Régulation de puissance des groupes frigorifiques [Froid alimentaire]

Généralités

Plus encore que dans un cycle thermodynamique ouvert, les équipements composant un cycle fermé sont liés les uns aux autres. En d’autres termes dès qu’un des éléments du circuit modifie son régime de fonctionnement, les autres doivent y répondre presque instantanément.

Les principales modifications de régime se retrouvent au niveau des équipements suivants :

• L’évaporateur est soumis en permanence à l’influence du climat régnant dans l’enceinte de la zone réfrigérée (chambre froide, meuble frigorifique ouvert ou fermé, …).
• Le condenseur, quant à lui, doit souvent évacuer la chaleur prise par l’évaporateur à l’ambiance et la chaleur de compression du compresseur à l’extérieur soumis aux variations climatiques que nous connaissons tous et donc variables. Cette chaleur est souvent appelée la chaleur de réjection.

Sans régulation des différents équipements, le cycle frigorifique serait instable de par les variations quasi permanentes des climats tant interne qu’externe.

Dans ce qui suit, on considère un circuit frigorifique simple sans la présence d’une boucle secondaire qui caractérise de plus en plus les installations modernes de puissance frigorifique importante. On entend donc par ” circuit frigorifique simple” une installation composée :

• d’un évaporateur à air;
• d’un condenseur à air.

Le schéma ci-dessous illustre, de manière générale, les grands principes de la régulation des différents composants du circuit frigorifique en fonction de la réaction de l’évaporateur et du condenseur suivant respectivement les variations climatiques internes de la zone à réfrigérer et externes.

Régulation complète du cycle frigorifique.

Régulation de la charge frigorifique à l’évaporateur

Côté application

La charge frigorifique au niveau de l’évaporateur varie régulièrement en fonction de différents événements par exemple :

• Les ouvertures et fermetures incessantes des portes des chambres frigorifiques ou des meubles frigorifiques fermés.

• Les chargements et déchargements des denrées plus ou moins saturées en humidité.

• La variation du climat par rapport aux meubles frigorifiques ouverts.

• Pour un ensemble d’applications frigorifiques branchées sur une même boucle de fluide caloporteur (eau glycolée, CO₂, …), toutes les applications n’ont pas la même demande au même moment; ce qui signifie que l’évaporateur général desservant la boucle sera en régime variable permanent.

• …

La chaleur prise à l’ambiance frigorifique par l’évaporateur est d’abord assurée par le déplacement naturel ou forcé de l’air sur les ailettes de l’évaporateur.

Dans les moyennes et grandes installations de réfrigération, l’échange de chaleur entre l’air de l’ambiance et le fluide frigorigène n’est pas toujours direct. Une boucle de fluide caloporteur peut assurer le transfert de la charge frigorifique.

Détente directe (échange direct entre l’air et le fluide frigorigène).

Boucle à fluide caloporteur (échange indirect entre l’air et le fluide frigorigène).

L’air échange donc sa charge thermique, au travers des ailettes de l’évaporateur en direct au fluide frigorigène, indirectement par l’intermédiaire d’un fluide caloporteur. Mais on s’éloigne un peu du circuit simple.

Côté application (vitrine, meuble ouvert ou fermé, …), l’échange avec l’évaporateur s’effectue par convection (naturelle ou forcée) ou par conduction :

• Pour certaines applications particulières, l’échange est naturel par convection. La régulation de l’échange thermique est plus aléatoire. L’ouverture d’une vitrine par exemple, risque de perturber rapidement le flux d’air et par conséquent l’échange avec l’évaporateur.

 Vitrine en convection naturelle.

• Pour la plupart des applications, l’échange est en convection forcée par une ventilation mécanique. Le premier organe que l’on rencontre au niveau de la régulation de l’échange thermique (ou plus exactement enthalpique) est le ventilateur. Dans la majorité des cas, le ventilateur fonctionne :

  • en tout ou rien sur base d’une température de consigne dans l’espace à réfrigérer
  • en continu.

Meuble ouvert en convection forcée.

Il peut être intéressant en convection forcée, surtout pour les installations de puissance importante de travailler avec une vitesse variable au niveau des ventilateurs. Par exemple, dans les chambres froides en période d’inactivité,  la demande de frigories devient faible. Pour éviter de faire fonctionner le ventilateur en tout ou rien en le sollicitant par des démarrages fréquents, il serait intéressant de réduire la vitesse des ventilateurs par variation de fréquence.

Côté fluide frigorigène : l’évaporateur

La régulation de la charge frigorifique côté du fluide frigorigène est très complexe. On pourrait en première approximation dire que l’organe principal de régulation de l’échange au niveau de l’évaporateur est réalisé par le détendeur. En effet, il régule le débit de remplissage de l’évaporateur en mesurant l’image de la surchauffe (surchauffe = température sortie évaporateur – température d’évaporation).

