Transcript Communiqué de presse

CO ROGER
Des
Description du fonctionnement des climatiseurs ou pompes à chaleur.
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Principes réfrigération
La production de froid ne date pas d'hier puisque déjà en 1600 des scientifiques se sont aperçus qu'un
mélange de neige et de sel abaissait suffisamment la température de l'eau pour former de la glace. La
première machine de réfrigération à compression a vu le jour à Londres en 1834, et son inventeur est
Jacobs Perkins, qui c'est servi de l'éther comme réfrigérant.
Il y a deux procédés de production du froid :
• le procédé physique : changement d'état avec compression puis détente
• le procédé chimique : échange de chaleur mis en jeu par l'absorption ou la désorption d'un gaz dans un
liquide
Je vais développer uniquement le procédé par compression plus utilisé de nos jours.
Principe du système à compression
Tous les fluides ont des particularités, et celles qui nous intéressent sont :
• la relation qui existe entre pression et température du fluide
• leur chaleur latente et sensible
• leur capacité à se condenser et s'évaporer facilement
La chaleur sensible (ou capacité calorifique) c'est l'augmentation, ou la diminution, de la température d'un
fluide sans changement de son état lorsque l'on injecte une certaine quantité d'énergie en son sein. La
chaleur latente c'est l'absorption, ou la diminution, de la quantité d'énergie calorifique, sans augmentation
de température mais avec un changement d'état du fluide. La chaleur latente d'un fluide est supérieure à sa
chaleur sensible.
Exemple pour l'eau à pression atmosphérique :
• chaleur sensible : 115.3 W. H/kg
• chaleur latente : 627.3 W. H/kg
Il existe plusieurs états physiques ou phases physiques : état solide, liquide et gazeux.
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Exemple de relation pression température dans une bouteille de fluide
Les pressions indiqué ci dessous le sont en Bar efficace, indication sur les manos, (le bar absolue est de 1
supérieur).
Dans une bouteille de R410a, la surface du fluide frigorigène est soumise
à l'action de deux forces :
FV = force exercée par la vapeur de fluide frigorigène .
FL = force exercée par le liquide sur sa surface.
Le fluide frigorigène établit un équilibre entre ses 2 forces. FV=FL.
La bouteille étant fermée, la quantité de vapeurs contenue dans celle-ci
engendre une force FV qui compense celle interne au liquide... Rien ne se
passe dans la bouteille.
En ouvrant la vanne de la bouteille, des vapeurs s'échappent. La pression
exercée par ces vapeurs sur la surface du liquide diminue. La force FV
qu'elles engendrent diminue aussi. Elle devient alors inférieure à FL. Le
fluide frigorigène se met à bouillir afin de fournir des vapeurs pour rétablir
l'équilibre naturel. Malheureusement, comme les vapeurs s'échappent de la
bouteille, l'ébulition du liquide ne permet pas de rétablir l'équilibre.
Nous pouvons conclure que le fluide frigorigène bout si FV devient
inférieur à FL
Un mélange liquide-gaz de R410a à
15°C a une pression de 11.4 bar.
C'est la relation pression-température
pour le mélange liquide-gaz de R410a.
Chaque fluide possède sa propre relation
pression-température.
Connaissant la température d'un mélange
liquide-gaz d'un fluide, on peut connaître
sa pression et vis-versa.
C'est pourquoi sur les manomètres, il y a
une échelle de pression et des échelles de
température pour des fluides donnés.
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Si la température augmente de 10°C, l'agitation moléculaire va augmenter
dans le liquide. La force interne FL deviendra supérieure à la force externe
FV. Le fluide frigorigène va donc essayer de rétablir l'équilibre entre son
liquide et sa vapeur. Pour cela, une faible quantité de liquide va s'évaporer
pour fournir des vapeurs. Cette quantité de vapeurs supplémentaire permet
à FV de croître aussi, et dans la même proportion de FL. Grâce à
l'évaporation de la faible quantité de liquide, le fluide frigorigène a réussit
à rétablir l'équilibre entre la force exercée par sa vapeur et celle exercée
par son liquide. On retrouve alors FV=FL.
