29 novembre 2016 - Energie Plus Le Site

Posted By : Energie-Plus 29 Nov, 2016

Optimiser le dégivrage des meubles frigorifiques

Les meubles frigorifiques fermés, mixtes ou ouverts négatifs

Meuble mixte négatif, meuble fermé négatif et meuble ouvert négatif à ventilation forcée.

Le dégivrage « forcé » par les moyens courants tels que les résistances chauffantes ou par injection de gaz chaud côté circuit frigorifique est un mal nécessaire pour les meubles frigorifiques fermés, mixtes ou ouverts négatifs. En général, ce sont les mêmes techniques de dégivrage que les chambres frigorifiques qui leur sont appliquées.

À l’heure actuelle, sur la plupart des meubles de ce type, les équipements de dégivrage sont prévus en standard sous forme de résistances électriques.

La technique, par injection de gaz chaud à l’évaporateur nécessite une installation plus complexe et, par conséquent plus coûteuse.

Paramètres de régulation du dégivrage « forcé »

Un fabricant de meubles frigorifiques renseigne les paramètres de réglage des meubles frigorifiques négatifs. On peut y retrouver des valeurs de réglage standards en fonction de la classe d’ambiance déterminée par EUROVENT, à savoir généralement pour une classe d’ambiance 3 (25°C, 60 % HR) :

Paramètre	Définition	Optimum énergétique
T₀	température d’évaporation [°C]	la plus faible possible
N/24h	le nombre de dégivrage par 24 heures [N/24 heures]	le plus faible possible
T_ter	la température en fin de dégivrage [°C]	la plus basse possible
t_d	la durée de dégivrage [min]	la plus faible possible
t_egout	le temps d’égouttage [min]	le plus faible possible
t_vent	le temps de retard pour redémarrer les ventilateurs [min]	–

Il est bien entendu que tous ces paramètres doivent trouver leur optimum énergétique suivant le type d’application, d’ambiance des zones de vente avoisinantes, …, tout en conservant la qualité du froid alimentaire.

Pour différents modèles de meubles frigorifiques et pour une température d’évaporation T₀ [°C],ces paramètres sont consignés dans le tableau ci-dessous.

Type de meuble négatif	Référence	Type de dégivrage	T₀[°C]	N/24 [N/24 heures]	T_ter[°C]	t_d[min]	t_egout[min]	t_vent[min]
Meuble mixte vertical 3L1	RVF3	électrique	-35	1	5	40	10	5
Meuble vertical vitré 3L1	RVF4	électrique	-35	1	15	30	10	5
Meuble vertical vitré 3L1	RVF4	gaz chaud	-35	1	10	10	5	5
Meuble vertical vitré 3M1	RVF4	électrique	-10	1	10	10	5	0
Meuble horizontal 3L1	IHF4	électrique et gaz chaud	-35	2	5	45	–	–
Meuble horizontal 3L3	IHF4	électrique	-10	2	10	45	–	–
Source : Costan (Sabcobel)

Il est donc nécessaire de s’assurer que ces consignes soient respectées.

Pré-programmation des dégivrages

Lorsque le magasin est composé d’un nombre impressionnant de meubles linéaires (cas des super et hypermarchés), la programmation des temps de dégivrage doit être décalée dans le temps sachant que l’appel de puissance électrique des compresseurs, pour redescendre les températures des meubles à leur valeur nominale, peut être important. La possibilité de mettre en réseau les régulateurs individuels de chaque meuble avec un superviseur (GTC : Gestion Technique Centralisée), facilite la tâche des gestionnaires techniques des magasins.

La programmation d’un décalage des démarrages des dégivrages dans le temps permet de maîtriser les pointes de courant responsables des pointes quart-horaire excessives alourdissant la facture électrique.

Les meubles frigorifiques positifs

Meuble convection naturel positif (vitrine) et meuble ouvert vertical positif avec rideau d’air en convection forcée.

Pour les applications en froid positif, le « dégivrage naturel » suffit dans la plupart des cas.

