plus de précision, voir : froid industriel)

Les différentes catégories de fluide frigorigène

On distingue parmi les gaz réfrigérants différentes catégories de molécules :

• Les Chlorofluorocarbones (CFC),

• Les Hydrochlorofluorocarbones (HCFC),
• Les Hydrofluorocarbures (HFC),
• Les Hydrocarbure perfluoré ou perfluorocarbures (PFC),
• Les Hydrocarbures ou composés organiques ne faisant pas partie des catégories précédemment citées,
• Les composés inorganique comme l'Ammoniac.

Article détaillé : Gaz fluorés.

Article détaillé : Liste des gaz fluorés et frigorigènes.

Les fluides frigorigènes utilisés avant 1929

Les principaux gaz utilisés avant 1929 pendant la première période du froid artificiel, étaient :

• le Dioxyde de soufre (SO₂),
• le Chlorure de méthyle (CH₃Cl),
• le Dioxyde de carbone (CO₂),
• le Chlorure d’éthyle (C₂H₅Cl),
• l’Ammoniac (NH₃)

Tous ces fluides avaient des propriétés thermodynamiques intéressantes mais ils présentaient tous un danger pour l’homme de par leur toxicité ou du fait qu’ils étaient combustibles.

Les fluides frigorigènes utilisés entre 1929 et le Protocole de Montréal

En 1929, un savant américain, Thomas Migdley, et son équipe produisent les premières molécules de Dichlorodifluorométhane (CCl₂F₂) ou R12. Le R12 et les fluides frigorigènes de la même famille ont la propriété d’être relativement inoffensifs pour l’homme et d’être intéressants du point de vue thermodynamiques.

Ils furent fabriqués industriellement par la société DuPont de Nemours à partir de 1932 (Dichlorodifluorométhane - R12 et Trichlorofluorométhane - R11) sous le nom de Fréon. Ces fluides frigorigènes sont des dérivés du pétrole.

Restriction d'utilisation depuis le Protocole de Montréal

Depuis le 16 septembre 1987, le Protocole de Montréal signé par 24 pays et par la Communauté économique européenne et qui compte aujourd'hui 190 pays signataires,^[1] est un accord international visant à réduire et, à terme, éliminer complètement les substances qui appauvrissent la couche d'ozone. La CEE a ainsi depuis voté des lois dans ce sens.^[2]

Ce protocole impose la suppression de l'utilisation des CFC (sauf pour des utilisations qualifiées de critiques ou essentielles), de halons, bromure de méthyle et autres substances appauvrissant la couche d'ozone (HCFC, tétrachlorure de carbone, bromochlorométhane, hydrobromofluorocarbone, méthylchloroforme), et cela dans un délai permettant la mise en place de substituts.

Le protocole de Montréal invite les intéressés à prendre les mesures nécessaires pour réduire l’émission de fluides frigorigènes dans l’atmosphère ; il s’agit :

• de ne plus utiliser ces produits comme propulseurs (ils furent interdits dès 1978 aux États-Unis pour cette utilisation)

• d’améliorer l’étanchéité des circuits frigorifiques

• de lutter contre les purges et les rejets dans l’atmosphère

• de récupérer systématiquement les fluides frigorigènes^[3]

De plus, il recommande de réduire puis d’arrêter la production des gaz les plus néfastes à la couche d’ozone et ceux ayant un impact important sur l’effet de serre. Ce sont les fluides frigorigènes dont la molécule est riche en chlore et dont la durée de vie est grande.

Parmi ces gaz, on trouve :

• Les Chlorofluorocarbones (CFC)* : Le chlore contenu dans leurs formules, détruit la couche d’ozone. Ils ont également un impact sur l'effet de serre.

En cas de fuite, il est interdit de recharger avec ce fluide.

Il est donc nécessaire de remplacer la totalité du fluide. Parfois, selon l'âge de l'équipement et sa vétusté, il est préférable de changer d'équipement.

Un équipement frigorifique destiné à la destruction doit être impérativement dépollué de ses fluides frigorigènes et lubrifiants;^[4] certains seront détruits (CFC) et d'autres recyclés (huile).^[5]

(* R11, R12, R502, R504...)

• Les Hydrochlorofluorocarbones (HCFC)* : Le chlore contenu dans leurs formules, détruit la couche d’ozone. Ils ont également un impact sur l'effet de serre

Pour le moment, la recharge est autorisée. Mais, à partir de 2010, il sera interdit de recharger par des fluides neufs et à partir de 2015, par des fluides recyclés.^[5]

(* R22, R123, R124, R142b, R401A, R401B, R402A, R402B, R403B, R408A, R409A, R409B...)

