L'univers du froid

L'utilisation des réfrigérants naturels a le vent en poupe, ce qui entraîne l'émergence de nouveaux défis en matière de conception de systèmes de refroidissement. William Bentley, de Sensata Technologies, affirme que les développeurs de systèmes de climatisation peuvent optimiser la sécurité et le rendement en tenant compte des implications de cette tendance sur la conception et la sélection des composants.

Les gouvernements du monde entier imposent de plus en plus aux fabricants d'équipements de migrer vers l'utilisation de produits chimiques sans effet néfaste sur l'environnement. Dans le domaine de la réfrigération/du refroidissement, cela implique de remplacer les anciennes classes de réfrigérants chimiques, qui émettent des gaz à effet de serre puissants comme les hydrofluorocarbones (HFC), les hydrochlorofluorocarbones (HCFC) et les chlorofluorocarbones (CFC), par des réfrigérants « verts » moins nuisibles qui ne détruisent pas la couche d'ozone et n'ont qu'un faible impact sur le réchauffement global.

Ces types de réfrigérants alternatifs sont des substances non-synthétiques qui peuvent être utilisées comme agents de refroidissement dans des réfrigérateurs et des climatiseurs, et elles englobent les hydrocarbures (propane, butane et cyclopentane), le CO2, l'ammoniac, l'eau et l'air.

Pour les OEM qui produisent des systèmes de réfrigération et de climatisation, ces nouvelles réglementations constituent autant de nouveaux défis à relever, notamment pour choisir le type de réfrigérant le mieux adapté à une application donnée, mais aussi les composants à même de s'adapter aux spécificités techniques de ces réfrigérants et à leurs caractéristiques de performance. Alors quelles sont les options disponibles et comment choisir ?

Options en termes de réfrigérant

Il existe deux critères importants pour mesurer si un réfrigérant est acceptable sur le plan environnemental : le premier est son potentiel de destruction de l'ozone (PDO) et le second est son potentiel de réchauffement global (PRG).

Le PDO est une mesure de la quantité relative de dommages qu'une substance peut causer à la couche d'ozone. Les rayons UV du soleil entraînent la libération dans l'atmosphère du chlore présent dans les CFC et les HCFC, ce qui détruit l'ozone. Les réfrigérants naturels, de leur côté, affichent un PDO de zéro, ce qui signifie qu'ils n'ont aucun effet destructeur sur la couche d'ozone s'ils s'échappent du système.

Le PRG, quant à lui, est une mesure relative de la quantité de chaleur qu'un gaz à effet de serre retient dans l'atmosphère. Plus le PRG est faible, plus la substance est respectueuse de l'environnement. Le PRG compare la quantité de chaleur emprisonnée par une masse donnée du gaz concerné à la quantité de chaleur emprisonnée par une masse similaire de dioxyde de carbone. Un PRG spécifique est calculé sur un intervalle de temps donné, généralement 20, 100 ou 500 ans.

La plupart des réfrigérants utilisés actuellement affichent un PRG compris entre 1 400 et quasiment 4 000. Les réfrigérants HFC actuels R404a et R134a présentent des valeurs de PRG extrêmement élevées ‒ respectivement 3 922 et 1 430 ‒ qui sont nocives pour l'environnement. Par comparaison, l'hydrocarbure propane R290, qui est une version de réfrigérant naturel plus récente que le R404a, présente une valeur de PRG extrêmement faible de seulement trois. À ce jour, la plupart des acteurs du secteur ont abandonné le R404a au profit du R134a, mais l'adoption du R290 s'avèrera encore plus avantageuse dans le futur.

Hydrocarbures

Parmi les réfrigérants naturels de nouvelle génération, nombreux sont ceux basés sur des hydrocarbures (HC) plutôt que sur des HFC. Les réfrigérants basés sur des hydrocarbures contiennent du propane (R290), de l'isobutane (R600a) – généralement pour un usage dans des appareils à capacité réduite, comme des appareils électroménagers – et du R32, qui est un mélange de propane R290 et d'un autre réfrigérant. Ces produits chimiques non-synthétiques fonctionnent à des plages de pression moyenne de 10 à 50 bar

Les propriétés thermodynamiques du propane R290 sont supérieures à celles des deux anciens réfrigérants HFC R134a et R404a. De plus, sa capacité calorifique est supérieure d'environ 90 % à celle du R134a et de 140 % à celle du R404a. Ces caractéristiques permettent au R290 d'absorber plus de chaleur à une vitesse accrue, ce qui se traduit par une efficacité supérieure de l'appareil, avec une remontée de la température plus rapide et une consommation d'énergie réduite.

Les hydrocarbures n'ont aucune propriété destructrice de l'ozone et affichent un PRG bas. Mais il existe aussi un inconvénient : cette nouvelle génération de réfrigérants aux hydrocarbures est hautement inflammable, de sorte que les systèmes et composants de réfrigération et de refroidissement nécessitent des technologies différentes et plus sûres.

CO2 - dioxyde de carbone

Dans un système de climatisation typique, le CO2 requiert une pression quasiment deux fois plus élevée que les hydrocarbures, ce qui le rend bien plus difficile à gérer. Mais d'un autre côté, le CO2 présente un PRG de seulement un, alors que celui des hydrocarbures est trois fois supérieur.

Ammoniac

L'ammoniac est un autre réfrigérant naturel désormais utilisé, quoique pas aussi fréquemment que les hydrocarbures. Il présente des valeurs nulles pour son PDO et son PRG et il se dégrade rapidement. Le problème de l'ammoniac est que son alcalinité est extrêmement corrosive, de sorte que les composants utilisés dans les applications impliquant de l'ammoniac doivent être compatibles.