À noter qu’en option il est toujours possible de placer des résistances de dégivrage, mais ce serait prêcher contre sa chapelle puisqu’il est possible de s’en passer. Il faut compter de l’ordre de 60 à 70 W/ml pour des résistances électriques simples.

Paramètres de régulation du dégivrage « naturel »

Le principal paramètre de ce type de dégivrage est la durée de dégivrage t_d [min]. Les fabricants par défaut programment des temps de dégivrage maximum de l’ordre de 40 à 45 minutes. Il est nécessaire de choisir une régulation qui permette de réduire les temps de dégivrage en fonction de la classe d’ambiance. Dans la réalité, c’est au cas par cas et suivant le climat interne que va dépendre le temps de dégivrage.

Dans l’absolu, le dégivrage « naturel » est intéressant puisque pendant cette phase :

la production de froid est interrompue;
il n’y a pas de consommation électrique de dégivrage proprement dite.

Pré-programmation des dégivrages

Le même type de programmation décalée que pour les meubles de froid négatif en centralisant toutes les demandes de dégivrage au niveau d’une gestion technique centralisée (GTC) est aussi possible pour les meubles frigorifiques positifs.

Source : Delhaize Mutsaart.

Ici, on visera l’interruption de ou d’une partie de la production de froid couplée avec :

l’arrêt des circulateurs sur une boucle caloporteur. On privilégiera l’arrêt des circulateurs individuels des meubles frigorifiques plutôt que l’arrêt du ou des circulateurs centraux (on parlera alors de pompe de circulation) afin d’espacer dans le temps les dégivrages individuels et, par conséquent, les pointes d’appel de puissance électrique à la fin d’un dégivrage programmé central.

Boucle monotube : arrêt individuel des circulateurs de meuble.

la fermeture de l’alimentation d’une vanne en amont du détendeur.

Boucle caloporteur : fermeture individuelle des vannes d’alimentation des évaporateurs de meubles.

Détente directe : réglage individuel des détendeurs des meubles frigorifiques.

La programmation d’un décalage des démarrages des dégivrages dans le temps permet de maîtriser les pointes de courant responsable des pointes quart-horaire excessives alourdissant la facture électrique.

Exemple.

Le cas d’un hypermarché où la facture d’électricité risque d’être salée de par le non-décalage des débuts de dégivrage sur 150 m de meubles linéaires positifs.

Période d’enregistrement sur 24 heures.

En analysant de plus près, on se rend compte que l’appel de puissance de la journée 430 KW a été enregistré comme pointe quart-horaire à 07h30; ce qui signifie que la facture électrique intégrera cette valeur comme pointe quart-horaire mensuelle. On aurait pu éviter cette pointe en décalant les périodes de dégivrage dans le temps.

Choisir le système de dégivrage de la machine frigorifique d’un meuble frigorifique

Les meubles frigorifiques fermés, mixtes ou ouverts négatifs

Meuble mixte négatif

Meuble fermé négatif

Meuble ouvert négatif à ventilation forcée

Le dégivrage « forcé » par les moyens courants tel que les résistances chauffantes ou par injection de gaz chaud côté circuit frigorifique est un mal nécessaire pour les meubles frigorifiques fermés, mixtes ou ouverts négatifs. En général, ce sont les mêmes techniques de dégivrage que les chambres frigorifiques qui leur sont appliquées.

À l’heure actuelle, sur la plupart des meubles de ce type, les équipements de dégivrage sont prévus en standard sous forme de résistances électriques.

La technique, par injection de gaz chaud à l’évaporateur nécessite une installation plus complexe et, par conséquent plus coûteuse.

Paramètres de régulation du dégivrage « forcé »

Paramètre	Définition	Optimum énergétique
T₀	température d’évaporation [°C]	la plus faible possible
N/24h	le nombre de dégivrage par 24 heures [N/24 heures]	le plus faible possible
T_ter	la température en fin de dégivrage [°C]	la plus basse possible
t_d	la durée de dégivrage [min]	la plus faible possible
t_egout	le temps d’égouttage [min]	le plus faible possible
t_vent	le temps de retard pour redémarrer les ventilateurs [min]	–

Pour différents modèles de meubles frigorifiques et pour une température d’évaporation T₀ [°C],ces paramètres sont consignés dans le tableau ci-dessous.

