TE HNIQUE Systèmes R-22 : à quels fluides frigorigènes les convertir? Serge FRANÇOIS* Le R-22, fluide frigorigène de type HCFC, sera interdit dans les installations neuves dès 2010. Dans l'existant, les fluides issus du recyclage ne combleront pas les besoins. Les remplacements possibles imposent une stratégie de choix. Comment faire face au problème du retrait du R-22 du marché des fluides réfrigérants à partir de 2010? En industrie, il est possible, si la réglementation le permet, de passer ces équipements à l'ammoniac ou de refaire l'installation avec une cascade CO 2 plus ammoniac. Sous réserve de compatibilité technique et de respect de la réglementation. Sinon, comment poursuivre l'utilisation des installations encore exploitables au-delà de la date butoir? Le rechargement avec du fluide récupéré semble risqué. En 2006, le stock de R-22 exploité était de 25 000 t - soit 25 à 30 % des installations en fonctionnement - ; en 2010, 15 000 t seront encore en usage. En tenant compte d'un taux de fuite moyen de 10 à 15 %, il faut estimer à 1500-2000 t/an les besoins de fluide pour la maintenance. Or, les prévisions annuelles de récupération de R-22 ne dépassent pas 300 t. En conséquence, le remplacement de ce fluide frigorigène s'avère une démarche de précaution. L'opération est cependant complexe, et ce pour plusieurs raisons. En premier lieu, les choix des mélanges dits de transition sont en nombres limités. En second, à la différence des solutions de substitution des CFC, les alternatives au R-22 ne sont pas toujours aussi performantes. En Plusieurs producteurs proposent des fluides de remplacement du R-22. Il faut les consulter ou leurs distributeurs pour savoir lequel est le plus adapté à votre machine. outre, les très courants R-134a et R-410A ne sont pas exploitables : le R-134a en raison de sa production frigorifique volumétrique inférieure de 40 % à celle du R-22 ; le R-410A, pour un motif inverse - sa production frigorifique est 35 % supérieure -, et aussi parce que la pression à appliquer dans les circuits est 50 % supérieure de celle du R-22. Un handicap rédhibitoire au regard de la réglementation sur les équipements sous pression. Agir avec méthode Pour déterminer leurs choix de reconversion des systèmes - reconversion simple avec nettoyage facultatif, ou lourde avec changement d'huile et nettoyage impératif afin d obtenir un très faible taux résiduel d'huile -, les opérateurs appliqueront des critères selon une grille d'analyse qui placera le coefficient de performance de leur installation au second plan. Prioritairement, ils rechercheront : 1) à limiter les coûts d'opération, que ce soit en évitant le changement d'huile, qui nécessite un rinçage, ou les modifications et le remplacement des composants ; 2) à garder les performances de l'installation d'origine. Le fluide de remplacement doit ainsi avoir une production frigorifique volumétrique proche de celle du fluide d'origine. Selon cette grille d'analyse, une perte de performance sera acceptable en climatisation individuelle, mais devra être considérée différemment en réfrigération pour respecter la chaîne du froid. Ainsi, on recherchera l'usage de fluides : à faibles pressions internes, ce qui contribuera à limiter les fuites ; les plus performants, de manière à maintenir un coefficient de performance élevé. Mais dans tous les cas, on enregistre une baisse de performances par rapport au R-22 ; affichant un GWP (Global warming potential ou potentiel de réchauffement global) le plus faible possible ; * Directeur technique de DEHON CLIMALIFE. (Doc DU PONT) 46 CHAUD FROID PLOMBERIE N 714 - Juillet-Août 2008
