Les fluides frigorigènes naturels dans les thermostats : importance, choix et utilisation en toute sécurité
Les fluides frigorigènes naturels prennent de plus en plus d’importance dans le domaine de la régulation de température. Les réglementations internationales limitent l’utilisation des fluides frigorigènes fluorés présentant des indices GWP élevés. C’est pourquoi le propane et le dioxyde de carbone font l’objet d’une attention particulière pour les thermostats et les systèmes de refroidissement. Il est essentiel de choisir le fluide frigorigène adapté à l’application, à la plage de température et aux conditions d’installation.
Que sont les fluides frigorigènes ?
Les fluides frigorigènes sont des substances utilisées au sein d’un système de réfrigération. Leur rôle consiste à absorber la chaleur à un endroit et à la restituer à un autre. Cela permet d’évacuer la chaleur d’une zone à refroidir. Selon l’application, on utilise des fluides frigorigènes naturels tels que le R-290 (propane) ou le R-744 (CO₂) (dioxyde de carbone), ainsi que des fluides frigorigènes synthétiques.
Les exigences auxquelles un fluide frigorigène doit satisfaire dépendent, entre autres, de la plage de température requise, de la puissance frigorifique, de l’efficacité énergétique, de l’emplacement d’installation et des exigences de sécurité en vigueur. C’est pourquoi il n’existe pas de fluide frigorigène unique adapté à toutes les applications.
Exemple tiré de la vie quotidienne : comment fonctionne le fluide frigorigène dans un réfrigérateur ?
Un réfrigérateur extrait la chaleur de son espace intérieur et la rejette dans l’environnement. Le fluide frigorigène assure le transfert de chaleur au sein du système frigorifique fermé : il absorbe la chaleur de l’intérieur de l’appareil et la rejette à l’extérieur de la chambre froide. Cela permet de faire baisser la température dans le réfrigérateur ou de la maintenir au niveau réglé.
Cet exemple illustre de manière simplifiée le rôle fondamental d’un fluide frigorigène : celui-ci ne produit pas le froid en tant que substance à part entière, mais permet de transférer la chaleur de manière ciblée d’une zone à une autre.
Exemple d’application : comment fonctionne un thermostat ?
Un thermostat maintient une application à une valeur de consigne définie. Si l’application doit être refroidie, le système de refroidissement absorbe la chaleur de l’application et l’évacue. Si la température doit être augmentée, le système de chauffage du thermostat assure l’apport de chaleur. L’appareil peut ainsi réguler la température et la stabiliser, même en cas de variations de la valeur de consigne.
Dans le cas d’un thermostat de process, cela peut par exemple signifier qu’un process raccordé génère de la chaleur. Le thermorégulateur évacue cette chaleur en continu jusqu’à ce que la valeur de consigne souhaitée soit atteinte. Si la charge thermique ou la valeur de consigne varie, l’appareil adapte en conséquence sa puissance de chauffage ou de refroidissement. Le fluide frigorigène est le fluide de travail du système de réfrigération qui permet le transfert de chaleur nécessaire.
L’exemple du thermostat montre également pourquoi le choix du fluide frigorigène doit être adapté à l’application concrète : la plage de température, la puissance frigorifique requise, l’efficacité énergétique et les conditions d’installation déterminent quelle solution technique est la plus appropriée.
Pourquoi la technologie du froid évolue-t-elle ?
Le règlement « F-Gas » de l’Union européenne et d’autres réglementations internationales prévoient une réduction progressive des fluides frigorigènes fluorés présentant des indices de potentiel de réchauffement global (PRG) élevés. Ce que l’on appelle la « réduction progressive » limite la quantité cumulée d’équivalents CO₂ pouvant être mise sur le marché sous forme de gaz F. La disponibilité des fluides frigorigènes à fort GWP s’en trouve ainsi restreinte et leur prix ne cesse d’augmenter.
De même, le Protocole de Montréal, complété par l’Amendement de Kigali, impose aux États du monde entier de réduire progressivement l’utilisation des fluides frigorigènes fluorés dans la production et l’utilisation. La mise en œuvre concrète s’effectue selon différentes courbes de réduction progressive et différents calendriers.
Que signifie le coefficient GWP ?
Le GWP (Global Warming Potential, potentiel de réchauffement global) décrit la contribution d’un gaz au réchauffement climatique, exprimée en équivalent CO₂. Un GWP de 5 signifie par exemple qu’un kilogramme du fluide frigorigène utilisé correspond à une émission de 5 kg de CO₂.
De nombreux fluides frigorigènes naturels, tels que le CO₂, le propane ou l’éthane, présentent des valeurs de GWP inférieures à 10. Les nouveaux fluides frigorigènes fluorés, appelés HFO, affichent des valeurs nettement inférieures à celles des fluides frigorigènes HFC classiques et peuvent servir de solution transitoire dans certaines applications.