Type de meuble négatif	Référence	Type de dégivrage	T₀[°C]	N/24 [N/24 heures]	T_ter[°C]	t_d[min]	t_egout[min]	t_vent[min]
Meuble mixte vertical 3L1	RVF3	électrique	-35	1	5	40	10	5
Meuble vertical vitré 3L1	RVF4	électrique	-35	1	15	30	10	5
Meuble vertical vitré 3L1	RVF4	gaz chaud	-35	1	10	10	5	5
Meuble vertical vitré 3M1	RVF4	électrique	-10	1	10	10	5	0
Meuble horizontal 3L1	IHF4	électrique et gaz chaud	-35	2	5	45	–	–
Meuble horizontal 3L3	IHF4	électrique	-10	2	10	45	–	–
Source : Costan (Sabcobel).

Le choix du type de dégivrage (électrique ou gaz chaud) a de l’importance dans le sens où, énergétiquement parlant, l’injection de gaz chaud semble intéressante.

Avantages

Temps de dégivrage plus court;
Température de dégivrage plus faible;
Énergie consommée par le compresseur 3 fois plus faible (pour un COP de 3) qu’une résistance électrique directe;

Inconvénients

Investissement.

Pré-programmation des dégivrages

Les meubles frigorifiques positifs

Meuble convection naturel positif (vitrine).

Meuble ouvert vertical positif avec rideau d’air en convection forcée.

Pour les applications en froid positif, il est possible de se passer du dégivrage « forcé » par résistance chauffante ou « injection de gaz chauds ». Le « dégivrage naturel » suffit dans la plupart des cas.

À noter qu’en option il est toujours possible de placer des résistances de dégivrage, mais ce serait prêcher contre sa chapelle puisqu’il est possible de s’en passer.Il faut compter de l’ordre de 60 à 70 W/ml pour des résistances électriques simples.

Paramètres de régulation du dégivrage « naturel »

Le principal paramètre de ce type de dégivrage est la durée de dégivrage t_d [min]. Les fabricants par défaut programme des temps dégivrage maximum de l’ordre de 40 à 45 minutes. Il est nécessaire de choisir une régulation qui permette de réduire les temps de dégivrage en fonction de la classe d’ambiance. Dans la réalité, c’est au cas par cas et suivant le climat interne que va dépendre le temps de dégivrage.

Dans l’absolu, le dégivrage « naturel » est intéressant puisque pendant cette phase :

la production de froid est interrompue;
il n’y a pas de consommation électrique de dégivrage proprement dite.

Pré-programmation des dégivrages

Source : Delhaize Mutsaart.

Ici, on visera l’interruption de ou d’une partie de la production de froid couplée avec :

L’arrêt des circulateurs sur une boucle caloporteur. On privilégiera l’arrêt des circulateurs individuels des meubles frigorifiques plutôt que l’arrêt du ou des circulateurs centraux (on parlera alors de pompe de circulation) afin d’espacer dans le temps les dégivrages individuels et, par conséquent, les pointes d’appel de puissance électrique à la fin d’un dégivrage programmé central.

Boucle monotube : arrêt individuel des circulateurs de meuble.

La fermeture de l’alimentation d’une vanne en amont du détendeur.

Boucle caloporteuse : fermeture individuelle des vannes d’alimentation des évaporateurs de meubles.

Détente directe : réglage individuel des détendeurs des meubles frigorifiques.

Exemple.

Le cas d’un hypermarché où la facture d’électricité risque d’être salée de par le non-décalage des débuts de dégivrage sur 150 m de meubles linéaires positifs.

Période d’enregistrement sur 24 heures.

En analysant de plus près, on se rend compte que l’appel de puissance de la journée 430 KW a été enregistré comme pointe quart-horaire à 07h30; ce qui signifie que la facture électrique intègrera cette valeur comme pointe quart-horaire mensuelle. On aurait pu éviter cette pointe en décalant les périodes de dégivrage dans le temps.