Contrairement à ce que l’on prétendait auparavant, la valeur de la surchauffe optimale n’est pas fixe par rapport à la charge frigorifique. La valeur minimale de surchauffe stable traduit l’adaptation de la surchauffe en fonction de la charge frigorifique.

Régulation par détendeur électronique en fonction de la valeur minimale de surchauffe stable.

On peut retrouver différents types de détendeurs permettant le remplissage de l’évaporateur quelle que soit sa charge :

• Le détendeur thermostatique. Ce type de détendeur offre une régulation de la surchauffe linéaire en fonction de la charge frigorifique.
• Le détendeur électronique, associé avec une régulation numérique, permet d’adapter la valeur de la surchauffe pour “coller” au profil de la courbe idéale donnée par la valeur minimale de surchauffe stable.

Dans tous les cas, la régulation optimale du détendeur est primordiale pour la machine frigorifique surtout au niveau des consommations énergétiques et de la sécurité du compresseur.

Côté fluide frigorigène : le compresseur

La gestion du remplissage de l’évaporateur étant assurée par le détendeur, l’alimentation en fluide frigorigène du détendeur est réalisée par le compresseur qui agit comme une pompe volumétrique :

• Si l’évaporateur est en demande de frigories, le détendeur s’ouvre pour pallier à cette demande. Le circuit étant fermé le compresseur doit lui aussi répondre à l’appel de puissance frigorifique par une augmentation de son débit.
• À l’inverse, si l’évaporateur n’est plus en demande de frigories, le détendeur se referme. Le compresseur, quant à lui n’a plus de raison d’alimenter le détendeur et donc diminue son débit ou s’arrête.

Beaucoup de systèmes de régulation ont été développés afin d’optimiser l’alimentation en fluide frigorigène de l’évaporateur (via le détendeur). La plupart des systèmes sont repris ci-dessous :

• La régulation “tout ou rien” par marche/arrêt du compresseur;
• La régulation “tout ou rien” par vidange de l’évaporateur (ou “pumpdown”);
• La régulation “progressive” de la pression d’évaporation;
• La régulation par “étages” ou “en centrale”;
• La régulation par variation de vitesse ou “INVERTER”;
• L’obturation de l’orifice d’aspiration;
• La régulation par injection des gaz chauds;
• La régulation par “tiroir” des compresseurs à vis;

Régulation de la charge de réjection au condenseur

On entend par charge de réjection, le total de la chaleur extraite du milieu à réfrigérer et de la chaleur de compression du compresseur.

Côté fluide frigorigène : le compresseur

Le condenseur ne participe qu’indirectement à l’évacuation de la charge frigorifique de l’évaporateur. Il ne détermine que le niveau énergétique auquel la chaleur extraite au niveau de l’évaporateur, augmentée de la chaleur de compression, sera rejetée à l’extérieur.
Le niveau énergétique est conditionné par l’extérieur (température externe) :

• Plus il est haut (en période chaude), plus le compresseur devra fournir un travail (travail de compression) important pour rejeter cette chaleur à l’extérieur; le taux de compression HP/BP (Haute Pression / Basse Pression) augmente, la consommation énergétique augmente et l’efficacité énergétique du compresseur se dégrade.
• À l’inverse, plus il est bas (en période froide), moins l’effort à fournir par le compresseur est important.

Il est donc très important de réduire le niveau énergétique de rejet de la chaleur au niveau du condenseur par la réduction de la température de condensation.

On sent plus ses jambes lorsqu’on monte deux étages plutôt q’un.

Rappelons qu’un abaissement de la température de condensation de 1 °C correspond plus ou moins à 2 % d’économie de la consommation électrique du compresseur (travail de compression). De même, comme l’illustre la figure ci-dessous.

Côté fluide frigorigène : le détendeur

Relation puissance frigorifique-pression au détendeur.

L’abaissement de la température, et donc de la pression de condensation (pression et température sont intimement liées par une loi propre à chaque fluide frigorigène), n’est pas sans conséquence sur le fonctionnement du détendeur :

• Le détendeur thermostatique a besoin d’une différence de pression pour réguler correctement l’admission à l’évaporateur du fluide frigorigène. D’après certains catalogues de fabricants, la différence de pression idéale de part et d’autre du détendeur est de l’ordre de 10 bars, ce qui correspond, pour un fluide frigorigène tel que le R134A, à une différence de température de l’ordre de 55 °C. Pour une application nécessitant une température à l’évaporateur de – 10 °C (froid positif par exemple), la température idéale au condenseur, pour que le détendeur soit dans des conditions optimales de fonctionnement, devrait être de 45 °C : le compresseur travaillera dans des mauvaises conditions (taux de compression HP/BP élevé).
• Le détendeur électronique n’est pas soumis aux mêmes restrictions. D’une part, en aval il remplit mieux l’évaporateur en suivant au plus près la valeur minimale de surchauffe stable, d’autre part, il supporte mieux les variations de pression engendrées par une régulation flottante de la pression de condensation en entraînant moins de perturbations quant à la gestion du débit de remplissage de l’évaporateur.

