Boucles Frigoporteuses: Types, Avantages et Inconvénients en Froid Alimentaire

Boucles frigoporteuses
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Boucle frigoporteur à eau glycolée
(source : Delhaize).
Définitions
Détente directe
On parle de détente directe lorsque le fluide frigorigène assure lui-même le transfert
de chaleur “utile” aux applications de froid alimentaire (meubles frigorifiques, les
ateliers de boucherie, les chambres de stockage, …).
Refroidissement par détente
directe.

Refroidissement indirect
Le refroidissement est indirect lorsque le transfert de chaleur “utile” n’est pas assuré
par le fluide frigorigène lui-même, mais plutôt par un fluide intermédiaire appelé
frigoporteur.
Refroidissement indirect par boucle
secondaire monotube.
Frigoporteur
En raison de la simplicité avec laquelle les frigoporteurs assurent le transfert de
chaleur “utile” entre deux points sans gros risque de toxicité et d’inflammabilité et
dans un souci de réduire les fuites de fluide frigorigène (néfastes à la couche
d’ozone et à l’effet de serre), ce type de configuration revient en force dans le
domaine du froid alimentaire.
Les types de frigoporteur
On retrouve 2 principaux types de frigoporteur :
Les frigoporteurs monophasiques composés d’un liquide incongelable dans la
gamme des températures standard du froid alimentaire (-3 à – 38 °C par
exemple).

Les frigoporteurs biphasiques composés :
d’un liquide et d’un solide;
d’un liquide et de sa vapeur.
Frigoporteurs monophasiques
L’eau glacée constitue le plus connu des frigoporteurs monophasiques. Tout le
transfert de la chaleur est effectué par la variation de la température (chaleur
sensible) du frigoporteur.
Des débits importants sont nécessaires pour travailler en chaleur sensible. Ceci
signifie que les boucles de distribution utilisent des sections de passage importantes
et constituent donc une dépense énergétique non négligeable pour faire circuler le
frigoporteur.
On retrouve sur le marché différents frigoporteurs :
les substances pures telles que l’eau, les hydrocarbures liquides, les alcools
simples (méthanol, éthanol), les polyalcools (éthylène glycol, propylène glycol,
…);
les mélanges tels que l’eau + sel (saumure), l’eau + ammoniac (alcali), …
Il est clair qu’en froid alimentaire, le type de frigoporteur ne doit pas altérer les
denrées et ne pas constituer un risque de toxicité et d’inflammabilité pour les
personnes; ce qui limite le choix.
Pour donner un ordre de grandeur, on parle pour les frigoporteurs monophasiques
de transfert de chaleur de ~ 20 [kJ/kg] en chaleur sensible.
Avantages
Équipements de boucle simples.
Inconvénients
Débit important.
Dimensionnement conséquent.
Dépense énergétique non négligeable.
Frigoporteurs diphasiques (liquide + solide)
On rencontre ce type de frigoporteur sous forme de “coulis” ou “sorbet” dans les
applications de froid positif. On parle ici de chaleur latente de fusion dans les
transferts de chaleur; ce qui permet d’augurer des réductions de débits pour évacuer
la même quantité de chaleur qu’un frigoporteur fonctionnant en chaleur sensible.

De même, un ordre de grandeur acceptable de transfert de chaleur est de ~
250 [kJ/kg].
Avantages
Chaleur latente de fusion importante.
Débit réduit par rapport à la solution type chaleur sensible.
Dimensionnement réduit des conduites et des pompes.
Consommation énergétique plus faible qu’avec un frigoporteur à chaleur
latente.
Inconvénients
Coût élevé de l’évaporateur.
Frigoporteurs diphasiques (liquide + vapeur)
On rencontre ce type de frigoporteur dans les applications de froid négatif par
exemple les installations à frigoporteur au CO . On parle ici de chaleur latente de
vaporisation dans les transferts de chaleur. Cette chaleur de vaporisation est en
général fort importante.
Pour une température d’application de -40°C, sachant que l’évaporation n’est pas
totale, sur une chaleur totale de vaporisation de ~ 322 [kJ/kg], on peut envisager
disposer de 107 [kJ/kg] (pour un titre à la sortie de l’évaporateur de l’ordre de 33 %).
Avantages
Chaleur latente de vaporisation importante.
Bon coefficient d’échange thermique.
Faibles volumes massiques du liquide et de la vapeur.
Tuyauterie de faible diamètre.
Absence d’huile.
Prix faible.
Peu d’influence sur l’environnement.
Très faible impact sur l’effet de serre (GWP = 1). À titre de comparaison, le
GWP du R404A est de 3 800 et celui du R134a est de 3 260.
Frigoporteur naturel, largement disponible.
Applications pouvant aller jusqu’à -54°C.
Aux basses températures, sa viscosité reste faible évitant des pertes de charge
importantes.
Inconvénients
Danger d’asphyxie au-delà de concentration > 8 %.
Les dégivrages demandent des précautions particulières.
Peu de techniciens formés.
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Nécessite une déshydratation très poussée de la boucle (sinon formation
d’acide avec l’eau).
En cas d’arrêt prolongé, perte de charge de CO (dégazage).
Fortes pressions de service.
Les types de boucle
Ces types de boucle utilisent les technologies monotube et bitube.
Technologie monotube
Cette technologie, comme son nom l’indique est composée d’une boucle à un seul
tuyau qui alimente les évaporateurs terminaux en série. Le même tube dessert les
entrée et sortie de chaque évaporateur.
Avantages
Très modulable en exploitation.
Débit pratiquement constant dans la boucle frigoporteur.
Pas de nécessité de variateur de fréquence sur les pompes de mise en
circulation du frigoporteur (investissement réduit).
Inconvénients
Coût important.
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