Posted By : Energie-Plus 29 Nov, 2016

Évaluer l’efficacité énergétique de la stérilisation

Évaluer l'efficacité énergétique de la stérilisation

Isolation des parois

Sur les pertes des parois

En stérilisation, l’isolation des parois revêt toute son importance. En effet, pendant toute une journée d’exploitation, les équipements sont portés à haute température. C’est le cas des parois du générateur, de la distribution et de la double enveloppe où les températures avoisinent les 134 [°C]. À ces températures, sans isolation, les déperditions thermiques sont importantes.

Si on reprend les valeurs de la fiche technique d’un constructeur, les déperditions estimées sont :

Fiche technique du constructeur
Équipement		Type	Unité	Consommation/cycle
Générateur de vapeur	Entrée	eau osmosée	litres	13
	Entrée	électricité	kWh	8,6
	Sortie	pertes des parois	kW	0,8
Distribution	Sortie	pertes des conduites	kW	faibles
Autoclave	Sortie	pertes des parois de la double enveloppe	kW	2,1
Autoclave	Sortie	pertes des parois des portes de la chambre	kW/porte	fermée : 0,5 ouverte : 1,4
Pompe à vide	Entrée	eau adoucie	litres	216
	Entrée	électricité du moteur de pompe	kW	2,2
	Sortie	condensat	litres	229

L’efficacité énergétique d’une isolation peut être évaluée et comparée aux valeurs de la fiche technique du constructeur.

Exemple.

Soit un stérilisateur de section carrée de l’ordre de 400 [L] en contenance d’eau. La surface de l’enveloppe extérieure peut être évaluée à partir de ses dimensions:

côté = 1 [m]; Profondeur = 1,2 [m].

La surface de l’enveloppe est de 1 x 4 x 1,2 = 4,8 m².

Lorsqu’on isole, on prend de la laine minérale dont la conductivité thermique λ est de 0,04 [W/m.K].

On prend les hypothèses suivantes :

La vapeur à l’intérieur des équipements est à une température de 134 [°C].

La paroi extérieure de la double enveloppe est en inox et a une conductivité thermique λ de 25 [W/m.K]; on peut donc considérer que la température à l’extérieur de la double enveloppe est de l’ordre de 134 [°C].

La température à ne pas dépasser pour l’électronique de régulation est de 28 [°C].

La température de contact ne peut dépasser 60 [°C].

Le coefficient thermique d’échange superficiel est de 10 [W/m².K]. Cependant, il peut varier suivant la présence d’une ventilation forcée ou pas, équivalant à prendre plutôt une valeur de 23 [W/m².K].

Sur cette base, on peut calculer :

L’épaisseur d’isolation nécessaire pour ne pas provoquer de brûlure (critère principal des constructeurs).

La déperdition résultant de l’isolation des parois.

Calculs

Pour évaluer ces paramètres.

En faisant varier l’épaisseur de l’isolant, on obtient les résulats suivants :

Pour un coefficient thermique d’échange superficiel de 10 [W/m².K] (sans ventilation forcée) :

Le 1^er [cm] d’isolation de la cuve du stérilisateur diminue les déperditions d’un facteur 3,5; ce qui est énorme. Les centimètres supplémentaires ne servent qu’à réduire la température de contact des parois afin de circonscrire les risques de brûlure en ne diminuant plus beaucoup les déperditions. La difficulté d’isolation d’une cuve de stérilisation réside dans sa complexité de conception; à savoir que les nombreuses connections de la cuve avec le reste du système constituent autant de points faibles d’isolation.

La rentabilité d’isolation dépendra donc essentiellement du surcoût de l’isolation supplémentaire.

Pour une épaisseur d’isolant de 3 cm (comme annoncé par le constructeur), le calcul donne 600 [W] de déperdition.

Pour un coefficient thermique d’échange superficiel de 23 [W/m².K] (avec ventilation forcée) :

Sur le graphique précédent, on voit que le coefficient thermique d’échange superficiel peut faire varier les déperditions et les températures de paroi de manière importante. Les pertes thermiques sont plus importantes.

