Les fluides frigorigènes

Le cycle du chapitre 43 ne dit pas quel corps y circule. Ce choix fixe pourtant les pressions, la taille du compresseur, la température de refoulement, le danger d'une fuite et l'empreinte climatique. On lit ici le nom d'un fluide, on fait tourner le groupe du plateau avec sept fluides, puis viennent la sécurité, le règlement européen et le bilan carbone.

44.1 Ce qu'on demande à un fluide

Le fluide bout à l'évaporateur et se condense au condenseur : sa courbe de saturation, qui relie chaque température à une pression, est le premier critère de choix. Elle suit à peu près la relation de Clapeyron intégrée, tracée sur le panneau de la figure 44.1 :

ln p_sat ≈ A − B / T B = L_v / r, chaleur latente rapportée à la constante du gaz

On veut une évaporation au-dessus de la pression atmosphérique, pour que l'air humide n'entre pas par une fuite, une condensation à pression modérée et un point critique loin au-dessus, sans quoi la chaleur latente s'effondre. On veut aussi beaucoup de froid par mètre cube aspiré, un refoulement que l'huile supporte, peu de danger, aucun effet sur l'ozone et peu d'effet de serre. Aucun corps ne coche toutes les cases.

La bouteille de R32 de la figure le montre : tant qu'elle contient du liquide, pleine ou presque vide, sa pression est celle de saturation à sa température. Son manomètre lit 13,73 bar à 20 °C (14,746 bar absolus), 18,26 bar à 30 °C et 30,40 bar à 50 °C. On pèse donc une charge à la balance, jamais au manomètre, et l'on n'expose pas une bouteille au soleil.

44.2 Le nom d'un fluide

L'ISO 817 et l'ASHRAE 34 fixent la même désignation : R, pour « réfrigérant », suivi d'un numéro qui code la molécule. Pour un dérivé halogéné du méthane, de l'éthane ou du propane :

R-(C − 1)(H + 1)(F) C, H, F : nombres d'atomes de carbone, d'hydrogène et de fluor

Le chlore occupe les places restantes et n'apparaît pas ; un premier chiffre nul tombe. Le difluorométhane CH₂F₂ donne 0, 3, 2 : R32. Le tétrafluoroéthane C₂H₂F₄ donne R134, et une lettre minuscule distingue ses isomères. Le propane C₃H₈ donne R290, l'ancien CCl₂F₂ R12, le CHClF₂ R22. Un chiffre de tête compte les doubles liaisons : le C₃H₂F₄ insaturé devient R1234, suivi de lettres pour ses substituants et de sa forme géométrique, (E) ou (Z).

La série 400 regroupe les mélanges zéotropes, numérotés dans l'ordre d'enregistrement, avec une majuscule par composition : R410A, R454B. La série 500 réunit les azéotropes, la série 600 des composés organiques comme l'isobutane, R600a. La série 700 désigne les corps minéraux, par 700 plus la masse molaire arrondie : l'ammoniac, 17,03 g/mol, est le R717 ; le dioxyde de carbone, 44,01 g/mol, le R744.

44.3 Des CFC aux fluides naturels

Après l'ammoniac et le dioxyde de carbone des premières machines arrivent, dans les années 1930, les CFC, comme le R12 : stables, ininflammables, peu toxiques. Leur stabilité fait leur défaut : ils montent intacts jusqu'à la stratosphère, où l'ultraviolet libère leur chlore, qui détruit l'ozone. Le protocole de Montréal, en 1987, organise leur abandon, puis celui des HCFC, comme le R22, moins stables mais encore chlorés.

Les HFC, sans chlore, épargnent l'ozone : R134a, R410A, R32. Mais ce sont de puissants gaz à effet de serre, dont l'amendement de Kigali, en 2016, organise la réduction (§ 44.9). Les HFO répondent par la chimie : leur double liaison les rend fragiles, ils ne durent que quelques semaines dans l'atmosphère et leur effet de serre devient négligeable. On les emploie purs, comme le R1234ze(E), ou mélangés à des HFC pour retrouver les pressions des anciens fluides, comme le R454B. Leur dégradation produit toutefois des composés fluorés persistants, dont l'Europe discute la restriction. Reviennent enfin les fluides naturels : ammoniac, dioxyde de carbone, propane, dont la conception traite les dangers et les pressions (§ 44.6 et 44.8).

