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Chaîne du froid : les machines frigorifiques du futur

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Pour faire du froid, les machines frigorifiques utilisent des fluides dits frigorigènes au rang desquels on compte les HFC, dont l'effet direct sur le réchauffement climatique est pointé par le protocole de Kyoto. Elles consomment aussi de l'énergie. Dans les pays industrialisés, jusqu'à 15% de l'énergie consommée est ainsi consacrée à la production du froid.

Cemagref © JL Lebars

Dans une perspective de développement durable et d'une utilisation de l'énergie plus rationnelle, l'enjeu est fort pour la recherche de trouver des technologies innovantes qui permettent de concilier les exigences d'une chaîne du froid efficace et la minimisation des impacts environnementaux.

Le TEWI (Total Equivalent Warming Impact) est un indice qui permet de mesurer l'impact des activités humaines sur le réchauffement climatique. Les installations frigorifiques jouent de deux façons sur cet indice : par un effet direct, le TEWI direct, qui correspond à la perte dans l'atmosphère des fluides frigorigènes (fuites, fin de vie...) et un effet indirect dû à la consommation électrique de l'installation. Pour minimiser l'effet global, TEWI global, il faut donc jouer sur ces deux aspects.

C'est cette double préoccupation qui a guidé les chercheurs du Cemagref dans la conception d'une machine frigorifique d'un nouveau genre.

Réduire la taille des composants pour diminuer la quantité de fluide frigorigène

Une machine frigorifique est constituée de cinq éléments principaux : un condenseur, un évaporateur, une conduite de liquide, un compresseur et un détendeur (auxquels s'ajoute fréquemment une bouteille accumulatrice). Les échanges thermiques ont lieu au niveau du condenseur et de l'évaporateur. C'est dans les composants où le fluide est à l'état liquide (bouteille, condenseur, évaporateur et conduite de liquide) que se trouve l'essentiel de la charge en fluide. Pour réduire les quantités de fluides frigorigènes, une solution est donc de réduire la taille de ces composants. A partir de ce constat, les chercheurs ont donc travaillé en collaboration avec le GREThE de Grenoble dans le cadre d'un projet financé par l'ADEME sur un concept d'installations frigorifiques mettant en œuvre des échangeurs de chaleur à faible volume interne et haute efficacité énergétique.

Leurs travaux ont porté sur des unités de réfrigération de petite puissance, c'est-à-dire dont la puissance frigorifique est inférieure à 15 kW. Un recensement effectué en 2002 a montré que cette catégorie représente 80% des unités frigorifiques en France et plus de 40% de la masse totale de fluide frigorigène. Il s'agit notamment des chambres froides du commerce traditionnel comme les boucheries, de la restauration collective ou encore du commerce de proximité.

Les mini-canaux au secours de l'environnement

La technologie mise en œuvre est celle des mini-canaux. Pour l'appliquer aux installations frigorifiques, les scientifiques ont cherché à connaître l'impact de la réduction de la taille des canaux sur les échanges thermiques et les pertes de pression. En d'autres termes, il s'agissait de vérifier que la réduction de la taille des canaux utilisés dans les échangeurs thermiques était compatible avec des bonnes performances thermiques et énergétiques.

Une approche en recherche fondamentale s'est elle intéressée à l'étude des pertes de pression des écoulements dans des canaux à faible diamètre et a permis de développer des connaissances de base sur le comportement des fluides dans les conduites de petit diamètre.

Les scientifiques ont modélisé l'effet de la réduction des canaux sur l'efficacité thermique de l'installation et sur sa consommation en énergie pour chaque composant puis pour l'ensemble de la machine, avec une double préoccupation : réduire la quantité de frigorigène et la consommation électrique. C'est la première fois qu'une équipe de recherche mettait en œuvre une telle approche globale. L'objectif est d'établir de nouvelles règles de conception des installations qui prennent en compte la quantité de frigorigène. Objectif atteint puisque l'équipe a mis au point un prototype qui permet de réduire la quantité de fluide d'un facteur 10 tout en gardant la même efficacité énergétique. Quand une machine classique a besoin de 8 kg de fluide frigorigène pour produire 10 kW, le prototype n'utilise que 800 grammes de fluide.

Les applications concernées par cette recherche représentent en France une charge d'environ 16 000 tonnes de frigorigènes. La généralisation de la technologie à faible charge permettrait de réduire cette charge à moins de 2 000 tonnes. Sans compter une utilisation par d'autres secteurs, comme la climatisation et le conditionnement d'air. Avec une réduction attendue sur le TEWI direct de 90% et de 10% sur le TEWI indirect, on peut s'attendre à une réduction du TEWI global des installations de plus de 20%. L'application de cette technologie aux 600 000 installations concernées en France permettrait ainsi une réduction des rejets de 700 000 tonnes équivalent CO2 par an.

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