Indépendamment du réfrigérant choisi, qu'il s'agisse d'un hydrocarbure, de CO2 ou d'ammoniac, chaque option présente des obstacles et des défis que les OEM et les fabricants de composants doivent surmonter, en particulier concernant les pressostats et capteurs qui peuvent être utilisés et de quelle manière ils sont conçus et testés.

Relever le défi de la haute pression

Chaque composant des systèmes actuels est spécifié pour des conditions d'exploitation et des plages de pression données. Si le CO2 n'est pas combustible comme les hydrocarbures, il pose d'autres problèmes car il fonctionne à des pressions supérieures ‒ près de deux fois plus que le niveau de pression typique dans un système de climatisation moderne. Cela nécessite de concevoir des composants spécifiques, comme des pressostats, pour garantir la fiabilité de fonctionnement dans des applications utilisant du CO2, ce qui influe sur la fabrication des produits.

Certains producteurs de boissons, par exemple, exigent aujourd'hui de leurs fournisseurs de refroidisseurs de boissons qu'ils abandonnent l'usage des réfrigérants HFC R134a pour adopter le CO2. En raison de la pression élevée du système global, ces unités de refroidissement requièrent désormais un pressostat intégré à des fins de sécurité et si elles ne peuvent pas être modernisées, elles doivent être remplacées par de nouvelles unités. Outre les défis liés à la sécurité, le CO2 est également moins efficace que les hydrocarbures car il nécessite plus d'électricité pour atteindre le même pouvoir calorifique ou réfrigérant.

Les pressostats requis dans les systèmes de réfrigération au CO2 protègent contre les pics de pression ou les situations de surpression qui peuvent entraîner la rupture des bobines. Lorsque la pression s'accumule en un point donné, le pressostat ouvre le contact électrique et met le compresseur hors tension dans le système, qui est le cœur du système de réfrigération. Lorsque la pression retombe à un niveau normal, il remet automatiquement le compresseur sous tension. Mais le marché actuel exige une sécurité encore accrue. Les pressostats étant des dispositifs électromécaniques, ils peuvent produire des étincelles lorsque les contacts sont établis ou rompus, ce qui naturellement peut s'avérer dangereux. Alors quelle est la solution ?

Étanchéisation sécurisée des réfrigérants inflammables

L'un des plus grands défis posés par les réfrigérants naturels aux hydrocarbures est leur inflammabilité. Pour éviter qu'une étincelle n'enflamme accidentellement des réfrigérants à base d'hydrocarbures, les concepteurs de composants, comme Sensata, ont intégré une sécurité supplémentaire dans leurs pressostats avec un concept étanche qui « emprisonne les étincelles » à l'intérieur en isolant l'agent de pressurisation spécifique (propane R290) du pressostat électrique.

Chaque pressostat est fabriqué avec un joint hermétique autour du trajet du gaz et un agent d'étanchéité autour des connexions électriques. Les connexions du pressostat électrique indiquent au système si le pressostat est ouvert ou fermé. Ce concept de sécurité élimine complètement le risque d'explosion en empêchant le gaz d'entrer dans le compartiment du pressostat électrique, où des arcs peuvent être générés lorsque le contact est établi ou rompu.

Tests / certifications

Lorsqu'ils analysent les effets des réfrigérants naturels sur leurs systèmes, les OEM doivent savoir si le pressostat a été testé avec le réfrigérant spécifique qu'ils envisagent d'utiliser. Pour le propane R290, par exemple, ils doivent connaître le niveau de courant maximum du pressostat, afin d'éviter l'inflammation du réfrigérant par un arc ; ils doivent aussi savoir si le point d'actionnement par pression et le point de commutation requis sont atteints.

Pour les systèmes au CO2, qui fonctionnent avec une pression deux fois supérieure à celle des systèmes conventionnels, les pics de pression constituent le principal problème. À quelle pression le système peut-il résister ? Combien de temps peut-il fonctionner en toute fiabilité dans des environnements sous pression élevée continue ?

Quels que soient les pressostats choisis pour concevoir votre système, assurez-vous qu'ils ont été rigoureusement testés par un organisme externe agréé concernant leur résistance aux conditions auxquelles ils sont soumis et les réfrigérants avec lesquels ils doivent fonctionner.

Capteurs de pression et retour du système

Dans des environnements nécessitant de connaître la pression du système, il vaut mieux utiliser un capteur de pression plutôt qu'un pressostat. Un pressostat est utilisé exclusivement à des fins de sécurité ; par opposition, un capteur de pression fournit des informations de sécurité sous forme de données qui peuvent être utilisées pour accroître le rendement énergétique du système.

Si l'objectif est de maintenir la pression dans une plage constante, le capteur de pression peut être utilisé pour réguler le système. Par exemple, si la pression sort de la plage de fonctionnement normale dans un supermarché, un capteur de pression peut fournir des informations visant à activer le pressostat et/ou à mettre le système de condensation hors tension pour amener la pression dans une plage spécifiée. De plus, le capteur de pression peut signaler le problème à un technicien ou à un organisme de maintenance, dans l'optique d'une réparation requise. Il peut s'agir d'une simple alerte locale ou d'une alerte émise via le cloud à destination des personnes ou organismes concernés.

De nombreux OEM système peuvent aussi utiliser les données générées par un capteur de pression pour comprendre le fonctionnement de leurs systèmes de climatisation ou de refroidissement sur la durée.