Date : juin 2008

Auteur : D.D.

Antidote appliqué :Thibaud

Style css des tableaux : Thibaud

Juillet 2009 : mise en page – Sylvie

Vue synoptique

La chaleur extraite par une machine frigorifique doit être évacuée vers l’extérieur. Le plus simple est de refroidir le fluide frigorigène avec l’air extérieur :

         

Mais la puissance de refroidissement est parfois trop faible. On peut la renforcer grâce à l’évaporation d’eau supplémentaire (lorsque de l’eau s’évapore, la chaleur de la vaporisation est « pompée » sur la goutte d’eau qui reste et qui donc se refroidit) :

          

Problème : parfois, la distance entre le groupe et la toiture est fort élevée et la perte de charge dans le circuit frigorifique serait trop importante. Aussi, un circuit d’eau est créé, l’eau refroidit le fluide frigorifique et l’air refroidit l’eau !
Trois types d’échangeur sont rencontrés :

L’aéro-refroidisseur

Le fluide frigorigène est directement refroidi par l’air.

Le condenseur évaporatif

Une puissance supplémentaire est donnée par pulvérisation d’une eau  indépendante du circuit.

Le condenseur adiabatique

De l’eau d’une source externe (eau de pluie par exemple) imbibe des matelas à un débit tel que toute l’eau est entièrement évaporée dans l’air entrant, ce qui permet de le refroidir.

Fonctionnement d’un condenseur à air

Le fonctionnement du condenseur s’intègre dans un fonctionnement global de la machine frigorifique.
En théorie, la condensation se déroule en 3 phases :

  • Phase 1, la désurchauffe du fluide frigorigène, qui, sortant du compresseur sous forme de gaz très chauds (parfois jusqu’à 70 °C), va se refroidir et donner sa chaleur sensible.
  • Phase 2, la condensation du fluide, moment où l’essentiel de la chaleur est donné sous forme de chaleur latente.
  • Phase 3, le sous-refroidissement du liquide, communiquant encore de la chaleur sensible au fluide refroidisseur.

Fonctionnement des condenseurs évaporatifs et adiabatiques

Un litre d’eau évaporée évacue 2 500 kJ de chaleur. Pour obtenir le même effet de refroidissement sur le fluide frigorigène sans l’évaporation de l’eau, par exemple dans un condenseur à eau, on devrait faire couler dans les tuyaux du condenseur 60 litres d’eau qui se réchaufferaient de 10 °C … (sur base d’une capacité calorifique de l’eau de 4,18 [kJ/kg.K]).

Condenseur évaporatif simple

Un condenseur évaporatif simple est équipé d’un dispositif simple d’aspersion de la batterie de condensation. Il travaille essentiellement en « température de bulbe humide » permettant de valoriser la chaleur de vaporisation et, par conséquent, de réduire la température de condensation de l’ordre de 4 à 5°C. C’est sur le principe physique de l’évaporation de l’eau que le condenseur évaporatif fonctionne. Ainsi, l’eau est pulvérisée en microgouttelettes au niveau de la batterie de condensation en assurant le refroidissement du fluide frigorigène par la combinaison :

  • d’un échange de chaleur sensible, dû à la température du mélange de l’eau et de l’air ascendant;
  • et d’un échange de chaleur latente, dû à l’évaporation de l’eau dans l’air au contact de la batterie de condensation.

En théorie, si l’échange était parfait (surface d’échange infinie), le fluide frigorigène refroidi atteindrait la température humide de l’air.
Par exemple, si l’air extérieur est de 30°C, 40 % HR, sa température humide est de 20 °C 100 % HR. Mais l’eau n’atteindra pas cette valeur. En pratique, elle sera de 3 à 8 °C au-dessus de cette valeur, suivant le dimensionnement du bureau d’études (pour atteindre 3 °C, il faut dimensionner largement le condenseur). Cette valeur est appelée « approche ».

Approche.

