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ICR 2019 : tour d'horizon des thèmes de recherche actuels dans le froid (partie I)

Présentation des principaux thèmes scientifiques et techniques abordés dans les papiers du congrès le congrès et résumé de quelques-unes des 14 présentations clés.
PARTIE I - Voir la partie II


Les sujets abordés dans les différentes communications et les 14 présentations clés faites lors du Congrès international du froid (ICR 2019) à Montréal, Canada, du 24 au 30 août 2019, illustrent parfaitement les domaines de recherche actuels dans le secteur du froid.Les principaux sujets abordés étaient :


  • frigorigènes à faible GWP : frigorigènes alternatifs (HFO, mélanges HFO-HFC, CO2, ammoniac, hydrocarbures, eau) par application, problèmes de sécurité associés, réduction de la charge en frigorigène,
  • thermodynamique : propriétés thermodynamiques des frigorigènes, transfert de chaleur et de masse, nanofluides et nanolubrifiants, liquides ioniques,
  • matériaux à changement de phase et coulis, stockage d'énergie : applications en cryogénie, froid alimentaire, conditionnement d’air, etc.
  • technologies frigorifiques alternatives à la compression de vapeur : absorption-adsorption, froid calorique, froid solaire,
  • compresseurs : régulation, lubrification, avancées relatives aux compresseurs linéaires,
  • échangeurs de chaleur : micro et mini-canaux, écoulement diphasique, problèmes de givrage et de dégivrage,
  • chaîne du froid : surveillance, propriétés thermiques des aliments, progrès des systèmes d’entreposage et de transport frigorifiques et dans le domaine des réfrigérateurs ménagers,
  • froid commercial : progrès du froid dans les supermarchés, les systèmes au CO2, la technologie des éjecteurs, les meubles de vente,
  • conditionnement d’air : déshumidification, déshydratants liquides, efficacité énergétique, frigorigènes de remplacement, problèmes de sécurité liés à l'utilisation des hydrocarbures, bâtiments à haute performance,
  • pompes à chaleur : pompes à chaleur à sorption, pompes à chaleur à haute température, pompes à chaleur géothermiques,
  • cryogénie (cryoréfrigérateurs, cryoconservation, cryothérapie) et gaz liquéfiés (GNL).


Les 14 présentations clés représentent à elles seules une bonne synthèse des domaines qui génèrent le plus de recherches. Elles permettent également de synthétiser l’état actuel des connaissances et les défis à relever dans ces domaines. Dans ce numéro de la Newsletter ainsi que dans le prochain, nous présenterons un résumé de ces présentations, classées par thèmes.


Le thème central des frigorigènes alternatifs à faible GWP et de la réduction de la charge en frigorigène a fait l’objet de quatre présentations :


Dans son article [1] intitulé « Thermodynamique des nouveaux frigorigènes », Mark Mc Linden souligne que le nombre de frigorigènes acceptables diminue en raison des contraintes environnementales, mais que, parallèlement, de nouvelles options sont disponibles. Ces « nouveaux » frigorigènes incluent de nouvelles molécules, telles que les HFO (hydrofluoro-oléfines) comportant une double liaison carbone-carbone, ainsi que certains « anciens » fluides, tels que l'ammoniac, le dioxyde de carbone et les hydrocarbures. Les frigorigènes HFC (hydrofluorocarbures), bien que progressivement soumis à des restrictions d’utilisation, restent utilisés, notamment en tant que composants de mélanges. L'auteur passe en revue les caractéristiques thermodynamiques qui sous-tendent le choix d'un frigorigène. Les frigorigènes ont des caractéristiques thermodynamiques différentes qui déterminent leurs performances relatives dans un cycle frigorifique. Il en conclut que l'ingénieur en charge de la conception doit faire un compromis entre les inconvénients présentés par les différents frigorigènes et concevoir le système de manière à s'adapter au mieux aux propriétés du fluide choisi.