• Les HFC* : Le chlore est absent de leurs formules. Ils ne détruisent donc pas la couche d'ozone mais ont un impact plus ou moins important sur l'effet de serre.

Pas d'interdiction pour ces fluides.

En cas d'investissement ou de remplacement d'un équipement frigorifique, privilégiez ceux fonctionnant avec des HFC contenant moins de 2 kg de fluide.^[5]

(* R14, R23, R125, R134a, R152a, R227, R404A, R407C, R410A, R413A, R417A, R507, R508B, Isceon 59, Isceon 89, Forane 23, Forane FX 80...)

Les conférences qui ont suivi ont accentué la tendance et ont écourté les échéances : à la conférence de Copenhague, il a été décidé d’arrêter la production des CFC le 31 décembre 1994 et celle des HCFC le 31 décembre 2014. Les CFC sont aujourd'hui définitivement supprimés à l'exception de quantités très minimes et indispensables (utilisation en médecine).

Toutefois, un certain nombre de scientifiques contestent le fait que les fluides frigorigènes chlorés soient nocifs pour la couche d’ozone stratosphérique.

Traitements des fuites

Rappel: une fuite d'un kilogramme de réfrigérant de synthèse dans l'atmosphère produit un effet de serre équivalant à celui généré par l'émission de 1 500 jusqu'à 3 000 kilogrammes de CO2.

Il est maintenant obligatoire^[6] de verifier régulièrement les installations de production frigorifiques pour des applications de réfrigération ou de climatisation.

Toute fuite détectée doit être localisée et faire l'objet d'un enregistrement, d'une réparation et d'un suivi. Le tout doit être documenté pour être présenté à la requête de l'inspection des services de l'environnement. L'exploitant est tenu responsable de la quantité de réfrigérant de synthèse utilisée dans dans son installation.

Si la réparation nécessite la vidange de l'équipement, le liquide frigorigène sera récupéré pour être recyclé.

Nomenclature

Ce modèle de nomenclature peut s’appliquer pour tout fluorocarbure (FC) de type CFC, HCFC, HFC et PFC. La nomenclature des gaz fluorés suit le modèle de type "XYZ-c0123b4a", où chacun des chiffres et lettres représentent :

• XYZ : FC, CFC, HCFC, HFC ou PFC.
• c : Composé cyclique.
• 0 : Nombre de liaisons doubles (omis si zéro).
• 1 : Nombre d’atomes de carbone - 1 (omis si zéro).
• 2 : Nombre d’atomes de d’hydrogène + 1.
• 3 : Nombre d’atomes de fluor.
• b4 : Nombre d’atomes de chlore remplacés par des atomes de brome (omis si zéro);
• a : Lettre ajoutée pour identifier les isomères.

Dans le cas où la molécule contient du brome, le gaz (toujours du CFC) s'appelle halon.

Lorsque ces substances sont utilisées en tant que fluide frigorigène, les "XYZ" est remplacé par la lettre "R", comme Réfrigérant. La valeur du premier chiffre qui suit la lettre R peut prendre alors les valeur spécifiques suivantes :

• 4 ou 5 , il s’agit d’un mélange
• 6, il s’agit d’un composé organique autre que des CFC, HCFC, HFC et PFC (ex. R690 : Propane)
• 7, s'il s’agit d’un composé inorganique (ex. R717 : Ammoniac, R744 : Dioxyde de carbone)

Quelques exemples de CFC :

• Le CFC-12 est un dérivé du méthane, sans hydrogène, avec deux atomes de fluor et deux de chlore. Il a donc pour formule : CF₂Cl₂.
• Le CFC-113 est un dérivé de l’éthane, sans hydrogène, avec trois atomes de fluor et trois de chlore. Il a donc pour formule : C₂F₃Cl₃.
• Le CFC-13B1 (ou halon 1301 ) est un dérivé du méthane, sans hydrogène, avec trois atomes de fluor et un de brome. Il a donc pour formule : CF₃Br.

Un exemple de HCFC :

• Le HCFC-22 est un dérivé du méthane , avec un atome d’hydrogène , deux atomes de fluor et un de chlore . Il a donc pour formule : CHF₂Cl.

Un exemple de HFC :

• Le HFC-134a est un dérivé de l’éthane , avec deux atomes d’hydrogène et quatre de fluor. Il a donc pour formule C₂H₂F₄.

Règle du "90", exemple du R32 :

• Ajoutez 90 au nombre : 32 devient 122,
• Le premier chiffre donne le nombre d'atome de carbone : ici 1,
• Le dernier chiffre donne le nombre d'atome de fluor : ici 2,
• Le chiffre du milieu donne le nombre d'atome d'hydrogène : ici 2.
• Si le bilan est incomplet, les autres atomes sont généralement des atome de chlore : R22 donne 112 donc CHClF₂