Condenseur évaporatif mixte

Condenseur évaporatif (550 kW).

Le condenseur évaporatif mixte optimise la consommation d’eau de refroidissement grâce à trois modes de fonctionnement :

  • mode sec;
  • mode adiabatique;
  • mode combiné sec et humide.

Mode sec

Mode sec.

En mode sec, le condenseur évaporatif fonctionne comme un condenseur à air. La vanne trois voies du circuit du fluide frigorigène est ouverte de manière à laisser passer le fluide en série dans les deux batteries de condensation :

  • d’abord dans la batterie supérieure (batterie à ailettes). Le sens d’écoulement du fluide est de haut en bas;
  • ensuite dans la batterie inférieure (batterie lisse). Dans cette batterie, le sens d’écoulement du fluide est inversé (de bas en haut) et ce, afin de favoriser l’échange avec l’air.

La pompe d’alimentation en eau ne débite pas.
Ce mode de fonctionnement convient quand la température externe basse autorise la condensation  par un échange basé uniquement sur la chaleur sensible (échange de chaleur dû à l’écart de température entre le fluide frigorigène et l’air externe).

Mode adiabatique

 Mode adiabatique.

En mode adiabatique, la vanne trois voies ne permet au fluide frigorigène que de se condenser dans l’échangeur supérieur à ailettes.
La pompe à eau fonctionne et permet l’aspersion du « matelas » qui s’imbibe d’eau. Le débit est régulé de telle manière à évaporer l’eau dans l’air qui traverse le matelas. Le pré-refroidissement (adiabatique) de l’air assure une température de condensation inférieure à celle espérée en mode « sec » (on peut gagner, selon un constructeur de 5 à 7°C par rapport à un refroidissement en chaleur sensible).

Mode combiné sec et humide

 

Mode mixte.

En mode combiné la chaleur sensible et latente (due à l’évaporation de l’eau dans le flux d’air). La batterie supérieure à ailettes travaille à 100 % de sa capacité aidée par la batterie à surface lisse qui module en fonction de la pression de condensation. Par ce système, il est possible de garantir une température de condensation basse et donc d’améliorer les performances du compresseur (taux de compression HP/BP plus faible).
Ce mode de fonctionnement, tout comme les tours de refroidissement, exige un suivi important au niveau maintenance afin de limiter les risques de développement de légionelles. C’est sans doute pour cette raison, mais aussi pour une question de puissance que ce genre de condenseur est très peu répandu.

Condenseur adiabatique

 

Condenseur adiabatique.

Le principe de fonctionnement du condenseur adiabatique est le même que l’évaporatif. Les seules différences sont les suivantes :

  • L’évaporation de l’eau est réalisée exclusivement au niveau des « matelas » avant la batterie de condensation. C’est un pré-refroidissement (adiabatique) de l’air.
  • Le débit d’eau qui imbibe les « matelas », est régulé de telle manière que toute l’eau s’évapore. Par ce procédé, on limite le risque de développement des légionelles vu qu’il n’y a pas de fines gouttelettes en suspension dans l’air. D’après un constructeur de ce type de condenseur, les rapports d’analyse bactérienne sont très prometteurs.

Comparaison des performances

Comparons les systèmes en fixant des valeurs moyennes : une température d’air de 30°C 40 % HR, une « approche » de 5 °C, un pincement des échangeurs de 6°C et un échauffement de la température de l’eau de 7 °C.

Type de condenseur T° air sec Entrée condens. Sortie condens. T°condensat.
fluide frig.
à air 30° T° air = 30° T° air = 37° 43°
évaporatif et adiabatique 30° T° air = 25° T° air = 32° 38°

Cette approche simplifiée situe l’ordre de grandeur de la température de condensation, et donc l’impact sur la consommation du compresseur.

Technologie des condenseurs à air

Batterie de condensation

L’évacuation de la chaleur du circuit frigorifique est assurée au travers d’un échangeur direct fluide frigorigène/air.