Côté fluide de refroidissement : le condenseur

Le second principe de réduction de consommation énergétique de la machine frigorifique est l’abaissement de la température de condensation. La combinaison d’un détendeur électronique (supportant les basses pressions de condensation) et d’une régulation de la pression de condensation en fonction des conditions climatiques externes permet d’atteindre cet objectif.

Auparavant, on considérait pratiquement que la limite technique stable de fonctionnement du groupe frigorifique était acquise pour une température de condensation minimale de 20°C; ce qui signifie que tout le pouvoir rafraîchissant du fluide de refroidissement tel que l’air externe ou l’eau sous une valeur de pression de condensation de 15 – 16 °C n’était pas réalisable. La venue du détendeur électronique maintenant le permet.

Concrètement, pour que la pression de condensation soit la plus faible possible, on utilise au maximum le pouvoir rafraîchissant du fluide de refroidissement externe :

• Dans le cas de l’air, on peut considérer que dans notre pays on doit pouvoir exploiter la température moyenne externe de 6 – 7 °C pour arriver à abaisser correctement la température de condensation.
• Dans le cas de l’eau (plus rare en réfrigération commerciale), son pouvoir rafraîchissant étant beaucoup plus important que l’air, l’abaissement de la température de condensation ne pose pas trop de problèmes.

Suivant la technologie des détendeurs, la régulation de la surchauffe est optimisée ou pas :

• Les détendeurs thermostatiques, de par la simplicité de leur technologie, ne peuvent que très difficilement optimiser la valeur de la surchauffe en fonction de la charge de l’évaporateur.
• Les détendeurs électroniques, permettent par une mesure de pression et de température à la sortie de l’évaporateur (prise en compte de la perte de charge dans l’évaporateur) de réguler de manière optimale cette valeur de surchauffe en fonction de la charge de l’évaporateur.

Valeur minimale de surchauffe stable

Afin d’alimenter l’évaporateur de manière optimale, même si la charge frigorifique est variable en permanence côté application, c’est le détendeur qui endosse le rôle de régulateur de débit dans l’évaporateur côté fluide frigorigène. La régulation du débit de fluide est basée sur la mesure permanente de la surchauffe à sortie de l’évaporateur. Il existe une valeur minimale de surchauffe stable en fonction de la charge frigorifique de l’évaporateur qui garantit l’optimisation de la capacité frigorifique de l’évaporateur tout en soulageant le travail de compression du compresseur. La figure ci-dessous montre la loi qui lie la surchauffe à la valeur Q₀ de la charge opérationnelle de l’évaporateur :

 Valeur minimale de surchauffe stable.

La régulation du détendeur thermostatique

Jusqu’il y a peu, la technologie vraiment éprouvée était le détendeur thermostatique. À l’heure actuelle, la plupart des installations de petite à moyenne puissance utilisent encore cette technologie. La régulation du débit d’alimentation de l’évaporateur et, par conséquent, de la surchauffe obéi à une loi proportionnelle en fonction de la charge frigorifique demandée à l’évaporateur. Sur la figure suivante on voit tout de suite que la régulation de la surchauffe selon la courbe de la valeur minimale de surchauffe stable est impossible entraînant une mauvaise gestion du remplissage de l’évaporateur :

• À gauche de la courbe, la régulation par le détendeur est problématique, car le fluide, pour certains débits, est encore liquide à la sortie de l’évaporateur risquant d’envoyer ce liquide au niveau du compresseur.
• À droite de la courbe, la puissance frigorifique maximale de l’évaporateur ne peut être atteinte sachant que le fluide est déjà vaporisé dans l’évaporateur (idéalement, la dernière goutte liquide de fluide doit être évaporée juste à la sortie de l’évaporateur).

Régulation de la surchauffe avec un détendeur thermostatique.

La régulation des détendeurs électroniques

Les nouvelles technologies permettent de suivre au plus près la courbe des valeurs minimales de surchauffe stable en associant des détendeurs électroniques à des régulateurs analogiques ou digitaux. La figure suivante montre une régulation électronique optimisée qui assure en permanence un bon remplissage de l’évaporateur. On remarquera que la régulation assure toujours que le fluide reste bien vaporisé dans l’évaporateur en évitant d’envoyer du liquide au niveau du compresseur (on reste à droite de la courbe).

 Régulation de la surchauffe avec un détendeur thermostatique.