Comme on retrouve plus de vapeurs, la pression augmente.
Il suffit d'une goutte de liquide pour que
la relation pression-température existe.
Ici la condition est réalisée. 15.4 bar,
c'est la pression d'un mélange liquidegaz de R410a à 25°C.
Si nous plaçons la bouteille contenant une goutte de fluide dans une
ambiance à + 35°C, l'agitation moléculaire augmente dans la goutte de
liquide qui s'évapore. Mais elle ne fournit plus suffisamment de vapeurs
pour faire augmenter la pression. Celle-ci reste égale à 15.4 bar. La force
exercée par la pression de vapeur FV ne peut donc plus augmenter.
L'élévation de la température ambiante à 35°C à fait évaporer tout le
liquide. Il n'y a donc plus relation pression-température.
15.4 bar était la pression d'un mélange liquide-gaz de R410a à 25°C. Ici
nous avons des vapeurs à 35°C.
Elles sont donc surchauffées de 35°C - 25°C= 10°C.
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La relation pression - température
Tout le monde sait que l'eau bout à 100 °C sous la pression atmosphérique normale (1013 mbar). Mais si
l'on fait bouillir de l'eau au sommet du Mont - Blanc (4810 m), la température d'ébullition de l'eau est
seulement de 85 °C. Pour chaque corps, il existe une relation précise entre pression et température
d'ébullition et on peut la tracer. Il existe aussi une correspondance entre la température de fusion et la
pression, ce qu'on peut visualiser sur le diagramme suivant. Le point de rencontre entre les courbes
s'appelle le point triple, c'est uniquement en ce point précis que le fluide peut se trouver dans les 3 états
simultanément :
La chaleur totale emmagasinée par un corps se concrétise par la chaleur sensible (liée à la température) et
la chaleur latente (à état physique). L'addition des deux nous donne l'enthalpie, une grandeur qui sert à
déterminer la chaleur donnée ou reprise à un corps. Si on applique tout ça (pression, température, état
physique et enthalpie) dans un diagramme, on obtient un diagramme de Mollier, en ce qui nous concerne
le diagramme du R410A ci dessous:
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-
Voir propriétés et Enthalpie des différents Fluides en cette page
On a coutume de dire que l'on produit du froid, mais cela est physiquement faux ( l'on ne sait pas faire du
froid) car on ne fait que déplacer la chaleur d'un point à un autre grâce à la particularité du gaz réfrigérant
. Ce fluide circule dans un circuit fermé (complètement étanche) et subit un cycle thermique comprenant
quatre phases :
- compression du fluide à l'état gazeux-- (Par le compresseur)
- condensation du gaz-- (Par le condenseur)
- détente du liquide--(Par le détendeur ou capillaire)
- vaporisation du liquide-- (Par l'évaporateur).
Donc nous retrouverons toujours les quatre organes dans une installation :
Ils se représenteront comme suit :
Froid simple
Reversible en + vanne inversion de cycle 5
Vanne inverseuse de cycle information et principe sur la vanne
Le compresseur :
il aspire le gaz vapeur provenant de l'évaporateur ( bas niveau de température et de pression) et les
comprime jusqu'à un plus haut niveau de température et de pression. La compression est isentropique.
Elle se fait en phase gazeuse
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Le compresseur
Le compresseur est le coeur du système de réfrigération. Si le compresseur ne fonctionne plus, il n'y aura
plus de climatisation.
But du compresseur
On doit d'abord faire une différence entre compresseur et pompe. Une pompe circule du liquide, tandis
que le compresseur circule des vapeurs. Donc, si pour une raison où un autre du réfrigérant liquide arrive
au compresseur, celui-ci sera endommagé.
Alors le compresseur aspire les vapeurs basse pression de l'évaporateur et les compriment dans le côté
haute pression au condenseur.
Refroidissement du compresseur
La température du compresseur est grandement affectée par la chaleur de compression qui augmente la
température de la vapeur lorsqu'elle est compressée et forcée dans le condenseur. La friction entre les
parties bougeantes s'accumulent à la température du compresseur. Cette chaleur doit être enlevée pour
prévenir une perte d'efficacité du compresseur et pour maintenir la qualité lubrifiante de l'huile.