     

Batterie de condenseur (source : Balticare).

Le gaz chaud du réfrigérant cède sa chaleur à l’air traversant le condenseur et passe à l’état liquide. Le débit et la température du flux d’air déterminent la puissance du condenseur.
La technologie des batteries de condensation est extrêmement complexe quant à l’optimisation de l’échange de chaleur.
Cette batterie d’échange convient en toute saison, car elle est insensible au gel.
Néanmoins, elle n’est pas aussi performante qu’un condenseur avec pulvérisation d’eau puisque la température de refroidissement est limitée à la température de l’air extérieur; c’est le point faible du condenseur à air. En effet, l’air de refroidissement peut être élevé en été.
Plus chaud sera l’air , plus la pression de condensation sera très élevée. Le compresseur verra dès lors sa consommation énergétique augmenter.

Proportionnellement, le condenseur évaporatif aura un meilleur rendement… mais une sensibilité à la corrosion plus forte …
Ce système doit donc être limité aux installations de petite et moyenne puissance.

Ordres de grandeur

  • coefficient d’échange d’un condenseur à air : 20 à 30 [W/m².K];
  • puissance de réjection (puissance d’évacuation de la chaleur) : de quelques kW à plusieurs centaines de kW au niveau du froid commercial;

Particularités

  • Les batteries peuvent être positionnées :
    • horizontalement (répartition de la charge sur une plus grande surface au sol; ce qui intéressant lorsqu’on les place en toiture);
    • verticalement (gain de place au sol);
    • en V;
  • Les ailettes de batterie sont en général protégées contre les agressions (corrosion, entartrage, …) par un revêtement en « époxy ».
  • Le dimensionnement d’un condenseur doit tenir compte du sous-refroidissement. Le condenseur est alors légèrement surdimensionné afin d’offrir au fluide frigorigène une surface d’échange suffisante pour condenser complètement (meilleure performance du cycle frigorifique, réduction du risque de « flash gaz » au niveau du détendeur).

    

Condenseur horizontal (source Delhaize).

Ventilateur

Particularités

  • Deux types de ventilateur sont utilisés :

     

Ventilateur axial et ventilateur centrifuge.

  • La vitesse moyenne de passage de l’air est de 2 à 4 m/s.
  • Dans certaines applications, les ventilateurs doivent être munis de silencieux afin de réduire les nuisances sonores surtout en milieu urbain.

 Silencieux (source Balticare).

  • En général, sur les condenseurs de faible puissance,  un seul voire deux ventilateurs axiaux en parallèle assure l’évacuation de la chaleur de condensation.
  • Par contre, pour les grandes puissances, plusieurs ventilateurs permettent de moduler la puissance de dissipation par leur mise en cascade ou en parallèle avec variation de vitesse sur chacun d’eux.

Régulation de la vitesse

Une des particularités les plus importantes des condenseurs à air est la régulation de la vitesse des ventilateurs en fonction des conditions externes de température et de la chaleur de réjection à évacuer. En effet, elle permet de profiter de notre climat tempéré pour abaisser au maximum la température de condensation qui influence énormément les consommations du compresseur.

     

Coffret avec variateur de vitesse (source Balticare) et variateur de vitesse (source Delhaize).

Technologie des condenseurs évaporatifs

Condenseur évaporatif mixte et condenseur adiabatique.

Principe

Les condenseurs évaporatifs  se comportent comme des tours de refroidissement fermées, à la différence près que le fluide réfrigérant se condense directement au niveau de la batterie sans passer par un circuit intermédiaire d’eau de refroidissement.

Performances

Vu la présence de système de refroidissement par évaporation d’eau, les condenseurs évaporatifs ont des performances plus élevées que les condenseurs à air. Naturellement, la puissance de réjection est plus importante aussi. Les plus petites unités ont des puissances de l’ordre de 100 KW. Ce type de condenseur s’adresse donc à des moyennes et grandes surfaces.
Les performances du condenseur seront fonction de :

  • la différence de température entre le réfrigérant et l’eau,
  • la vitesse de l’eau (le débit),
  • le coefficient d’encrassement,
  • la nature du fluide frigorigène.

