Fonctionnement et Avantages des Compresseurs CO2 Alimentaires

Le choix d’une installation frigorifique au CO2 transcritique comporte de nombreux avantages : respect de l’environnement, efficacité énergétique, maîtrise du coût d’exploitation. L’utilisation de ce fluide naturel, en cycle transcritique, constitue en effet une réponse adaptée à un large éventail de besoins frigorifiques dans la grande distribution, l’industrie ou encore la logistique.

Mais comment fonctionne un compresseur CO2 alimentaire et quels sont ses avantages spécifiques dans le secteur de la transformation alimentaire ? Cet article explore en détail le fonctionnement, les avantages et les applications de cette technologie prometteuse.

Qu'est-ce que le R744 (CO2) ?

Le réfrigérant R744 est également connu sous le nom de CO2 ou dioxyde de carbone. Il s’agit d’un fluide naturel dont l’utilisation ne cesse de croître dans les installations frigorifiques et les systèmes de climatisation. Son large éventail d’applications en fait une option intéressante aux côtés d’autres fluides réfrigérants naturels comme l’ammoniac (NH3) ou le propane (R290) : chambres froides, vitrines réfrigérées, plateformes logistiques à température variable…

Principe de Fonctionnement d’un Cycle de Réfrigération au CO2 Transcritique

Le fonctionnement d’une installation frigorifique au CO2 transcritique repose sur un cycle transcritique qui comprend quatre phases : la compression, le refroidissement, la détente et l’évaporation. Un système de réfrigération au CO2 transcritique fonctionne à des températures et des pressions supérieures au point critique du CO2 (31°C et 73,6 bars). La pression de fonctionnement est supérieure à la pression critique du CO2, ce qui signifie que le cycle de réfrigération se déroule entièrement dans la phase gazeuse.

Dans un système subcritique, le CO2 est utilisé à des pressions inférieures à la pression critique, et le cycle de réfrigération implique un changement de phase du CO2 entre les phases liquide et gazeuse. Ce cycle de réfrigération implique un changement de phase (entre liquide et gaz) qui nécessite généralement une conception en cascade, avec deux circuits frigorifiques indépendants pour condenser le CO2. De cette façon, la condensation est assurée par un fluide frigoporteur comme l’eau glycolée ou par un autre fluide frigorigène tel l’ammoniac (NH3).

Les étapes du cycle transcritique :

• Compression : À l’état de gaz, le CO2 entre tout d’abord dans un compresseur pour être comprimé à des pressions élevées qui dépassent son point critique (73,6 bars). Le CO2 gazeux à basse température et basse pression est aspiré par des compresseurs à plusieurs niveaux de pression, qui augmentent sa pression et sa température.
• Refroidissement : Il atteint alors un état supercritique, avant d’être refroidi par un refroidisseur de gaz (gas cooler) mais sans jamais se condenser. Le CO2 supercritique chaud passe ensuite à travers un refroidisseur de gaz (gaz cooler), où il cède une partie de sa chaleur à un agent de refroidissement externe (par exemple, de l'air ou de l'eau).
• Détente : Le fluide pénètre ensuite dans des vannes d’expansion qui abaissent sa pression et donc sa température, générant du gaz et du liquide dans un réservoir à moyenne pression. Le CO2 supercritique refroidi passe ensuite à travers un premier détendeur, où sa pression et sa température chutent en dessous du point critique, revenant à l’état subcritique et générant du gaz et liquide dans le réservoir.
• Évaporation : Le principe de fonctionnement des installations au CO2 transcritique repose sur l’utilisation de ce fluide à des pressions et températures supérieures à son point critique. Elle se révèle particulièrement efficace pour la production de froid à des températures moyennes à basses.

Avantages d’une Installation Frigorifique au CO2 Transcritique

Le CO2 (R744) offre de nombreux atouts, comparé aux fluides hydrofluorocarbures (HFC).

