Froid alimentaire Archives - Energie Plus Le Site

Liaison froide [Froid alimentaire]

En liaison froide, les plats sont préparés en cuisine centrale. Après cuisson, les denrées subissent une réfrigération rapide avant d’être stockées à basse température. Suivant la durée de conservation recherchée (quelques jours ou quelques mois), on procède à une liaison froide positive ou une liaison froide négative.

Liaison froide positive

Les plats se conservent au maximum pendant 6 jours*.

Après confection, les plats sont conditionnés en rations individuelles ou en plats collectifs, dans des barquettes fermées par thermosoudage.
Une cellule de refroidissement rapide abaisse la température au cœur des aliments de +65°C à +10°C en moins de 2 heures (y compris la durée de manutention).
Les barquettes sont placées dans une armoire ou chambre de stockage à une température oscillant entre 0 et +3°C.
Le transport à destination des restaurants satellites s’effectue en véhicules réfrigérants (+3°C) ou isothermes.
Sur chaque site, les produits sont entreposés en armoire réfrigérée (+3°C).
Avant consommation, ils subissent un réchauffement rapide à au moins 65°C à cœur, en moins d’une heure.

* : plus précisément, les plats se conservent :

3 jours, en règle générale.
5 jours pour certains produits.
1 jour pour certains produits tels que les crevettes.

Pour en savoir plus, voir « HACCP pour PME – Gemploux ».

Liaison froide négative

Elle est aussi appelée liaison surgelée.
Les plats se conservent pendant plusieurs mois.

Après confection, les plats sont conditionnés en rations individuelles ou en plats collectifs, dans des barquettes fermées par thermosoudage.
Une cellule de refroidissement rapide abaisse la température au cœur des aliments de +65°C à +10°C en moins de 2 heures (y compris la durée de manutention).
Les plats passent dans un tunnel de refroidissement rapide qui porte les températures des aliments de +10°C à -18°C en moins de 3 heures après la fin de la cuisson.
Le transport à destination des restaurants satellites s’effectue en véhicules réfrigérants (-18°C).
Sur chaque site, les produits sont stockés à -18°C.
Avant consommation, ils subissent un réchauffement rapide à au moins 65°C, en moins d’une heure.

Remarque : plutôt que de passer dans une cellule de refroidissement rapide puis un tunnel de refroidissement, les aliments peuvent aussi simplement passer dans une cellule de congélation rapide.

Avantages

C’est un mode de préparation très hygiénique. Les qualités nutritives sont conservées.

La fabrication et la consommation peuvent être dissociées dans le temps et dans l’espace. Ce qui permet une production en continu et donc une meilleure répartition des tâches sur la journée et sur la semaine de travail.

Elle permet d’ajuster les quantités préparées à celles commandées et limite donc les pertes.

Elle augmente le choix des consommateurs.

Elle permet le regroupement des achats (incidence sur les prix)

Inconvénients

L’investissement en équipement est élevé (environ 30 % supérieur à celui nécessaire à une liaison chaude). On ne peut pas tout servir. On ne peut pas servir de frites par exemple.

Posted By : Didier 18 Déc, 2007

Boucles frigoporteuses

Boucle frigoporteur à eau glycolée (source : Delhaize).

Définitions

Détente directe

On parle de détente directe lorsque le fluide frigorigène assure lui-même le transfert de chaleur « utile » aux applications de froid alimentaire (meubles frigorifiques, les ateliers de boucherie, les chambres de stockage, …).

Refroidissement par détente directe.

Refroidissement indirect

Le refroidissement est indirect lorsque le transfert de chaleur « utile » n’est pas assuré par le fluide frigorigène lui-même, mais plutôt par un fluide intermédiaire appelé frigoporteur.

Refroidissement indirect par boucle secondaire monotube.

Frigoporteur

En raison de la simplicité avec laquelle les frigoporteurs assurent le transfert de chaleur « utile » entre deux points sans gros risque de toxicité et d’inflammabilité et dans un souci de réduire les fuites de fluide frigorigène (néfastes à la couche d’ozone et à l’effet de serre), ce type de configuration revient en force dans le domaine du froid alimentaire.

Les types de frigoporteur

On retrouve 2 principaux types de frigoporteur :

Les frigoporteurs monophasiques composés d’un liquide incongelable dans la gamme des températures standard du froid alimentaire (-3 à – 38 °C par exemple).

Les frigoporteurs biphasiques composés :
- d’un liquide et d’un solide;
- d’un liquide et de sa vapeur.

Frigoporteurs monophasiques

L’eau glacée constitue le plus connu des frigoporteurs monophasiques. Tout le transfert de la chaleur est effectué par la variation de la température (chaleur sensible) du frigoporteur.

Des débits importants sont nécessaires pour travailler en chaleur sensible. Ceci signifie que les boucles de distribution utilisent des sections de passage importantes et constituent donc une dépense énergétique non négligeable pour faire circuler le frigoporteur.

On retrouve sur le marché différents frigoporteurs :

les substances pures telles que l’eau, les hydrocarbures liquides, les alcools simples (méthanol, éthanol), les polyalcools (éthylène glycol, propylène glycol, …);

les mélanges tels que l’eau + sel (saumure), l’eau + ammoniac (alcali), …

Il est clair qu’en froid alimentaire, le type de frigoporteur ne doit pas altérer les denrées et ne pas constituer un risque de toxicité et d’inflammabilité pour les personnes; ce qui limite le choix.

Pour donner un ordre de grandeur, on parle pour les frigoporteurs monophasiques de transfert de chaleur de ~ 20 [kJ/kg] en chaleur sensible.

Avantages

Équipements de boucle simples.

Inconvénients

Débit important.
Dimensionnement conséquent.
Dépense énergétique non négligeable.

Frigoporteurs diphasiques (liquide + solide)

On rencontre ce type de frigoporteur sous forme de « coulis » ou « sorbet » dans les applications de froid positif. On parle ici de chaleur latente de fusion dans les transferts de chaleur; ce qui permet d’augurer des réductions de débits pour évacuer la même quantité de chaleur qu’un frigoporteur fonctionnant en chaleur sensible.

De même, un ordre de grandeur acceptable de transfert de chaleur est de ~ 250 [kJ/kg].

Avantages

Chaleur latente de fusion importante.
Débit réduit par rapport à la solution type chaleur sensible.
Dimensionnement réduit des conduites et des pompes.
Consommation énergétique plus faible qu’avec un frigoporteur à chaleur latente.

Inconvénients

Coût élevé de l’évaporateur.

Frigoporteurs diphasiques (liquide + vapeur)

On rencontre ce type de frigoporteur dans les applications de froid négatif par exemple les installations à frigoporteur au CO₂. On parle ici de chaleur latente de vaporisation dans les transferts de chaleur. Cette chaleur de vaporisation est en général fort importante.

Pour une température d’application de -40°C, sachant que l’évaporation n’est pas totale, sur une chaleur totale de vaporisation de ~ 322 [kJ/kg], on peut envisager disposer de 107 [kJ/kg] (pour un titre à la sortie de l’évaporateur de l’ordre de 33 %).

Avantages

Chaleur latente de vaporisation importante.
Bon coefficient d’échange thermique.
Faibles volumes massiques du liquide et de la vapeur.
Tuyauterie de faible diamètre.
Absence d’huile.
Prix faible.
Peu d’influence sur l’environnement.
Très faible impact sur l’effet de serre (GWP = 1). À titre de comparaison, le GWP du R404A est de 3 800 et celui du R134a est de 3 260.
Frigoporteur naturel, largement disponible.
Applications pouvant aller jusqu’à -54°C.
Aux basses températures, sa viscosité reste faible évitant des pertes de charge importantes.

Inconvénients

Danger d’asphyxie au-delà de concentration > 8 %.
Les dégivrages demandent des précautions particulières.
Peu de techniciens formés.
Nécessite une déshydratation très poussée de la boucle (sinon formation d’acide avec l’eau).
En cas d’arrêt prolongé, perte de charge de CO₂ (dégazage).
Fortes pressions de service.

Les types de boucle

Ces types de boucle utilisent les technologies monotube et bitube.

Technologie monotube

Cette technologie, comme son nom l’indique est composée d’une boucle à un seul tuyau qui alimente les évaporateurs terminaux en série. Le même tube dessert les entrée et sortie de chaque évaporateur.

Avantages

Très modulable en exploitation.
Débit pratiquement constant dans la boucle frigoporteur.
Pas de nécessité de variateur de fréquence sur les pompes de mise en circulation du frigoporteur (investissement réduit).

Inconvénients

Coût important.
Maintenance des circulateurs des applications terminales alors que dans le cas du bitube, il n’y a que des électrovannes sans beaucoup d’entretien (augmentation de l’ordre de 10 % des coûts d’entretien).
La non-variation du débit entraîne des pertes énergétiques lorsque la demande frigorifique est faible.

Technologie bitube simple

Cette technologie positionne les évaporateurs terminaux en parallèle sur la boucle frigoporteur.

Avantages

Une simple vanne suffit à alimenter un évaporateur terminal.
Le débit variable des pompes de circulation du frigoporteur permet de réduire les consommations énergétiques.

Inconvénients

Mise en œuvre plus conséquente de par la nécessité d’adapter les sections des tuyauteries tout au long de l’aller et du retour de boucle.
Pertes de charge variables nécessitant une régulation du débit des pompes de circulation (investissement dans des variateurs de fréquence).

Technologie bitube avec vannes 3 voies montées en décharge

Cette technique permet de remédier au problème de débit variable grâce au placement de « by-pass » des évaporateurs terminaux.

Avantages

Débit constant au niveau des pompes de circulation du frigoporteur.

