Un nouveau mélange ininflammable pour améliorer la performance des systèmes au CO2

Les systèmes frigorifiques au CO₂ (R744) voient leur part de marché augmenter dans les secteurs du froid commercial (c'est-à-dire la vente au détail) et du froid industriel, en particulier en Europe, en Amérique du Nord et au Japon. Le marché principal est en Europe, où les systèmes au CO₂ transcritique ont atteint une part de marché de 22,9 % dans le secteur de la distribution alimentaire en 2023, contre 18,4 % l'année précédente. (voir les précédentes actualités de l'IIF)

Ce succès est dû à l'efficacité croissante des systèmes au CO₂. Les chercheurs du monde universitaire et de l'industrie tentent d'étendre la gamme d'applications à d'autres secteurs tels que le transport frigorifique. Cependant, les améliorations nécessitent souvent des systèmes frigorifiques de plus en plus complexes, par exemple avec des éjecteurs multiples.

L'utilisation de mélanges de fluides pourrait s’avérer une alternative intéressante pour l'amélioration des systèmes à base de CO₂. Dans une récente étude théorique publiée dans la RIF, Vaccaro et al. ont évalué plusieurs mélanges de CO₂ et de substances organiques : propane (R290), iso-butane (R600a), diméthyl-éther (DME) et propylène (R1270).

Les auteurs ont constaté que ces mélanges peuvent augmenter le COP des cycles frigorifiques grâce à une réduction du travail de compression et à une meilleure adéquation des températures entre le fluide actif en évaporation et une source de chaleur à capacité thermique finie. Ainsi, un mélange de CO₂ avec une fraction massique de 23 % de propylène a permis d'augmenter le COP de 28 %, mais ce mélange est hautement inflammable, tout comme les mélanges contenant du propane et de l'iso-butane.

Vaccaro et al. ont constaté qu'un mélange de CO₂ et de 8 % de DME était ininflammable et permettait d'augmenter le COP de 25 % par rapport au CO₂ pur. Ce mélange représenterait une option sûre, combinant les avantages du CO₂ (faible PRP, capacité de refroidissement volumétrique élevée) avec une bonne efficacité énergétique, réduisant la consommation d’énergie de 25 % même pour un système frigorifique simple ne comprenant qu'un échangeur de chaleur interne.

Les auteurs ont évalué l'impact environnemental du mélange à l'aide de l'indicateur TEWI (Total Equivalent Warming Impact). Le DME ayant un PRP de 1, la composante des émissions directes dans le calcul du TEWI pour le mélange CO₂/DME est négligeable. Évaluée dans un modèle théorique, cette découverte prometteuse doit encore être testée expérimentalement.

Sources

Penetration of transcritical CO2 continues to increase. https://iifiir.org/en/news/penetration-of-transcritical-co2-continues-to-increase

Vaccaro G., Milazzo A., and Talluri L. "A proposal for a non-flammable, fluorine-free, CO₂-based mixture as a low TEWI refrigerant." International Journal of Refrigeration 158 (2024): 157-163. https://iifiir.org/en/fridoc/a-proposal-for-a-non-flammable-fluorine-free-co-lt-sub-gt-2-lt-sub-gt-based-148404