44.4 Mélanges et glissement

Un corps pur bout à température constante sous une pression donnée ; un mélange azéotrope aussi, car sa vapeur a la composition de son liquide. Un mélange zéotrope évapore d'abord son composant le plus volatil : le liquide restant s'enrichit en composant lourd et sa température monte. À pression fixée, l'évaporation commence à la température de bulle et finit à la température de rosée ; l'écart est le glissement.

Le R410A, mélange à parts égales en masse de R32 et de R125, glisse de 0,10 K à 0 °C et de 0,12 K à 20 °C : on le traite comme un corps pur. Le R454B mélange 68,9 % de R32 et 31,1 % de R1234yf en masse, 82,9 % de R32 en moles ; calculé comme un vrai mélange, il glisse de 1,37 K à −20 °C, 1,47 K à 0 °C et 1,52 K à 20 °C. Sous la pression atmosphérique, le calcul le fait bouillir de −50,74 à −49,53 °C, quand l'ASHRAE 34 publie −50,9 et −50,0 °C : le modèle de mélange surestime le glissement d'environ 0,3 K.

Il faut donc dire de quelle température on parle : moyenne, bulle ou rosée (§ 44.5). Un échangeur à contre-courant peut tirer parti du glissement. Une fuite en phase vapeur emporte surtout le composant volatil et la composition dérive : on charge donc un zéotrope en phase liquide et, après une grosse fuite, on récupère toute la charge plutôt que de compléter.

44.5 Sept fluides dans le même groupe

Le groupe d'eau glacée du plateau (chapitre 43) produit 120 kW, évapore à t₀ = 2 °C et condense à t_c = 32,95 °C. On le refait tourner aux mêmes températures avec six autres fluides : même rosée en sortie d'évaporateur, même bulle en sortie de condenseur, surchauffe de 5 K, sous-refroidissement de 3 K, rendements isentropique de 0,70 et volumétrique de 0,92. Le cycle est celui du logiciel, refait dans le modèle pour le R454B et le R744.

Trois grandeurs départagent les fluides : les pressions, qui fixent la mécanique ; la production frigorifique volumique q₀ / v₁, froid par mètre cube aspiré, qui fixe la cylindrée ; la température de refoulement, que doivent tenir l'huile et les clapets.

Groupe du plateau, t₀ = 2 °C (rosée), t_c = 32,95 °C (bulle) ; pressions absolues ; EER dans l'exemple ci-dessous. R744 : pression haute optimale, sortie de l'échangeur haute pression à 27,95 °C (§ 44.6).

Exemple : le groupe du plateau.

1. R32, la référence : rapport de pression 2,40, débit 0,450 kg/s, 23,0 kW au compresseur, EER 5,22, 77,3 m³/h de cylindrée, refoulement à 74,7 °C.
2. R410A : mêmes pressions ou presque, EER 5,13 (−1,6 %), 93 % de la production volumique du R32, 83,2 m³/h. Il refoule à 60,2 °C : le R32 chauffe davantage à la compression.
3. R454B : EER 4,95 (−5,1 %), 87 % de la production volumique, 88,6 m³/h. Le mélange entre dans l'évaporateur à 0,69 °C et atteint sa rosée à 2 °C. Si l'on cale plutôt les moyennes d'évaporation et de condensation sur 2 et 32,95 °C, la rosée passe à 2,66 °C, la bulle à 32,20 °C, et l'EER devient 5,23 : +0,2 % sur le R32. La convention change le classement.
4. R1234ze(E) : 2,33 et 6,30 bar, EER 5,46 (+4,7 %). Mais sa vapeur est peu dense : 30 % de la production volumique du R32, et 256,3 m³/h de cylindrée pour les mêmes 120 kW. C'est un fluide de gros compresseurs, à vis ou centrifuges (chapitre 45).
5. R290 : 5,04 et 11,60 bar, EER 5,38 (+3,1 %), 54 % de la production volumique, 143,0 m³/h, refoulement à 49,5 °C.
6. R717 : chaleur latente énorme, d'où q₀ = 1 136,0 kJ/kg contre 266,7 kJ/kg pour le R32 et un débit de 0,106 kg/s. EER 5,48 (+5,2 %), 114,2 m³/h. Le refoulement atteint 103,8 °C pour un rapport de pression de 2,75 : avec l'ammoniac, on refroidit les culasses et l'on étage la compression dès que l'écart grandit.
7. R744 : 36,73 bar à l'évaporation, 72,30 bar au refoulement, 252 % de la production volumique du R32 et 30,7 m³/h, mais EER 4,00 (−23,2 %) et 30,0 kW au compresseur (§ 44.6).