En comparant les valeurs annoncées par le constructeur et celles calculées on se rend compte qu’il y a une certaine divergence. En effet pour une épaisseur de 5 cm d’isolant et sans ventilation forcée (pour un coefficient thermique d’échange superficiel de 10 [W/m².K]) :

le calcul donne 529 [W],
le constructeur avance 2 100 [W].

Les 1 500 [W] de différence seraient-ils dus à la distribution ou le calcul a-t-il été effectué avec une épaisseur d’isolant de 1 cm?

Sur la production de condensats

Les déperditions à travers les parois se traduisent aussi par la formation de condensats. En effet, de par l’échange de chaleur entre les parois et l’ambiance, la vapeur compense ces pertes en cédant de l’énergie de condensation. Les condensats qui en découlent sont encore chauds mais ont perdu les 4/5^ème de l’énergie initiale contenue dans la vapeur.

Il est certain que plus on isole, moins de condensats seront formés et moins d’énergie perdue à l’égout.

Exemple.

Soit le même stérilisateur que dans l’exemple précédent.

Pour épaisseur d’isolant de 1 et 5 [cm] on calcule les déperditions :

Calculs

Pour évaluer ces paramètres.

Déperditions au travers des parois de la cuve
Épaisseur [cm]	Déperditions [W]	Énergie annuelle perdue [kWh/an]	Coûts annuels [€/an]
1	1 457	1,454 x 4 000 = 5 816	640
5	378	0,377 x 4 000 = 1 508	166

La chaleur libérée par la condensation de la vapeur est :

Q_condensation = h »_{vapeur à 3 bar 134°C} – h’_{eau à 134°C} = 2 727 [kJ/kg] – 561 [kJ/kg]

Q_condensation = 2 166 [kJ/kg]

Sur base de 4 000 [h] de fonctionnement par an, la quantité de condensats est déterminée comme suit :

m_condensats= Déperditions x durée x 3 600 / Q_condensation

La chaleur résiduelle dans les condensats est de :

Q_{résiduelle_cond} = m_condensatsx h’_{eau à 134°C} / 3 600

On obtient les résultats suivants :

Déperditions annuelles au travers des parois de la cuve
Épaisseur [cm]	Condensats formés [kg]	Chaleur résiduel [kWh/an]	Coûts [€/an] avec 0,11 [€/kWh]
1	9 600	9 666 x 561 / 3 600 = 1 506 [kWh]	166
5	2 400	2 506 x 561 / 3 600 = 390 [kWh]	43

Conclusion

L’isolation des parois a plus d’impact sur les déperditions à travers les parois que sur l’énergie que l’on pourrait retirer des condensats.

Récupération de l’énergie des condensats

Après avoir isoler les équipements de manière optimale, l’énergie résiduelle contenue dans les condensats est-elle valorisable ?
Avant toute chose, il faut distinguer deux types de condensats :

Les condensats propres de la distribution et de la double enveloppe qui ne sont pas contaminés car ils n’ont pas transité par la chambre de stérilisation.

Les condensats contaminés évacués par la pompe à vide de la chambre de stérilisation.

Certains constructeurs prévoient de récupérer les condensats de la distribution et de la double enveloppe par gravitation en plaçant le générateur sous la double enveloppe. Cette manière de procéder est intéressante car la chaleur résiduelle des condensats produits participe positivement dans le bilan en réduisant l’énergie électrique nécessaire à la production de vapeur.

Quant aux condensats issus de la chambre de stérilisation, pas de chance, ils sont mélangés à un grand débit d’eau froide dans l’anneau liquide de la pompe à vide; ce qui signifie que l’énergie résiduelle que l’on pourrait encore tirer de l’effluent de sortie de la pompe à vide n’est pas valorisable.

Théories

L’étude approfondie sur le bilan énergétique, montre qu’une partie non négligeable de l’énergie initiale de la vapeur produite dans le générateur se retrouve sont forme de condensats issus de la pompe à vide (de l’ordre de 50 à 64 %).