• Impact environnemental réduit : Ce fluide naturel présente d’abord un très faible potentiel de réchauffement global (GWP = 1), ce qui permet de réduire significativement les émissions de gaz à effet de serre (GES). De plus, il n’a aucun impact sur la couche d’ozone (ODP = 0). Par conséquent, il n’est pas impacté par les restrictions et taxations liées aux nouvelles réglementations environnementales. Son moindre impact environnemental le met donc à l’abri des nouvelles normes, comme la réglementation F Gas III, et de leurs répercussions (pénurie de fluides et envolée des prix).
• Sécurité : Par ailleurs, ce réfrigérant s’avère non inflammable et faiblement toxique. Si son utilisation n’est pas considérée comme dangereuse, ses pressions de fonctionnement en cycle transcritique impliquent de respecter certaines règles de sécurité : formation spécifique du personnel de maintenance, pose obligatoire de détecteurs et extracteurs de CO2 en salle des machines...
• Propriétés thermodynamiques : Enfin, le CO2 présente d’excellentes propriétés thermodynamiques. Sa haute conductivité thermique et sa densité élevée en phase gazeuse, donnent lieu à un transfert de chaleur efficace dans les évaporateurs, les condensateurs et les refroidisseurs de gaz. Par ailleurs, sa chaleur de vaporisation et sa densité élevée permettent de réduire le diamètre des tuyauteries et la taille des compresseurs. Ces avantages permettent de concevoir des équipements plus compacts par rapport aux unités utilisant des CFC, HCFC et HFC.
• Disponibilité et coût : Le CO2 est un sous-produit courant de nombreux processus industriels et est largement disponible à un coût relativement faible. De quoi garantir une bonne disponibilité à ce gaz et des tarifs stables dans les prochaines années.

En effet, depuis 2015 et la réglementation « F-Gas » qui interdit l’utilisation de fluides frigorigènes fluorés tels le R22 ou le R404A et encourage les alternatives plus écologiques, le CO2 (R744) est de plus en plus utilisé pour les installations frigorifiques, notamment parce qu’il s’agit d’un fluide naturel.

Tableau comparatif des avantages du CO2

Inconvénients et défis

Cependant, il est important de noter que les installations frigorifiques au CO2 peuvent présenter des défis en termes de conception et d'installation, notamment en raison de la haute pression de fonctionnement du CO2. On comprend aisément qu'à ces pressions des problèmes d'étanchéité et de fiabilité de matériel se posent.

Inconvénients : Pressions très élevées, prix des organes frigorifiques, fiabilité, formation du personnel, déshydratation du circuit frigorifique (acides).

Installations Frigorifiques Subcritiques en Cascade et Frigoporteur

Les installations frigorifiques subcritiques en cascade et frigoporteur sont deux types de systèmes de réfrigération qui utilisent le CO2 comme réfrigérant.

• Subcritique en cascade : Dans ce système, deux cycles de réfrigération distincts sont utilisés, avec deux réfrigérants différents. Le CO2 est utilisé dans le cycle basse température, tandis qu'un autre réfrigérant, généralement de l’eau glycolée (mélange d’eau et de glycol), un hydrofluorocarbure (HFC) ou de l'ammoniac (NH3), est utilisé dans le cycle haute température. La chaleur est transférée directement entre les deux cycles de réfrigération par l'évaporateur en cascade.
• Frigoporteur : Ce système utilise un cycle de réfrigération unique où le CO2 refroidit un frigoporteur (par exemple de l’eau glycolée) dans un échangeur de chaleur. Le fluide frigoporteur, qui peut être de l'eau, de la saumure, du glycol, ou tout autre fluide approprié, circule dans le cycle secondaire.

Applications dans l'Industrie Alimentaire

Le CO2 présente une large gamme d'applications dans le secteur alimentaire.

• Le plus évident est le gaz utilisé pour les boissons gazeuses, en particulier la bière, les boissons non alcoolisées et le vin.
• Grâce à ses propriétés de refroidissement susmentionnées, le CO2 maintient les produits alimentaires au froid pendant leur transport.
• En outre, le CO2 est une couverture inerte très efficace qui protège les produits alimentaires pendant leur production.