Inconvénients

Sans débit variable au niveau des pompes, les pertes énergétiques sont plus importantes.
Les coûts d’investissement sont importants.

Posted By : 25 Sep, 2007

Détendeurs [Froid alimentaire]

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).

La régulation de la surchauffe à la sortie de l’évaporateur conditionne l’ouverture ou la fermeture du détendeur. Cette régulation « auto-adaptative » se base sur le principe que l’évaporateur a une valeur minimale de surchauffe stable qui évolue en fonction des variations de sa charge Q₀. Entre d’autres termes, la valeur minimale de surchauffe stable est celle qui permet, quelle que soit la charge, de vaporiser la dernière goutte liquide du fluide frigorigène juste à la sortie de l’évaporateur.

Surchauffe minimale (source : Danfoss).

Si la dernière goutte de fluide est vaporisée juste avant la sortie de l’évaporateur, la surchauffe mesurée en température est élevée et ne permet pas à l’évaporateur d’évacuer la chaleur Q₀ complètement et, par conséquent, le travail de l’évaporateur n’est pas optimum.

Si la dernière goutte de fluide est vaporisée après la sortie de l’évaporateur ou ne se vaporise simplement pas, la surchauffe mesurée en température est faible. La présence de liquide à l’aspiration du compresseur risque de l’endommager.

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).

Comparaison entre les détendeurs thermostatiques et électroniques

La régulation des détendeurs est surtout liée à leur technologie : jusqu’il y a peu, la technologie vraiment éprouvée était le détendeur thermostatique.

À l’heure actuelle, la plupart des installations de petite à moyenne puissance utilisent encore cette technologie. La régulation du débit d’alimentation de l’évaporateur et, par conséquent, de la surchauffe obéit à une loi proportionnelle en fonction de la charge frigorifique demandée à l’évaporateur.

Le détendeur thermostatique

Lorsqu’un détendeur thermostatique est utilisé pour réguler l’injection de fluide frigorigène, il réagit de manière linéaire en fonction de la demande de froid Q₀.

Le réglage de l’injection de fluide réfrigérant au départ doit garantir une surchauffe quelle que soit la charge afin d’éviter que du fluide se retrouve en phase liquide à la sortie de l’évaporateur. Ce réglage s’effectue au niveau d’une vis agissant sur le ressort d’équilibrage de pression.

La courbe de réglage du détendeur thermostatique étant une droite proportionnelle à la différence entre les températures mesurées par le bulbe à la sortie de l’évaporateur et la température d’évaporation (traduite par la pression régnant en sortie du détendeur), pour garantir la surchauffe, elle doit se situer à droite (en bleu) de la courbe de surchauffe minimale stable (en rouge). Dans ces conditions, la surchauffe est garantie, mais exagérée se traduisant par :

une efficacité de l’évaporateur réduite pour certaines charges;

une durée de marche accrue du compresseur pour conserver la température souhaitée à l’évaporateur; d’où une augmentation de la consommation énergétique.

À l’inverse, un réglage trop à gauche de la courbe de surchauffe minimale (en noir) provoque un fonctionnement de l’évaporateur en surchauffe insuffisante et risquerait d’être dommageable pour le compresseur à certaines charges (liquide présent à la sortie de l’évaporateur).

Le détendeur électronique

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

À l’heure actuelle, les fabricants de régulateurs y arrivent facilement par le développement d’algorithmes sophistiqués prenant en compte les différents types de fluide frigorigène indépendamment des caractéristiques initiales de l’évaporateur et de leur évolution en fonction de la charge. Comme le montre la figure ci-dessus, le régulateur calcule l’ouverture du détendeur en fonction :

de la température en sortie de l’évaporateur (capteur de température par contact sur la tuyauterie);

de la pression d’évaporation (capteur de pression sur la conduite d’aspiration du compresseur) traduite en température d’évaporation par le régulateur.

La différence entre ces deux valeurs représente la valeur réelle de la surchauffe et est comparée à la courbe de surchauffe minimale.

Posted By : 25 Sep, 2007

Dégivrage

Origine du givre et conséquences sur l’installation frigorifique

L’air ambiant autour de l’évaporateur contient de l’eau. Cette eau givre au contact des surfaces froides de l’évaporateur lorsque la température dans la batterie est inférieure à 0°.

Du côté de la chambre froide ou du meuble frigorifique

Le givre diminue le transfert thermique entre l’air et la surface extérieure de la batterie.
Le givre sur les tubes à ailettes de l’évaporateur gêne la circulation de l’air soufflé par le ventilateur. Le débit d’air diminue puisque la résistance à l’écoulement de l’air au travers de la batterie givrée s’accroît. L’apport de froid vers la chambre se fait moins bien. La température de la chambre froide monte quelque peu.

Du côté du circuit frigorifique

Les résultats de ces effets sont :

Suite à la résistance thermique qui se crée entre la batterie et l’air (c’est une « couche isolante » entre l’échangeur et la chambre froide), le réfrigérant ne s’évapore pas entièrement dans l’évaporateur.

La quantité de vapeur produite diminue, mais le compresseur continue d’aspirer puisque la température de consigne n’est pas atteinte. La pression à l’entrée du compresseur (BP) diminue. Si la pression diminue, la température d’évaporation diminue également. À court terme, cela augmente le froid donné à la chambre (l’écart de température « chambre-évaporateur » augmente), mais cela augmente l’effet de givrage.

Le détendeur va réagir : il constate que la surchauffe des gaz est trop faible, il imagine que c’est parce que la charge frigorifique dans la chambre a diminué et il diminue le débit de fluide. La quantité de vapeur produite diminue encore, la Basse Pression diminue également et le givrage s’accentue.

Au point que la conduite d’aspiration vers le compresseur peut complètement givrer. Quelques gouttes liquides de réfrigérant peuvent alors se retrouver à l’entrée du compresseur, avec le risque de créer des « coups de liquide » au compresseur.

Globalement, le compresseur de la machine frigorifique travaille avec une mauvaise efficacité énergétique : la couche de glace sur l’évaporateur peut être comparée à une couverture posée sur un radiateur (pour obtenir la même chaleur, il faudra augmenter la température de l’eau et diminuer le rendement en chaudière).

Les étapes du dégivrage

Voici la séquence de dégivrage la plus utilisée :

1. Arrêt du fluide frigorigène dans la batterie à dégivrer

On coupe l’alimentation électrique de la vanne magnétique qui se trouve sur le circuit juste avant l’évaporateur. La vanne se ferme. La Basse Pression au compresseur descend et le compresseur s’arrête dès que le niveau réglé sur le pressostat Basse Pression est atteint.

Quand il n’y a pas de vanne magnétique, le compresseur est directement arrêté électriquement (contacteur). Mais dans ce cas, une migration de réfrigérant peut se produire et encore continuer à s’évaporer, ce qui peut poser problème.

2. Arrêt de la ventilation de l’évaporateur

En arrêtant la ventilation, on évite une diffusion dans la chambre froide de la chaleur dégagée par l’évaporateur en cours de dégivrage.

Des fabricants d’évaporateurs ont même imaginé des manchons souples en fibre polyester (encore appelés « shut up »), placés à la sortie du ventilateur de l’évaporateur et d’environ 50 cm de long. Lorsque la ventilation est à l’arrêt, ce manchon retombe et se rabat sur la surface de pulsion du ventilateur. Une barrière physique autour de la chaleur produite dans l’évaporateur est créée.

3. Réchauffage de la batterie jusqu’à une température supérieure à 0°C pour faire fondre la glace

Le positionnement d’une sonde de fin de dégivrage est nécessaire dans la batterie pour permettre le contrôle de la température à 0° et permettre à la production de froid de reprendre. En pratique, la position idéale de la sonde n’est pas facile à déterminer, car le givre n’est pas toujours uniforme sur l’évaporateur.

4. Remise en circulation du fluide frigorigène

Après disparition du givre et égouttage soigné de la batterie pour éliminer l’eau de fusion, le fluide frigorigène est remis en circulation pour refroidir la batterie.

Pour s’assurer du parfait égouttage, une temporisation est prévue entre la fin du dégivrage et l’ouverture de la vanne magnétique permettant à la production frigorifique de reprendre.

5. Remise en fonctionnement de la ventilation

C’est seulement après l’ouverture de la vanne magnétique et après une deuxième temporisation (permettant à la batterie d’atteindre une température moyenne inférieure ou égale à celle de l’enceinte) que les ventilateurs de l’évaporateur sont remis en fonctionnement (technique encore appelée « snap freeze »).

À défaut, la remise en route prématurée des ventilateurs peut envoyer de la chaleur dans la chambre froide et/ou des gouttelettes d’eau encore présentes.

6. Reprise du cycle normal de refroidissement

Les différentes techniques de réchauffage de la batterie

Le réchauffage de la batterie pour assurer la fusion du givre peut se faire de diverses façons.

Par résistance chauffante
Des résistances chauffantes sont imbriquées dans les tubes en cuivre qui composent la batterie de l’évaporateur. Leur position et leur puissance sont étudiées par le fabricant de manière à répartir uniformément la chaleur produite à l’ensemble de la batterie.

Par introduction de vapeurs refoulées par le compresseur
Cette technique, encore appelée dégivrage par « vapeurs chaudes » ou par « gaz chauds », consiste à inverser le cycle et à faire fonctionner l’évaporateur, le temps du dégivrage, en condenseur.

