Réduction de la charge en frigorigène dans des installations frigorifiques grâce aux échangeurs à mini-canaux

Ce projet s'intéresse à l'optimisation énergétique d'un nouveau type de système frigorifique équipé d'échangeurs à mini-canaux et à charge réduite en frigorigène. Le secteur d'application visé est celui du « petit agro-alimentaire » mettant en oeuvre des installations frigorifiques de 1 à 15 kW froid et d'architecture simple. La technologie d'échangeurs compacts à mini-canaux correspond à des diamètres hydrauliques compris entre 0,5 et 3 mm, alors que la technologie classique utilisée dans ce secteur d'application correspond à des diamètres de 10 à 14 mm. Le projet s'est caractérisé · Au plan expérimental : * travaux sur échangeurs : caractérisation de deux échangeurs à mini-canaux, conception et réalisation d'un prototype d'évaporateur à charge réduite. * travaux sur installations complètes : caractérisation d'une installation frigorifique classique de référence, développement et caractérisation d'un prototype à charge réduite. · Au plan théorique, modélisation de deux échangeurs à mini-canaux, modélisation et conception d'un évaporateur prototype, modélisation et conception d'un système complet à charge réduite. Les principaux résultats ont été : · Tester des géométries d'échangeur innovantes pour le domaine d'application visé. · Montrer qu'il est possible, grâce à ces nouvelles géométries, de réduire de manière significative le volume interne des échangeurs et par conséquent la masse de frigorigène. · Les échangeurs préconisés ne représentent pas un surcoût conséquent. * Les technologies employées sont issues du marché automobile pour le condenseur. * L'évaporateur repose sur une technique de fabrication simple (brasage cuivre-cuivre) et a par conséquent un coût matière raisonnable. · Développer et valider des modèles numériques d'évaporateur et de condenseur. * Ils permettent de prédire de façon satisfaisante les puissances thermiques échangées. * Les pertes de pression restent par contre sous-estimées par les modèles. L'explication la plus probable de ces écarts significatifs semble être la part importante des pertes de charge singulières, non prises en compte par les modèles, pour ce type de géométrie. * Néanmoins ces modèles sont des éléments-clés pour le dimensionnement et l'optimisation du prototype développé. · La conception du système complet à mini-canaux a été réalisée sur la base du critère « TEWI » permettant une évaluation globale de l'impact d'un système de réfrigération sur l'environnement. · Afin de quantifier le gain lié à cette nouvelle technologie à mini-canaux, les performances de l'installation classique de référence ont été caractérisées au Cemagref. · Un prototype d'évaporateur à charge réduite a été conçu par le GREThE. Il permet d'atteindre des volumes internes divisés par 10 à performances identiques aux échangeurs usuels, et cela en conditions de givrage. · Le Cemagref a procédé à un réexamen complet des règles de conception classiquement utilisées pour les installations et propose de nouvelles bases de conception prenant en compte l'impact sur l'environnement · Sur ces bases, une installation pilote a été développée montrant la faisabilité du concept d'installation à charge réduite et à impact environnemental minimal. Les technologies d'échangeurs compacts et les nouvelles règles de conception mises en oeuvre ont permis de réduire d'un facteur 10 la charge en frigorigène de l'installation et le TEWI de plus de 60%. Cette installation pilote démontre qu'il est possible, pour une même puissance frigorifique (4 kW à -20°C) et les mêmes conditions de fonctionnement, de réaliser une installation ne relâchant lors de sa durée de vie que 50 tonnes de CO2, à comparer aux 160 tonnes de CO2 pour une conception classique.