1 Daniel Giguère, CanmetÉNERGIE-Varennes, ASHRAE Montréal 18 janvier 2010
Les technologies innovatrices en réfrigération
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Le programme
� Contexte� Coolsolution� La réfrigération au CO2
� Les pompes à chaleur au CO2
� Les éjecteurs en réfrigération� Les coulis de glace
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Contexte
� PIRAQ - Programmes d ’intervention en efficacité énergétique (4 octobre 1999)� Fuite de réfrigérant, récupération de chaleur,
pression de tête flottante et de sous-refroidissement
� PARB – Programme d’action en réfrigération pour les bâtiments – 2007 (OEE)
� OPTER – Programme d’optimisation en réfrigération ( AEE - Agence de l’efficacitéénergétique du Québec)- 2009
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5
� Approche intégrée pour réduire la consommation d’énergie et les émissions de GES dans les applications où la consommation d’énergie du système de réfrigération est dominante
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L’approche
1. Réduire la quantité de réfrigérant de synthèse
2. Récupérer la chaleur rejetée par les systèmes de réfrigération
3. Favoriser l’utilisation de systèmes de réfrigération plus performants
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R404a = R 125/143a/134aR410a = R 32/125R507a = R 125/143a
HFO-1234yf 4attention au fluorure d'hydrogène!!
Pourquoi réduire la quantité de réfrigérant de synthèse?
Potentiel de RPotentiel de RPotentiel de RPotentiel de Réchauffement Global chauffement Global chauffement Global chauffement Global
PRGPRGPRGPRG (GWP) des (GWP) des (GWP) des (GWP) des rrrréfrigfrigfrigfrigérantsrantsrantsrants HFCHFCHFCHFC
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Récupérer la chaleur ou bien ?
Le systLe systèème de rme de rééfrigfrigéération ration àà compression rejette compression rejette 3 3 àà 44fois plus dfois plus d’é’énergie qunergie qu’’il il consommeconsomme
Quel est la meilleure stratQuel est la meilleure stratéégie? gie? ••Diminuer de 25% la Diminuer de 25% la consommation du compresseur consommation du compresseur ••ou rou réécupcupéérer 50% de la rer 50% de la chaleur rejetchaleur rejetéée au condenseur?e au condenseur?
1 W3 W
4 W
Cycle de base
Chaud
Froid
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Systèmes plus performants
Tirer le meilleur parti du climat canadien. � Le froid gratuit
� La pression de condensation réduite au minimum
� Lorsque la température ambiante ne permet plus d’exploiter ces stratégies, le sous-refroidissement mécanique devient une mesure alternative intéressante.
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La réfrigérationau CO2
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1850 199319601900----------------------1920 --------1930
Âge d’or du CO 2
Renaissance du CO 2 en réfrigération
Cycle Transcritique CO 2
(G. Lorentzen)NorvègeConsidération du CO 2comme réfrigérant(Alexander Twining ,British patent)
Danfoss ,Niels P Vestergaard Niels P Vestergaard Ver 2004-04-SI+US
Premier systèmede réfrigération
au CO2
Carle Linde
J&E Hall premier système de réfrigération deuxstages CO 2
Synthèsedu CFC R211928
GM lab.
