Stockage de glace dans les bacs à nodules – schéma 4
Le stockage de glace dans les bacs à nodules – schéma 4 »» [1] [2] [3] [4]
> schéma 4 : déstockage seul
La machine frigorifique est arrêtée.
Stockage de glace dans les bacs à nodules – schéma 3
Le stockage de glace dans les bacs à nodules – schéma 3 »» [1] [2] [3] [4]
> schéma 3 : déstockage et production directe
La puissance frigorifique est inférieure à la puissance appelée par les batteries froides (en fin d’après-midi , par exemple).
Les deux pompes sont en service et la vanne trois voies régule pour maintenir une température de départ de l’eau glacée constante.
Puisque le débit de distribution est supérieur au débit de production, le solde est assuré par le passage du fluide au travers du stockage qui se décharge.
Stockage de glace dans les bacs à nodules – schéma 2
Le stockage de glace dans les bacs à nodules – schéma 2 »» [1] [2] [3] [4]
> schéma 2 : stockage et production directe
La puissance frigorifique est supérieure à la puissance appelée par les batteries froides (en début de journée, par exemple).
La pompe de distribution P2 est en service et la vanne trois voies régule pour maintenir une température de départ de l’eau glacée constante.
Puisque le débit de distribution est inférieur à celui pulsé par la pompe de production P1, le solde du débit de production remonte dans le réservoir de stockage.
Stockage de glace dans les bacs à nodules – schéma 1
Le stockage de glace dans les bacs à nodules – schéma 1 »» [1] [2] [3] [4]
4 régimes de fonctionnement sont proposés :
> schéma 1 : le stockage seul
Le réseau de distribution n’est pas demandeur (la nuit, par exemple). La pompe de distribution P2 est arrêtée. La vanne trois voies est fermée.
Le groupe frigorifique refroidit les nodules qui se cristallisent progressivement, de la périphérie vers le centre. La température à l’évaporateur reste stable.
La puissance frigorifique appelée par le réservoir diminue progressivement, suite au gel des nodules. Les nodules étant gelés, le groupe frigorifique va provoquer une diminution rapide de la température de la boucle de fluide refroidissant. Cette chute de température sera détectée par le thermostat de régulation qui va arrêter le groupe frigorifique, arrêter la pompe et fermer la vanne d’arrêt.
Stockage de glace dans les bacs à faisceaux tubulaires – schéma 3
Le stockage de glace dans les bacs à faisceaux tubulaires – schéma 3 »» [1] [2] [3]
> schéma 3
le circuit présenté au schéma 3 permet une autre solution : l’usage d’un réservoir à glace à la pression atmosphérique.
L’échangeur intermédiaire permet la séparation du circuit de distribution sous pression du circuit du bac à glace ouvert.
Stockage de glace dans les bacs à faisceaux tubulaires – schéma 2
Le stockage de glace dans les bacs à faisceaux tubulaires – schéma 2 »» [1] [2] [3]
> schéma 2
le schéma 2 présente la phase de fonte de la glace.
Un tel circuit permet à la fois le déstockage du réservoir et la production frigorifique instantanée.
L’échangeur intermédiaire permet de séparer le circuit de distribution rempli d’eau, du circuit de production rempli d’eau glycolée, ce qui diminue l’importance du volume de glycol à mettre en jeu.
On pourra également s’inspirer du schéma du stockage de glace dans les bacs à nodules qui permet plus de variantes dans la régulation.
Stockage de glace dans les bacs à faisceaux tubulaires – schéma 1
Le stockage de glace dans les bacs à faisceaux tubulaires – schéma 1 »» [1] [2] [3]
> schéma 1
Le schéma 1 présente la phase de prise en glace.
Stockage d’eau glacée – schéma 3
Le stockage d’eau glacée – schéma 3 »» [1] [2] [3]
schéma 3
Le ballon de stockage est un élément tampon intermédiaire, séparant le circuit de production de l’eau glacée du circuit de l’utilisation.
» les deux circuits sont découplés hydrauliquement, chacun disposant de sa propre pompe. Le ballon se comporte comme une bouteille de découplage hydraulique (casse pression).
Stockage d’eau glacée – schéma 2
Le stockage d’eau glacée – schéma 2 »» [1] [2] [3]
schéma 2
Le ballon de stockage est placé en série, sur le départ de l’eau glacée vers les batteries froides.
» la température de l’eau d’alimentation des batteries froides est stable.
Stockage d’eau glacée – schéma 1
Le stockage d’eau glacée – schéma 1 »» [1] [2] [3]
schéma 1
Le ballon de stockage est placé en série, sur le retour d’eau glacée des batteries froides.
» le fonctionnement du groupe frigorifique est stable.
Détendeurs [Climatisation]
![Détendeurs [Climatisation]](https://energieplus-lesite.be/wp-content/uploads/2019/03/detendeur.gif "Détendeurs [Climatisation]")
Fonctionnement
Dans l’ensemble du fonctionnement d’une machine frigorifique, le détendeur module le débit de fluide réfrigérant à l’entrée de l’évaporateur.
La différence de pression entre le condenseur et l’évaporateur nécessite d’insérer un dispositif « abaisseur de pression » dans le circuit. C’est le rôle du détendeur. Le fluide frigorigène se vaporise partiellement dans le détendeur pour abaisser sa température.
Un mauvais contrôle de la quantité de fluide frigorigène admise dans l’évaporateur, entraîne les conséquences suivantes :
- Trop peu de fluide frigorigène : il est immédiatement évaporé et il continue à se réchauffer. C’est l’effet de surchauffe. L’efficacité de l’évaporateur diminue.
- Trop de fluide injecté : l’excès de fluide n’est pas évaporé par manque de chaleur disponible. Une partie du fluide reste liquide et est aspirée par le compresseur. Celui-ci peut alors être sérieusement endommagé (coup de liquide).
Différentes technologies de détendeurs
Le détendeur thermostatique
C’est le dispositif le plus fréquemment utilisé. Le détendeur thermostatique est une vanne qui règle le débit du réfrigérant, en maintenant une différence constante entre la température d’évaporation du réfrigérant et la température des gaz à la sortie de l’évaporateur. La différence entre ces deux températures s’appelle la « surchauffe à l’évaporateur », typiquement 6 à 8 K. De cette façon, on est certain que tout le liquide injecté s’est évaporé.
