Bacs à glace

Il s’agit d’un réservoir de glace, disposé en parallèle ou en série avec le circuit d’eau glacée des installations de climatisation. Il permet d’accumuler du froid, particulièrement durant la nuit.
Il se dissocie de son “concurrent”, le ballon d’eau glacée, par le fait que la réserve de froid profite de la chaleur latente de l’eau ou d’un sel :

• Au moment du refroidissement (phase de stockage), il y a cristallisation ou solidification, en plus du refroidissement de l’eau et de la glace.

• Au moment du réchauffement (phase de déstockage du froid), il y aura fusion en plus du réchauffement de l’eau et de la glace.

La chaleur latente de solidification de l’eau est de 335 kJ/kg. Alors que la chaleur sensible est de 4,18 kJ/kg.K. Il est donc possible de stocker 80 fois plus d’énergie dans un kg d’eau qui passe de 0,5° à -0,5°C que de 4° à 3°C.

De plus, la température de l’eau de réchauffement reste plus ou moins constante durant toute la phase du dégel de la glace.

On distingue les systèmes basés sur un faisceau de tubes plongés dans le réservoir (encore appelés “ice on coil”), de ceux basés sur l’utilisation de nodules, petites balles en plastiques stockées dans le réservoir.
Bacs à eau + tubes 

Au moment du stockage, un fluide réfrigérant (fluide frigorigène ou eau glycolée) circule dans les tuyauteries. La température du fluide avoisine les -5°C. L’eau glacée, en contact direct avec ces tubes, va former un enrobage de glace.

L’uniformité de la formation de la glace et de sa fusion est parfois renforcée par l’agitation de l’eau via la diffusion de bulles d’air.

Il existe des bacs isolés préfabriqués pour ce type d’usage. Les tubes peuvent être en acier (noir, galvanisé ou inoxydable) ou en plastique.

On ne prévoit pas une épaisseur de glace trop importante dans la mesure où il faut une température de réfrigérant de plus en plus basse au fur et à mesure que la glace se forme. En effet, la glace constitue une couche isolante qui ralentit la formation de glace supplémentaire. Par ailleurs, une trop faible couche de glace augmenterait le nombre de tubes et donc le coût d’investissement. En général, on admet des épaisseurs de glace jusqu’à 35 mm. Le cycle de charge est arrêté lorsque l’épaisseur de glace prévue est atteinte; ce sont des capteurs mesurant la conductivité électrique à différentes distances des tubes qui déterminent ce moment.

Autre solution : si le réservoir est ouvert, on profite parfois du fait que l’eau augmente de volume lors de son passage en glace (+ 9 %). Un simple capteur de niveau d’eau peut informer le régulateur du niveau de prise en glace.

Si c’est le réfrigérant (R22, NH3, …) qui est véhiculé dans la batterie, celle-ci constitue l’évaporateur de la machine frigorifique et on parle de “système à détente directe”.

Solution 1 : systèmes à fonte externe

Au moment du déstockage, l’eau va faire fondre la glace par contact extérieur direct : c’est le principe de la fonte externe. Les puissances de fonte sont donc élevées. La température de l’eau glacée est +/- constante.

Solution 2 : systèmes à fonte interne

Dans le cas du principe de la fonte interne, le glycol utilisé pour la fabrication de la glace est également utilisé pour faire fondre la glace. Cette “solution chaude” de glycol (température positive) passe dans le faisceau de tubes pour faire fondre, de l’intérieur vers l’extérieur, la glace qui se trouve autour du faisceau de tubes.

La fonte créera toujours une fine couche d’eau isolante entre la surface des tubes et la glace restante, ce qui réduit la transmission de chaleur. En outre, la transmission de chaleur a lieu par la petite surface d’échange interne du faisceau de tubes. C’est la raison pour laquelle ce principe de fonte n’est utilisé que pour des applications de climatisation où les puissances de fonte ne sont pas extrêmement élevées et où les températures de fonte nécessaires sont relativement élevées (12/6°C).

Pour des applications industrielles dont les puissances de fonte sont très élevées et les températures d’eau sont très basses (1°C), le faisceau de tubes du bac de glace à fonte interne devrait être tellement grand que cela ne serait pas réalisable d’un point de vue économique. On choisit dans ce cas plutôt le système à fonte externe.
Réservoir + nodules :

Il s’agit d’une cuve fermée, sous pression ou non, remplie d’eau glycolée et de nodules. Ces nodules sont des grosses billes de 8 à 10 cm de diamètres (il existe également des nodules à facettes).

Elles contiennent de l’eau + un eutectique pour les températures négatives ou des sels hydratés pour les températures positives. L’ensemble, encore appelé “matériau à changement de phase” est sélectionné pour l’importance de la chaleur latente liée à la solidification/fusion. L’enveloppe des nodules est réalisée en polyéthylène (PE).

Entre les nodules circule de l’eau glycolée.
Phase de stockage : la température de l’eau est inférieure à la température de changement de phase des sels contenus dans les nodules, ceux-ci cristallisent.

Phase de déstockage : la température de l’eau est supérieure, les sels des nodules fondent.

Le transfert thermique a donc toujours lieu par l’extérieur.

Les nodules de qualité contiennent des germes de cristallisation pour éviter le phénomène de surfusion, ainsi qu’une protection contre les pics de cristallisation qui pourraient déchirer l’enveloppe.

Pour comprendre le fonctionnement du stockage en parallèle avec l’installation frigorifique, on peut accéder aux schémas d’installation :

• Le stockage de glace dans les bacs à faisceaux tubulaires

• Le stockage de glace dans les bacs à nodules