Le secteur de la réfrigération et des pompes à chaleur connaît l'une de ses plus importantes transitions depuis des décennies. Sous l'impulsion du durcissement de la réglementation sur les gaz fluorés en Europe et dans le monde, les concepteurs de systèmes et les équipementiers délaissent rapidement les fluides frigorigènes synthétiques à fort PRG — les HFC tels que le R410A et le R134a — au profit d'alternatives naturelles. Et le fluide frigorigène naturel qui retient le plus l'attention est le CO₂, également connu sous le nom de R744. Le défi : les systèmes de réfrigération au CO₂ fonctionnent à des pressions bien supérieures à celles pour lesquelles les échangeurs de chaleur conventionnels sont conçus. Cela a fait du développement d'échangeurs de chaleur à plaques brasées haute pression spécialement conçus l'une des priorités techniques les plus cruciales du secteur.
Pourquoi le CO₂ (R744) ?
Le CO2 est un fluide frigorigène naturel dont le potentiel de réchauffement global (PRG) n’est que de 1, contre 2 088 pour le R410A et 1 430 pour le R134a. Il est ininflammable, non toxique, peu coûteux et disponible partout dans le monde. Le règlement européen sur les gaz fluorés restreint progressivement l’utilisation des HFC, faisant du CO2 et d’autres réfrigérants naturels la seule option viable à long terme pour de nombreuses applications.
Le CO2 est déjà largement utilisé dans la réfrigération des supermarchés (systèmes transcritiques), les pompes à chaleur, l’entreposage frigorifique industriel et le refroidissement des centres de données. Son adoption dans les pompes à chaleur résidentielles s’accélère rapidement.
Le défi : les pressions de fonctionnement transcritiques
Dans un système au CO₂ transcritique, le côté haute pression du circuit frigorifique — où fonctionne le refroidisseur de gaz — fonctionne à des pressions comprises entre 75 et 120 bars en fonctionnement normal. Les pressions de pointe lors de températures ambiantes élevées peuvent atteindre 130 à 140 bars. Ces pressions sont 3 à 5 fois supérieures à celles des systèmes HFC utilisant des échangeurs de chaleur à plaques brasées conventionnels, qui sont généralement conçus pour des pressions de 30 à 45 bars.
Cela signifie que les échangeurs de chaleur à plaques brasées standard ne peuvent tout simplement pas être utilisés dans les systèmes au CO₂ transcritiques sans risquer une défaillance catastrophique. Des modèles haute pression spécialement conçus sont indispensables.
En quoi un échangeur de chaleur à plaques brasées adapté au CO₂ est-il différent ?
Les échangeurs de chaleur à plaques brasées pour CO₂ haute pression, tels que le HEXONIC L ULTRA, sont entièrement conçus pour la réfrigération transcritique. Les principales différences de conception sont les suivantes :
- Une géométrie des plaques renforcée — les motifs d’ondulation et l’épaisseur des plaques sont optimisés pour résister à des charges de pression cycliques extrêmes sans rupture par fatigue
- Matériau de brasage de qualité supérieure — le procédé de brasage sous vide utilise des formulations précises d’alliages de cuivre qui préservent l’intégrité structurelle aux pressions du CO2
- Raccords renforcés — les raccords d’entrée et de sortie sont conçus pour les tuyauteries de réfrigérant à haute pression et sont testés selon les normes de pression applicables
- Tolérances de fabrication plus strictes — l’empilement des plaques, la qualité du brasage et la précision dimensionnelle sont soumis à des normes plus strictes afin de garantir l’absence de points faibles
- Pression nominale jusqu’à 140 bars — l’HEXONIC L ULTRA est conçu pour des pressions de service allant jusqu’à 140 bars côté réfrigérant
Applications des échangeurs de chaleur à CO₂ haute pression
Les échangeurs de chaleur à plaques brasées certifiés pour le CO₂ sont utilisés dans un éventail d’applications en pleine expansion :
- Refroidisseurs de gaz CO₂ transcritiques dans les systèmes de réfrigération commerciale
- Chauffe-eau à pompe à chaleur au CO2 — en particulier les pompes à chaleur à haute température produisant de l’eau à 70–90 °C
- Réfrigération industrielle au CO₂ pour le stockage alimentaire, la brasserie et la logistique de la chaîne du froid
- Refroidissement par liquide des centres de données à l’aide de boucles de réfrigérant au CO₂
- Pompes à chaleur pour le chauffage urbain utilisant le CO₂ comme réfrigérant
Considérations relatives au dimensionnement et à la sélection
Le choix d’un échangeur de chaleur à plaques brasées au CO₂ adapté nécessite de prêter une attention particulière à plusieurs paramètres qui diffèrent des systèmes de réfrigération conventionnels :
- Plage de pression de service — définir les pressions minimale, maximale et de crête pour les deux circuits
- Fonctionnement transcritique ou sous-critique — les fonctions de refroidisseur de gaz (supercritique) et d’évaporateur (sous-critique) nécessitent une optimisation différente des plaques
- Température d’approche — les refroidisseurs de gaz au CO₂ peuvent atteindre des températures d’approche très basses, maximisant ainsi le COP
- Régime d’écoulement du fluide frigorigène — le CO₂ présente des caractéristiques de transfert de chaleur en deux phases différentes de celles des HFC ; le logiciel de sélection doit en tenir compte
Le logiciel de sélection en ligne CAIRO d’HEXONIC permet un dimensionnement précis des échangeurs de chaleur au CO₂ pour les applications transcritiques et sous-critiques. L’équipe d’ingénieurs peut répondre directement à des exigences de sélection complexes.
Perspectives réglementaires
La révision du règlement européen sur les gaz fluorés — qui est entrée en vigueur par étapes à partir de 2024 — prévoit une réduction accélérée des HFC d’ici 2050, avec des restrictions importantes déjà en vigueur pour les fluides frigorigènes dont le PRG est supérieur à 750 et 150. Le CO₂, dont le PRG est de 1, n’est absolument pas concerné par ces restrictions.
Pour les concepteurs de systèmes et les équipementiers qui souhaitent pérenniser leurs produits, le choix d’échangeurs de chaleur compatibles avec le CO₂ n’est plus une décision de niche, mais une exigence technique fondamentale.
Découvrez l’échangeur de chaleur à plaques brasées haute pression HEXONIC L ULTRA pour le CO2 — conçu pour les systèmes transcritiques au R744 jusqu’à 140 bars.
Contactez notre équipe pour obtenir de l’aide sur le dimensionnement.
Frequently Asked Questions
What is the maximum pressure of the HEXONIC L ULTRA?
The HEXONIC L ULTRA CO2 brazed plate heat exchanger is rated for operating pressures up to 140 bar on the refrigerant side, making it suitable for the full range of transcritical CO2 system operating conditions.
Can a standard HEXONIC L series be used with CO2?
No. Standard L series models are rated to 45 bar and are not suitable for transcritical CO2 duty. The L ULTRA is the correct model for CO2 applications. Always confirm the pressure rating before specifying any heat exchanger for a CO2 system.
Are CO2 heat exchangers more expensive than standard models?
High-pressure CO2 models carry a price premium over standard brazed plate units due to the more demanding manufacturing requirements. However, the long-term regulatory compliance benefits and system efficiency gains make them the correct long-term investment for CO2 applications.