Si la charge thermique augmente, la sonde (3) détectera une montée de température, agira sur la membrane (4) et le détendeur s’ouvrira (le pointeau est renversé : plus on l’enfonce, plus il s’ouvre) afin d’augmenter le débit de réfrigérant (1).
Le détendeur électronique
Il fonctionne sur le même principe, mais ce type de détendeur permet un réglage plus précis de l’évaporateur. Une surchauffe plus faible sera nécessaire. La température d’évaporation remontera de 2 à 3 K, ce qui diminuera la consommation du compresseur.
Son avantage est de pouvoir bénéficier de l’intelligence de la régulation numérique : adapter son point de fonctionnement en fonction de divers paramètres.
De là, plusieurs propriétés :
-
régulation modulante de la température du milieu à refroidir,
- injection optimale du réfrigérant,
- dégivrage optimalisé.
Technologiquement, il dispose d’une vanne à pointeau, commandée par un moteur pas à pas à 2 500 positions.
Le détendeur capillaire
Dans de petites installations, tels les appareils frigorifiques ou les petits climatiseurs, on se contente, comme dispositif de réglage, d’un étranglement dans la conduite du réfrigérant avant l’évaporateur. L’étranglement est assuré par un tube capillaire (de très faible diamètre) dans lequel la détente du fluide est obtenue par la perte de charge dans le tube.
Le détendeur pressostatique
Il maintient une pression d’évaporation constante, indépendante de la charge. La totalité de la surface d’échange de l’évaporateur n’est utilisée qu’une fois en régime. C’est pourquoi il n’est utilisé que dans le cas d’installations dans lesquelles la charge ne varie pas beaucoup (machines à glace par exemple).
Bâches à eau glacée
Principe
Il s’agit d’un réservoir d’eau glacée, disposé sur le circuit d’eau glacée des installations de climatisation. Il permet d’accumuler du froid, particulièrement durant la nuit.
On l’appelle encore « ballon d’eau glacée » ou « bâche d’eau glacée ».
Il se dissocie de son « concurrent », le stockage par bac à glace, par le fait que la réserve de froid ne se fait que sur la chaleur sensible de l’eau, entre 12° et 5°C. D’où :
> Inconvénient : le stockage de kWh frigorifiques est fort limité…
> Avantages :
- La machine frigorifique conserve ses caractéristiques traditionnelles de température de travail, et donc son rendement !
- L’installation est simple et sa régulation aussi.
- Pour les grands bâtiments, il est parfois possible de valoriser le réservoir d’eau obligatoire pour la protection incendie
Applications
La bâche d’eau glacée est surtout utilisée dans le but de constituer un grand réservoir tampon, permettant
- D’augmenter le temps de fonctionnement des compresseurs (qui sont souvent surdimensionnés, puisque calculés pour les charges extrêmes de l’été …)
- De délester le groupe frigorifique au moment de la pointe quart-horaire.
| Exemple.
Au CHR de Mouscron, un ancien réservoir à eau chaude sanitaire est utilisé comme réservoir d’eau glacée, ce qui permet au gestionnaire de couper sa machine frigorifique lors de la pointe ! |
Technologies
On distingue plusieurs types de bâche d’eau glacée :
| Simple bâche tampon
|
Ce système rudimentaire engendre un mélange entre l’eau de retour, chaude, et l’eau glacée du réservoir.
La température de l’eau glacée augmente donc progressivement. A la limite, un réservoir d’eau chaude sanitaire pourrait convenir. |
| Bâche à chicanes
|
Un compartimentage à l’intérieur du bac permet de limiter les mélanges entre eau de retour et eau de départ. |
| Bâche à membrane flexible
|
Le mélange entre l’eau chaude et l’eau froide est évité. |
| Réserve naturelle | Pièce d’eau associée au bâtiment, rivière, fleuve, mer. |
Variante : le stockage d’eau glycolée
Afin de pouvoir augmenter le DT° de stockage, on peut réaliser un stockage en eau glycolée. La température de stockage peut alors descendre sous 0°C (mais sans profiter de l’énorme réservoir que constitue la chaleur latente de solidification …).
De plus, souvent un échangeur intermédiaire est ajouté afin de conserver le circuit de distribution en eau glacée sans glycol. L’intérêt est donc faible…
Les schémas d’installation sont similaires à ceux présentés pour les bâches d’eau glacée.
Schémas d’installation
On distingue trois types de schémas d’installation 
- stockage en amont de l’évaporateur
- stockage en aval de l’évaporateur
- stockage en position intermédiaire
Hygromètres et psychromètres
Hygromètre à cheveu
La longueur d’un cheveu varie sous l’effet de la vapeur d’eau.
L’appareil enregistre la variation de longueur d’un faisceau de cheveux suite à la variation de l’humidité.
La précision est de l’ordre de 5 %, si l’appareil est régulièrement étalonné. Autrement, la lecture n’est pas fiable;
Le temps de réponse est de l’ordre de 20 minutes.
Le cheveu peut être remplacé par un fil de soie ou de coton, voire par une fibre synthétique.
La plage normale de mesure s’étale entre 30 et 90 % et entre – 10°C et + 50° de température sèche.
Il existe également des appareils électroniques qui convertissent la variation de longueur en signal de tension (mesure de résistance électrique ou magnéto-inductive).
Hygromètre à cellule hygroscopique
Le plus connu est l’hygromètre à cellule hygroscopique au chlorure de lithium. Le chlorure de lithium est une solution saline (LiCl). Ses propriétés hygroscopiques lui font absorber constamment de la vapeur d’eau contenue dans l’air.
L’appareil comprend deux électrodes entourant une couche de fibre de verre imbibée de Licl Le tout est monté sur un capteur de température.
Lorsque les électrodes sont sous tension, le courant circulant au travers du tissu imbibé de Licl produit de la chaleur qui évapore une partie de l’eau. Par évaporation, la résistance électrique du tissu augmente (la conductivité du tissu diminue), la puissance calorifique diminue, donc aussi la température sur la sonde intérieure. Une température d’équilibre s’établit finalement sur la sonde.
Cette température est utilisée pour mesurer la pression partielle de vapeur d’eau de l’air et de là le niveau d’humidité absolue de l’air.
Cette technique réclame un entretien important, la solution de chlorure de lithium devant être régénérée régulièrement.