Systèmes R-22 : à quels fluides frigorigènes les convertir? TE HNIQUE Figure 1. Les expériences ne donnent actuellement des informations que sur les systèmes à détente directe. à faible échauffement à la compression pour assurer une bonne lubrification ; et respectant la sécurité des personnes, notamment au regard de la toxicité et de l'inflammabilité. Reconversions : cinq fluides possibles De fait, le choix de fluides de substitution reste limité. Il s'agit des R-404A, R-507, R-407C, R-422D (Isceon MO) et R-427A (Forane FX 100) (voir le tableau ci-contre). En reconversions simples (voir figure 1), deux fluides sont proposés par les producteurs : le R-427A, ou Forane FX100 d'arkema, et l'isceon MO29 ou R-422D de DU PONT REFRIGERANTS. Cependant, ils sont inadaptés à une reconversion sur des installations nécessitant une puissance frigorifique instantanée ou une température de soufflage fixe, par exemple en process (voir figures 2, 3 et 4). Le R 427A convient pour les systèmes à détente directe, que ce soit en production de froid négatif ou positif, lors d'un changement d'huile, mais avec un nettoyage facultatif. La charge résiduelle d'huile peut atteindre 15 % selon les données du producteur de fluides, mais il faut préférer un résiduel maximal de 2 à 5 % en froid négatif, et de 5 à 7% en froid positif. Ce fluide se révèle en réalité être un R-407C auquel a été ajouté un peu de R-143a pour lui allier les propriétés de production frigorifique volumétrique et de consommation énergétique de manière à ne pas consommer plus qu'avec un R-22. La nouvelle charge s'effectuera avec une huile polyolester. Il faut anticiper une perte de production frigorifique instantanée par une augmentation des temps de fonctionnement des groupes ou par une extension des installations pour compenser la perte de puissance. L'Isceon 29, toujours pour système à détente directe et compatible pour le froid positif et le froid négatif, accepte une huile d'origine (minérale, alkybenzène, semisynthétique ou polyolester). Il faut, ici aussi, anticiper une perte de production frigorifique instantanée par une augmentation des temps de fonctionnement ou par extension d'installation. Cette solution convient pour les installations avec des réseaux courts. Sinon, il faut opter pour un changement d'huile. Et, par expérience, il est conseillé de passer en huile polyolester pour limiter la perte de puissance liée au mauvais retour d'huile. Composition Glissement de température Effet de serre direct (GWP) en kg CO 2 /kg R-22 R-407C R-404A Corps pur 23 % R-32 25 % R-125 52 % R-134a 50% R-143a 50% R-125 R-422D / Isceon MO 29 65,1 % R-125 31,5 % R-134a 3,4 % R-600a R-427A / Forane FX 100 50 % R-134a 25 % R-125 15 % R-32 10 % R-143a - 7 K < 1 K + 5 K + 7 K 1700 1800 3900 2700 2100 Mise en œuvre - Reconversion simple Usage d'huile polyolester Pression HP Pression BP Performances suivant régime et applications Possible - - Puissance frigo. Obligatoire (résiduel < 3 %) Reconversion complexe Obligatoire (résiduel < 3 %) Equivalentes Equivalentes P à 20 % 5% P. frigo. 5 à 10 % Puissance frigo. = Reconversion simple Conseillé (si circuit complexe, résiduel 5 %) P. frigo. 12 à 20 % Reconversion simple Obligatoire (résiduel 15 % Si circuit complexe et T C 2 à 7 %) Température critique + 96 C + 86 C + 72,1 C + 79,6 C + 86,8 C - P. frigo. 5 à 10 % Consommations = Charge en liquide et en poids - Recharge possible Recharge possible 5 à 15 % Recharge possible 5 à 15 % Recharge possible Tableau 1. Les HFC comparés au R-22. Pour choisir le type de reconversion des systèmes, les opérateurs privilégieront le coût de l'intervention. Le coefficient de performance de leur installation passe au second plan (source : DEHON). CHAUD FROID PLOMBERIE N 714 - Juillet-Août 2008 47
TE HNIQUE Systèmes R-22 : à quels fluides frigorigènes les convertir? Comparatif avec le R-22 : COP Compresseur piston COP Compresseur scroll COP Compresseur à vis Figure 2. COP : les tests effectués avec les différents fluides montrent une baisse de performance d'environ 5 à 15 %, quelle que soit la technologie de compresseur. 48 CHAUD FROID PLOMBERIE N 714 - Juillet-Août 2008
Systèmes R-22 : à quels fluides frigorigènes les convertir? TE HNIQUE Puissance frigorifique avec compresseur à piston Puissance frigorifique avec compresseur scroll Puissance frigorifique avec compresseur à vis Figure 3. Puissance frigorifique : les R-407C et R-404A affichent les meilleurs résultats. CHAUD FROID PLOMBERIE N 714 - Juillet-Août 2008 49