Par aspersion d’eau sur la surface externe, givrée, de la batterie

Par circulation d’air de la chambre
De l’air provenant soit de l’intérieur de la chambre même, soit de l’extérieur, est envoyé sur l’échangeur. Dans le premier cas, le dégivrage est très lent. Dans le second, il faut isoler l’évaporateur de la chambre, ce qui n’est pas pratique.
L’inertie des produits stockés suffit à maintenir l’ambiance dans une fourchette de température acceptable.

Régulation du dégivrage

La régulation par horloge

C’est la méthode la plus simple : les opérations de début et de fin de dégivrage sont commandées par de simples horloges à contacts.

La régulation électronique intelligente

La programmation des opérations de dégivrage est plus délicate qu’il n’y paraît. La commande optimale de ces opérations exige que l’initiation du dégivrage soit commandée par la présence effective de givre déposée sur la batterie, et que la fin du dégivrage soit commandée par la vérification que tout le givre a disparu de sa surface. Encore faut-il disposer des capteurs adéquats.

Voici les principes de fonctionnement rencontrés chez deux fabricants.

Première technique

Initialement, une programmation horaire traditionnelle des dégivrages est organisée.

Le régulateur analyse la courbe de montée en température : s’il n’aperçoit pas de plancher horizontal lui indiquant une phase de fusion de la glace (pendant laquelle la température reste constante), il en déduit qu’il n’y avait pas de givre et ralentira la cadence des dégivrages ! En pratique, il enregistre le temps total de montée en température : si ce temps est très court, il sait qu’il n’y a pas eu de période de fusion. La programmation initiale reste, mais en fonction d’une statistique établie sur la mesure du temps des 10 derniers dégivrages, il décide de sauter ou non le dégivrage suivant. Le nombre de dégivrages diminue sensiblement.

La durée d’une période de dégivrage dépend :

de l’échauffement et du refroidissement de l’évaporateur (fixe),
de l’échauffement et de la fusion du givre (variable).

Seconde technique

Ce second système associe, en fait, une régulation de dégivrage proprement-dite à un choix d’une technique de dégivrage (dégivrage par résistance chauffante ou par circulation d’air de la chambre).

Au niveau de la régulation du dégivrage proprement-dite, une sonde sert à mesurer la température ambiante de la chambre (reprise d’air à l’évaporateur), l’autre est placée dans les ailettes de l’évaporateur. Cette dernière peut déduire des températures enregistrées la présence de glace, selon une technique qui ne nous a pas été détaillée.
Chez ce fabricant, le critère d’arrêt du dégivrage classique est une température d’évaporateur de 10 °C. Cela semble élevé mais c’est, semble-t-il, une sécurité par rapport à l’absence totale de glace.

Quant au choix de la technique de dégivrage, le système part d’un raisonnement fort intéressant :

En « temps normal », il ne faut pas faire fondre cette glace par une source de chaleur extérieure, mais bien par l’air de la chambre. Toute l’énergie latente contenue dans la glace sera restituée à l’ambiance. Le compresseur s’arrête et le ventilateur continue à pulser l’air ambiant sur la batterie.

Si la chambre est positive (stockage de fruit et légumes, de viandes, .), l’air à + 4 ou + 5 °C fera fondre la glace et restituera le froid vers l’ambiance. À noter que l’humidité est également restituée, entraînant une teneur en eau plus forte dans la chambre, ce qui est favorable à la conservation des victuailles.

S’il s’agit d’un congélateur à – 20 °C, la glace présente sur l’échangeur est une glace à – 25.- 27 °C, glace fort poudreuse qui ne « colle » pas fortement à l’évaporateur. Il semble que l’air de la chambre à – 20 °C va alors provoquer la sublimation de la glace (passage de l’état solide à l’état vapeur).

Par contre, si une entrée importante de marchandises est organisée, un dégivrage classique par résistance chauffante aura probablement lieu : il n’est pas possible d’attendre la fusion de la glace par l’air ambiant, le compresseur fonctionnant à pleine charge.

Quel que soit le système de régulation intelligente, la souplesse de ces appareils par rapport aux thermostats mécaniques permet d’affiner les réglages et de proposer des fonctions complémentaires :

alarmes,
possibilité de faire fonctionner le congélateur avec une consigne abaissée de 5°C la nuit (pour bénéficier du courant de nuit),
possibilité de délester durant la pointe 1/4 horaire,
…

Posted By : 25 Sep, 2007

Compresseurs frigorifiques [Froid alimentaire]

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 la 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.

Compresseur ouvert (source : Bitzer).

Compresseurs à pistons, construction semi-hermétique
( ou « hermétique accessible »)

La technologie des compresseurs à pistons est différente selon que l’application est en froid positif ou négatif. Il faut rappeler que si le taux de compression HP/BP est supérieur à 8 (rapport pression de sortie/ pression d’aspiration) le rendement volumétrique du compresseur diminue et par conséquent la performance énergétique se dégrade (COP_froid).

Froid positif

En froid positif, les taux de compression restent la plupart du temps inférieurs à 8, signifiant que les compresseurs peuvent être de la technologie mono-étage.

Compresseur mono-étage (source : Bitzer).

Froid négatif

En froid négatif, les taux de compression sont supérieurs à 8, imposant que les compresseurs soient de la technologie bi-étage.

Compresseur bi-étages.

Technologie

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 la vitesse de rotation 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.

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 à vis

Compresseur à vis (source Bitzer).

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).

Caractéristiques

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.

Posted By : 25 Sep, 2007

Fluides frigorigènes [Froid alimentaire]

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 Warning Potential;
TEWI : Total Equivalent Warning 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 Warning 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 Warning 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 :

Il est ininflammable.

Lors des changements de phase, la température « glisse » d’environ 5 K car les températures d’évaporation et de condensation des fluides frigorigènes qui le constituent sont différentes. Ceci rend les réglages plus difficiles et impose des échangeurs à contre-courant pour tirer le meilleur parti de ce fluide.

En cas de micro-fuite, le composé ayant les molécules les plus volatiles s’échappe préférentiellement. Il en résulte un fluide frigorigène déséquilibré. Il est dès lors nécessaire de vider entièrement l’installation avant de la recharger, le gaz retiré étant recyclé.

Les pressions sont moindres avec ce fluide frigorigène.

Il est moins performant que le R410A …

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
Nomenclature	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.

Posted By : 25 Sep, 2007

Condenseurs [Froid alimentaire]

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.

Schéma fonctionnement d'un condenseur à air.

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 :

Entrée d’air.
Sortie d’air.
Entrée fluide frigorigène (gaz).
Sortie fluide frigorigène (liquide).
Surface d’échange adiabatique.
Bassin de récupération d’eau.
Rampe d’aspersion.
Batterie à surface lisse (évaporatif).
Pompe d’alimentation en eau.
Séparateur de gouttes.
Bâti.
Batterie à ailettes (sec).
Ventelles d’entrée d’air.
Vanne trois voies modulante.
Capteur de pression.

Posted By : 25 Sep, 2007

Machine frigorifique à compression [Froid alimentaire]

L’installation frigorifique, vue de l’extérieur

Côté utilisation

Dans les installations de réfrigération, la machine frigorifique permet d’évacuer vers l’extérieur la chaleur excédentaire des applications telles que les chambres et les meubles frigorifiques, les ateliers de boucherie, … qui subissent en permanence des agressions thermiques dues :

aux apports internes au magasin tels que les éclairages, l’occupation, la proximité de four à pain, …

via l’enveloppe du magasin, aux apports externes en température, humidité, ensoleillement, …

En pratique, la machine frigorifique agit de telle sorte que le bilan chaud-froid soit à l’équilibre et que la température de consigne soit maintenue au sein des applications sans interrompre, à un seul moment, la chaîne du froid.

La technique la plus simple consiste à extraire la chaleur des ambiances à réfrigérer au moyen d’un fluide frigorigène. En général, l’échange thermique entre les denrées et le fluide frigorigène s’effectue au travers d’un évaporateur par :

Par conduction au travers d’une plaque métallique (présentoir à poisson par exemple).
Par convection naturelle de l’air entourant les denrées (vitrines à produits laitiers, …).
Par convection forcée de l’air mis en mouvement par des ventilateurs (meubles frigorifiques ouverts ou fermés).

Convection naturelle.
Conduction au travers d’une plaque inox (étal à poissons).
Convection forcée.

Côté production et distribution

Pour le groupe frigorifique, on distingue deux modes principaux d’action :

Soit le fluide frigorigène refroidit l’air en passant directement dans la batterie de refroidissement : on parle de « système à détente directe » parce que l’évaporateur de la machine frigorifique est placé directement dans l’enceinte à refroidir. Ce type de configuration est le plus courant que ce soit dans les commerces de détail, les moyennes et les grandes surfaces.

Installation en détente directe pour les supermarchés par exemple.

Installation en détente directe pour les commerces de détail.

Soit, l’installation frigorifique prépare de l’eau froide glycolée à …- 10 °C par exemple… ou du CO₂(généralement appelée « boucle frigoporteur« ), fluide frigoporteur qui alimentera la batterie de refroidissement de l’enceinte à refroidir.

Installation par boucle frigoporteur (eau glycolée par exemple pour les installations importantes.