Hygromètre à variation de capacité
Les hygromètres électroniques à cellule capacitive sont basés sur la modification de la valeur d’un condensateur en fonction de l’humidité. Plus précisément, c’est le diélectrique du condensateur qui est sensible à l’humidité relative de l’air ambiant.
La variation de la capacité (et donc de son impédance) entraîne une variation d’un signal de tension.
L’appareil est fiable et ne demande un étalonnage que tous les 2 ans. La précision est de 3 %. Le temps de réponse est court (de l’ordre de la dizaine de secondes). Et la plage de mesure est large. Que demander de plus ? !
Si, ils ont un petit défaut : être sensible aux polluants chimiques ! On sera dès lors attentif à ne pas les nettoyer avec des solvants organiques (chlore,…).
Leur durée de vie est estimée à une dizaine d’années.
Psychromètre
Le fonctionnement du psychromètre mécanique est basé sur la lecture de deux températures : la température sèche ordinaire et la température dite « bulbe humide « .
Pour connaître cette dernière, on enrobe la base du thermomètre d’ouate humide. On force l’air à passer au travers de cette ouate (par un ventilateur ou par déplacement rapide dans l’air au moyen d’une fronde). L’air qui passe au travers de l’ouate s’humidifie L’évaporation de l’eau refroidit l’air. Plus il se refroidit, plus il était sec au départ !
En comparant les deux mesures, on peut déduire le taux d’humidité de l’ambiance. Par exemple, supposons que le thermomètre sec mesure une température ambiante de 20°C, tandis que la température lue au bulbe humide soit de 16°C. En prenant l’intersection entre l’isenthalpe passant par le point 16°C – 100 % HR, et la droite des points à 20°C, on trouve une humidité relative de 67 %.
Autrement dit, l’air ambiant à 20° et 67 % HR, lorsqu’il est humidifié se refroidit jusque 16° 100 % HR, ce que lit le thermomètre « bulbe humide ».
La précision sur cette mesure est de 0,3°C sur la température bulbe humide et de 2 % sur l’humidité relative qui s’en déduit.
Un entretien périodique est nécessaire, mais la fiabilité est bonne.
La plage normale de mesure s’étale entre – 10°C et + 60° de température sèche.
Dans le psychromètre électronique, la mesure des températures est réalisée sur base des valeurs données par des thermistances à Coefficient de Température Négatif (CTN).
Condenseurs et tours de refroidissement
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 sur 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 :
1° L’aéro-refroidisseur :
L’eau est directement refroidie par l’air.
2° La tour de refroidissement fermée :
Une puissance supplémentaire est donnée par pulvérisation d’une eau indépendante du circuit.
3° La tour de refroidissement ouverte :
Cette fois, c’est l’eau qui traverse le condenseur qui est directement pulvérisée et en partie évaporée.
Fonctionnement d’un condenseur
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 donnée sous forme de chaleur latente.
> Phase 3, le sous-refroidissement du liquide, communiquant encore de la chaleur sensible au fluide refroidisseur.
En pratique, ce découpage en phases ne se fait pas vraiment ainsi. Le fluide frigorigène circule dans un tube en contact avec l’eau ou l’air. Le fluide qui touche le tube est liquide et se sous-refroidit. Le fluide qui est en contact avec ce liquide condense à son tour. Enfin, le gaz qui est au centre du tube désurchauffe simplement. A la limite, le gaz au cœur du tube ne sait pas qu’il y a un refroidissement sur les parois !
Les 3 phases sont donc simultanées…
Fonctionnement d’une tour de refroidissement
Un litre d’eau évaporée évacue 2 500 kJ de chaleur.
Pour obtenir le même effet avec le refroidissement de l’eau, on devrait refroidir 60 litres d’eau de 10°C… (sur base d’une capacité calorifique de l’eau de 4,18 [kJ/kg.K].
C’est sur ce principe physique que la tour de refroidissement fonctionne. Ainsi, dans la tour ouverte, l’eau chaude issue du condenseur est pulvérisée en micro-goutelettes, puis ruisselle sur une surface d’échange eau-air. Un ou plusieurs ventilateurs provoquent un courant contraire ascendant. Du fait de l’échange avec l’air froid et de l’évaporation partielle, la température de l’eau diminue. L’eau refroidie est recueillie dans un bac et repart vers le condenseur.
En théorie, si l’échange était parfait (surface d’échange infinie), l’eau refroidie 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 la tour). Cette valeur est appelée l' »approche ».
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.
| – | – | Entrée condens. | Sortie condens. | T°condensat. fluide frig. |
|
| Condens. à air | normal | T° air sec = 30° | T° air = 30° | T° air = 37° | 43° |
| avec évaporation d’eau | T° air sec = 30° | T° air = 25° | T° air = 32° | 38° | |
| Condens. à eau | tour ouverte | T° air humide = 20° | T° eau cond = 25° | T° eau cond = 32° | 38° |
| tour fermée | T° eau pulvér. = 25° | T° eau cond = 31° | T° eau cond = 38° | 44° | |
| dry-cooler | T° air séche = 30° | T° eau cond = 36° | T° eau cond = 43° | 49° |
Cette approche simplifiée situe l’ordre de grandeur de la température de condensation, et donc l’impact sur la consommation du compresseur.
Les condenseurs à air
L’évacuation de la chaleur du circuit frigorifique est assurée au travers d’un échangeur direct fluide frigorigène/air.
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 vitesse moyenne de passage de l’air est de 2 à 4 m/s. Ordre de grandeur du coefficient d’échange d’un condenseur à air : 20 à 30 [W/m².K]
Deux types de ventilateur sont utilisés :
Ventilateur axial et ventilateur centrifuge.
Les condenseurs à eau
On parle de condenseur à « refroidissement indirect », puisque cette fois, le gaz chaud du réfrigérant cède sa chaleur à de l’eau circulant dans le condenseur.
Ordre de grandeur du coefficient d’échange d’un condenseur à eau : 700 à 1 100 [W/m².K]
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.
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.
Plus classiquement, il s’agira d’un circuit d’eau, ouvert ou fermé. C’est le cas le plus fréquent. Il entraîne l’utilisation d’une tour de refroidissement.
Les aéro-refroidisseur (ou dry cooler)
L’aérorefroidisseur est un simple échangeur eau/air : un ou plusieurs ventilateurs forcent le passage de l’air extérieur pour accélérer le refroidissement.