Quels sont les réfrigérants naturels utilisés dans les thermostats ?
Le guide LAUDA présente notamment le R-290 (propane) et le R-744 (CO₂) comme réfrigérants naturels destinés aux appareils de régulation de température et aux systèmes de refroidissement.
R-290 (propane) : réfrigérant à usage universel
Le R-290 (propane) est la désignation officielle du propane en tant que fluide frigorigène. Il ne présente aucun potentiel d’appauvrissement de la couche d’ozone et son PRG est de 3. LAUDA décrit le R-290 (propane) comme un réfrigérant important en raison de sa polyvalence, de ses performances élevées et de sa robustesse.
Le R-290 (propane) convient à une installation en intérieur comme en extérieur, ainsi qu’aux systèmes refroidis par air ou par eau. Il offre un rendement énergétique élevé, même à des températures de départ supérieures à 0 °C. Le guide désigne le R-290 (propane) et d’autres fluides frigorigènes de la classe A3 comme des substituts à un rapport de remplacement proche de 1 pour 1 par rapport aux fluides frigorigènes fluorés. Des propriétés comparables s’appliquent également à d’autres hydrocarbures naturels tels que le R-170 (éthane) ou le R-1270 (propène).
R-744 (CO₂) : dioxyde de carbone pour une puissance frigorifique élevée
Le R-744 (CO₂) est la désignation officielle du dioxyde de carbone utilisé comme réfrigérant. Il s’agit d’un composé présent à l’état naturel, ininflammable et sans effet néfaste sur la couche d’ozone. Son indice de potentiel de réchauffement global (GWP) est de 1.
En raison de ses pressions de service plus élevées, le R-744 (CO₂) nécessite des composants adaptés et des mesures de sécurité spécifiques. Selon le guide, ses atouts résident notamment dans les applications présentant des besoins élevés en puissance frigorifique, une installation en intérieur, des températures de départ inférieures à 0 °C et l’utilisation d’un circuit d’eau de refroidissement centralisé.
Comparaison entre les fluides frigorigènes naturels et synthétiques
Le choix du fluide frigorigène influe sur la plage de température, le rendement énergétique, l’encombrement, les exigences de sécurité et les conditions d’installation. L’aperçu suivant résume les informations contenues dans le guide LAUDA.
Sécurité relative aux fluides frigorigènes inflammables
Le R-290 (propane) appartient à la classe de sécurité A3 et est inflammable. Pour les appareils LAUDA contenant plus de 150 g de fluide frigorigène de classe A3 ou A2L, le guide décrit un concept de sécurité intégré. Un capteur de détection de gaz intégré de série surveille en permanence l’espace du système de réfrigération afin de détecter une éventuelle fuite de gaz.
L’appareil ne peut être mis en marche que si le résultat du contrôle est normal. Si du fluide frigorigène est détecté pendant le fonctionnement, un avertissement est d’abord émis en fonction de la concentration. Si la concentration continue d’augmenter, les composants sont déconnectés du réseau de manière contrôlée.
Les appareils Integral contenant plus de 150 g de réfrigérant R-744 (CO₂) ou A3 sont en outre équipés d’un interrupteur « Quickstop » et d’une interface permettant leur intégration dans un système central d’arrêt d’urgence. Conformément au guide, ces appareils peuvent être utilisés sans modification supplémentaire, à condition de respecter la superficie minimale requise.
Quelles sont les exigences relatives au lieu d’installation ?
Les appareils fonctionnant avec des fluides frigorigènes de type A3 et A2L peuvent être installés et utilisés à condition de respecter la superficie minimale prescrite pour la pièce, grâce à leurs capteurs de sécurité intégrés. À partir d’une charge de fluide frigorigène de 150 g, des volumes minimaux pour le lieu d’installation ainsi que, le cas échéant, des capteurs de détection de gaz et une ventilation peuvent être nécessaires.
Pour les appareils fonctionnant au CO₂, il est nécessaire d’examiner de manière spécifique les conditions d’installation et le système de ventilation, en particulier en cas d’installation souterraine ou dans des locaux en surface dépourvus d’issues de secours, afin d’éviter une pénurie d’oxygène dans le local où est installée l’installation.
Le volume minimal requis de la pièce est calculé à partir du volume spécifique par kilogramme de fluide frigorigène et de la quantité de fluide frigorigène utilisée. Les valeurs précises figurent dans la fiche technique correspondante. Si plusieurs appareils de régulation de température sont utilisés dans une même pièce, le guide précise qu’il convient de ne prendre en compte que l’appareil présentant les exigences les plus élevées en matière de volume de la pièce ; les valeurs ne sont pas additionnées.