Utilisation de l’eau

Eau de ville

Pour le refroidissement, on peut utiliser l’eau du réseau (eau potable), mais cette solution n’est pas adéquate vu la consommation exorbitante d’eau qu’elle entraîne !
On peut utiliser également l’eau de nappes phréatiques, de lac ou de rivière (demander l’autorisation). Les eaux contiennent alors plus ou moins d’impuretés qui se déposent sur les tubes. Ces dépôts peuvent réduire considérablement le coefficient de transfert de chaleur. À défaut de la mise en place d’un système de nettoyage automatique, il faut surdimensionner l’échangeur de sorte que les performances de l’installation restent suffisantes. Néanmoins, à l’heure actuelle, les moyens de filtration mis à disposition permettent d’obtenir des qualités d’eau correctes.

Eau de pluie

Aussi, on oublie  trop souvent de parler de la récupération d’eau de pluie qui représente une source non négligeable de réduction de la facture d’eau du réseau. Certains diront que l’eau de pluie est agressive et risquerait de corroder le condenseur. N’oublions pas qu’actuellement  la plupart des batteries de condensation sont protégées (« coating ») par une couche époxy qui permet de réduire le risque de dégradation. Par contre, il faut souligner que l’eau de pluie provoque peu d’entartrage.

 

 

Types de condenseur évaporatif

Les condenseurs évaporatifs simples

Les condenseurs évaporatifs simples sont, en général, équipés :

  • d’une batterie de condensation à surface lisse;
  • d’un ventilateur axial ou centrifuge suivant la puissance de réjection;
  • d’une rampe d’aspersion;
  • d’un bac de récupération d’eau;
  • d’une pompe;
  • d’accessoires de régulation;

Les condenseurs adiabatiques

Ils se différencient des condenseurs évaporatifs simples par le procédé d’évaporation de l’eau :

  • Le condenseur évaporatif simple réalise l’évaporation directement au niveau de la batterie de condensation. Aussi, toute l’eau aspergée n’étant pas évaporée, la partie liquide est récoltée au point bas de l’équipement.
  • Le condenseur adiabatique, quant à lui, est équipé de « matelas » qui s’imbibe d’eau. En principe toute l’eau est évaporée par le passage de l’air au travers des matelas. Il agit surtout comme pré-refroidisseur de l’air qui passera au travers de la batterie de condensation.

Le condenseur adiabatique est souvent équipé :

  • d’une batterie de condensation à ailettes;
  • d’un ventilateur axial;
  • de matelas refroidisseurs;
  • d’accessoires de régulation;

Les condenseurs mixtes

Les condenseurs évaporatifs mixtes allient les technologies des condenseurs évaporatifs simples et adiabatiques. Ils sont en général prévus pour évacuer des grandes quantités de chaleur. On les retrouve plutôt dans les industries agro-alimentaires. Néanmoins, il pourrait très bien convenir pour les grandes surfaces (ordre de grandeur : puissance de réjection > 500 kW).

Ce type de condenseur est composé principalement des pièces suivantes :

  1. Entrée d’air.
  2. Sortie d’air.
  3. Entrée fluide frigorigène (gaz).
  4. Sortie fluide frigorigène (liquide).
  5. Surface d’échange adiabatique.
  6. Bassin de récupération d’eau.
  7. Rampe d’aspersion.
  8. Batterie à surface lisse (évaporatif).
  9. Pompe d’alimentation en eau.
  10. Séparateur de gouttes.
  11. Bâti.
  12. Batterie à ailettes (sec).
  13. Ventelles d’entrée d’air.
  14. Vanne trois voies modulante.
  15. Capteur de pression.