Refrigerant charge in refrigerating systems and strategies of charge reduction

For some years, European regulation concerning refrigerating systems has become more and more severe. Because of their design and technology, refrigeration units cannot avoid refrigerant leaks, and can thus have a harmful impact on the environment. Many studies aimed at minimizing the charge in a refrigerating machine were thus developed. On a global level, reduction of refrigerant charges must not affect energy aspects while respecting environmental constraints [Montreal 1987, Kyoto 1997]. The architecture and refrigerant charge distribution in the systems are of particular importance; their analyses permit the determination of the target elements and thus define those in which the refrigerant charge could be reduced (heat exchangers, liquid pipes, receivers, …). This paper presents a review of the refrigerant charge studies in a refrigerating plant (methodologies of charge measurement, void fraction correlations and characteristic values for various technologies). It also evaluates the influence of the refrigerant charge on the coefficient of performance (COP) and on the cooling capacity. Finally, it inventories the different means that allow the charge in a refrigerating system to be minimized.

RésuméDepuis quelques années, la réglementation européenne concernant les systèmes frigorifiques devient de plus en plus sévère. En raison de leur conception et de leur technologie, les unités frigorifiques génèrent des fuites de fluide frigorigène, et peuvent ainsi avoir un impact nocif sur l'environnement. Beaucoup d'études ayant pour but de minimiser la charge dans une machine frigorifique ont donc été développées. Si on adopte une approche globale, la réduction de la charge en frigorigène doit conduire à respecter les contraintes environnementales sans affecter les performances énergétiques [Montréal 1987, Kyoto 1997]. L'architecture du système et la répartition de la charge sont essentiels; leurs analyses permettent de déterminer les éléments cibles et de définir ainsi ceux dans lesquels la charge pourrait être réduite (échangeurs de chaleur, conduites de liquide, réservoirs, …). Dans ce travail, nous présentons une synthèse des études sur la charge en frigorigène dans une installation frigorifique (méthodes de mesure de charge, corrélations de taux de vide, valeurs caractéristiques pour les diverses technologies); on évalue aussi l'influence de la charge sur le coefficient de performance (COP) et sur la puissance frigorifique. Enfin, on propose un inventaire des différents moyens qui permettent de minimiser la charge d'un système frigorifique.