Le Rôle Essentiel des Compresseurs d'Air dans la Transformation Alimentaire

Le secteur de la transformation des aliments, avec sa nature dynamique et ses réglementations rigoureuses, nécessite une attention continue au maintien de l'hygiène et de la qualité des produits. Le compresseur d'air est un élément souvent méconnu mais essentiel pour atteindre ces normes. Il fait partie intégrante des différentes étapes de la transformation alimentaire, du transport des matières premières à l'emballage des produits finis. Les compresseurs d'air font partie intégrante de nombreux processus dans les installations de transformation des aliments.

Applications des compresseurs d'air :

• Transport pneumatique : Les compresseurs d'air facilitent le transport des matières premières, des ingrédients et des produits finis dans l'usine de transformation alimentaire.
• Emballage : Dans la phase d'emballage, les compresseurs d'air alimentent les actionneurs pneumatiques, les scelleuses et l'équipement d'étiquetage, facilitant ainsi l'emballage automatisé des produits alimentaires.
• Mélange : L'air comprimé alimente les machines utilisées pour mélanger les ingrédients, assurant ainsi la régularité et l'homogénéité du produit final.
• Nettoyage et assainissement : L'air à haute pression est largement utilisé pour nettoyer les zones, les bouteilles, l'emballage et l'équipement de moulage avant le remplissage.
• Congélation, refroidissement et vaporisation : L'air comprimé, en particulier l'air froid et sec, est utilisé pour refroidir rapidement les produits, ce qui permet de réduire les temps de production et de garantir la qualité des articles sensibles à la température.
• Préparation des ingrédients : Des jets d'air à haute pression enlèvent les coquilles, les pelures et autres parties indésirables des fruits, des légumes et des noix.

Risques de contamination et solutions :

Bien que les compresseurs d'air soient indispensables et apportent leur lot d'avantages, ils peuvent introduire des contaminants qui posent de sérieux risques pour la sécurité et la qualité des aliments.

• Les particules de poussière peuvent créer des risques importants pour la santé, y compris des problèmes respiratoires pour les travailleurs.
• Les micro-organismes en suspension dans l'air peuvent entraîner une contamination croisée, à l'origine de maladies d'origine alimentaire.
• L'excès d'humidité peut détremper les aliments et compromettre leur texture et leur qualité.
• L'huile liquide est un contaminant important qui peut provenir du compresseur d'air lui-même.

Pour minimiser ces risques, il est essentiel d'intégrer des mesures rigoureuses de filtration et de contrôle de l'humidité.

• Des filtres peuvent être installés à différents endroits du système d'air comprimé pour éliminer différents types de contaminants.
• Les sécheurs peuvent être installés à différents endroits du système, tandis que les refroidisseurs secondaires doivent être installés juste après le compresseur pour éliminer efficacement l'humidité.
• Les séparateurs d'eau garantissent en outre l'élimination de toute humidité résiduelle, protégeant ainsi l'intégrité de l'air utilisé dans la transformation des aliments.

L'entretien et le contrôle réguliers des compresseurs d'air et de leurs composants sont essentiels.

Aides financières et incitations

Les Certificats d'Economies d'Energie (CEE) aident à réduire le coût global des investissements liés à la mise en place d’une installation frigorifique au CO2 sous certaines conditions. Ce dispositif vous permet d'obtenir une prime suite à vos travaux d'économies d'énergie. Acsio Energie vous accompagne pour identifier les subventions éligibles à votre projet.

Conclusion

En conclusion, les compresseurs CO2 alimentaires représentent une solution d'avenir pour la réfrigération et la transformation alimentaire, offrant des avantages significatifs en termes d'impact environnemental, d'efficacité énergétique et de conformité réglementaire. Bien que des défis subsistent, les avancées technologiques et les incitations financières rendent cette option de plus en plus attrayante pour les entreprises du secteur.

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