Simulation thermodynamique d'une boucle de réfrigération secondaire : effets de la nature du coulis et du taux de cristallisation
Résumé
La réfrigération secondaire (distribution de froid dans de grandes installations via une boucle où circule un fluide neutre pour lenvironnement) apporte une réponse durable aux contraintes toujours plus restrictives que les régulations imposent aux systèmes frigorifiques afin de réduire leur impact environnemental négatif (actuellement : 8% de toutes les émissions de gaz à effet de serre et 15 % de la consommation électrique globale).
A priori, un fluide diphasique (typiquement un coulis : solution aqueuse transportant des cristaux de glace ou bien dhydrates) mettant en jeu un changement détat procure une densité énergétique importante sur un écart de température très réduit. Comparés aux coulis eau-glycolée+glace, connus depuis longtemps, les coulis dhydrates sont des matériaux innovants, dabord par leurs températures de fusion, supérieures à 0°C, ensuite par le degré de liberté supplémentaire. En effet, la température de fusion peut être modifiée, éventuellement en changeant la composition de la solution, surtout en changeant la pression du CO2 dans le cas dhydrates (éventuellement mixtes) de CO2.
Dans le but détudier lintérêt des hydrates dans les boucles de réfrigération secondaire, un modèle de boucle a été construit. Si la boucle est réduite à lessentiel (une production de froid, 50 m de canalisation et lutilisation de 30 kW pour climatiser un local à 25°C alors que la température extérieure est de 40°C), elle est en revanche insérée dans un système thermodynamiquement cohérent qui inclut le groupe froid et les auxiliaires de pompage liés à la boucle secondaire. Un des critères de performance est donc la consommation électrique totale, groupe froid + auxiliaires.
Pour chaque coulis étudié (eau glycolée + glace, hydrate de CO2, hydrate de bromure de tetra-n-butylphosphonium (TBPB), et hydrates mixtes CO2+TBPB) linfluence du taux maximal de cristallisation opératoire est étudiée, menant à des résultats partiellement contre-intuitifs pour lusage de fluides diphasiques. Le cas échéant, les conséquences de lutilisation du gaz CO2 sont explicitées. Létude débouche alors sur linfluence de la nature du coulis sur le dimensionnement et sur la consommation totale. La température de fusion du coulis impose quasiment la température dévaporation du groupe froid et donc son COP et la puissance électrique consommée, à condition que le dimensionnement de la boucle soit bien adapté.