Cette batterie d’échange convient en toute saison, puisqu’ en ajoutant un antigel (type glycol), elle est insensible au gel.
Elle présente donc l’intérêt de refroidir le condenseur de la machine frigorifique … à distance ! Le groupe frigorifique peut être en cave et l’aéro-refroidisseur en toiture : la boucle d’eau organisera le transfert.
Un exemple simple est donné par une armoire de climatisation d’un local informatique :
Elle n’est pas aussi performante qu’une tour de refroidissement avec pulvérisation d’eau puisque la température de refroidissement est limitée à la température de l’air extérieur…
Boucle d’eau
L’eau de refroidissement tourne en circuit fermé entre le condenseur et l’aéro-refroidisseur. On doit dès lors prévoir un vase d’expansion et une soupape de sûreté sur la boucle. Des purgeurs seront placés aux points hauts de la boucle.
Un gros avantage (surtout par rapport aux tours ouvertes) est qu’il n’y a pas de risque d’entartrage ou de corrosion du circuit puisqu’il s’agit toujours de la même eau qui circule (« eau morte »).
Régulation
Généralement, un thermostat placé sur la boucle d’eau actionne le ou les ventilateurs en fonction de la température.
C’est le point faible de l’aérorefroidisseur : la température de l’eau de refroidissement est élevée
- D’une part, parce qu’il y a un double échange : fluide/eau glycolée – eau glycolée/air, et donc un Delta T° supplémentaire.
- D’autre part, parce que l’air de refroidissement peut être élevé en été.
Or, si l’air de refroidissement est chaud, l’eau sera encore plus chaude et, dans le condenseur, la pression de condensation sera très élevée. Le compresseur verra dès lors sa consommation énergétique augmenter.
Proportionnellement, la tour de refroidissement aura un meilleur rendement… mais une sensibilité à la corrosion plus forte…
Ce système doit donc être limité aux installations de moyenne puissance.
Les tours de refroidissement
Dans une tour de refroidissement, on va profiter de l’effet de refroidissement créé par la vaporisation de l’eau. En effet, pour passer à l’état vapeur, l’eau a besoin d’énergie. Et cette énergie, elle la prend sur elle-même. Une eau qui s’évapore … se refroidit.
Tour ouverte
On parle de tour « ouverte » si c’est l’eau de refroidissement elle-même, venant du condenseur, qui est pulvérisée. C’est le système le plus efficace qui entraîne le refroidissement le plus élevé. Mais le contact entre l’eau et l’atmosphère est source de corrosion (oxygénation de l’eau, introduction de poussières et de grains de sable qui risquent de se déposer dans le condenseur, risque de gel accru,…).
Un exemple simple est donné ci-dessous pour une armoire de climatisation d’un local informatique :
À noter qu’il existe des tours ouvertes sans ventilateurs. La pulvérisation d’eau est réalisée avec une pression assez élevée et cette pulsion d’eau entraîne l’air avec elle par effet induit (effet Venturi). L’avantage premier est la diminution des bruits et des vibrations.
Tour fermée
On parle de tour « fermée » si l’eau du circuit de refroidissement circule dans un échangeur fermé sur lequel de l’air extérieur est pulsé, et de l’eau est pulvérisée. Il s’agit soit d’une tour …?
L’évaporation partielle de l’eau entraîne un refroidissement plus faible que dans le cas de la tour ouverte, mais les risques de corrosion sont annulés.
Voici l’exemple adapté pour une armoire de climatisation :
La consommation d’eau se limite à la quantité d’eau évaporée (présence d’une alimentation par flotteur), plus un faible volume lors de purges pour éliminer les impuretés qui se sont concentrées dans le fond du bac.
Bacs à glace
Principe
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 :
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.
Technologies
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
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.
Schémas d’installation
Pour comprendre le fonctionnement du stockage en parallèle avec l’installation frigorifique, on peut accéder aux schémas d’installation :
Fluides frigorigènes [Climatisation]
![Fluides frigorigènes [Climatisation]](https://energieplus-lesite.be/wp-content/uploads/2014/09/fluide-frigorigene-01-bon-1024x551.jpg "Fluides frigorigènes [Climatisation]")
L’impact environnemental
Depuis quelques décennies, l’impact des fluides frigorigènes sur l’environnement est devenu un enjeu majeur. En effet, de par la présence de fuites au niveau du circuit frigorifique, la responsabilité de ces fluides dans la destruction de la couche d’ozone et l’augmentation de l’effet de serre n’est plus à démontrer.
Trou d’ozone au pôle sud.
Que ce soit en conception, en rénovation ou même en maintenance, les fuites de fluides sont donc à éviter. Elles dépendent essentiellement de la qualité :
- du choix et de la mise en œuvre des équipements (soudures et connexions des conduites de distribution par exemple);
- de l’optimisation du cycle frigorifique;
- de la maintenance;
- …
En France, en 1997, une étude a montré que le taux de fuites annuelles pouvait atteindre 30 % de la quantité totale en poids (ou en masse) de fluides frigorigènes présent dans les installations frigorifiques des grandes surfaces (Réf.: Zéro fuite – Limitation des émissions de fluides frigorigènes, D. Clodic, Pyc Éditions, 1997).
Depuis lors, les réglementations se sont attaquées à ces problèmes :
- Suite au protocole de Montréal (1987) les fluides frigorigènes CFC (chlorofluorocarbures, principaux responsables de la destruction de la couche d’ozone) ont été définitivement abandonnés et remplacés progressivement par les HCFC.
- Les réglementations européennes 2037/2000, 842/2006 et 517/2014 ont notamment imposé :
- l’interdiction d’utilisation des HCFC à fort impact sur l’effet de serre (GWP ou global Warming Potential);
- le remplacement progressif des HFC à haut GWP;
- le confinement des installations frigorifiques permettant de réduire la quantité de fluide frigorigène;
- des contrôles réguliers d’étanchéité des installations;
- …
Indices d’impact
Pour établir l’impact des fluides frigorigènes sur la couche d’ozone et l’effet de serre, trois indices principaux ont été définis :
- ODP : Ozone Depletion Potential;
- GWP : Global Warming Potential;
- TEWI : Total Equivalent Warming Impact.
ODP (Ozone Depletion Potential)
C’est un indice qui caractérise la participation de la molécule à l’appauvrissement de la couche d’ozone. On calcule la valeur de cet indice par rapport à une molécule de référence, à savoir soit R11 ou R12 qui ont un ODP = 1.