La régulation “progressive” de la pression d’évaporation

Comment adapter la puissance frigorifique à la charge réelle de l’ambiance ? La régulation par “tout ou rien” du compresseur entraîne un nombre élevé d’enclenchements et de déclenchements du compresseur, et une fluctuation de la température intérieure des meubles frigorifiques ou des chambres froides.

On cherche dès lors une adaptation plus progressive de la puissance frigorifique aux besoins des espaces réfrigérés.

Le régulateur de pression d’évaporation

Imaginons une charge assez faible. Le compresseur va aspirer les vapeurs, mais celles-ci sont peu importantes. La pression à l’aspiration va diminuer, entraînant une diminution de température d’évaporation, et même un risque de gel de l’évaporateur.

On introduit alors un régulateur de pression entre l’évaporateur et le compresseur, un robinet qui va laminer les vapeurs de fluide frigorigène et créer une perte de charge : la pression dans l’évaporateur restera constante, mais la pression côté compresseur va baisser fortement.

On parle d’ailleurs d’un “robinet à pression constante. Il assure le “laminage des vapeurs aspirées”.

La puissance frigorifique va diminuer, mais les températures à la sortie du compresseur vont s’élever (parfois jusqu’à 100°C).

Bien sûr, si la charge augmente, la vanne s’ouvre et le débit de fluide augmente. A charge thermique maximale, le robinet est totalement ouvert.

Le régulateur de pression d’évaporation prévient contre le risque de gel de l’évaporateur, en supprimant le risque d’avoir une pression si basse que l’évaporateur ne prenne en glace.

Mais le rendement énergétique de la machine s’en trouve dégradé… Et pourtant ce type de régulation est fréquemment employé, lorsque la réduction de puissance n’excède pas 40 à 50 %

La régulation par injection des gaz chauds

Le principe consiste à reboucler les gaz chauds sortis du compresseur vers l’entrée de l’évaporateur, juste après le détendeur. Un régulateur de capacité (ou de puissance) maintient la pression d’évaporation à la grandeur préréglée. Tandis que le détendeur régule toujours la surchauffe à la sortie de l’évaporateur, donc la température des vapeurs en sortie de l’évaporateur reste constante.

Tout ceci permet de rendre constant le débit de frigorigène qui traverse l’évaporateur.

Lorsque la charge thermique diminue (= lorsque le besoin de refroidir les locaux est faible), le régulateur de capacité s’ouvre (il maintient la pression en injectant du fluide frigorigène) et des vapeurs, chaudes, mais détendues, constituent une charge thermique complémentaire de l’évaporateur. (voir aussi “fonctionnement global de la machine frigorifique“).

Bien sûr, avec un tel système, la puissance de l’évaporateur peut varier pratiquement de 0 à 100 % !

Mais ce fonctionnement est pervers : si le besoin de froid diminue, et que le compresseur pourrait “être mis au chômage”, on réinjecte de la chaleur pour donner du travail au compresseur !!!

Comparaison : imaginons une pompe qui vide un réservoir “bas” vers un réservoir “haut”. De peur du risque qu’elle se désamorce si elle n’a plus assez d’eau à pomper, on lui réinjecte de l’eau venant du réservoir haut”. Ainsi, elle peut continuer à fonctionner sans problème !

Il faut qualifier cette technique de “pur anéantissement d’énergie”. En effet, la puissance absorbée reste la même lorsque la puissance de réfrigération diminue. De plus, elle provoque un échauffement du moteur. Elle se rencontre assez souvent, car elle met en œuvre un matériel peu coûteux. Dans la mesure du possible, il faut mettre ce système hors service dans les installations existantes.

Deux types de régulation sont généralement envisagés au niveau de la régulation du condenseur :

• la régulation à pression (ou température) de condensation constante.
• la régulation à pression (ou température) de condensation flottante.

Pour des pressions d’évaporation fixes (c’est le but du jeu), la régulation du condenseur est surtout influencée par le choix du détendeur :

• le détendeur thermostatique est sensible aux variations de pression de condensation;
• le détendeur électronique s’accommode mieux des variations de pression de condensation.

Association avec un détendeur thermostatique

Les détendeurs thermostatiques sont encore très présents dans les installations de froid commercial même neuves. Ce type de détendeur travaille essentiellement avec un condenseur dont la pression de condensation est fixe. La pression de condensation mesurée à l’entrée du condenseur est régulée en faisant varier de débit d’air par exemple par un système “tout ou rien” au niveau de l’alimentation électrique du ventilateur comme le montre la figure suivante.

Le détendeur thermostatique a besoin d’une pression de condensation suffisante afin qu’il puisse fonctionner de manière optimale. En pratique, une différence de pression de l’ordre de 10-12 bars est nécessaire au détendeur thermostatique afin d’alimenter correctement l’évaporateur.