Hors CO₂, l'EER ne varie que de quelques pour cent : à températures égales, le cycle fixe l'essentiel. La production volumique, elle, varie dans un rapport de 8,36 : le fluide choisit le compresseur. Le même rendement isentropique pour tous simplifie : le rendement réel dépend de la machine et du rapport de pression (chapitre 45).

44.6 Le CO₂ près de son point critique

Le point critique du R744 est à 30,98 °C et 73,77 bar. Au-dessus, le gaz comprimé ne se condense plus : il se refroidit continûment dans un refroidisseur de gaz, et le cycle devient transcritique. La pression haute devient une variable libre, avec un optimum : la monter coûte du travail mais abaisse l'enthalpie en sortie de refroidisseur.

Avec l'eau de tour du plateau, qui arrive à 24,95 °C, et 3 K d'écart minimal le long de l'échangeur, le CO₂ en sort à 27,95 °C et l'optimum est à 72,3 bar. Le cycle reste sous-critique, de justesse : la vapeur se condense à 30,10 °C, à 0,88 K du point critique, avec une chaleur latente de 58 kJ/kg, le quart de sa valeur à 0 °C. L'échangeur refroidit surtout du gaz puis du liquide, presque comme un refroidisseur de gaz, et une eau plus chaude de 2 K rend le cycle transcritique (74,8 bar, EER 3,56). Pousser la pression dégrade l'EER : 3,61 à 80 bar, 2,88 à 100 bar. Avec de l'air à 31 °C, le cycle est franchement transcritique : optimum à 84,4 bar, EER 2,79, contre 3,36 pour le R32 condensé par air (chapitre 43), soit −17 %. Cette comparaison flatte le CO₂, sorti 3 K au-dessus de l'air quand le R32 condense 15 K au-dessus.

Le CO₂ impose ses pressions, 57,29 bar à l'arrêt à 20 °C, mais offre des conduites fines, l'ininflammabilité et un effet de serre négligeable. Il excelle pour chauffer de l'eau sur un grand écart (chapitre 48) et en froid commercial (chapitre 66).

44.7 L'huile

L'huile entraînée par le fluide doit revenir au compresseur. Chaque famille a ses huiles, qu'on ne mélange pas. Les CFC et HCFC s'accommodaient d'huiles minérales ; les HFC et HFO demandent des polyolesters, miscibles mais avides d'eau : tirage au vide soigné, huile à l'abri de l'air. L'ammoniac ne dissout presque pas l'huile, qui se dépose aux points bas et se purge. Le propane dissout si bien les huiles minérales qu'il en abaisse la viscosité. Toute conversion à un autre fluide commence par l'huile, les joints et les déshydrateurs.

44.8 Toxicité, inflammabilité et charge admissible

L'ISO 817 donne à chaque fluide une classe de sécurité. La lettre dit la toxicité chronique : A la plus faible, B la plus forte. Le chiffre dit l'inflammabilité : 1, pas de propagation de flamme ; 2L, faiblement inflammable à flamme lente ; 2, inflammable ; 3, très inflammable. Le R410A et le R744 sont A1, le R32, le R454B et le R1234ze(E) A2L, le R290 A3, l'ammoniac B2L.