GWP (Global Warming Potential)
C’est un indice qui caractérise la participation de la molécule à l’effet de serre. On calcul la valeur de cet indice par rapport à une molécule de référence, à savoir le CO2, et pour des durées bien déterminées (20, 100, 500 ans). Le CO2 à un GWP = 1.
TEWI (Total Equivalent Warming Impact)
Le TEWI est un concept permettant de valoriser le réchauffement planétaire (global warming) durant la vie opérationnelle d’un système de réfrigération par exemple, utilisant un fluide frigorigène déterminé en tenant compte de l’effet direct dû aux émissions de fluide frigorigène et à l’effet indirect dû à l’énergie requise pour faire fonctionner le système.
À titre indicatif, il est donné par la formule :
TEWI = (GWP x L x n) + (GWP x m[1-C]) + n x E x β
Où :
- GWP : global warming potential;
- L : émissions annuelles de fluide en kg;
- n : durée de vie du système en années;
- m : charge en fluide frigorigène en kg;
- C : facteur de récupération / recyclage compris entre 0 et 1;
- E : consommation annuelle d’énergie en kWh;
- β : émission de CO2 en kg / kWh.
Voici, pour chaque fluide frigorigène, le Ozone Depletion Potential (potentiel de destruction de la couche d’ozone) et le Global Warming Potential (potentiel de participation au réchauffement climatique) sur 100 ans :
| ODP | GWP100 | ||
|---|---|---|---|
| R717 | Amoniac | 0 | 0 |
| R744 | CO2 | 0 | 1 |
| R290 | Propane | 0 | 20 |
| R32 | HFC, fluide pur | 0 | 675 |
| R134a | HFC, fluide pur | 0 | 1 430 |
| R407C | HFC, mélange | 0 | 1 800 |
| R22 | HCFC | 0,05 | 1 810 |
| R410A | HFC, mélange | 0 | 2 100 |
| R427A | HFC, mélange | 0 | 2 100 |
| R417A | HFC, mélange | 0 | 2 300 |
| R422D | HFC, mélange | 0 | 2 700 |
| R125 | HFC, fluide pur | 0 | 3 500 |
| R404A | HFC, mélange | 0 | 3 900 |
| R12 | CFC | 0,82 | 10 900 |
Source : 4ème rapport de l’IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change).
Les fluides frigorigènes fluorés
Fluides frigorigènes fluorés
Les fluides frigorigènes fluorés sont en grande partie responsables de la destruction de la couche d’ozone et contribuent à augmenter l’effet de serre. Les interactions entre les deux phénomènes sont réelles mais d’une grande complexité.
On en distingue plusieurs types :
- CFC;
- HCFC;
- HFC.
CFC (chlorofluorocarbures) (interdits de production depuis janvier 1995)
Ce sont des molécules composées de carbone, de chlore et de fluor. Elles sont stables; ce qui leur permet d’atteindre la stratosphère sans trop de problèmes. À ce stade, en se transformant elles contribuent à la destruction de la couche d’ozone.
| R-11 | Groupes centrifuges « basse pression ». |
| R-12 | Essentiellement froid domestique et climatisation automobile, mais aussi dans les groupes refroidisseurs d’eau centrifuges. |
| R-13 | Rares utilisations en froid très basse température. |
| R-14 | Rares utilisations en froid très basse température. |
| R-113 | Abandonné avant son interdiction. |
| R-114 | Pompes à chaleur et climatisation de sous-marin. |
| R-115 | Fluide pas utilisé seul, mais dans le R-502, mélange azéotropique très utilisé en froid commercial basse température. |
HCFC (hydrochlorofluorocarbures) (utilisation interdite au Ier Janvier 2015)
Ce sont des molécules composées de carbone, de chlore, de fluor et d’hydrogène. Elles sont moins stables que les CFC et détruisent l’ozone dans une moindre mesure. Elles sont appelées substances de transition.
| R-22 | Fluide frigorigène le plus souvent utilisé, aussi bien en froid industriel qu’en climatisation. |
| R-123 | Remplace le R-11 dans les groupes centrifuges. |
| R-124 | Essentiellement utilisé dans certains mélanges. |
HFC (hydrofluorocarbures) (utilisation réduite progressivement jusqu’en 2030)
Ce sont des molécules composées de carbone, de fluor et d’hydrogène. Elles ne contiennent pas de chlore et donc ne participent pas à la destruction de la couche d’ozone. Par contre, les HFC présentent un Global Warming Potential (contribution à l’effet de serre) sur 100 ans élevé.
| R-134a
(Solkane) |
Fluide frigorigène qui a remplacé le R-12 en froid domestique et en climatisation automobile.
En application « chauffage », il présente l’avantage de faire fonctionner les pompes à chaleur à haute température (généralement jusqu’à 65 °C) et à relativement basse pression. Son utilisation est compatible avec une production d’eau chaude pour radiateurs en lieu et place d’une chaudière. C’est également un composant majeur de la plupart des mélanges de remplacement. |
| R-125 | N’est jamais utilisé pur en raison de sa pression critique trop faible (66°C). Il entre dans la composition de nombreux mélanges compte tenu de son pouvoir « extincteur ». |
| R-32, R-152a R-143a |
Inflammables et donc utilisés uniquement en mélange avec d’autres composants qui « neutralisent » leur inflammabilité. |
Mélange de fluides frigorigènes
On peut les classer en fonction du type de composants fluorés qu’ils contiennent.
Ils se distinguent également par le fait que certains mélanges sont :
- Zéotropes : au cours d’un changement d’état (condensation, évaporation), leur température varie.
- Azéotropes : ils se comportent comme des corps purs, sans variation de température lors du changement d’état.