La distribution du froid revêt toute son importance pour les grandes installations (supermarché, hypermarchés) nécessitant une charge frigorifique importante.
Une distribution de taille importante en détente directe :

représente un risque au niveau des fuites de quantité non négligeable de fluide frigorigène;
ne demande pas d’investissements importants;
…

Une distribution de taille importante avec boucle de fluide frigoporteur :

Pour tous les types de fluide frigoporteur secondaire, réduit avantageusement la quantité de fluide frigorigène ayant une influence sur la couche d’ozone et l’effet de serre, vu qu’il est confiné dans un circuit primaire à faible charge.
Pour l’eau glycolée, est très coûteuse à l’investissement puisqu’il nécessite un réseau de conduites de diamètre et des débits d’eau importants vu que le transfert de chaleur de l’eau glycolée est faible (de l’ordre de 20 KJ/kg).
Pour le CO₂, est très coûteuse à l’investissement vu qu’il nécessite pour des applications à -10°C, par exemple, des équipements résistant à des pressions de l’ordre de 26 bar dans des espaces publics (dans l’enceinte même du magasin).
…

Côté évacuation de la chaleur

Bien sûr, « produire du froid » sous-entend évacuer de la chaleur. Aussi, à l’extérieur du bâtiment, souvent en toiture, on trouvera un équipement chargé de refroidir :

soit le fluide frigorigène directement : c’est le condenseur de l’installation frigorifique.
soit de l’eau, qui elle-même sert à refroidir le fluide frigorigène : c’est la tour de refroidissement (plus souvent utilisé en climatisation).

On distingue trois types de condenseur :

Le condenseur à air classique

Un ventilateur force le passage de l’air extérieur entre les ailettes du condenseur assurant un échange de chaleur du fluide frigorigène circulant dans les tuyaux vers l’air. La chaleur de condensation des fluides frigorigènes étant importante, les débits d’air peuvent être conséquent et les consommations des ventilateurs non négligeables.

Le condenseur évaporatif

Ce type de condenseur, est basé sur le principe des tours de refroidissement fermées, à la différence près que le fluide frigorigène est directement refroidi sans passer par l’intermédiaire d’un circuit d’eau secondaire. Dans le condenseur évaporatif, une seule partie de l’eau pulvérisée est évaporée. Il combine donc l’échange thermique par chaleur sensible et chaleur latente.

Le condenseur adiabatique

Il se différencie du condenseur évaporatif par sa fonction de pré-refroidissement adiabatique de l’air entrant (on s’arrange pour que toute l’eau imbibée dans les « matelas » s’évapore en refroidissant l’air. Cet air, à son tour, vient refroidir le fluide frigorigène par chaleur sensible.

Pour davantage d’informations :

Techniques

Pour connaître la technologie des condenseurs.

L’installation frigorifique, vue de l’intérieur

Le transfert de chaleur, entre intérieur et extérieur, ne peut se faire que si un équipement rehausse le niveau de température entre le milieu où la chaleur est prise (air ou eau) et le milieu où la chaleur est évacuée (air extérieur), c’est le rôle de la machine frigorifique.

Elle se compose au minimum des 4 éléments suivants :

1 évaporateur
1 condenseur
1 compresseur
1 détenteur

Voici le fonctionnement de chacun de ces composants.

Tout est basé sur les propriétés physiques du fluide frigorigène

La machine frigorifique est basée sur la propriété des fluides frigorigènes de s’évaporer et de se condenser à des températures différentes en fonction de la pression.

Pour expliquer le fonctionnement, nous prendrons les caractéristiques du R 22 parce c’est le fluide encore le plus couramment utilisé en froid alimentaire. Mais ce n’est plus celui que l’on choisira dans les installations nouvelles.

A la pression atmosphérique

Le R22 est liquide à – 45 °C et se met à « bouillir » aux alentours de – 40 °C.

Si du fluide R 22 à – 45 °C circule dans un serpentin et que l’air à 20 °C passe autour de ce tuyau, l’air se refroidira : il cédera sa chaleur au fluide qui lui s’évaporera. C’est le rôle de l’évaporateur de la machine frigorifique.

A la pression de 13 bars

Cette fois, le R 22 ne va « bouillir » qu’à 33 °C. Autrement dit, si de la vapeur de fluide à 13 bars et à 65 °C circule dans un serpentin et que de l’air à 20° C passe autour de ce tuyau, le fluide se refroidira et à partir de 33 °C, il se liquéfiera, il se condensera. En se condensant, il va libérer énormément de chaleur. C’est le rôle du condenseur de la machine frigorifique.

Si l’on souhaite donc que le fluide puisse « prendre » de la chaleur : il doit être à basse pression et à basse température sous forme liquide, pour lui permettre de s’évaporer.
Si l’on souhaite qu’il puisse céder sa chaleur : il doit être à haute température et à haute pression, sous forme vapeur, pour lui permettre de se condenser.

Pour réaliser un cycle dans lequel de la chaleur est extraite d’un côté et donnée de l’autre, il faut compléter l’installation par 2 éléments :

Le compresseur, qui comprime le gaz en provoquant l’augmentation de température jusqu’à + 65 °C.
Le détendeur, qui, au départ d’un fluide à l’état liquide, « lâche » la pression : le fluide se vaporise partiellement et donc se refroidit. Le liquide retombe à la température de – 40 °C (bien sûr, on choisira – 40 °C pour faire de la congélation, et entre 0°C et + 5 °C pour de la climatisation).

Si ces différents équipements sont bouclés sur un circuit, on obtient une machine frigorifique.

En pratique, suivons le parcours du fluide frigorigène dans les différents équipements et repérons le tracé de l’évolution du fluide frigorigène dans le diagramme des thermodynamiciens, le diagramme H-P, enthalpie (ou niveau d’énergie) en abscisse et pression en ordonnée.

Dans l’évaporateur

Le fluide frigorigène liquide entre en ébullition et s’évapore en absorbant la chaleur du fluide extérieur. Dans un deuxième temps, le gaz formé est encore légèrement réchauffé par le fluide extérieur, c’est ce qu’on appelle la phase de surchauffe (entre 7 et 1).

Fonctionnement de l’évaporateur.

Dans le compresseur

Le compresseur va tout d’abord aspirer le gaz frigorigène à basse pression et à basse température (1). L’énergie mécanique apportée par le compresseur va permettre d’élever la pression et la température du gaz frigorigène. Une augmentation d’enthalpie en résultera.

Fonctionnement du compresseur.

Dans le condenseur

Le gaz chaud provenant du compresseur va céder sa chaleur au fluide extérieur. Les vapeurs de fluide frigorigène se refroidissent (« désurchauffe »), avant l’apparition de la première goutte de liquide (point 3). Puis la condensation s’effectue jusqu’à la disparition de la dernière bulle de vapeur (point 4). Le fluide liquide peut alors se refroidir de quelques degrés (sous-refroidissement) avant de quitter le condenseur.

Fonctionnement du condenseur.

Dans le détendeur

Fonctionnement du détendeur.

Fonctionnement complet

Le cycle est fermé, le fluide frigorigène évolue sous l’action du compresseur dans les quatre éléments constituant la machine frigorifique.

Cycle frigorifique élémentaire.

L’ensemble du cycle peut être représenté dans le diagramme enthalpie-pression. Sous la courbe en cloche se situent les états de mélange liquide-vapeur; à gauche de la cloche, le fluide est à l’état liquide (il se « sous-refroidit »), à droite, le fluide est à l’état vapeur (il « surchauffe »).

Diagramme enthalpique du cycle frigorifique.

Un fonctionnement de la machine frigorifique en équilibre permanent

Le cycle réel de fonctionnement d’une machine frigorifique se stabilise à partir des températures du milieu qu’il faut refroidir, de l’air extérieur où la chaleur est rejetée, et des caractéristiques dimensionnelles de l’appareil.

Ainsi, la température d’évaporation se stabilisera quelques degrés en dessous de la température du fluide refroidi par l’évaporateur. De même, la température de condensation se stabilisera quelques degrés au-dessus de la température du fluide de refroidissement du condenseur.

Or, les besoins de froid évoluent en permanence et la température extérieure varie toute l’année !

Tout cela va bien sûr entraîner une modification du taux de compression et une variation de la puissance absorbée. En fonction du régime d’évaporation et de condensation, le compresseur aspirera un débit masse plus ou moins grand de fluide frigorigène définissant ainsi la puissance frigorifique à l’évaporateur et calorifique au condenseur.

Exemple

Afin d’imaginer ces évolutions, partons d’un cas concret.

Évaporateur

Evolution des fluides dans l’évaporateur.

Le meuble frigorifique fonctionne au régime 0 – 5 °C. L’échange de chaleur s’effectue en deux phases :

ébullition du fluide;
surchauffe des vapeurs.

La température d’évaporation qui s’établit est de – 5 °C. Dans le cas du R134a, ceci correspond à une basse pression de 1,4 bar (lecture du manomètre), soit 2,4 bar absolu (comparé au vide).

Condenseur

Evolution des fluides dans le condenseur.

Le condenseur est directement refroidi par l’air extérieur. Supposons que celui-ci entre à 30 °C dans le condenseur. L’échange de chaleur s’effectue en trois phases :

désurchauffe des gaz chauds provenant du compresseur,
condensation du fluide,
sous-refroidissement du liquide.

La température de condensation qui s’établit est de 40 °C. Dans le cas du R 134a, ceci correspond à une haute pression de 9,1 bar, soit 10,1 bar absolu.

Analysons le comportement du compresseur sur base des caractéristiques nominales données par le fournisseur.

Extrait d’un catalogue de compresseurs.

On constate que pour une température d’évaporation de – 5 °C et pour une température de condensation de 40 °C,

la puissance électrique absorbée par le compresseur sera de 6 kW,
la puissance frigorifique donnée à l’évaporateur sera de 17 kW.

Remarque : en réalité, une adaptation de quelques pour cent devrait avoir lieu, car le constructeur fournit des indications pour un fonctionnement normalisé de son appareil (surchauffe de 0K, sous-refroidissement de 25 K selon DIN 8928 et bientôt la CEN) mais ceci dépasse la portée de ces propos.

