La compression parallèle sur les circuits de réfrigération CO2 (R744) transcritique.

Depuis une dizaine d’année environ, les installations frigorifiques fonctionnant au CO2 s’imposent de plus en plus en GMS et plus récemment sur d’autres types d’applications.

Au delà du faible PRG (GWP) du CO2, la performance énergétique moyenne annuelle est favorable et le R744 autorise une très importante capacité de récupération de chaleur tout au long de l’année.

Pour autant, en pleine chaleur estivale, le COP avec le R744 reste pénalisant. Il est donc pertinent de rechercher des solutions pour corriger ce point négatif. L’idée de la compression parallèle s’est vite imposée dans ce contexte.

Afin de bien comprendre ce que veut dire compression parallèle, il faut commencer par établir le fonctionnement “standard” d’une installation CO2. Nous resterons sur des applications positives afin de simplifier le propos, mais la réflexion restera la même avec des systèmes bi-étagés “booster”, pour des utilisations positives et négatives.

Nous parlerons donc ici de machines frigorifiques transcritiques, dans lesquelles le rejet de chaleur vers l’extérieur peut s’opérer, en cas d’ambiance chaude,  au-dessus du point critique du R744 (31°C, 72barg). Cela veut dire que nous sommes au-delà de toute capacité de condensation, contrairement à un système HFC.

Autrement dit, une partie de l’année, l’échangeur extérieur (Gas Cooler) ne peut pas supprimer “le fluide”, mais simplement refroidir le CO2 supercritique refoulé par les compresseurs MT (figure 1).

Afin de contrôler les forts niveaux de pression induits et transformer ces gaz refroidis en liquide, une vanne-détendeur (vanne HP) est installée entre cet échangeur et le réservoir. Elle alimente le réservoir en un mélange liquide et vapeur.

Ces vapeurs s’accumulent donc dans le réservoir, tout comme le CO2 liquide.

Image 1_GFI

Ce dernier repart vers les postes froids, les détendeurs électriques contrôlant le débit masse nécessaire à la production de froid, sur la base du point de consigne de surchauffe. Une fois évaporée, ce débit de CO2 revient à l’aspiration des compresseurs MT, y est comprimé et refoulé vers le Gas Cooler.

De l’autre côté, en partie haute du réservoir, les vapeurs de R744 produites par la vanne HP, sont évacuées afin de ne pas s’accumuler dans le réservoir. Ce débit est détendu par un second détendeur électrique (vanne flash-gaz) vers l’aspiration des compresseurs MT, pour y être aussi comprimé et refoulé vers le Gas Cooler (Figure 1).

 

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Nous comprenons donc que nos compresseur MT vont devoir travailler à la compression du débit liquide évaporé (donc producteur d’une puissance froid) et du débit vapeur en provenance du réservoir, donc totalement improductif. Cela implique que quasiment 50% du travail des compresseurs dans cette période ne produit pas de froid.

Il a donc été imaginé de ne pas utiliser la vanne flash-gaz et de comprimer directement ce débit vapeur vers la pression HP (figure 2 et 3).

 

Cette compression, “plus courte”, va donc être moins consommatrice d’énergie (figure 4).

En réduisant la puissance consommée, et donc payée, pour une même puissance utile, on augmente le coefficient de performance (COP).

On peut vérifier que la compression parallèle, sur le papier, est bien plus efficace que le circuit CO2 standard.

Image 4_GFI

 

Pour résumer, la compression parallèle est une technologie qui nous apporte une amélioration de performance des centrales R744, en contrepartie d’une légère augmentation de complexité.

Pour plus d’informations, contactez votre référent GFI !

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