Il va de soi que les frigoristes apprécient cette propriété d’azéotropie pour le fonctionnement de la machine frigorifique.
| Le R407C (R134a : 52 % + R125 : 25 % + R32 : 23 %)
Le R407C est un fluide non azéotrope (il est composé de plusieurs fluides) afin d’obtenir sa température de changement d’état. Ce fluide frigorigène présente les particularités suivantes :
|
| Le R410A (R32 : 50 % + R125 : 50 %)
Le R410A présente de meilleures qualités thermodynamiques que le R407C et le R22. D’autre part, l’étanchéité des installations est plus élevée avec le R410A, les pertes de pression sont donc faibles et les vitesses de fonctionnement peuvent être élevées. Les composants sont dès lors plus compacts. Le R410A est cependant toxique ! De plus, il se comporte comme un réfrigérant mono-moléculaire lorsqu’il change de phase : le passage d’un état à un autre se produit à température quasiment constante (le glissement de température est négligeable). On ne doit donc pas vider complètement l’installation avant de la recharger.Pour terminer, les pressions de fonctionnement sont 60 % plus élevées que dans le cas du R22. Ceci limite donc son utilisation aux températures de condensation moyennes : maximum 45 °C. |
| Le R404A (R143a : 52 % + R125 : 44 % + R134a : 4 %)
Le R404A présente des caractéristiques communes avec le R410A (il se comporte aussi comme un fluide quasi-azéotropique) mais sa pression de fonctionnement est plus basse. Sa particularité est de ne pas beaucoup s’échauffer pendant la compression. La température des vapeurs surchauffées en sortie de compresseur reste donc modérée, ce qui convient parfaitement à la mise en œuvre des PAC fluide/fluide. |
Les fluides à bas « effet de serre »
Ils sont considérés comme moins inquiétants pour l’environnement, car à la fois sans action sur l’ozone stratosphérique et d’un faible impact sur l’effet de serre.
Ils présentent tous des inconvénients, soit au niveau sécurité, soit au niveau thermodynamique.
L’ammoniac (NH3) ou R-717
L’ammoniac présente de nombreux avantages en tant que fluide frigorigène :
- Impact environnemental nul (ODP et GWP100 nuls);
- très bon coefficient de transfert de chaleur;
- efficacité énergétique élevée (au moins aussi bonne que le R22, meilleure dans certaines conditions);
- le gaz ammoniac est plus léger que l’air;
- faibles pertes de charge;
- fuites aisément détectables;
- faible prix de revient et faibles frais d’entretien des installations;
- très difficilement inflammable, limite d’explosion élevée et petits champs d’explosion;
- chimiquement stable;
- aisément absorbable dans l’eau;
- pas très sensible à l’humidité dans le circuit;
- naturel donc biodégradable;
- grâce à sa haute température critique, il permet de réaliser des températures de condensation très élevées et de concevoir des PAC à haute température.
Les COP obtenus avec ce fluide frigorigène peuvent être équivalents à ceux obtenus avec des HFC.
L’ammoniac est par contre toxique (mais pas cumulativement dans le temps) et irritable. Il peut être explosif dans des cas exceptionnels (les limites inférieure et supérieure d’inflammabilité doivent être très proches l’une de l’autre). Il sera également explosif dans des locaux non aérés où il se crée un mélange d’air, d’azote et d’ammoniac. Les locaux doivent donc absolument être ventilés et le passage de l’air doit également être totalement libre. De plus, le NH3 corrode facilement le cuivre et ses alliages ainsi que le zinc. Les installateurs sont donc obligés d’utiliser de l’acier. Pour terminer, l’ammoniac n’étant pas miscible et soluble dans les huiles minérales, il faut prévoir un séparateur d’huile après le compresseur.
Les installations à l’ammoniac l’utilisent liquide et sa quantité est réduite : la quantité de gaz perdu par fuites est donc faible.
Il est à l’heure actuelle principalement utilisé dans le froid industriel.
Les hydrocarbures (HC) comme R-290 R-600a
Il s’agit essentiellement du propane (R-290), du butane (R-600) et de l’isobutane (R-600a).
Ces fluides organiques présentent de bonnes propriétés thermodynamiques, mais sont dangereux par leur inflammabilité. Le monde du froid s’est toujours méfié de ces fluides, même s’ils sont réapparus récemment dans des réfrigérateurs et des mousses isolantes. Leur utilisation future paraît peu probable en climatisation, vu le coût de la mise en sécurité aussi bien mécanique qu’électrique. En PAC, on l’utilise donc dans des quantités les plus faibles possible (maximum 3 kg pour les applications résidentielles), de préférence à l’extérieur des bâtiments.
Le dioxyde de carbone (CO2) ou R-744
Fluide inorganique, non toxique, non inflammable, mais moins performant au niveau thermodynamique. Son usage implique des pressions élevées et des compresseurs spéciaux.
Il possède cependant de bonnes qualités en application PAC pour le chauffage ou l’eau chaude sanitaire. Il est peu coûteux, et sa récupération et son recyclage sont simples à mettre en œuvre.
Actuellement, les spécialistes s’y intéressent à nouveau de par :
- son faible impact sur l’environnement (ODP = 0, GWP = 1);
- son faible volume massique entraînant des installations à faible volume (fuites réduites);
- …
Il a la particularité de posséder une température critique basse à 31 °C pour une pression de 73,6 bar.
À noter que l’utilisation de ce type de réfrigérant entraîne aussi des contraintes non négligeables telles que la nécessité de travailler :
- à des pressions élevées (80 voire plus de 100 bar);
- en transcritique qui demande une maîtrise de la condensation en phase gazeuse (gaz cooler);
L’eau (H2O)
Fluide inorganique, bien entendu sans toxicité. Même si sa grande enthalpie de vaporisation est intéressante, il ne se prête pas à la production de froid sous 0°C. Il est peu adapté au cycle à compression et ses applications sont rares.
Synthèse
| Frigorigène | Fluide naturel | ODP3 | GWP (100ans) valeurs IPCC 3 | GWP (100ans) valeurs WMO 4 | Temp. critique (°C) | Pression critique (MPa) | Inflammabilité | Toxicité | Coût relatif | Puissance volumétrique |
| R290
(HC) CH3CH2CH3 |
Oui | 0 | 20 | 20 | 96,7 | 4,25 | Oui | Non | 0,3 | 1,4 |
| R717 (Ammoniac NH3) | Oui | 0 | <1 | <1 | 132,3 | 11,27 | Oui | Oui | 0,2 | 1,6 |
| R 744 (CO2) | Oui | 0 | 1 | 1 | 31,1 | 7,38 | Non | Non | 0,1 | 8,4 |
| R718 (H2O) | Oui | 0 | 0 |
Caractéristiques environnementales des fluides frigorigènes naturels.
Nomenclature
Les fluides frigorigènes sont soumis à une nomenclature qui se veut internationale. L’ASHRAE, une des plus utilisées, désigne les fluides frigorigènes par la lettre R associée à 2,3 ou 4 chiffre + une lettre (R134a par exemple).