Histoire du CO2
Protocolede Montréal
1er jan. 1989
Crash boursier
Production des CFC R11 et R12 1931
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0.3 oF-3.4 oF-2.1 oFΔΔΔΔTsaturée / ΔΔΔΔP = 1 psi à -40 [oF]
1762129BTU / PIED CUBE à -40 év. / 20 co. [oF]
19 oF147 oF140 oFTempérature d’ébullition à 400 psig [oF]
NONOUINONToxicité (à 400 ppm)
1-3260Global Warming Potential GWP
1067 / 881640 / 270541 / 162Condition Critique [psig ]/ [oF]
-69 oF-28 oF-50 oFTempérature d’ébullition à 0 psig [oF]
NON(peu)NONInflammabilité
000Ozone Depletion Potential ODP
naturel naturelHFCType de Réfrigérant
CO2NH3R404ACode du Réfrigérant
Propriétés comparées
Le COLe CO22 peut être purgpeut être purgéé àà ll’’atmosphatmosphèèrere
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Le cycle de base avec fluide secondaire
CO2
Cycle de base au réfrigérant
Circuit de fluide secondaire
Froid
Chaud
Pour rPour rééduire la duire la quantitquantitéé de rde rééfrigfrigéérantrant
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Le cycle cascade réfrigérant et CO2
Cycle de réfrigérantNH3 ou HFC
Chaud
Cycle au CO2
Froid
Pour rPour rééduire la duire la quantitquantitéé de rde rééfrigfrigéérantrant
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Le cycle cascade réfrigérant et CO2et fluide secondaire
Cycle au CO2
Cycle de réfrigérantNH3 ou HFC
Chaud
Frigo
Congélateur
Fluide sec. CO2 Pour rPour rééduire la duire la
quantitquantitéé de rde rééfrigfrigéérantrant
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Le cycle transcritiqueP
ress
ion
Enthalpie
Chaud
Froid
Chaud
Froid
Point critiquePoint critique
CO2
HFC
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Les pompes à chaleur au CO2
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Deux définitions du COP
Wcp = 1 W
Qévap = 3 W
Qcond = 4 W
Cycle de base
Chaud
Froid
Le COPh de chauffageCOPh = Qcond / WcpCOPh = 4 / 1COPh = 4
Le COPt totalCOPt = (Qcond + Qévap) / WcpCOPt = (4 + 3 )/ 1COPt = 7
19
Le cycle pompe à chaleur
COP = Q / W 100
50
kWQ
WΔT
Profil températurede l’eau
HFC
EAU
Tem
péra
ture
°C
0
20
20
Le cycle de LorenzCOPCOP↑↑ = Q / W= Q / W↓↓
de 30% de 30% àà 50% 50% >COP standard>COP standard
100100
5050
kWkWQQ
Profil tempProfil tempéératureraturede lde l’’eau eau
WW
COCO22
ΔΔ TT
Moins de travail Moins de travail au compresseurau compresseur
2020
00
Tem
pT
emp éé
ratu
re
ratu
re °° CC
21
Le COP vs ΔΔΔΔT de l’eau
2020
00
100100
5050
Tem
pT
emp éé
ratu
re
ratu
re °° CC
Profil tempProfil tempéératureraturede lde l’’eau eau
WW
COCO22
ΔΔTeauTeau
kWkW
22
Le COP vs ΔΔΔΔT de l’eau
2020
00
Si Si ΔTeau ↓↓COP COP ↓↓ = Q = Q ↓↓ / W/ W100100
5050
Tem
pT
emp éé
ratu
re
ratu
re °° CC
Profil tempProfil tempéératureraturede lde l’’eau eau
WW
COCO22
ΔΔTeauTeau
kWkW
23
Une pompe à chaleur au CO2
24
Pompe à chaleur au CO2 de 4000 kW
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EcoCutesource à 12/7 °C
2
3
4
5
6
7
8
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
Température Entrée d'eau °C
CO
P
Sortie d'eau 65°C
COP chauffage
COP total
26
Les Les ééjecteurs jecteurs en ren rééfrigfrigéérationration
27
Le cycle combinéRankine - réfrigération COP = Qgen / Qevap
Le rapport d’entraînementR = mgen / mevap
Générateur
Évaporateur
Qevap
QgenFluide primaire / moteur
Fluide secondaire / entraîné
Réfrigération
Rankine
Condenseur
mgen
mevap
wT
C
28
Le système à éjecteur
Générateur
Évaporateur
Qevap
QgenFluide primaire / moteur
Fluide secondaire / entraîné
COP = Qgen / Qevap
Réfrigération
mgen
mevap
Le rapport d’entraînementR = mgen / mevap
Condenseur
T
C
Rankine
29
L’ éjecteur
Fluide primairemoteur
Fluide secondaireentraîné
30
Tuyère primaire (fluide moteur)
Vitesse sonique
Fluide primairemoteur
31
Tuyère secondaire ( fluide entraîné)
Vitesse sonique
Fluide secondaireentraîné
32
Zone de mélange
Supersonique
Choc
33
Le diffuseur
subsonique
34
Le diffuseur
subsonique
35
L’ éjecteurTuyère primaireTuyère
secondaire
Zone de mélange Supersonique
Fluide primairemoteur
Fluide secondaireentraîné
Diffuseur subsonique
Subsonique
Onde de chocVitesse sonique
36
Le cycle combiné Rankine-Réfrigération
kWQgen
W
Pre
ssio
n
T
Condenseur
C
Évaporateur
W
Qévap
Réfrigération
Générateur
Rankine
37
Le cycle éjecteur..
