1 Daniel Giguère, CanmetÉNERGIE-Varennes, ASHRAE Montréal 18 janvier 2010

Les technologies innovatrices en réfrigération

2

Le programme

� Contexte� Coolsolution� La réfrigération au CO2

� Les pompes à chaleur au CO2

� Les éjecteurs en réfrigération� Les coulis de glace

3

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

4

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

6

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

7

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

8

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

9

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

11

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

14

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

15

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

16

Le cycle transcritiqueP

ress

ion

Enthalpie

Chaud

Froid

Chaud

Froid

Point critiquePoint critique

CO2

HFC

17

Les pompes à chaleur au CO2

18

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

QQ

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

QQ

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

25

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... )

45

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 : daniel.giguere@nrcan.gc.caTéléphone: (450) 652-5015

Site Internet : http://canmetenergy-canmetenergie.nrcan-rncan.gc.ca

47

� 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