Le tableau ci-dessous montre la méthode de désignation des fluides réfrigérants :
|
R-WXYZ§ |
||||
|
Nomenclature |
Appellation courante |
R12 |
R134a |
R1270 |
|
Appellation pour la détermination de la formule |
R-0012 |
R-0134a |
R-1270 |
|
|
CFC |
|
|
|
|
|
W = Nombre d’insaturation Carbone = Carbone (C=C) |
C=C (double liaison) |
0 |
0 |
1 |
|
X = nombre de Carbone -1 |
nombre d’atomes de Carbone C = X + 1 |
1 |
2 |
3 |
|
Y = nombre de Hydrogène +1 |
nombre d’atomes d’Hydrogène H = Y – 1 |
0 |
2 |
6 |
|
Z = nombre de Fluor |
nombre d’atomes de Fluor F = Z |
2 |
4 |
0 |
|
R401A |
nombre d’atomes de Chlore Cl* |
2 |
0 |
0 |
|
Formule chimique |
C Cl2F2 |
C2H2F4 |
CH3 CH=CH2 |
|
|
Si § = A-E => symétrie Si § = a-b => asymétrie (avec a moins asymétrique que b) |
symétrie de la molécule |
symétrique |
asymétrique |
symétrique |
Calcul du nombre d’atomes de chlore : Pour les molécules saturées (w = 0), Le nombre d’atomes de chlore s’obtient à partir de la formule suivante : Cl = 2.(C = 1) – H – F.
Compresseurs frigorifiques [Climatisation]
![Compresseurs frigorifiques [Climatisation]](https://energieplus-lesite.be/wp-content/uploads/2019/03/compresPiston.jpg "Compresseurs frigorifiques [Climatisation]")
Compresseur à pistons
Compresseurs à pistons, construction ouverte
Dans ce groupe de compresseurs, le moteur et le compresseur ne sont pas dans le même logement. L’arbre d’entraînement (vilebrequin) émerge du carter du compresseur. On peut y raccorder un moteur électrique, diesel ou à gaz. L’association se fait soit par un manchon d’accouplement, soit par une courroie.
L’accès à tous les éléments du compresseur est possible.
La puissance est réglée par mise à l’arrêt de certains cylindres ou par changement de régime du moteur d’entraînement.
On utilise les compresseurs de construction ouverte dans les installations d’une puissance de réfrigération jusqu’à 500 kW.
Compresseurs à pistons, construction semi-hermétique
( ou « hermétique accessible »)
Compresseur et moteur d’entraînement sont logés dans un carter commun. L’entraînement est habituellement assuré par un moteur électrique. Il est généralement refroidi par les gaz froids du réfrigérant (gaz aspirés), quelquefois par un ventilateur ou un serpentin d’eau enroulé sur le bâti du moteur.
Pour des réparations, on peut accéder à chaque partie de la machine et même séparer le compresseur du moteur (plaques boulonnées sur le bâti, avec présence de joints intercalaires).
La puissance est réglée par mise hors service de certains cylindres ou par changement de régime du moteur d’entraînement.
On utilise des compresseurs de construction semi-hermétiques dans des installations jusqu’à 100 kW ou, en recourant à plusieurs compresseurs, jusqu’à 400 kW environ.
Compresseurs hermétiques à pistons
Compresseur et moteur électrique sont logés dans une enveloppe soudée. Ils sont généralement supportés par des ressorts pour éviter la transmission des vibrations. Le joint tournant disparaît et avec lui le risque de fuite.
Mais des contraintes nouvelles apparaissent :
- Le fluide frigorigène et bien sûr l’huile de lubrification doivent être compatibles avec les matériaux qui composent le moteur.
- Le refroidissement du moteur est réalisé par le fluide frigorigène lui-même, or cet échauffement est préjudiciable au cycle frigorifique puisque la température à l’aspiration du compresseur augmente et donc plus élevé au refoulement. De plus, lorsque si le moteur vient à griller, c’est l’ensemble du circuit frigorifique qui sera pollué : un nettoyage complet du circuit doit être réalisé si l’on veut éviter de nouveaux ennuis. En cas de problèmes, les réparations sont exclues… Dès lors, un organe de sécurité contre la surchauffe (Klixon) est incorporé. Grâce à cette sécurité thermique, montée dans les enroulements du moteur ou sur ces derniers, l’alimentation électrique sera coupée lors d’une surchauffe du moteur. Dans ce cas aussi, le moteur est refroidi par les gaz aspirés.
En principe, la puissance de réfrigération ne peut pas être réglée, sauf par variation de fréquence du courant d’alimentation.
On installe des compresseurs hermétiques à pistons dans de petits appareils (réfrigérateurs, climatiseurs compacts) ou dans des installations d’une puissance jusqu’à 30 kW environ.
Caractéristiques générales
Le compresseur à pistons a besoin d’être lubrifié en permanence. La partie inférieure du carter forme réserve d’huile. La pression régnant dans le carter est la pression d’aspiration. La pompe à huile délivre une pression supérieure de 0.5 à 4 bars à la pression régnant dans le carter.
Le compresseur à piston est très sensible à l’arrivée de fluide liquide : si quelques gouttes de liquide pénètrent au niveau des soupapes, elles en provoquent une usure lente. Si du fluide liquide pénètre en grande quantité, la destruction des clapets est immédiate. De là, les protections anti-coups de liquide adoptées (ressort puissant sur le chapeau de cylindre, capable de se soulever en cas d’arrivée de liquide).
« L’espace mort » est le volume qui reste entre le piston et le fond du cylindre, lorsque le piston est en position haute maximale. Cet espace est nécessaire pour éviter les chocs lorsque le piston est en bout de course. Il représente 3 à 4 % du volume du cylindre. Il faut le réduire au maximum afin d’augmenter le rendement volumétrique du compresseur.
Compresseur spiro-orbital, dit « scroll »
Le compresseur SCROLL est composé de deux rouleaux identiques en forme de spirale. Le premier est fixe, le second décrit un mouvement circulaire continu sans tourner sur lui même. Les spirales sont déphasées de 180°.
Le mouvement orbital entraîne le déplacement vers le centre des poches de gaz, ce déplacement est accompagné d’une réduction progressive de leur volume jusqu’à disparition totale. C’est ainsi que s’accomplit le cycle de compression du fluide frigorigène.