TE HNIQUE Systèmes R-22 : à quels fluides frigorigènes les convertir? Puissance absorbée avec compresseur à piston Puissance absorbée avec compresseur scroll % Puissance absorbée (kw) - 35-30 - 25-20 - 15-10 - 5 0 5 10 15 Puissance absorbée avec compresseur à vis Figure 4. Puissance absorbée : à 0 C, avec le R-404A, on enregistre + 15 % de consommation énergétique. 50 CHAUD FROID PLOMBERIE N 714 - Juillet-Août 2008
TE HNIQUE Le R-22 et la réglementation Dans le droit fil de l'abandon des chlorofluorocarbones (CFC) après la protocole de Montréal en 1987, l'europe s'est attaquée à partir de 1994 à l'autre famille de fluides frigorigènes contenant du chlore nuisible à la couche d'ozone et générateur d'effet de serre : les hydrochlorofluorocarbones (HCFC). Le règlement CEE 2037/2000 du 19/06/2000 paru au JOCE du 29 septembre 2000 programme la diminution progressive des quantités utilisées (article 5) : À partir du 1 er janvier 2010, l'utilisation d'hydrochlorofluorocarbones vierges est interdite dans la maintenance et l'entretien des équipements de réfrigération et de conditionnement d'air existant à cette date ; l'ensemble des hydrochlorofluorocarbones sont interdits à compter du 1 er janvier 2015. Ce texte envisage plus loin l'utilisation de fluides de substitution : Les solutions de remplacement envisagées devraient avoir des effets sensiblement moins actifs sur l'environnement que les hydrochlorofluorocarbones. Et les HFC? Figure 5. Suivant le type d'installation, le compresseur, la température d'évaporation et la configuration de l'installation, la vidange d'huile s'effectuera par rinçages successifs avec un polyolester. En reconversion lourde (figure 5), trois options de fluides sont offertes, dont deux pour la production de froid négatif par détente directe ou par évaporateur noyé - les R-404A ou R-507 -, et une pour le froid positif par détente directe - le R- 407C. Les R-404A et R-507 présentent cependant l'inconvénient, pour une même puissance frigorifique, de délivrer un débit de volume liquide 1,8 fois supérieur au R-22. Compte tenu des pertes de charges, les pertes de performances peuvent atteindre jusqu'à 25 %. En outre, la reconversion oblige à un arrêt du process et à des coûts d'intervention élevés. Ici, les contraintes sont le changement d'huile par un polyolester et le nettoyage des réseaux pour atteindre un résiduel d'huile inférieur à 1 % en basse température ou inférieur à 3-4 % à haute température. Nous conseillons pour cela des remplacements d'huile successifs (généralement, 3). Les huiles ester ont la faculté On entend beaucoup parler de l'arrêt des HFC. Il faut arrêter de propager ces bruits. Une telle décision constituerait une catastrophe. Certes, ils sont dans le collimateur de l'administration européenne. Mais si les entreprises font le nécessaire pour les utiliser correctement et pour mettre en place le confinement des produits, on nous laissera les utiliser. Il se peut qu'un jour s'applique, sur des HFC ayant un effet de serre important, des quotas de production. Mais, il n'est pas imaginable d'utiliser du butane ou du propane partout. D'autant qu'il est difficilement imaginable, dans le cadre du commerce international, de refuser le commerce d'un fluide tel que le R-410. d'être miscibles avec le R-22 et permettent ainsi, par passages successifs, de nettoyer les circuits. Il est aussi possible d'employer un solvant pour le nettoyage des circuits (Nettogaz GC1 ou Facilisolv). Avec les R-404A ou R-507, s'ajoutent des modifications techniques plus importantes. Exemples : les détendeurs devront être remplacés pour compenser la différence de pression de fonctionnement ; les joints des électrovannes seront changés ; les lignes liquide ainsi que les condenseurs seront redimensionnés pour assurer les bonnes performances. De manière générale, ces solutions restent intéressantes dans le cas où les installations existantes ne peuvent accepter une diminution de performance. Globalement, 70 % des reconversions sont réalisables sans difficultés majeures, les 30 % restants demandant des études de faisabilité poussées comme les évaporateurs noyés (ex : patinoire). CHAUD FROID PLOMBERIE N 714 - Juillet-Août 2008 51