Fluides frigorigènes > Les mélanges de HFO et de HFC

Les changements de fluides frigorigènes, passage des CFC aux HFC ou HCFC, puis passage des HCFC (principalement le HCFC-22), aux HFC ont amené à une offre de mélanges de transition qui, par définition, ne vivent qu’un temps limité, celui de la prolongation de la vie d’installations dont l’amortissement justifiait l’opération de retrofit.

Le passage de fluides à fort GWP vers des fluides à bas GWP se fait dans un contexte réglementaire incertain, personne ne définissant ce qui sera fort et ce qui sera faible sur le long terme, les très nombreux fluides candidats au remplacement du R-410A, du R-404A et du HCFC-22, sont présentés successivement par rapport aux fluides qu’ils remplacent.

Note : Il existe des fluides de remplacement intermédiaire pour le HFC-134a que nous ne présentons pas étant donné que le R-1234yf d’une part et le R-1234ze d’autre part sont des candidats bien établis au remplacement du HFC-134a et que leur GWP respectifs de 4 et de 6 font que les autres candidats apparaissent comme de court terme.

Candidats au remplacement du R-410A

Les données de puissances volumétriques et de COP sont basées sur AHRI Test report n°1, mesurées sur un groupe refroidisseur d’eau volumétrique air/eau ; les calculs de TC et TNe sont effectués à partir de Refprop 9.0, les calculs de GWP à partir des données OMN 2010.

Dénomination commerciale	Composants et compositions	GWP	T_critique et T_{normale d’ébullition} (glissement)	Puissance volumétrique relative au R-410A	COP relatif au COP R-410A
R-410A	(R32/125) 50 /50	2100	T_critique = 71,4 °C T_{normale d’ébullition} = -51,4 °C	1	1
ARM-32	HFC-32/125/134a/1234yf 25/30/25/20	1579	T_critique = 83,3 °C T_{normale d’ébullition}= -42 °C (-39/-45 °C)	1.08	0,98
ARM-70	HFC-32/134a/1234yf 50/10/40	497	T_critique = 86,9 °C T_{normale d’ébullition}= -43,5 °C (-41/-46 °C)	0,89	1,07
DR-5	HFC-32/1234yf 72,5/27,5	524	T_critique = 83,2 °C T_{normale d’ébullition} = -47,5 °C (-45,6/ -49,4 °C)	1,02	1,04
L-41a	HFC-32/1234yf/1234ze 73/15/12	524	T_critique = 81,8 °C T_{normale d’ébullition} = -48°C (-46,2/-49,8 °C)	0,98	1,03
L-41b	HFC-32/1234ze 73/27	524	T_critique = 80,5 °C T_{normale d’ébullition}= -48,2°C (-46,5/-50 °C)	0.96	1,04
HFC-32		716	T_critique = 86,9 °C T_{normale d’ébullition} = -51,7 °C	1,12	0,98
Tableau 4.6 Caractéristiques de fluides candidats au remplacement du R-410A

En analysant le tableau 4.6, on constate que de nombreux candidats au remplacement du R-410A sont proposés et que :

l’objectif est de remplacer le R-125 dont le GWP est de 3420
tous les candidats contiennent du HFC-32, qui est indispensable à l’obtention d’une puissance volumétrique identique ou proche
le mélange ARM-32 est un mélange de transition dont le GWP est supérieur à celui du HFC-134a
le GWP des mélanges de remplacement se situe autour de 500,
l’obtention d’une puissance volumétrique presque identique implique que la composition en HFC-32 soit d’au moins 70 %
le HFC-32 amène une puissance volumétrique supérieure de 12 % comparativement au R-410A
tous les mélanges présentent un glissement de température au changement de phase qui varie de 4 à 6 °C.

Note sur les mélanges à glissement de température

Les fluides purs ou les mélanges azéotropes (série 500) se condensent ou s’évaporent à pression ET température constantes, les mélanges de la série 400 se condensent ou s’évaporent à pression constante ET température glissante, c’est-à-dire que la température de saturation liquide est inférieure à la température de saturation vapeur pour la même pression. Le R-410A est un proche azéotrope dont le glissement de température est de l’ordre de 0,1 °C alors que les mélanges candidats à son remplacement présentent des glissements de températures de plusieurs degrés Celsius. Le glissement de température peut avoir des avantages et des inconvénients. Dans les avantages : minimisation de l’écart de températures avec un fluide extérieur qui varie fortement de température entre l’entrée et la sortie de l’échangeur. Inconvénients : givrage plus précoce, difficulté de réglage de la surchauffe surtout lors d’un remplacement de fluide « drop-in ». Le glissement de température indique aussi, qu’en cas de fuite, le composant le plus volatil du mélange va s’échapper de manière préférentielle et que la formulation du mélange va changer.

Certaines des caractéristiques sont génériques. Pour tout ce qui concerne le COP, des travaux d’optimisation amènent à des améliorations de performances énergétiques. D’autre part, d’autres mesures sur d’autres équipements sont nécessaires pour établir un tableau comparatif plus complet. Mais les premiers ordres de grandeur sont là et le génie chimique propose des candidats dont les performances sont proches de celles du R-410A avec des GWP autour de 500.

Candidats au remplacement du R-404A

Les données de COP et de puissance volumétrique sont basées sur le rapport « AHRI Test report n°9 » sur groupe frigorifique d’un groupe frigorifique autonome de camion. Les calculs de TC et TNe sont effectués à partir de Refprop 9.0, les calculs de GWP à partir des données OMN 2010.