L'huile qui circule dans le compresseur enlève beaucoup de chaleur du moteur. Lorsqu'elle voyage sur les
surfaces plus chaudes, elle ramasse la chaleur et l'amène aux surfaces plus froides, par son mélange avec
les gaz réfrigérant.
Les moteurs sont souvent refroidis en passant la vapeur basse pression autour des enroulements
électriques.
Un compresseur nécessite pour son bon fonctionnement, un film d'huile entre la chemise du cylindre et
les segments des pistons : il refoule toujours à la compression un peu d'huile qui se mélange au fluide
frigorigène.
Le compresseur rotatif
C'est un piston cylindrique, qui crée la compression, il est décentré sur son axe celui ci est séparé par une
palette assurant l'étanchéité des deux chambres une d'aspiration et une autre de refoulement. Cette
technologie de compresseur est très employée dans les petites et moyennes puissances bénéficiant d'une
grande souplesse de fonctionnement et d'un bon niveau sonore.
Le compresseur SCROLL
Il s'agit d'une évolution du compresseur rotatif du moins dans l'esprit,il est constitué de deux spirales l'une
fixe,l'autre en mouvement orbital qui crée la compression ,la chambre d'aspiration ce trouve autour des
deux spirales et le refoulement se trouve au centre ou le gaz s'échappe par un orifice.
Ce type de compresseur possède des avantages intéressants, un niveau sonore réduit, une grande
souplesse d'utilisation pouvant être à vitesse variable, consommation réduite, robustesse....
Mais l'avantage déterminant c'est la compliance, en quelque mots, la compliance pourrait s'expliquer par
la faculté que présentent les deux spirales du Scroll de se dé-solidariser l'une de l'autre en cas de présence
de liquide dans la chambre de compression. Contrairement aux pistons, le compresseur peut tolérer la
présence de liquide entre les spirales sans présenter pour autant de risque majeur
De destruction fatale de la mécanique. Le coup de liquide fatal est évité.
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Le compresseur inverter
Depuis quelques années on voit apparaître chez tous les fabricants une nouveau type de compresseur, le
compresseur inverter issu de la technologie scroll.
Le compresseur traditionnel fonctionne a vitesse fixe en tout ou rien, l'inverter quand a lui permet
d'adapter sa vitesse en fonction de la demande, en jouant sur la fréquence du courant électrique donc en
variant sa vitesse, donc sa puissance, il s'adapte au besoin du local a climatiser, d'ou une souplesse
importante et une consommation optimisée....de l'ordre de 30% voir 40% par apport a un compresseur
classique de même puissance.
Un autre avantage de ce type de technologie est l'élimination des fluctuations de température constatées
au démarrage à pleine puissance des compresseurs tout ou rien.
Les systèmes de climatisation ou de géothermie emploient un compresseur de capacité constante, sans
variation de vitesse de rotation, conséquences : la consommation d'énergie en raison des arrêts et
redémarrages réguliers du compresseur, engendre des fluctuations de température dans le local chauffé
ou rafraîchi.
Pour pallier ces désagréments, certains systèmes de climatisation ont été dotés de variateurs électroniques
du compresseur.
Les Japonais ont été les premiers à lancer sur le marché les compresseurs VEV à vitesse variable
communément appelés INVERTER pour des compresseurs rotatifs d'une puissance comprise entre 2 et
50 kW.
La technologie INVERTER permet au climatiseur (qui peut être réversible) d'adapter sa puissance
thermique ou frigorifique aux besoins du bâtiment, à tout instant. Ainsi avec cet INVERTER la vitesse de
rotation s'adapte pour fournir la juste capacité exigée, plus la température d'ambiance s'approche de la
température souhaitée, plus la vitesse de rotation du compresseur se réduit. Le fonctionnement à basse
vitesse a pour effet de diminuer la consommation d'énergie, le bruit, et l'usure du compresseur.