kWQgén
Pre
ssio
n
Qévap
COP = Qévap/ Qgén
Générateur
Évaporateur
Condenseur
Réfrigération
Rankine
38
Courbes de performance de l’éjecteur
Température de l'évaporateur 3 °C
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
5 10 15 20 25 30
Température critique du condenseur °C
Rap
port
d'e
ntra
înem
ent
Rm
40
50
60
70
80
90
100
Tem
péra
ture
du
gén
érat
eur °
C
39
Produire du froid avec des effluents industriels
40
Éjecteur-détendeur
COP 25% plus élevé
pour récupérer l’énergie de détente et augmenter le COP
Condenseur
Évaporateur
2 phases
41
Pourquoi les éjecteurs?
� Pas de pièces mobiles� Pas d’huile� Grande variété de matériaux pour le
construire� Tous les gaz et les réfrigérants peuvent
être utilisés� Pas de limite de température (sauf pour
les matériaux)
42
Coulis de glace(Ice slurry)
43
Pourquoi les coulis de glace?
� Pour réduire la quantité de frigorigène synthétique
� Pour stocker et transporter du froid
� Pour stocker de la chaleur!� Pour réduire le débit de fluide secondaire de
4 à 5 fois et la puissance de pompage
� Pour l’uniformité de température� Projet de démonstration Moisson Montréal
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Composition
� Eau pure� Eau mélangé avec :
� Alcool (éthanol , méthanol)� Glycol (éthylène-glycol , propylène-glycol)
� Sel (CaCl, NaCl, MgCl, K2CO3, etc...)� Autre (ammoniac, glycérol, etc... )
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20% de glace à -4.4 ºC
0% de glace à -3.3 ºC
10% Éthylène-glycol
0.00
0.05
0.10
0.15
0.20
0.25
0.30
0.35
0.40
0.45
-6.5 -6.0 -5.5 -5.0 -4.5 -4.0 -3.5 -3.0
Température du mélange (°C)
Kg
de g
lace
/ kg
mél
ange
Formation du coulis
46
Questions?
Daniel GiguèreCourriel : [email protected]éléphone: (450) 652-5015
Site Internet : http://canmetenergy-canmetenergie.nrcan-rncan.gc.ca
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� Les technologies innovatrices en réfrigération.� Depuis vingt ans, les enjeux environnementaux ont
fortement influencé la recherche et le développement des technologies en réfrigération. Cet exposéprésente quelques exemples de technologies de réfrigération commerciale et industrielle qui font l’objet de projets de recherche chez CanmetÉNERGIE à Varennes et aussi ailleurs dans le monde. Les principaux thèmes qui seront exposés : CoolSolution, la réfrigération au CO2, les éjecteurs pour produire du froid et les coulis de glace.
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Le dioxyde de carbone
� Il est présent dans l'atmosphère dans une proportion, soit 375 ppmv (parties par million en volume).
� La concentration augmente rapidement, d'environ 2 ppmv/an
� Le R744 fait partie des réfrigérants naturels comme l’eau, l’air, l’ammoniac et les hydrocarbures
� Le CO2 utilisé en réfrigération est un sous produits des procédés de production d’ammoniac ou d’hydrogène. (wikipedia)
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IndustrielCommercialLes arguments porteurs
Pourquoi le CO2 ?
EnvironnementÉlimination progressive des substances qui affectent l’environnement, HCFC, HFC :(ODP (Ozone Depletion Potential), GWP (Global Warming Potential) )
SécuritéToxicité et inflammabilité pour les systèmesutilisant des quantités importantes d’ammoniac
Coûts• Réduction des coûts d’opération• Systèmes plus efficaces • Réduction du coût du réfrigérant.• Réduction du volume des composants
�
�
��
50
Le cycle combinéKelvin - réfrigération
TC
Générateur
Évaporateur
Condenseur
Qevap
Qgen
w
Le rapport d’entraînement est représentépar le débit massique du fluide secondaire divisé par le débit massique de fluide primaire
Fluide primaire / moteur
Fluide secondaire / entraîné
COP = Qgen / Qevap
Réfrigération
Puissance