Efficacité énergétique : le choix du fluide frigorigène n’est pas le seul facteur déterminant
LAUDA souligne qu’environ 95 % des émissions de CO₂ générées au cours de la durée de vie d’un appareil proviennent de son fonctionnement. C’est pourquoi les systèmes de réfrigération sont, dans la mesure du possible, conçus avec une régulation électronique et une technologie de compresseurs à vitesse variable.
Le COP (Coefficient of Performance) décrit le rapport entre la puissance frigorifique et la puissance électrique consommée. Il est utile pour comparer des groupes frigorifiques à une consigne statique définie. Les thermostats de process fonctionnent toutefois souvent de manière dynamique, avec des consignes variables. Pour une évaluation fiable, il convient donc de prendre en compte le scénario d’application concret.
Les systèmes au CO₂ fonctionnent avec un rendement et une efficacité élevés à de basses températures ambiantes et de l’eau de refroidissement. Selon le guide, si la température de l’eau de refroidissement dépasse 20 °C, l’efficacité diminue considérablement. Les fluides frigorigènes de classe A3, tels que le propane, se comportent de manière similaire aux gaz fluorés conventionnels et restent performants et efficaces même à une température de l’eau de refroidissement de 30 °C ou à une température ambiante de 40 °C.
Étant donné que les applications et les processus de refroidissement fonctionnent la plupart du temps en charge partielle, les compresseurs à vitesse variable offrent un fort potentiel d’économies. Le guide indique des économies d’énergie pouvant atteindre 50 % pour le modèle LAUDA Ultracool par rapport aux technologies conventionnelles sans technologie Inverter ni régulation de vitesse, et jusqu’à 78 % pour le modèle LAUDA Universa.
Quels sont les thermostats LAUDA qui utilisent des fluides frigorigènes naturels ?
Ce guide présente différentes gammes d’appareils utilisant des fluides frigorigènes naturels. Les capteurs de gaz et la capacité de vol varient en fonction de l’appareil, de la quantité de fluide frigorigène et de la classe de sécurité.
- Thermostats de bain Alpha et Universa : fluide frigorigène A3, moins de 100 g, aucun capteur de gaz nécessaire, adaptés au transport aérien.
- Refroidisseur à circulation Microcool : réfrigérant de type A3, moins de 100 g, ne nécessite pas de capteurs de gaz, homologué pour le transport aérien.
- Refroidisseurs à circulation Ultracool UC 2 à UC 100 : fluide frigorigène de classe A3, plus de 150 g, équipés de capteurs de gaz, non adaptés au transport aérien.
- Thermostats de processus Integral IN 1040, 2540 et 3540 XTW : R-744 (CO₂), plus de 150 g, aucun capteur de gaz nécessaire, homologués pour le transport aérien.
- Thermostats de processus Integral IN 550, 750, 950 et 1850 XT / XTW : réfrigérant A3, plus de 150 g, capteurs de gaz intégrés, non transportables par avion.
- Thermostats de process PRO : fluide frigorigène A3, moins de 150 g, aucun capteur de gaz nécessaire, non transportables par avion.
- Variocool VC 1200 et 2000 : réfrigérant de catégorie A3, moins de 100 g, aucun capteur de gaz nécessaire, homologué pour le transport aérien.
- Variocool VC 5000 et 10000 en version UE à 50 Hz : réfrigérant de classe A3, plus de 150 g, capteurs de gaz intégrés, non adaptés au transport aérien.
Transport et logistique
Les appareils LAUDA contenant des fluides frigorigènes inflammables relèvent du numéro ONU 3358. Leur transport par fret aérien est régi par la réglementation de l’IATA. Les appareils contenant moins de 100 g de gaz ne sont pas considérés comme des marchandises dangereuses au sens de la réglementation, conformément à la disposition spéciale A103 mentionnée dans le guide.
Pour les appareils contenant plus de 100 g de fluide frigorigène inflammable des classes A3 et A2L, LAUDA propose des processus logistiques et de service spécifiques pour les livraisons urgentes par fret aérien. La réglementation locale peut prévoir des limites plus strictes ou des exigences supplémentaires.
Les fluides frigorigènes naturels permettent une réduction significative du potentiel de réchauffement global dans le domaine de la régulation de température. Le R-290 (propane) offre une grande polyvalence, des performances élevées et des plages de température allant jusqu’à -100 °C. Le R-744 (CO₂) est ininflammable et convient particulièrement aux puissances frigorifiques élevées, aux basses températures de départ et aux installations intérieures refroidies à l’eau. La solution appropriée dépend de l’application, de la plage de température, des besoins en puissance, de l’efficacité énergétique, du lieu d’installation et des exigences de sécurité.
Pour garantir un fonctionnement sûr et efficace, il convient de prendre en compte à la fois le fluide frigorigène, la configuration de l’équipement et les conditions d’installation.
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