Le système INVERTER permet d'augmenter la vitesse maximale d'un compresseur jusqu'à deux fois celle
d'un moteur à vitesse constante. Dès lors l'appareil peut fonctionner en surpuissance pour faire face à une
demande de pointe notamment au démarrage afin d'atteindre plus rapidement la température désirée.
L'INVERTER assure ainsi un gain d'énergie jusqu'à 40 % par rapport à un système traditionnel, une
température ambiante constante, une fiabilité accrue et donc un coût de charges réduit. Pour accroître
encore les performances de leurs appareils certaines marques associé à cette technologie, un procédé de
conversion de courant électrique dénommé INVERTER DC permettant de convertir de courant alternatif
en courant continu pour le reconvertir de nouveau en AC, pendant la seconde conversion, la tension et la
fréquence sont modulées pour adapter la vitesse de rotation du compresseur et par là même, réguler la
puissance frigorifique ou thermique. Ce procédé DC améliore le rendement et la finesse de régulation.
Ces appareils s'avèrent ainsi plus efficaces, moins gourmands en énergie électrique et plus silencieux.
Une amélioration de la performance est aussi constatée.
Les INVERTER permettent de faire varier la vitesse de rotation du compresseur suivant la demande en
froid, ce qui permet de réaliser des économies d’énergie par rapport aux appareils classiques fonctionnant
en Tout ou Rien.
Fonctionnement tout ou rien
Fonctionnement inverter
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Le condenseur :
il évacue la chaleur contenue dans le fluide afin de le liquéfier. Donc pour liquéfier le fréon, on va
échanger de la chaleur avec de l'air ou de l'eau.
• AB désurchauffe (évacuation par chaleur sensible) il refroidit la vapeur surchauffée
• BC condensation (évacuation par chaleur latente)à pression et température constantes.
• CD sous refroidissement (évacuation par chaleur sensible)(valeur du sous refroidissement)
Dans le condenseur, les vapeurs haute pression surchauffées vont se refroidir jusqu'à la température de
vaporisation à la pression pk. Ensuite, elles vont totalement se liquéfier en cédant la chaleur latente à
l'extérieur. Le liquide va être sous-refroidi. (valeur du sous refroidissement)
Le détendeur :
son rôle est de créer une grande perte de charge (baisser la pression) pour permettre la vaporisation
(ébullition) à basse température dans l'évaporateur. Il régule aussi la quantité de liquide arrivant à
l'évaporateur en fonction des besoins de "froid" (uniquement pour les détendeurs thermostatiques).
A la sortie du condenseur, le détendeur va alimenter l'évaporateur en liquide basse pression. A la sortie
du détendeur, on a un mélange liquide-vapeur (x est environ = 20%)
Le débit de fréon pour les tubes capillaire est fonction :
- du diamètre intérieur, de la longueur, de la différence de pression entre le condenseur et l'évaporateur.
Capillaire
Détendeur
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L'évaporateur :
il collecte la chaleur du milieu à refroidir, absorbe celle-ci et passe de l'état liquide à l'état de vapeur,
l'évaporateur étant lui en basse pression donc vaporisation du gaz..
il va prélever la chaleur latente de vaporisation au milieu et le refroidir.
-AB : évaporation (aspiration de chaleur latente) à pression et température constantes
- BC : surchauffe (aspiration de chaleur sensible) (valeur de la surchauffe)
Comme on le voit, la majeure partie des échanges de chaleur se fait en chaleur latente, donc avec
changement d'état physique du fluide, d'où le nom de changement de phase.
Un système de réfrigération fonctionne donc entre deux niveaux de pression :
• la partie haute pression HP , qui s'étend du compresseur jusqu'à l'entrée dans le détendeur
• la partie basse pression BP ,qui s'étend de la sortie du détendeur jusqu'au compresseur
Si nous représentons l'évolution du gaz dans une installation sur notre diagramme de Mollier, on obtient
le cycle théorique suivant :
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On notera pour information que :
• la compression (AB) se fait sans échange de chaleur avec le milieu extérieur, dite adiabatique ou
isentropique
• la condensation (BC) et l'évaporation (DA) s'effectuent avec un échange de chaleur à pression constante,
dite isobare
• la détente (CD) est dite enthalpique car il n'y a aucun échange de chaleur
Afin d'améliorer l'échange de chaleur et le rendement frigorifique, on déplace les point C et D. En C, on
sous refroidit le liquide frigorigène, et en D, on surchauffe les vapeurs (sécurité contre les retours liquides
dans le compresseur).