Supposons à présent que le condenseur soit mal entretenu. L’échange de chaleur se fait moins bien, la température au condenseur augmente, le compresseur va travailler davantage et va augmenter la pression de sortie des gaz. Une nouvelle température de condensation va s’établir : supposons qu’elle atteigne une température de 50°C. Comme la température du liquide s’élève à l’entrée du détendeur, la température d’évaporation s’élève également de 1 ou 2°. Le diagramme constructeur prévoit une augmentation de la puissance électrique absorbée : 6,5 kW, pour une puissance frigorifique diminuée : 14,2 kW…

Le « rendement » de la machine s’est dégradé :

AVANT : (17 kW produits) / (6 kW absorbés) = 2,8.
APRES : (14,2 kW produits) / (6,5 kW absorbés) = 2,1.

On dira que « l’efficacité énergétique » de la machine frigorifique a diminué de 25 %. À noter que l’on serait arrivé au même résultat si la température extérieure s’était élevée de 10°.

L’efficacité énergétique ou COP-froid

Un climatiseur est énergétiquement efficace s’il demande peu d’énergie électrique au compresseur pour atteindre une puissance frigorifique donnée.

En comparant les offres, on établit le rapport entre puissance frigorifique fournie et puissance électrique absorbée par le compresseur.
Remarques.

Il ne faut pas confondre COPfroid et COPchaud ! Le COPchaud est le rapport entre l’énergie thermique délivrée au condenseur et l’énergie électrique demandée par le compresseur (c’est un terme qui vient de l’évaluation du rendement d’une pompe à chaleur). Alors que le COPfroid part de la chaleur captée à l’évaporateur. La confusion étant fréquente, il n’est pas inutile lorsque l’on compare le rendement des machines dans les documentations de constructeurs, de vérifier ce qui se trouve derrière l’appellation COP.
Il est intéressant de s’inquiéter également de l’efficacité globale de la machine frigorifique installée, c’est à dire du rapport entre le froid produit et l’ensemble de toutes les consommations électriques engendrées, y compris les ventilateurs aux échangeurs, les pompes… Une machine frigorifique, avec une efficacité excellente, placée sur le toit d’un immeuble de plusieurs étages, peut voir son efficacité fortement chuter si la machine est placée en cave et que le condenseur est refroidi via un gainage d’air traversant les étages ! La consommation du ventilateur sera importante dans le bilan final.
Il est très important de se rendre compte que l’énergie mécanique des ventilateurs et des pompes se dégradera en chaleur. Cette chaleur vient en diminution de la puissance frigorifique pour les éléments du côté froid. Ce n’est donc pas seulement le COP ou l’EE qui se dégradent par la consommation électrique supplémentaire, c’est aussi la puissance frigorifique qui diminue.

Posted By : 25 Sep, 2007

Armoires et chambres froides

Fonction

Les armoires et chambres froides assurent la conservation des matières premières nécessaires à la préparation des repas traiteur par exemple et celles des produits finis ou semi-finis qui doivent être stockés.

Il existe aussi bien des armoires et chambres à température positive (enceinte réfrigérée ou réfrigérateur) qu’à température négative (enceinte de congélation ou congélateur).

Types

On distingue les armoires frigorifiques des chambres frigorifiques.

Dans une chambre froide, les personnes peuvent circuler. Une chambre froide est donc plus volumineuse qu’une armoire froide.

Photo chambre froide.

Il existe trois types de chambres froides :

la chambre froide compacte,
la chambre froide modulable, démontable,
la chambre froide bâtie.

La chambre froide compacte

Photo chambre froide compacte.

Comme son nom l’indique, il s’agit d’un équipement offrant dans un volume compact, sans saillie extérieure, un maximum d’espace utile.

Une chambre froide compacte est une chambre à groupe frigorifique incorporé. Le groupe frigorifique est dit « monobloc ». L’évaporateur est fixé sur la face intérieure de la chambre, le compresseur et le condenseur sur l’autre face.

Une chambre froide compacte est, en général, plus petite qu’une chambre froide modulable, démontable. Elle est indémontable.

Elle est plutôt utilisée pour le stockage des matières premières livrées en emballage fournisseur ou pour les produits préparés ou semi-préparés à conserver.

Équipée de rayonnage, elle peut, en cas d’exiguïté de locaux par exemple, être utilisée de manière mixte : pour le stockage et comme chambre de jour.

La chambre froide modulable, démontable

Photo chambre froide modulable.

Compte tenu de la rapidité avec laquelle évoluent les formules de plats tout préparés, les goûts de la clientèle, les approvisionnements, une solution trop figée ou définitive n’est pas souhaitable. Pour cela les fabricants de matériel ont mis au point les chambres froides modulables entièrement démontables.

Elles sont composées de panneaux préfabriqués divers : côtés, plafonds, sols, portes, coffres… Les équipements de production de froid sont adaptés à ces modules.

Une chambre froide modulable, démontable est, en général, plus grande qu’une chambre compacte.

Le groupe frigorifique n’est pas monobloc. Des consoles sont prévues sur certains panneaux pour supporter la batterie froide (ou évaporateur) de l’installation. Quant au compresseur, au condenseur et au détendeur, ils ne sont pas incorporés à la chambre. Ils sont, en général, placés dans un local technique.

Une chambre froide est rapidement mise en place et en service (une chambre froide bâtie de 20 m³ demande environ 2 semaines de travail de construction alors qu’une journée suffit s’il s’agit d’une chambre modulable).

La chambre froide bâtie

On la trouve fréquemment dans les anciens établissements tels que les boucheries établies depuis longtemps. Le volume utile est sensiblement celui des chambres modulables. Il est souvent fonction de la configuration des locaux qui n’est pas toujours très fonctionnelle.

Description

Composants techniques

Les armoires et chambres comportent:

une enceinte en matériau isolant,
une machine frigorifique à condenseur à air ou à eau,
des rayonnages fixes, clayettes ou chariots mobiles, selon le cas.

Les parois

Les panneaux préfabriqués comprennent une âme en matériau isolant (mousse de polyuréthane en général) placé en sandwich entre deux feuilles métalliques en aluminium, en acier inoxydable, en tôle d’acier laquée ou entre deux panneaux stratifiés ou en une combinaison des deux.

Conformément à la convention de Montréal, l’emploi d’isolant exempt de CFC et de HCFC se généralise.

Spécificités de la chambre froide modulable, démontable.

Les panneaux sont modulables par 30 ou 40 cm selon les marques, tant en largeur qu’en hauteur. Ils sont spécialisés selon la fonction qu’ils assurent dans la structure de la chambre : parois, angles, sol, plafond (portée sans appui intermédiaire jusqu’à 3 mètres environ), portes et huisseries.

Chaque panneau possède sur son périmètre un système de joints d’étanchéité.

Le groupe frigorifique

Le maintien de la température de stockage est assuré par une machine frigorifique à compression : groupe à air ou à eau.

L’armoire et la chambre froide compacte

L’ensemble du groupe frigorifique est incorporé à la chambre.
Le groupe frigorifique est dit « monobloc ». L’évaporateur est fixé sur la face intérieure de la chambre, le compresseur et le condenseur sur l’autre face.

La chambre froide modulable, démontable

L’évaporateur du groupe frigorifique est en général suspendu au plafond et muni d’un ventilateur pour une meilleure diffusion de l’air froid.

Les équipements intérieurs

La chambre froide compacte

La chambre froide compacte peut être équipée de rayonnages.

La chambre froide modulable, démontable

La conception des panneaux n’autorise pas le support direct des équipements : ceux-ci doivent obligatoirement trouver appui sur le sol par l’intermédiaire de montants ou de portiques. Tous les types courants d’aménagement sont disponibles : rayonnages, clayettes, chariots mobiles, coffre à poisson ou à fromage, barres à dents pour morceaux de viande, etc..

Gamme

L’armoire froide

Les volumes sont annoncés en litres et non en m³ ce qui implique de petits volumes (1 500 l maximum). Les volumes annoncés sont utilisables à plus de 90 % car il n’y a pas de circulation à réserver.

La chambre froide compacte

Les volumes proposés vont de 2,2 m³ à 7,2 m³ (moins de 10 m³). Un espace de service et de circulation doit être prévu ce qui ramène le volume utile à 50 % environ pour les petits modèles et à 60 % environ pour le plus gros modèle (+ 5 m³).

La chambre froide modulable, démontable et la chambre froide bâtie

Les volumes annoncés vont jusqu’à 60 m³ en un ou plusieurs compartiments. L’espace utile correspond à environ 80 % de ces volumes car l’on doit prévoir

une circulation de l’air pour faciliter l’échange calorie/frigorie avec les denrées entreposées,
une circulation de service pour le personnel.

Installation

Il y a lieu de prévoir :

Pour les chambres froides, dans le cas où la machine frigorifique est refroidie par l’air, une aération du local où se trouve le condenseur et compresseur (c’est-à-dire dans le local où se trouve la chambre frigorifique ou dans le local technique).

Si le condenseur est refroidi par ce fluide, une arrivée et une évacuation d’eau.

Une évacuation des eaux de dégivrage.

Précautions d’utilisation

Enceintes à température positive

Il est recommandé d’affecter une enceinte à chaque famille de matière première (c’est-à-dire « à risque différent ») : produits laitiers, viandes, volailles et charcuterie non stables, produits stables et semi-conserves.

Le niveau de séparation dépendra fortement de la grandeur de l’exploitation.

Plus petite elle est, moins les produits à risque différents pourront être stockés
dans des enceintes différentes. La séparation devra alors se faire différemment par le zonage ou l’emballage.

