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Evaluation restreinte du fluide frigorigène avec critère d’inflammabilité > Exemple du ternaire R-407 (R-32/R-125/R-134a)
Les mélanges de type R-407 sont des mélanges comportant du R-32, du R-125 et du R-134a en proportions variables. Ces proportions ont donné lieu à des dénominations de mélanges variant de A à E. Du point de vue du fonctionnement pompe à chaleur, à compresseur égal, plus la concentration en R-32 est élevée, plus la puissance calorifique devient élevée.
Le marché de ce type de mélange
Parmi les HFC de type R-407 proposés par les fabricants de fluides, nous trouvons des mélanges ternaires tels que le R-407A, le R-407B, le R-407C, le R-407D, le R-407E ; des mélanges binaires tel que le R-410A et des corps purs tel que le R-134a.
Les propriétés de ces fluides sont présentées dans le tableau ci-après :
| Fluide : | R-407A | R-407B | R-407C | R-407D | R-407E | R-410A |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Tcrit (°C) | 82,25 | 74,97 | 86,03 | 91,40 | 88,46 | 71,35 |
| Pcrit (MPa) | 4,51 | 4,13 | 4,62 | 4,47 | 4,70 | 4,90 |
| Fraction massique (R-32/R-125/R-134a) | 0,2/0,4/0,4 | 0,1/0,7/0,2 | 0,23/0,25/0,52 | 0,15/0,15/0,7 | 0,25/0,15/0,6 | 0,5/0,5/0 |
| Masse molaire (kg/kmol) | 90,11 | 102,94 | 86,20 | 90,96 | 83,78 | 72,58 |
| PRG (GWP) | 1990 | 2695 | 1653 | 1503 | 1428 | 1975 |
| Sécurité standard 34 | A1 | A1 | A1 | A1 | A1 | A1 |
| Propriétés des fluides HFC disponibles sur le marché | ||||||
La pression au condenseur
Les courbes de relation pression/concentration pour une température de départ d’eau de 55 °C sont présentées figure 1-a. Une pression maximale de 3 MPa est choisie comme critère de sélection.
La pression de saturation, à température moyenne constante, augmente avec la concentration en R-32. L’utilisation de mélanges aux concentrations élevées en R-32 (> 0,5 concentration massique) tel que le R-410A sera limitée pour les PAC de puissance à haute température. Des mélanges riches en R-134a seront plus adaptés pour le fonctionnement des PAC ayant des températures de condensation élevées.
Le diagramme de composition des mélanges de type R-407 est alors réduit à la zone située au-dessous de la ligne droite correspondante à une pression de saturation de 3 MPa.
Figure 1-a : Variation des propriétés du mélange R-407 en fonction de la composition
Figure 1-b : Variation des propriétés du mélange R-407 en fonction de la composition
Figure 1-c : Variation des propriétés du mélange R-407 en fonction de la composition
Figure 1-d : Variation des propriétés du mélange R-407 en fonction de la composition
La puissance calorifique volumétrique et le COP
Les mélanges de type R-407 sont comparés en terme de COP et de puissance calorifique à compresseur égal (volume balayé fixe). Cette étude permet l’identification de la zone de gain en COP et la zone de puissance calorifique volumétrique supérieure par rapport au R-407C.
La figure 1-b montre le gain de puissance calorifique à compresseur égal des mélanges de type R-407 par rapport au mélange R-407C. Le choix des concentrations massiques du R-32 et du R-125 permet d’identifier le point du graphe correspondant.
Le gain de puissance calorifique volumétrique pour le R-410A est de 38,5 % par rapport au R-407C. Les mélanges R-407A, R-407B et R-407E permettent des puissances calorifiques proches pour le même volume balayé. Un gain de puissance calorifique est observé pour tous les mélanges binaires et ternaires avec des concentrations massiques de R-32 supérieures à 30 %.
La courbe de gain du COP nul par rapport au R-407C est tracée sur la figure 1-c. Une zone très limitée du diagramme de composition correspond à un gain de COP par rapport au R-407C.
GWP, PRG (global warming potential, potentiel de réchauffement global)
Le potentiel de réchauffement global (PRG, GWP) augmente avec l’addition du R-125 correspondant à une valeur élevée de GWP de 3400 (cf. figure 1-d). Dans la série des mélanges 407, le R-407C notamment a un GWP relativement faible.
Diagramme de concentration
Les courbes de gain nul de COP, de gain nul de puissance calorifique volumétrique, de la limite d’inflammabilité, de GWP égal et de la pression au condenseur inférieure à 3 MPa pour les deux lois d’eau choisies, sont tracées sur un même diagramme de composition comparativement au R-407C (cf. figure ci-dessous).
Diagramme des concentrations massiques des mélanges de type R-407 et critères de sélection comparativement au R-407C
L’intersection entre les différentes zones de gain par rapport aux critères choisis permet d’identifier la région des concentrations optimales pour le fonctionnement de la PAC avec un mélange de type R-407.
Avec la technologie usuelle des compresseurs scroll, des températures de départ d’eau supérieures à 75 °C ne sont admissibles que dans une zone très limitée du diagramme correspondant à des concentrations élevées en R-134a. Cette zone présente aussi des réductions non négligeables de puissance et de COP.
La zone hachurée correspond à un GWP plus faible que celui du R-407C, une puissance volumétrique plus importante, un COP plus élevé et une pression de fonctionnement acceptable.
Des mélanges binaires de type (R-32 + R-134a) peuvent être alors optimisés pour satisfaire les critères de choix. A titre d’exemple, le mélange « Mix1t » (R-32 / R134a) = (0,325 / 0,675 massique) est caractérisé par :
- un glissement de température de 0,3 K supérieur à celui du R-407C pour une température de départ de 38 °C,
- une puissance volumétrique égale (pas de changement du compresseur pour une installation fonctionnant au R-407C),
- une pression de refoulement du compresseur plus faible que celle du système au R-407C, ce qui permet d’augmenter la température de chauffage d’eau et de limiter l’effet de serre en diminuant le taux de fuite,
- un GWP égal à 1056 (1653 pour le R-407C),
- un gain de COP de 4,1 %,
- non inflammable.
Toutefois, le R-407C peut être considéré comme un fluide acceptable pour le fonctionnement de la PAC à moyenne température étant donné que la surface de la zone de gain par rapport au R-407C est relativement petite.