L'EN 378-1:2016+A1:2020 fixe la charge admissible selon la classe du fluide, la catégorie d'occupation du local (accès général, surveillé ou réservé) et l'emplacement du circuit (local occupé, salle des machines, plein air). La méthode compare la concentration qu'atteindrait toute la charge répandue dans le plus petit local desservi à une limite propre au fluide. Pour un fluide inflammable en local occupé, la limite dépend de la limite inférieure d'inflammabilité (LFL), de la hauteur de la fuite et de la surface du local (annexe C, forme publiée, à vérifier sur le texte) :

m_max = 2,5 · LFL^1,25 · h₀ · A^0,5 m en kg, LFL en kg/m³, h₀ en m, A en m²

Avec des LFL publiées de 0,307 kg/m³ pour le R32 et 0,038 kg/m³ pour le R290, leur rapport vaut 8,1, celui des charges admissibles 13,6. Dans un local de 30 m², fuite à h₀ = 2,2 m (appareil en plafond, hypothèse d'exemple), la formule admet 6,9 kg de R32 et 0,51 kg de R290. Les 14,4 kg du groupe du plateau n'ont donc pas leur place dans un local occupé : il va en salle des machines ou en plein air, et l'eau glacée porte le froid aux bureaux (§ 44.12). Même logique pour le propane des pompes à chaleur (chapitre 48) ; l'ammoniac reste en salle des machines ventilée, sous détection.

44.9 PRP, quotas et interdictions

Le potentiel de réchauffement planétaire (PRP) compare l'effet d'un kilogramme de gaz à celui d'un kilogramme de CO₂, intégré sur un horizon. Le règlement (UE) 2024/573 retient cent ans (article 3) : 675 pour le R32 et 3 500 pour le R125 (annexe I, quatrième rapport du GIEC), 0,501 pour le R1234yf et 1,37 pour le R1234ze (annexe II, sixième rapport). Un mélange prend la moyenne pondérée par les masses (annexe VI) : 2 087,5 pour le R410A, 465,2 pour le R454B. Le propane vaut 0,02, l'ammoniac 0, le CO₂ 1 par définition. Sur vingt ans, l'annexe I donne à titre informatif 2 690 pour le R32 (sixième rapport), gaz de vie courte.

Le règlement plafonne d'abord les HFC mis sur le marché européen, en tonnes équivalent CO₂ : 176,7 millions en 2015, année de référence, puis 42,9 millions par an en 2025-2026 (24,3 %), 21,7 millions en 2027-2029 (12,3 %), 9,1 millions en 2030-2032 (5,2 %), et zéro à partir de 2050. Le quota renchérit les fluides à fort PRP.

Il interdit ensuite des usages. La maintenance avec un fluide de PRP d'au moins 2 500 est interdite depuis 2025 en réfrigération et 2026 en climatisation et pompes à chaleur, avec un sursis pour les fluides régénérés ou recyclés (article 13). À partir du 1^er janvier 2027, un refroidisseur neuf de plus de 12 kW ne peut plus être mis sur le marché avec un gaz fluoré de PRP d'au moins 750, sauf exigence de sécurité (annexe IV) : le R410A sort des groupes neufs, le R32 et le R454B y restent. Les petits refroidisseurs passent sous 150 en 2027 et perdent tout gaz fluoré en 2032.

Il impose enfin des contrôles d'étanchéité (article 5). Pour les gaz de l'annexe I, ils sont dus dès 5 t équivalent CO₂, au moins tous les douze mois sous 50 t, six mois jusqu'à 500 t, trois mois au-delà ; un système de détection des fuites double ces intervalles et devient obligatoire à 500 t (article 6). Pour les gaz de l'annexe II, section 1, les paliers se comptent en kilogrammes : 1, 10 et 100 kg. Les fluides naturels sortent de ce règlement ; leur étanchéité relève de l'EN 378 et de la bonne pratique.

