Réfrigération: Le CNRS explore le coulis de paraffine

Le laboratoire Matière Système Complexe poursuit un travail sur l'utilisation de matériaux à changement de phase en remplacement de l'eau glacée pour les grands systèmes de climatisation. Avantages : rendement et sobriété énergétique.

Photo : Mise au point des particules en matrice tri-dimensionnelle.

Engagé depuis plusieurs années dans la mise au point de nouveaux fluides frigo-porteurs, le laboratoire Matière Système Complexe (MSC), associé au CNRS, dirigé à Jussieu par Laurent Royon a travaillé ces trois dernières années à la mise au point d'un procédé de fabrication de particules nouvelle génération. Il s'agit de ce que le maître de conférence à Paris 7 Denis-Diderot a baptisé un « coulis de paraffine stabilisé ».
Dans la lignée des coulis de glace, ce nouveau fluide, comme ses cousins frigo-porteurs diphasiques, est constitué de particules de matériaux à changement de phases solide-liquide ; ils peuvent avantageusement remplacer l'eau glacée dans les réseaux de distribution du froid destinés aux applications de réfrigération : agro-alimentaire, grande distribution.

« Or les frigo-porteurs utilisés aujourd'hui, constate L. Royon, sont tous constitués à base de solutions aqueuses, souvent alcooliques, ce qui les limite à des températures inférieures à 0°C. L'application de ce type de fluide au cas de la climatisation est actuellement inexistante, principalement parce que ces produits n'existent pas. »

De la réfrigération à la climatisation

Le travail associé à cette thèse vise donc à proposer une solution pour ce domaine industriel en plein développement.
« Outre le fait d'avoir une meilleur uniformité de la température et des débits plus faibles, les frigo-porteurs permettent d'intégrer une fonction de stockage thermique indispensable pour optimiser la taille des systèmes, maximiser leur rendement et adapter les périodes de consommation énergétique ».
Précisément, les recherches de l'équipe réduite de scientifiques opérant pour un budget de quelque 134 000 euros ont en premier lieu consisté en l'élaboration de particules de matériaux à changement de phase d'un point de fusion compris entre 5 et 7°C (températures courantes utilisées en génie climatique). La mise au point de ces particules (de taille millimétrique) repose sur le savoir-faire développé au laboratoire MSC qui consiste à insérer au sein d'une matrice tridimensionnelle un élément à changement de phase.
Des travaux fondamentaux et expérimentaux ont été entrepris pour la mise au point du nouveau fluide : paraffine et polymère. Un dispositif expérimental a spécifiquement été développé afin de réaliser des matériaux de forme et de taille adaptées. Ces particules ont été mises en suspension dans une phase aqueuse en vue de constituer le fluide frigo-porteur diphasique.

Économie d'énergie

La seconde étape, en cours de finalisation aujourd'hui, a été consacrée à des études sur les caractéristiques physiques et comportementales de ce nouveau fluide. Des investigations, tant sur le plan fondamental que théorique, ont été entreprises sur l'étude des propriétés thermo-physiques, l'étude des propriétés de transport hydro-dynamiques et thermiques, ainsi que sur la caractérisation du fluide au niveau d'unités de stockage et des échangeurs adaptés au procédé. Ces études sont réalisées en étroite collaboration avec les laboratoires participant à l'action concertée initiative « Energie, conception durable 2004 » - le GRETh, groupement de recherche sur les échanges thermiques ; le LaTep - Laboratoire de thermique énergétique et procédés de Pau ; et le Cethil, Centre thermique de Lyon - dans le cadre du projet Distoclim. Des études du comportement thermique de la suspension en cuve agitée seront notamment menées, prochainement à Grenoble, en vue d'évaluer les durées de cycles thermiques fusion-solidification. Ces études préliminaires permettent d'apporter des éléments importants sur le choix des échangeurs et de leurs caractéristiques de fonctionnement qui seront utilisés au GREThE et au Cethil.
Ces nouveaux fluides, insiste L. Royon, ont une haute valeur ajoutée parce qu'ils renferment une chaleur latente qui notamment permet une économie d'énergie importante. L'avantage du coulis de paraffine réside également dans le fait inestimable que les particules qui le constituent une fois fabriquées sont prêtes à remplir leur fonction indéfiniment sans recréation de matière, contrairement au coulis de glace. Un gain énergétique supplémentaire, donc. HB

Deux expériences réalisées dans les mêmes conditions avec la même quantité de produits : les particules à changement de phase, présentent dans l'eau (courbe verte), augmentent la capacité du fluide frigo-porteur à absorber de la chaleur (évolution plus lente de la température au cours du temps)..