Dans une autre présentation [2], Yongchan Kim et Dongchan Lee rappellent que le coefficient de transfert de chaleur et la chute de pression d’un fluide frigorigène sont des paramètres essentiels pour une conception optimale des échangeurs de chaleur dans un système frigorifique. Ils ont étudié les caractéristiques de transfert de chaleur par évaporation de plusieurs frigorigènes HFO à faible GWP (R1234yf, R1234ze (E) et R1233zd (E)) dans différents types d’échangeurs de chaleur à plaques, maintenant largement adoptés dans le secteur du froid en raison de leur compacité et de leur rendement élevés. Ils concluent que l'échangeur de chaleur à plaques brasées présente un coefficient de transfert de chaleur plus élevé, tandis que l'échangeur de chaleur à calandre et à plaques présente une perte de charge plus faible.


Les mélanges de frigorigènes sont devenus couramment utilisés pour les applications de conditionnement d’air et de froid. La plupart des mélanges sont zéotropes et présentent donc un glissement de température pendant l'évaporation et la condensation. Dans leur présentation, J. Ling, Y. Hwang et R. Radermacher [3] soulignent que le glissement de température peut entraîner des pertes de puissance en raison d'un pincement de températures réduit dans les échangeurs de chaleur. Sans une conception appropriée, l’échangeur de chaleur peut perdre jusqu’à 27 % de sa puissance lorsqu’il utilise un mélange zéotrope ayant un glissement de température de 5,2 K. Cependant, en modifiant simplement le trajet du fluide frigorigène pour qu'il soit à contre-courant, une telle perte de puissance peut être minimisée. Le mélange de frigorigènes bénéficie de la capacité du système de régulation en modifiant sa composition circulant dans le cycle. L’article étudie en particulier un mélange R1234yfa/R32 et fait état d’une réduction de la puissance de refroidissement de 4 % pour chaque réduction de 10 % de la concentration en R32.


La réduction de la charge en frigorigène est attrayante, en particulier parce qu'une charge faible peut élargir les possibilités d’utilisation de très bons frigorigènes (rendement de cycle élevé, performances de transfert de chaleur élevé/de perte de charge, etc.) dans des zones où ces fluides sont interdits ou autorisés uniquement en quantités limitées en raison de problèmes d'inflammabilité ou de toxicité. Cela est particulièrement vrai pour les fluides tels que l'ammoniac et les hydrocarbures qui, dans certaines applications et à certaines zones, ne sont déjà acceptés qu’en deçà de certains niveaux (généralement 150 kg pour NH3 et 150 ou 50 g pour les HC). Dans son article, Pega Hrnjak [4] présente plusieurs stratégies de réduction de charge :

  • introduction d'un fluide secondaire,
  • dans le compresseur: réduction du volume interne, réduction de la quantité de lubrifiant, réduction de la solubilité pour réduire l'absorption de frigorigène,
  • dans les réservoirs : réduction du volume et des niveaux de liquide,
  • dans les tuyauteries : réduction du volume interne (diamètre et éventuellement même longueur),
  • dans les échangeurs de chaleur : réduction du diamètre et de la longueur du tube.

Parce que c'est la plus attrayante, la dernière stratégie est élaborée en détail. De toute évidence, pour réduire la charge, le volume interne doit être réduit, mais il faut veiller à équilibrer les effets néfastes dus à une chute de pression accrue ou à une réduction du transfert de chaleur.


[1] Mark Mc Linden, Thermodynamics of the new refrigerants, https://bit.ly/2n7vNo5

[2] Yongchan Kim, DongChan Lee, Evaporation heat transfer characteristics of low GWP refrigerants in plate heat exchangers, https://bit.ly/2lDiOdq

[3] Jiazhen Ling, Yunho Hwang, Reinhard Radermacher, Vapor compression heat pumps with refrigerant mixtures, https://bit.ly/2nDpoB5

[4] Pega Hrnjak, Rational approach to refrigerant charge reduction, https://bit.ly/2n7zGcF


Voir la partie II