44.10 Exemple : de la charge au calendrier des contrôles

Le chapitre 72 donne au groupe une charge d'exemple de 0,12 kg par kilowatt de froid. Pour les autres fluides, on garde le même volume intérieur : la charge suit la masse volumique du liquide saturé à 30 °C, hypothèse d'exemple elle aussi.

1. R32 : 0,12 × 120 = 14,4 kg, et 14,4 × 675 = 9 720 kg, soit 9,72 t équivalent CO₂.
2. Plus de 5 t : contrôle obligatoire. Sous 50 t : au moins tous les douze mois, vingt-quatre avec un système de détection. En R32, les paliers de 5, 50 et 500 t valent 7,4, 74,1 et 740,7 kg.
3. R410A : liquide plus dense, 1 033,1 kg/m³ contre 939,6 kg/m³, d'où 15,8 kg et 33,05 t ; douze mois aussi, mais un tel groupe neuf ne pourra plus être mis sur le marché à partir de 2027.
4. R454B : 14,8 kg et 6,88 t ; douze mois.
5. R1234ze(E) : 17,6 kg, 0,024 t seulement. Mais ce gaz de l'annexe II se compte en kilogrammes : au-delà de 10 kg, contrôle tous les six mois, douze avec détection. Le gaz fluoré au plus faible PRP est le plus souvent contrôlé.
6. R290, R717 et R744 : aucune périodicité de ce règlement, mais les contrôles de l'EN 378 et de l'exploitant (chapitre 72).

Chaque contrôle s'inscrit au registre de l'équipement (article 7). Un équipement hermétiquement scellé et étiqueté en serait dispensé sous 10 t ; un groupe à vannes de service ne l'est pas. Le chapitre 72 traite la recherche de fuites et la récupération.

44.11 Exemple : le TEWI sur quinze ans

Le TEWI, impact total équivalent sur le réchauffement, additionne fuites, perte en fin de vie et électricité sur la durée de vie n. Son principe figure dans une annexe informative de l'EN 378-1 (méthode à vérifier sur le texte) ; le chapitre 80 l'applique sur vingt ans :

TEWI = PRP · L · n + PRP · m · (1 − α) + n · E · β

où L est la masse perdue par an, m la charge, α la fraction récupérée en fin de vie, E l'électricité annuelle et β son facteur d'émission. Valeurs du chapitre 80 : L = 5 % de la charge par an, 1 − α = 0,30 (Base Empreinte de l'ADEME), β = 0,0519 kg/kWh, mix français moyen de 2024. L'année normale du modèle commun du cours demande 62 712 kWh de froid et 5 800 kWh d'auxiliaires. On compare le R32 et le R1234ze(E) sur 15 ans.

1. R32, électricité : 62 712 / 5,215 = 12 025 kWh au compresseur, plus 5 800 kWh, soit E = 17 826 kWh par an, et 13,88 t sur 15 ans.
2. R32, fuites : 0,72 kg par an, soit 486 kg équivalent CO₂, contre 925 kg pour l'électricité du groupe. Sur 15 ans, 7,29 t, plus 2,92 t perdues en fin de vie.
3. R32, total : 24,08 t, dont 42 % d'émissions directes.
4. R1234ze(E) : avec un EER de 5,461, 11 483 kWh au compresseur, E = 17 283 kWh par an (−3,0 %) et 13,45 t. Fuites et fin de vie : 0,02 et 0,01 t. Total : 13,48 t, soit −44 %.
5. Sur l'écart, 10,18 t viennent du fluide et 0,42 t de l'électricité.

Avec une électricité si peu carbonée, le fluide décide : 48,73 t pour le R410A, 21,60 t pour le R454B, 13,60 t pour le R290, 13,42 t pour le R717, 16,72 t pour le R744, pénalisé par son EER. Avec un réseau très fossile, 0,30 kg/kWh d'exemple, l'électricité reprend la main : 90,4 t pour le R32, 77,8 t pour le R1234ze(E). Le TEWI ignore la fabrication, dont les 3,31 fois plus de cylindrée du R1234ze(E) (chapitre 80), et majore l'électricité en gardant l'EER de projet toute l'année (chapitre 49).