Dénomination commerciale	Composants et compositions	GWP	T_critique et T_{normale d’ébullition} (glissement)	Puissance volumétrique relative au R-410A	COP relatif au COP R-410A
R-404A	(R-125/143a/1340) 44 /52/4	3700	T_critique = 72 °C T_{normale d’ébullition} = -46,2 °C	1	1
ARM-30a	HFC-32/1234yf 29/71	210	T_critique = 90,2 °C T_{normale d’ébullition}= -39 °C (-36,7/-41,4 °C)	0,81	0,89
DR-7	HFC-32/1234yf 36/64	259	T_critique = 89,2 °C T_{normale d’ébullition}= -40,7 °C (-38,2/-43,2 °C)	1,02	1,07
L-40	HFC-32/152a/1234yf/1234ze 40/10/20/30	302	T_critique = 89,9 °C T_{normale d’ébullition} = -40,8 °C (-37/-44,6 °C)	0,83	0,86
Tableau 4.7 Candidats au remplacement du R-404A

En analysant le tableau 4.7, on constate que les candidats au remplacement du R-404A présentent les caractéristiques suivantes :

tous les candidats contiennent du HFC-32 et du R-1234yf
le GWP des mélanges de remplacement du R-404A se situe entre 200 et 300
les températures critiques sont plus élevées et permettent aussi de remplacer le HCFC-22 en froid commercial
tous les mélanges présentent un glissement de température au changement de phase qui varie de 4 à 7 °C, ce qui empêche ces fluides d’être utilisés dans les systèmes à recirculation par pompe et plus généralement dans les évaporateurs noyés, car ces mélanges vont alors distiller et les compositions changer en fonction de la durée de fonctionnement
le DR-7 est formulé pour les plus basses températures d’évaporation et son COP est supérieur à celui du R-404A
le L-40 et l’ARM-30a manquent de puissance frigorifique volumétrique à (-20 %) à basse température d’évaporation et haute température de condensation
les écarts très sensibles de performances (COP et puissance frigorifique) entre l’ARM-30a et le DR7 paraissent surprenants en constatant que les composants sont identiques et les compositions très proches.

Candidats au remplacement du HCFC-22

Les données de COP et de puissance volumétrique sont basées sur le rapport « AHRI Test report n°6» sur un chiller volumétrique air/eau. Les calculs de TC et TNe sont effectués à partir de Refprop 9.0, les calculs de GWP à partir des données OMN 2010.

Dénomination commerciale	Composants et compositions	GWP	T_critique et T_{normale d’ébullition} (glissement)	Puissance volumétrique relative au R-410A	COP relatif au COP R-410A
HCFC-22		1790	T_critique = 96,1 °C T_{normale d’ébullition} = -40,8 °C	1	1
ARM-32a	HFC-32/125/134a/1234yf 25/30/25/20	1548	T_critique = 83,3 °C T_{normale d’ébullition}= -42,3 °C (-39,3/-45,3 °C)	1,06	0,93
DR-7	HFC-32/1234yf 36/64	259	T_critique = 89,2 °C T_{normale d’ébullition}= -40,7 °C (-38,2/-43,2 °C)	1,1	0,93
L-20	R32/152a/1234yf/1234ze 40/10/20/30	302	T_critique = 89,9 °C T_{normale d’ébullition} = -40,8 °C (-37/-44,6 °C)	1	0,98
LTR4X	HFC-32/125/134a/1234ze 28/25/16/31	1276	T_critique = 83,2 °C T_{normale d’ébullition} = -42,2°C (-38,4/-46,1°C)	1	0,95
LTR6A	HFC-32/744/1234ze 30/7/63	219	T_critique = 87,9 °C T_{normale d’ébullition} = -45,6 °C (-35/-56,2 °C)	1,01	0,98
D52Y	HFC-32/125/1234yf 15/25/60	965	T_critique = 85,7 °C T_{normale d’ébullition} = -39,6 °C (-37,2/-42 °C)	0,95	0,93
Tableau 4.8 Candidats au remplacement du HCFC-22

L’analyse du tableau 4-8 montre que les candidats au remplacement du HCFC-22 présentent les caractéristiques suivantes :

tous les candidats contiennent du HFC-32 et du R-1234yf ou du R-1234ze
le GWP des mélanges ARM-32a, LTR-4X et D52Y ont des valeurs trop élevées pour être des candidats de long terme
le DR-7 est proposé aussi bien pour remplacer le HCFC-22 que le R-404A
les COP de performances demandent à être améliorés
tous les mélanges présentent un glissement de température au changement de phase qui varie de 5 à 7 °C et même 21 °C pour LTR-6A compte tenu de la présence de 7 % de CO₂
le DR-7 est formulé pour les plus basses températures d’évaporation et son COP est nettement supérieur à celui du R-404A

⇒ Revenir au sommaire du chapitre sur les alternatives aux HFC à fort GWP dans les applications de réfrigérations et de climatisation

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LES CLES DU DIMENSIONNEMENT

Fluides frigorigènes > Les mélanges de HFO et de HFC

Candidats au remplacement du R-410A

Note sur les mélanges à glissement de température

Candidats au remplacement du R-404A

Candidats au remplacement du HCFC-22

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