Les plats cuisinés à l’avance, après réfrigération, doivent être conservés dans une chambre spécifique. Les plats sont placés sur des chariots, paniers ou clayettes.

Enceintes à température négative

Les produits congelés et surgelés peuvent séjourner dans une même enceinte où la température est égale ou inférieure à -18 °C. Les produits de même nature seront regroupés par zone. Pour les enceintes de congélation supérieure à 10 m³, la loi impose un système d’enregistrement automatique de la température. Les enregistrements doivent être datés et conservés pendant 1 an (A.M. belge du 28 01 1993).

Posted By : 25 Sep, 2007

Régulation de puissance des groupes frigorifiques [Froid alimentaire]

Source : Carrefour Mons (variateur de vitesse des compresseurs).

Vue d’ensemble

Généralités

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

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

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

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

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

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

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

Régulation complète du cycle frigorifique.

Régulation de la charge frigorifique à l’évaporateur

Côté application

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

Les ouvertures et fermetures incessantes des portes des chambres frigorifiques ou des meubles frigorifiques fermés.
Les chargements et déchargements des denrées plus ou moins saturées en humidité.
La variation du climat par rapport aux meubles frigorifiques ouverts.
Pour un ensemble d’applications frigorifiques branchées sur une même boucle de fluide caloporteur (eau glycolée, CO₂, …), toutes les applications n’ont pas la même demande au même moment; ce qui signifie que l’évaporateur général desservant la boucle sera en régime variable permanent.
…

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

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

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

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

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

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

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

Vitrine en convection naturelle.

Pour la plupart des applications, l’échange est en convection forcée par une ventilation mécanique. Le premier organe que l’on rencontre au niveau de la régulation de l’échange thermique (ou plus exactement enthalpique) est le ventilateur. Dans la majorité des cas, le ventilateur fonctionne :
- en tout ou rien sur base d’une température de consigne dans l’espace à réfrigérer
- en continu.

Meuble ouvert en convection forcée.

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

Côté fluide frigorigène : l’évaporateur

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

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

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

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

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

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

Côté fluide frigorigène : le compresseur

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

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

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

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

Régulation de la charge de réjection au condenseur

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

Côté fluide frigorigène : le compresseur

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

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

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

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

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

Côté fluide frigorigène : le détendeur

Relation puissance frigorifique-pression au détendeur.

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

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

Côté fluide de refroidissement : le condenseur

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

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

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

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

La régulation du détendeur

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

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

Valeur minimale de surchauffe stable

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

Valeur minimale de surchauffe stable.

La régulation du détendeur thermostatique

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

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

Régulation de la surchauffe avec un détendeur thermostatique.

La régulation des détendeurs électroniques

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

Régulation de la surchauffe avec un détendeur thermostatique.

La consigne flottante de basse pression

Il ne faut pas oublier, qu’en général, plus de la moitié du temps sur la semaine, les apports aux meubles, vitrines, …, et chambres frigorifiques sont limités vu que l’activité commerciale est réduite voire nulle. Il en résulte que la température de consigne de l’évaporateur pourrait être remontée sans pour autant dégrader les denrées alimentaires.

Les températures de consigne que l’on rencontre couramment dans les applications de froid positif sont de – 10 – 12 °C en journée en pleine activité (ouverture et fermeture des portes des vitrines fermées par exemple).

Le fait de remonter la consigne de température d’évaporation à – 5 °C en soirée, par exemple, suffit à maintenir les températures de conservation des denrées à cœur. Le gros avantage est que :

Les consommations énergétiques du compresseur diminuent (+- 2 à 3 % par K).
Le nombre de dégivrages est réduit.
Les denrées sont moins soumises aux variations de température entre les régimes jour et nuit (moins de déshydratation).
…

La régulation du compresseur

Le compresseur est une pompe volumétrique, il doit adapter son débit aux demandes du détendeur.

La régulation du compresseur est très importante sachant qu’une grande partie de l’énergie consommée par le groupe frigorifique est due à l’énergie électrique consommée par le moteur du compresseur. Cette régulation se base sur la pression d’aspiration qui traduit les demandes de l’évaporateur en froid.

En effet :

En cas de demande de froid de l’évaporateur, la surchauffe augmentant, le détendeur va réagir en s’ouvrant et en augmentant le débit de remplissage de l’évaporateur. Vu que le compresseur n’a pas changé son débit d’alimentation, la surchauffe ne peut pas être régulée et continue à augmenter du fait que le détendeur n’est plus alimenté par le compresseur. Au niveau de la conduite d’aspiration des compresseurs, la pression d’aspiration augmente autorisant le compresseur à augmenter son débit jusqu’à une certaine valeur (rétablissement de la valeur de surchauffe correcte en fonction de la charge frigorifique de l’évaporateur).
À l’inverse, en cas de réduction de la demande de froid de l’évaporateur, la diminution de la pression d’aspiration réduit le débit du compresseur.

Plusieurs techniques, bonnes ou mauvaises, récentes ou pas permettent de réguler le débit ou le temps de fonctionnement du compresseur, à savoir la régulation :

tout ou rien par marche / arrêt du compresseur
tout ou rien par marche / arrêt du compresseur et par vidange de l’évaporateur (pump down);
par étage de compression;
par variation de vitesse du compresseur;
par la mise hors service de cylindres;
par l’obturation de l’orifice d’aspiration;
par « tiroir » pour les compresseurs à vis;
…

La régulation « tout ou rien » par marche / arrêt du compresseur

Ce type de régulation est ancien et basique. Elle régule encore beaucoup d’installation notamment les petites puissances. Elle ne se base pas sur la mesure de la pression d’aspiration qui traduit la demande de l’évaporateur en fluide frigorigène, mais sur la consigne de température de l’ambiance de la zone à réfrigérer.

Appliquons le principe d’une régulation par « tout ou rien » à une machine frigorifique.

Le thermostat d’ambiance agit directement sur l’alimentation du compresseur. En général, il agit en parallèle sur l’électrovanne placée sur la ligne liquide.
Les pressostats de sécurité (pressostats HP et BP) peuvent également agir sur le compresseur et sur l’électrovanne de la ligne liquide, mais en cas de fonctionnement anormal cette fois.

C’est de cette manière, simple et fiable, que sont régulées certaines armoires à groupe frigorifique incorporé, …

Pour les machines plus puissantes, il y aurait un risque trop élevé d’échauffement des bobinages du moteur.

La régulation « tout ou rien » par vidange de l’évaporateur (ou « pumpdown »)

Le principe consiste à arrêter le fonctionnement du compresseur par le pressostat BP, suivant la cascade d’événements suivants :

Supposons que le niveau de froid soit atteint dans l’ambiance : le thermostat coupe l’alimentation de l’électrovanne sur la ligne liquide.
Le fluide frigorifique ne peut plus alimenter l’évaporateur.
Le peu de fluide qui s’y trouve encore s’évapore.
Comme le compresseur continue d’aspirer les vapeurs, la pression chute.
Le pressostat BP détecte l’insuffisance de pression et arrête le compresseur.

La remise en marche suit la même logique :

La sonde d’ambiance informe le thermostat d’une remontée en température.
Le thermostat alimente l’électrovanne qui s’ouvre.
Le fluide frigorigène envahit l’évaporateur.
La pression remonte.
Le compresseur se remet en marche sous l’impulsion du pressostat BP et le cycle continue.

Remarques.

On constate cette fois que deux pressostats BP seront nécessaires : un pressostat BP d’arrêt ou de mise en marche du compresseur et un pressostat de sécurité qui intervient en cas de fonctionnement anormal.
Suivant les schémas électriques :
- soit le pressostat n’autorise le redémarrage que s’il y a demande de froid (mise en série des interrupteurs),
- soit le pressostat enclenche le compresseur même s’il n’y a pas de demande de froid, ce qui est à éviter, car cela entraîne des démarrages trop fréquents.

L’avantage de ce type de régulation est qu’il va vider l’évaporateur et le circuit basse pression de la majorité du fluide frigorifique. Or celui-ci risquait de se condenser à l’arrêt du groupe, de former des gouttes de liquide, gouttes dangereuses au redémarrage (coups de liquide au compresseur).

De plus, cette technique abaisse la pression du carter du compresseur. Le fluide frigorifique dissous dans l’huile, s’évapore en bonne partie grâce à cette basse pression. Et lors du redémarrage, l’émulsion de l’huile sera plus faible. Ceci ne permet pas de couper le chauffage de l’huile du carter pour autant.

Ce type de régulation est couramment utilisé, particulièrement lorsqu’il est nécessaire de vider l’évaporateur du fluide frigorifique avant l’arrêt.

On le rencontre dans les groupes frigorifiques dont l’évaporateur travaille à « détente directe » (batterie de caissons de traitement d’air), dans les groupes de production d’eau glacée, …

La régulation par « étages »

Comme pour les cascades de chaudières, le principe consiste à découper la tâche par palier !

La régulation de la puissance frigorifique s’effectue par la mise en parallèle successive des compresseurs (cascade) sur base de la pression d’aspiration à l’entrée des compresseurs.

Cascade de compresseurs.

Comme le montre la figure ci-dessus, les niveaux de pression d’aspiration pour la mise en service des différents étages de compression constituant la centrale sont différents de ceux pour la mise hors service de manière à réduire la sollicitation des compresseurs.

La régulation de la vitesse de rotation ou système « INVERTER »

La puissance frigorifique peut aussi être régulée par la variation de vitesse du compresseur. Ce type de système représente l’avenir de la régulation de puissance frigorifique des compresseurs tant au niveau des petites que des grandes puissances.

Régulation par variation de fréquence.