44.12 Les frigoporteurs

Quand le frigorigène reste en salle des machines, un frigoporteur transporte le froid : l'eau au-dessus de 0 °C, comme au plateau. En dessous, ou contre le gel, on ajoute un antigel : avec 30 % de monoéthylène glycol en masse, le mélange gèle à −14,6 °C, mais sa capacité thermique massique tombe à 3 658 J/(kg·K) à 0 °C, 87 % des 4 195 J/(kg·K) de l'eau à 10 °C. Il faut plus de débit, et sa viscosité augmente les pertes de charge. Les saumures minérales descendent plus bas mais corrodent ; le CO₂ diphasique transporte sa chaleur latente dans des tubes fins. Voir les chapitres 51 (réseaux) et 50 (stockage de froid).

À retenir

• R-(C − 1)(H + 1)(F) code les halogénés ; série 400 pour les zéotropes, 500 pour les azéotropes, 700 + masse molaire pour les minéraux.
• Un zéotrope glisse de la bulle à la rosée : préciser la température citée, charger en liquide, tout récupérer après une grosse fuite.
• À températures égales, l'EER varie de quelques pour cent entre fluides loin de leur point critique ; la production volumique, dans un rapport de 8,36 : le fluide choisit le compresseur.
• Au-dessus de 30,98 °C, le CO₂ ne se condense plus et sa pression haute s'optimise ; juste dessous, sa chaleur latente s'effondre.
• ISO 817 : A ou B pour la toxicité, 1, 2L, 2 ou 3 pour l'inflammabilité ; l'EN 378 en tire la charge admissible.
• Règlement (UE) 2024/573 : PRP sur cent ans, HFC à zéro en 2050, refroidisseurs neufs de plus de 12 kW sous 750 dès 2027, contrôles en tonnes équivalent CO₂ ou, pour les HFO, en kilogrammes.
• Avec l'électricité française, les fuites d'un groupe au R32 pèsent presque autant que son énergie : étanchéité et PRP passent avant quelques points d'EER.

Sources publiques : ISO 817:2024, désignation et classification de sécurité des fluides frigorigènes (édition en vigueur, publiée en novembre 2024), et ANSI/ASHRAE 34-2024, même objet, pour la numérotation, les séries et les classes, sans table recopiée (composition, classe et températures de bulle et de rosée du R454B lues sur la fiche PNUE-ASHRAE d'octobre 2026) ; EN 378-1:2016+A1:2020, nommée pour la méthode des limites de charge et le principe du TEWI, formule de l'annexe C et LFL publiées à vérifier sur le texte ; règlement (UE) 2024/573, articles 3, 5 à 7 et 13, annexes I, II, IV, VI et VII (EUR-Lex, base Cellar, CELEX 32024R0573, lu le 29/10/2026, paraphrasé) ; protocole de Montréal (1987) et amendement de Kigali (2016), nommés pour leur objet ; GIEC, quatrième et sixième rapports, par l'intermédiaire du règlement ; I. H. Bell, J. Wronski, S. Quoilin, V. Lemort, « Pure and pseudo-pure fluid thermophysical property evaluation and the open-source thermophysical property library CoolProp », Ind. Eng. Chem. Res. 53 (2014) ; O. Kunz, W. Wagner, modèle multifluide GERG-2008, J. Chem. Eng. Data 57 (2012), pour les mélanges R32/R1234yf et R32/R125 ; NIST Chemistry WebBook pour les valeurs de contrôle des points critiques et d'ébullition ; M. O. McLinden et al., « Limited options for low-global-warming-potential refrigerants », Nature Communications 8 (2017) ; W. F. Stoecker et J. W. Jones, Refrigeration and Air Conditioning ; ASHRAE, Handbook, Fundamentals, chapitre « Refrigerants » ; ADEME, Base Empreinte, lignes 43642, 14631 et 14634, par le chapitre 80. Tous les nombres sont calculés par le modèle du cours, qui importe le modèle commun du cours et les modèles des chapitres 72 et 80.