Les installations de fortes puissances sont équipées de détendeurs thermostatiques qui ajustent en temps
réel le débit de fluide frigorigène dans l'évaporateur, de façon à maintenir un certain degré de surchauffe à
la sortie de l'évaporateur (environ 7 °C).
Le cycle réel ne se présente pas exactement comme ça... Suite aux pertes de charge dans le circuit, liées à
la taille de l'évaporateur et du condenseur, les échanges thermiques ne se font plus à pression constante
(donc non isobare). Le cycle réel se présente donc comme suit :
La plupart du temps, on négligera ces pertes car elles n'influent pas sur l'enthalpie (échange de chaleur). Il
existe des détendeurs thermostatiques à égalisation externe de pression qui compensent ces pertes de
charges (installation de forte puissance). Nous pouvons trouver le cycle pratique d'une installation avec
simplement quelques mesures :
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• basse pression
• haute pression
• température liquide (sortie condenseur)
• température d'aspiration (entrée compresseur)
Pour expliquer le fonctionnement:
Cette explication est base sur un cycle théorique (machine idéale et gaz pur et ne tien pas compte
des pertes de charges éventuelles, les températures et pressions le sont à titre indicatifs
Nous prendrons les caractéristiques du R 407C parce c'est le fluide le plus couramment utilisé en
climatisation.
A la pression atmosphérique :
Le R407C se met à "bouillir" aux alentours de - 43°C.
Si du fluide R 407C à - 5°C circule dans un serpentin et que l'air à 20° C passe autour de ce tuyau, l'air se
refroidira : il cédera sa chaleur au fluide qui lui s'évaporera. C'est le rôle de l'évaporateur de la machine
frigorifique.
A la pression de 20 bars :
Cette fois, le R 407C ne va "bouillir" qu'à 47°C. Autrement dit, si de la vapeur de fluide à 20 bars et à
70°C circule dans un serpentin et que de l'air à 20° C passe autour de ce tuyau, le fluide se refroidira et à
partir de 47°C, il se liquéfiera, il se condensera. En se condensant, il va libérer énormément de chaleur.
C'est le rôle du condenseur de la machine frigorifique, (chaleur latente à pression constante).
Si l'on souhaite donc que le fluide puisse "prendre" de la chaleur : il doit être à basse pression et à basse
température sous forme liquide, pour lui permettre de s'évaporer.
Si l'on souhaite qu'il puisse céder sa chaleur : il doit être à haute température et à haute pression, sous
forme vapeur, pour lui permettre de se condenser, toujours à pression constante.
Pour réaliser un cycle dans lequel de la chaleur est extraite d'un côté et donnée de l'autre, il faut compléter
l'installation par 2 éléments :
1. Le compresseur, qui comprime le gaz en provoquant l'augmentation de température jusqu'à
+ 65°C.
2. Le détendeur, qui, au départ d'un fluide à l'état liquide, "lâche" la pression : le fluide se vaporise
partiellement et donc se refroidit. Le liquide retombe entre 0°C et - 5°C pour de la climatisation).
En pratique, suivons le parcours du fluide frigorigène dans les différents équipements et repérons le tracé
de l'évolution du fluide frigorigène dans le diagramme des thermodynamiciens, le diagramme H-P,
enthalpie (ou niveau d'énergie) en abscisse et pression en ordonnée.
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Dans l'évaporateur
Le fluide frigorigène liquide entre en ébullition et s'évapore en absorbant la chaleur du fluide extérieur.
Dans un deuxième temps, le gaz formé est encore légèrement réchauffé par le fluide extérieur, c'est ce
qu'on appelle la phase de surchauffe (entre 7 et 1).
Fonctionnement de l'évaporateur
Dans le compresseur
Le compresseur va tout d'abord aspirer le gaz frigorigène à basse pression et à basse température (1).