La réduction du nombre de pièces par rapport à un compresseur à pistons de même puissance est de l’ordre de 60 %. L’unique spirale mobile remplace pistons, bielles, manetons et clapets. Moins de pièces en mouvement, moins de masse en rotation et moins de frottements internes, cela se traduit par un rendement supérieur à celui des compresseurs à pistons.
Cela se traduit par un COP frigorifique de l’ordre de 4,0 en moyenne annuelle alors qu’il se situe aux alentours de 2,5 pour les compresseurs à pistons (information constructeur).
Les variations de couple ne représentent que 30 % de celles d’un compresseur à pistons. Il n’impose donc que de très faibles contraintes au moteur, facteur de fiabilité.
Il reste limité en puissance (autour des 50 kW) mais plusieurs scrolls peuvent être mis en parallèle (jusqu’à 300 kW par exemple).
À noter également sa faible sensibilité aux coups de liquide.
Diverses méthodes de régulation de vitesse sont possibles :
- Régulation « tout ou rien ».
- Régulation par moteur à 2 vitesses.
- Régulation par variateur de vitesse
Attention : en cas de rotation en sens contraire, il n’y a pas de compression et un bruit insolite avertit le technicien !
Compresseur rotatif
C’est un compresseur volumétrique qui retrouve de l’avenir grâce aux nouveaux matériaux composites.
On rencontre deux technologies :
- le compresseur rotatif à piston roulant,
- le compresseur rotatif à palettes.
Dans les deux cas, un stator cylindrique renferme un rotor excentré par rapport à l’axe du stator. Un volume en forme de croissant est piégé. Du fluide frigorigène y est introduit (aspiration) et la rotation du rotor va comprimer cet espace jusqu’à atteindre la pression souhaitée (refoulement).
Les puissances frigorifiques atteignent 10 kW.
Ils sont essentiellement utilisés pour les climatiseurs individuels et les petits refroidisseurs de liquide.
Le compresseur à vis
- Type : machine ouverte ou fermée.
- Plage de réglage : de 10 à 100 % avec un rendement assez constant.
- Fonctionnement : le fluide frigorigène gazeux est comprimé par une vis hélicoïdale (un peu comme dans un hache-viande) tournant à grande vitesse. Le compresseur est entraîné par un moteur électrique.
On rencontre des compresseurs à vis selon deux technologies : les bi-rotors (type SRM) et les mono-rotors (type ZIMMERN).
Le rendement volumétrique d’un compresseur à vis est bon grâce à l’absence d’espaces morts, comme dans les compresseurs à pistons. Cette propriété permet d’assurer des taux de compression élevés avec un bon rendement volumétrique.
Les compresseurs à vis modernes ont des rotors à profils asymétriques, ce qui est préférable au niveau énergétique.
Les variations de puissance s’obtiennent dans les grosses machines par l’action d’un « tiroir » qui décide de l’utilisation d’une plus ou moins grande longueur de vis dans la compression des gaz, et donc induit un plus ou moins grand taux de compression. Dans les petites machines, toujours très grandes comparées à des compresseurs à piston, la modulation de puissance s’obtient par variation de la vitesse de rotation ou par utilisation de ports d’aspiration auxiliaires, soit par les deux.
Les avantages du compresseur à vis sont sa faible usure et son réglage facile. Il est toutefois encore coûteux.
Le compresseur à vis doit être abondamment lubrifié, pour assurer l’étanchéité entre les pièces en mouvement et pour réduire le niveau sonore, mais aussi pour refroidir le fluide frigorigène : on peut alors atteindre des taux de compression élevés (jusqu’à 20) sans altérer le fluide frigorigène.
Depuis peu, on utilise le compresseur à vis pour des puissances de réfrigération à partir de 20 kW environ.
Turbocompresseur ou compresseur centrifuge
- Type : machine ouverte ou fermée.
- Plage d’utilisation : les très grosses puissances, au-delà de 1 000 kW. Réservé aux grands centres industriels et commerciaux.
- Fonctionnement : une turbine à régime élevé comprime le gaz de réfrigération en transformant l’énergie cinétique centrifuge en pression statique. L’entraînement est assuré par un moteur électrique.
Les circuits de fluide frigorigène et d’huile sont bien séparés. Le fluide reste pur et on ne rencontre pas le problème de l’huile piégée dans l’évaporateur.
Le taux de compression engendré par un compresseur centrifuge à une roue est faible. Aussi, on le rencontre fréquemment en multi-étagé (2 ou 3 étages).
Les turbocompresseurs utilisés en climatisation sont montés et réglés en usine. Ils sont ensuite greffés sur un groupe de production d’eau glacée.
- Régulation : on peut facilement adapter la puissance des turbocompresseurs par prérotation du fluide frigorigène à l’entrée de la roue.
- Plage de réglage : de 100 à 30 % de la puissance nominale.
Les variations de puissance s’obtiennent par réglage des vantelles à l’ouïe d’aspiration de la turbine.
A faible charge, ils sont cependant plus délicats que les compresseurs à pistons. En effet, par faible débit, un phénomène de pompage apparaît : le débit oscille entre un débit nul et débit maximal, l’écoulement devient pulsatoire et engendre des vibrations qui peuvent endommager le compresseur. Les frais de réparation sont élevés. Les constructeurs prévoient généralement une mesure de sauvegarde de l’appareil par injection de gaz chauds. Ce n’ est certainement pas une technique énergétiquement intéressante puisque la puissance absorbée reste constante.
On évitera donc le surdimensionnement des équipements.
Dans la famille des compresseurs centrifuges, on classe le compresseur turbocor. Du point de vue énergétique, il est apprécié pour son COP élevé à charge partielle, pouvant s’élever à 10 entre 20 % et 60 % de charge.
Pour atteindre ce COP, le compresseur turbocor s’est doté de différentes technologies :
- Des paliers magnétiques qui maintiennent en lévitation le rotor du compresseur évitant ainsi les frottements et la lubrification (avec son système de refroidissement).
- Une gestion électronique des paliers magnétiques.
- Un moteur synchrone à aimant permanent (moteur brushless).
- Une régulation à vitesse variable, Inverter.
Bien qu’il travaille à plus faible débit, le turbocor génère moins de bruit (envrion -10db) et présente un encombrement plus faible que les compresseurs à vis.