Le contrôle traditionnel par mode MARCHE/ARRET entraîne des fluctuations de la température à l’évaporateur nuisibles aux denrées et des mauvaises conditions de rendement du compresseur.

Les compresseurs dont on fait varier la vitesse vont comprimer un volume de fluide variable et ainsi adapter leur puissance frigorifique à la charge thermique des espaces réfrigérés. Quand un écart est mesuré entre le point de consigne et la température du meuble frigorifique, par exemple, le système de régulation agit sur la vitesse de rotation du compresseur qui voit son débit se modifier et, par conséquent adapter la puissance frigorique de la machine. Ce mode de régulation est appelé « INVERTER ». Il permet une variation de vitesse du compresseur sans pertes importantes de rendement.

Notons que le démarrage du compresseur se fait toujours à basse vitesse, contrairement au fonctionnement MARCHE/ARRET. La pointe de courant nécessaire au démarrage est ainsi fortement réduite.

La technologie INVERTER est actuellement au point. Cependant, dans certains anciens modèles, elle présente encore quelques inconvénients tels les parasites qu’elle induit dans le réseau électrique. Mais actuellement, les variateurs de fréquences sont équipés de filtres permettant d’éliminer les harmoniques nuisibles au réseau d’alimentation électrique.

Dans ce but, la technique traditionnelle du compresseur alternatif (piston et vilebrequin), d’une fiabilité légendaire, est progressivement remplacée par :

Le compresseur rotatif

rendement similaire,
niveau sonore moindre,
fonctionnement à vitesse variable.

Le compresseur scroll

rendement plus élevé,
niveau sonore encore plus faible,
fonctionnement à vitesse variable.

La mise hors service de cylindres

Le réglage de la puissance frigorifique peut se faire par la mise hors service d’un ou de plusieurs cylindres de compresseurs à pistons. Pour supprimer l’action d’un piston, il suffit de maintenir ouverte en permanence la soupape d’aspiration. C’est une méthode très répandue.

Un tel système est simple et fiable, moyennement efficace sur le plan énergétique. Les cylindres tournant à vide ont pour conséquence que, pour une puissance de réfrigération de 50 % par exemple, la machine absorbe encore environ 65 % de la puissance d’entraînement.

Avantage : pour éviter les pointes de courant de démarrage, il est possible de démarrer à vide le compresseur.

Par contre, la variation de la puissance n’est pas continue (sauts de puissance). Et, autre inconvénient, l’usure de la machine est pratiquement identique à vide ou en charge.

L’obturation de l’orifice d’aspiration

Dans les compresseurs à pistons, un obturateur commandé par une électrovanne bouche l’entrée d’un ou de plusieurs cylindres, réduisant ainsi le débit et donc la puissance de la machine frigorifique. Ce système provoque un échauffement du compresseur, ce qui n’est énergétiquement pas favorable, et entraîne le besoin de laisser au moins un ou deux cylindres sans obturateur.

La régulation « par tiroir » des compresseurs à vis

Les compresseurs à vis sont munis d’un dispositif qui rend leur puissance réglable dans une plage allant de 100 à 10 %. Le rendement reste satisfaisant, du moins jusqu’à 50 % de la charge nominale. En dessous, le rendement se dégrade et il faut donc éviter ces fonctionnements à basse puissance. L’intérêt de ne pas surdimensionner les installations reste déterminant.

Le principe consiste à limiter la course de la vis : en délaçant un « tiroir », c.-à-d. un élément du stator déplaçable par translation comme un tiroir, on modifie la section d’entrée du volume aspiré et donc on module le débit.

Un tel mécanisme permet d’assurer également le démarrage à vide de la machine.

La régulation de l’évaporateur

La régulation « progressive » de la pression d’évaporation

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

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

Le régulateur de pression d’évaporation

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

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

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

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

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

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

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

La régulation par injection des gaz chauds

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

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

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

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

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

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

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

La régulation du condenseur

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

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


Régulation avec pression de condensation constante.	Régulation avec pression de condensation flottante.

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

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

Association avec un détendeur thermostatique

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

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

Exemple.

Un commerçant a besoin d’un meuble frigorifique à application positive. La température d’évaporation est fixée à -10°C utilisant du R134a comme fluide frigorigène.

Un détendeur pris dans un catalogue de fabricant connu dans le domaine donne les valeurs de puissance frigorifique dans le tableau suivant :

Température de condensation [°C]	Puissance frigorique du détendeur [kW]
10	10.2
15	12.85
20	14.85
25	16.4
30	17.7
35	18.7
40	19.4
45	19.9
50	20.2
55	20.2

En analysant le tableau et la courbe ci-dessus, on voit que :

Pour optimiser le fonctionnement du détendeur et, par conséquent, garantir un bon remplissage de l’évaporateur, la température de condensation doit être de l’ordre de 45°C (puissance frigorifique maximale).
Lorsqu’on descend trop bas en pression, l’efficacité du détendeur thermostatique diminue fortement.

Pression ou température de condensation fixe

Dans un système simple, où la consigne de température est fixée à 45 °C (correspond à une pression de condensation mesurable de 10,5 bar), la performance du détendeur est correcte. Par contre, le compresseur, quant à lui, a un taux de compression HP/BP de l’ordre de 6 (sachant que la pression à l’aspiration est de l’ordre de 1.7 bar);or on sait que les performances énergétiques des compresseurs diminuent pour des taux de compression HP/BP élevés.

Pression ou température de condensation flottante

En supposant que ce soit réalisable dans la pratique, un système à pression de condensation flottante en fonction des conditions climatiques est envisagé.Si la température de condensation est abaissée à 20 °C (correspond à une pression de condensation mesurable de 4,7 bar) sachant que la température externe de l’air est de 12°C par exemple, la puissance frigorifique du détendeur diminuera de l’ordre de 25 %. Par contre, le taux de compression HP/BP du compresseur passera de 6 à 2,7 (soit une réduction théorique du travail de compression de l’ordre de 55 %.

Malheureusement, dans la pratique, en plus de la réduction de capacité frigorifique du détendeur thermostatique de 25 % à basse pression de condensation, la régulation du remplissage de l’évaporateur par ce type de détendeur n’est pas optimale (la régulation ne suit pas la valeur minimale de surchauffe stable). Ce qui veut dire que même si le taux de compression HP/BP du compresseur s’améliore de 55 %, l’efficacité globale détendeur thermostatique-évaporateur n’est pas idéale. L’effet sur la consommation du compresseur ne se fera que très peu sentir.

Dans le tableau qui suit, on résume les avantages et les inconvénients d’un tel système :

(+)

Réduction du taux de compression HP/BP dû à la diminution de la pression de condensation (55 %).

(-)

Perte d’efficacité au niveau du détendeur (25 %) de par la diminution de pression de condensation.
Perte d’efficacité au niveau de la gestion du remplissage de l’évaporateur en fonction de la surchauffe (caractéristique intrinsèque au détendeur thermostatique).

Association avec un détendeur électronique

Les détendeurs électroniques commencent à s’implanter dans le secteur du froid commercial sachant qu’ils peuvent diminuer drastiquement les consommations énergétiques du compresseur. Aussi ils supportent mieux les variations de pression entre leur entrée et leur sortie que les détendeurs thermostatiques. Ce qui signifie qu’il accepte mieux les basses pressions de condensation.

La pression de condensation mesurée à l’entrée du condenseur est régulée en faisant varier le débit d’air, non plus par un système « tout ou rien » au niveau de l’alimentation électrique du ventilateur, mais plutôt par un système à variation de fréquence permettant de faire varier la vitesse du ventilateur de manière continue en profitant du pouvoir rafraîchissant de l’air extérieur pour abaisser la pression de condensation.

Exemple.

Un commerçant a toujours besoin d’un meuble frigorifique à application positive. La température d’évaporation est fixée à -10 °C utilisant du R134a comme fluide frigorigène .

Un détendeur pris dans un catalogue de fabricant connu dans le domaine donne les valeurs de puissance frigorifique dans le tableau suivant :

Température de condensation [°C]	Puissance frigorique du détendeur [kW]
10	13.65
15	15.5
20	16.9
25	17.9
30	18.9
35	19.7
40	20.1
45	20.4
50	20.5
55	20.1..

En analysant le tableau et la courbe ci-dessus, on voit que :

Pour optimiser le fonctionnement du détendeur et, par conséquent, garantir un bon remplissage de l’évaporateur, la température de condensation doit être de l’ordre de 45 °C (puissance frigorifique maximale).
Lorsqu’on descend trop bas en pression, l’efficacité du détendeur électronique diminue.

Pression ou température de condensation fixe

Dans un système simple, où la consigne de température est fixée à 45 °C (corresponds à une pression de condensation mesurable de 10,5 bar), la performance du détendeur est correcte. Par contre, le compresseur, quant à lui, a un taux de compression HP/BP de l’ordre de 6 (sachant que la pression à l’aspiration est de l’ordre de 1.7 bar);or on sait que les performances énergétiques des compresseurs diminuent pour des taux de compression HP/BP élevés.

Pression ou température de condensation flottante

Par l’utilisation d’un régulateur numérique, la pression de condensation est rendue flottante en fonction des conditions climatiques. Si la température de condensation est abaissée à 20°C (corresponds à une pression de condensation mesurable de 4,7 bar) sachant que la température externe de l’air est de 12°C par exemple, la puissance frigorifique du détendeur diminuera de l’ordre de 15 %. Le taux de compression HP/BP du compresseur passera toujours de 6 à 2,7 (soit une réduction théorique du travail de compression de l’ordre de 55 %; ce qui est déjà meilleur que le détendeur thermostatique.