Le hic, c’est que l’enthalpie du mélange des condensats et de l’eau de l’anneau liquide est faible (de l’ordre de 150 [kJ/kg] ou même moins). En d’autres termes l’énergie de la vapeur initiale s’est totalement dégradée :

h »_{vapeur à 3 bar 134°C} = 2 727 [kJ/kg]

h’_{eau à 134°C} = 561 [kJ/kg]

h’_{eau sortie de pompe} = 150 [kJ/kg]

Le rapport énergétique est de l’ordre de 18; ce qui montre bien que l’énergie contenue dans l’eau de sortie de la pompe à vide n’est pas récupérable. Cette perte d’énergie est principalement liée aux impératifs de fonctionnement de la pompe à vide qui exige des températures faibles d’eau de service pour des vides poussés.

Donc le schéma idéal ci-dessus serait bien trop coûteux à réaliser pour le peu de bénéfice à en retirer.

Récupération sur les débits d’appoint d’eau de la pompe à vide

On pourrait croire qu’il vaut mieux ne rien faire. Pas du tout !

On peut diminuer la consommation d’eau qui alimente l’anneau liquide de la pompe à vide.

Gestion du débit d’eau de la pompe à vide

Vu la nécessité de disposer d’un débit d’eau important à basse température au niveau de l’alimentation de la pompe à vide pour obtenir un vide poussé, plusieurs systèmes ont été envisagés, tout en gardant le même débit dans la pompe, de manière à réduire le débit d’appoint d’eau brute adoucie.

On parlera ici de l’évaluation de l’efficacité,

des circuits semi-ouverts,
des circuits fermés.

Circuits semi-ouverts

Théories

Pour en savoir plus sur le calcul de la quantité d’eau d’appoint dans le circuit semi ouvert.

L’évaluation théorique de ce système donne une réduction de l’ordre de 30 % :

de la consommation d’eau de service,
des pertes d’énergie par rejet à l’égout.

Circuits semi-ouverts

Théories

Pour en savoir plus sur le calcul de la quantité d’eau d’appoint dans le circuit fermé.

L’évaluation théorique de ce système donne une réduction de l’appoint d’eau de l’anneau liquide de la pompe à vide élevée. Il est risqué de donner une valeur précise de réduction sachant que les cycles de fonctionnement de la pompe à vide sont particulièrement fluctuants en température. En effet :

En début de phase de prise de vide, les températures risquent d’être élevées. À cet instant, le risque que l’échangeur ne soit plus suffisant est présent; ce qui signifie qu’il faut un appoint d’eau brute.

En fin de phase, les températures redeviennent normales puisqu’il n’y a pratiquement plus de vapeur ni de condensats à évacuer (l’échangeur suffisant à refroidir l’eau de l’anneau liquide).

Certains constructeurs annoncent 75 % de réduction de consommation d’eau.

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Optimiser le dégivrage des meubles frigorifiques

Les meubles frigorifiques fermés, mixtes ou ouverts négatifs

Paramètres de régulation du dégivrage « forcé »

Pré-programmation des dégivrages

Les meubles frigorifiques positifs

Paramètres de régulation du dégivrage « naturel »

Pré-programmation des dégivrages

Choisir le système de dégivrage de la machine frigorifique d’un meuble frigorifique

Les meubles frigorifiques fermés, mixtes ou ouverts négatifs

Paramètres de régulation du dégivrage « forcé »

Avantages

Inconvénients

Pré-programmation des dégivrages

Les meubles frigorifiques positifs

Paramètres de régulation du dégivrage « naturel »

Pré-programmation des dégivrages

Évaluer l’efficacité énergétique de la stérilisation

Isolation des parois

Sur les pertes des parois

Sur la production de condensats

Conclusion

Récupération de l’énergie des condensats

Récupération sur les débits d’appoint d’eau de la pompe à vide

Gestion du débit d’eau de la pompe à vide

Circuits semi-ouverts

Circuits semi-ouverts