L'énergie mécanique apportée par le compresseur va permettre d'élever la pression et la température du
gaz frigorigène.Une augmentation d'enthalpie en résultera.
Fonctionnement du compresseur.
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Dans le condenseur
Le gaz chaud provenant du compresseur va céder sa chaleur au fluide extérieur. Les vapeurs de fluide
frigorigène se refroidissent ("désurchauffe"), avant l'apparition de la première goutte de liquide (point 3).
Puis la condensation s'effectue jusqu'à la disparition de la dernière bulle de vapeur (point 4). Le fluide
liquide peut alors se refroidir de quelques degrés (sous-refroidissement) avant de quitter le condenseur.
Fonctionnement du condenseur
Dans le détendeur
La différence de pression entre le condenseur et l'évaporateur nécessite d'insérer un dispositif "abaisseur
de pression" dans le circuit. C'est le rôle du détendeur. Le fluide frigorigène se vaporise partiellement
dans le détendeur pour abaisser sa température.
Fonctionnement du détendeur.
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Fonctionnement complet
Le cycle est fermé, le fluide frigorigène évolue sous l'action du compresseur dans les quatre éléments
constituant la machine frigorifique.
Cycle frigorifique élémentaire.
L'ensemble du cycle peut être représenté dans le diagramme enthalpie-pression. Sous la courbe en cloche
se situent les états de mélange liquide-vapeur; à gauche de la cloche, le fluide est à l'état liquide (il se
"sous-refroidit"), à droite, le fluide est à l'état vapeur (il "surchauffe").
Diagramme enthalpique du cycle frigorifique.
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Dans le fonctionnement réel, le diagramme est légèrement différent car les éléments constituant
le circuit génèrent des pertes de charge.
Tracer de l'enthalpie
Une fois ce diagramme obtenu, on peut calculer les chaleurs échangées et le rendement de l'installation
(COP). Le COP sera d'autant plus petit que la température d'évaporation sera faible. Plus basse sera la
température, plus chers seront les kilowatts. Donc pour un même compresseur, on aura plusieurs
puissances frigorifiques, chacune correspondant à des régimes donnés de température. Le rendement
théorique d'une installation frigorifique (cycle parfait de Carnot), à voir cycle de Carnot se détermine par
l'équation :
Q(chaleur échangée condenseur) + Q(chaleur échangée évaporateur) + W(travail fourni par le
compresseur) = 0
Ce résultat se traduira par COP = Q/W qui est aussi égal à COP = T2/(T1-T2) avec :
• T1 = température absolue de condensation
• T2 = température absolue d'évaporation
En réalité, les calculs sont beaucoup plus complexes que ça car d'autres paramètres rentrent en compte,
comme la nature du gaz, la pression d'évaporation, etc.
Voir le Cycle théorique de Mollier de la machine Frigorifique ( MF )
- Voir propriétés et Enthalpie des différents Fluides en cette page
Voici par exemple les COP réels pour une température de condensation de 45 °C :
T°évaporation
(°C)
10
0
-10
-20
-30
-40
R22
4.92
3.27
2.23
1.47
0.95
0.57
R134a
4.85
3.16
2.05
1.31
0.78
0.44
COP
R404a
4.43
2.93
1.94
1.27
0.8
0.48
R407c
4.6
3.01
1.94
1.29
0.79
N/A
R410a
4.55
3.06
2.07
1.39
0.91
0.56
Pour un compresseur de 600 W, une température de condensation de 45 °C et du R410a vous aurez une
production de froid de :
• 600 x 4.55 = 2730 W pour une température d'évaporation de 10 °C
• 600 x 3.06 = 1836 W pour une température d'évaporation de 0 °C
On utilise donc les fluides selon leur plage de performance :
• le R134a : entre -15 °C et > à 10 °C
• le R404A : entre -15 °C et -45 °C
• le R407C : entre 0 °C et 10 °C
• le R410A : tous les domaines de température
• le R22 (interdit aujourd'hui) : les meilleurs coefficients de performance sur toute la plage de
température
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