De plus, contrairement au détendeur thermostatique, le détendeur électronique adapte mieux la surchauffe par rapport à la valeur minimale de surchauffe stable.

Dans le tableau qui suit, on résume les avantages et les inconvénients d’un tel système :

(+)

Réduction du taux de compression HP/BP dû à la diminution de la pression de condensation (55 %).
Amélioration de la gestion de la surchauffe permettant d’optimiser le remplissage de l’évaporateur en fonction de charge frigorifique nécessaire.

(-)

Légère perte d’efficacité au niveau du détendeur de par la diminution de pression de condensation.

La régulation généralisée

Comme on l’a vu ci-dessus, la régulation de chaque équipement d’une machine frigorifique influence celle des autres équipements en complexifiant fortement l’installation. C’était un problème il y a quelques années. Pour cette raison, les constructeurs de machines frigorifiques ont été amenés à développer des solutions centralisées au moyen de régulateurs capables de gérer une grande quantité de paramètres, d’entrées, de sortie, …

À l’heure actuelle, on trouve de plus en plus de solutions gérées par des GTC (Gestion Technique Centralisée) ou superviseur à même de surveiller, de réguler, de communiquer avec des régulateurs de tout un parc d’applications frigorifiques imposant.

Régulation de la machine frigorifique avec supervision de toute la régulation.

Posted By : 25 Sep, 2007

Vitrages isolants thermiques

Le double vitrage à verre clair

Le double vitrage est constitué de deux feuilles de verre assemblées et scellées en usine, séparées par un espace hermétique clos renfermant de l’air ou un autre gaz déshydraté.

Feuilles de verre.
Air et/ou gaz déshydraté.
Espaceur fixant l’espace entre les feuilles de verre.
Ouverture pour l’absorption d’humidité.
Première barrière d’étanchéité en polyisobuthylène.
Dessicant.
Seconde barrière d’étanchéité en polyuréthane, silicone ou polysulfure.

Le dessicant introduit dans l’espaceur est destiné à assécher le gaz emprisonné à la fermeture du vitrage et à absorber la vapeur d’eau éventuelle. Le bon fonctionnement des barrières d’étanchéité et du dessicant conditionne la durée de vie du vitrage.

La composition des doubles vitrages est donnée par 3 valeurs (en mm). Exemple : 4/12/4 : l’épaisseur de la feuille de verre extérieure / l’épaisseur de l’espaceur / l’épaisseur de la feuille de verre intérieure.

La garantie d’efficacité des doubles vitrages prévue dans les (ATG) est de 10 ans. Mais la durée de vie réelle est bien supérieure.

Les modes de transmission de chaleur

L’intérêt du dispositif est de bénéficier du pouvoir isolant apporté par la lame d’air ou de gaz, et de faire baisser de la sorte le coefficient de transmission thermique U de l’ensemble du vitrage.

La transmission de chaleur dans la lame d’air se fait par convection, rayonnement et conduction. Elle se fait par conduction et rayonnement dans le verre. La présence de la lame d’air permet de limiter les pertes de chaleur par conduction, la conductivité thermique de l’air (0.025 W/m.K (à 10°C)) étant nettement inférieure à celle du verre (1 W/m.K).

Caractéristiques énergétiques

Lorsqu’un rayonnement incident est intercepté par une paroi, une partie est réfléchie vers l’extérieur, une partie est absorbée par le matériau, une partie est transmise à l’intérieur. La transmission solaire du double vitrage est légèrement plus faible que celle du vitrage simple, car la chaleur qui traverse le vitrage est absorbée et réfléchie par deux couches et non une seule.

Les schémas suivants donnent les coefficients de transmission thermique U et le facteur solaire FS d’un double vitrage et d’un simple vitrage :

Simple vitrage et double vitrage.

Améliorer la performance du double vitrage ?

Une des manières de réduire le coefficient de conductivité thermique d’un double ou triple vitrage est de travailler sur l’espace interstitiel. La première idée consiste à augmenter l’épaisseur de la lame d’air. Effectivement, l’isolation augmente dans les premiers millimètres, puis l’isolation reste pratiquement constante au-delà de 14 mm. Pourquoi ? Dans le premier temps, l’air constitue un matelas, mauvais conducteur de la chaleur, mais une fois que l’épaisseur d’air s’accroît, des boucles d’échange convectives se forment entre la vitre chaude et la vitre froide… Un double châssis écarté de 20 cm n’isole pas mieux qu’un double vitrage ordinaire.

On a alors pensé à remplacer l’air par un gaz moins conducteur : l’Argon, le Krypton, … Effectivement, cela apporte un « + » à l’effet d’isolation. Mais impossible de descendre en dessous d’un U de 2,5 W/m²K.

Et pourquoi pas le vide ? Effectivement, un vide d’air permet une absence de convection et de conduction. Mais mécaniquement, les deux vitres ont du mal à résister à la pression atmosphérique et se brisent. Il faut alors placer des écarteurs… qui sont eux-mêmes des conducteurs de chaleur… Cette technique est à l’étude, mais n’a pas d’application industrielle aujourd’hui.

Reste à diminuer la transmission de chaleur par rayonnement : c’est l’idée du vitrage à basse émissivité dont nous reparlerons ci-dessous.

Caractéristique lumineuse

Le double vitrage assure un aspect neutre en réflexion et une grande transparence. Il est caractérisé par un coefficient de transmission lumineuse élevé, mais néanmoins inférieur à celui d’un simple vitrage.

Simple vitrage, TL = 90 %.

Double vitrage, TL = 81 %.

Le double vitrage « à basse émissivité »

Principe

Ce vitrage est aussi appelé vitrage à haut rendement ou vitrage super isolant. En anglais, il se nomme vitrage low-E et en France, on l’appelle vitrage à Isolation Renforcée (VIR).

L’objectif est d’augmenter le pouvoir isolant du double vitrage, c.-à-d. de diminuer son coefficient de transmission thermique U (anciennement « k »).

Vous avez dit : « émissivité » ?

Quand de la chaleur ou de l’énergie solaire est absorbée par un vitrage, elle est réémise par le vitrage, soit par convection d’air le long de sa surface, soit par radiation de la surface du vitrage vers les autres surfaces plus froides. Par conséquent, la réduction de la chaleur émise par les vitrages sous forme de radiation peut améliorer fortement ses propriétés isolantes.

La capacité d’un matériau à émettre de la chaleur de manière radiative est appelée son émissivité. Ce coefficient d’émissivité varie en fonction de la longueur d’onde du signal émis. Les fenêtres, ainsi que les matériaux que l’on trouve à l’intérieur d’un bâtiment, émettent typiquement des radiations sous forme d’infrarouges de très grande longueur d’onde. A savoir enfin que pour une longueur d’onde donnée, le coefficient d’absorption d’un matériau est égal au coefficient d’émissivité.

Les vitrages standards ont une émissivité de 0.84 sur l’entièreté du spectre. Cela signifie qu’ils émettent 84 % de l’énergie possible pour un objet à cette température. Cela signifie également qu’en ce qui concerne les rayonnements à grande longueur d’onde qui frappent la surface du verre, 84 % est absorbé et seulement 16 % est réfléchi.

Par comparaison, les couches basse-émissivité ont un coefficient d’émissivité de 0.04.

Les vitrages sur lesquels on a déposé de telles couches émettront seulement 4 % de l’énergie possible à cette température, donc absorberont seulement 4 % du rayonnement de grande longueur d’onde qui les atteint.

Autrement dit, ils réfléchiront 96 % du rayonnement infrarouge de grande longueur d’onde.

Application

Le rayonnement des matériaux du bâtiment est émis à une longueur d’onde plus élevée que ceux qui composent le spectre solaire ou le spectre d’émission des éclairages de vente.

Ondes électromagnétiques correspondant au rayonnement solaire et au rayonnement des matériaux.

La couche basse émissivité est, en général, une couche métallique, en argent par exemple, déposée sous vide et qui doit être placée à l’intérieur du double vitrage vu sa fragilité. Elle bloquera une partie du transfert de chaleur par rayonnement, diminuant ainsi le flux total de chaleur au travers de la fenêtre.

Importance de la position de la couche basse émissivité

La position de la couche basse émissivité dans un double vitrage n’affecte en rien le facteur U (ou k) de celui-ci. Donc, en ce qui concerne les pertes de chaleur par transmission, il n’y a absolument aucune différence que la couche basse émissivité soit placée en position 2 ou en position 3.

Numérotation des vitrages.

La surface d’un vitrage, dans un double ou un triple vitrage, est référencée par un nombre, commençant par le numéro 1 pour la surface extérieure du vitrage extérieur vers la surface intérieure du vitrage intérieur. La surface intérieure d’un double vitrage porte donc le numéro 4.

Par contre, le facteur solaire FS (ou le facteur de transmission de l’énergie incidente) du vitrage est influencé par la position de la couche. En effet, en plus de sa capacité à inhiber les transferts d’infrarouges à grande longueur d’onde, une couche basse émissivité absorbe aussi une certaine quantité de l’énergie solaire incidente. Cette énergie absorbée est transformée en chaleur, provoquant ainsi un échauffement du vitrage.

Si l’on cherche à diminuer la chaleur incidente (FS faible), la couche basse émissivité sera placée en face 2, la chaleur absorbée par le vitrage étant alors essentiellement réémise vers l’extérieur; ce qui devrait pouvoir théoriquement réduire les apports externes pour les meubles frigorifiques fermés. En analysant le marché des fabricants de meubles frigorifiques, il semble que ce type d’application ne soit pas développée.

Si vous êtes en possession de données contredisant ce qui précède, n’hésitez pas à nous les communiquer !

Posted By : 25 Sep, 2007

Cellules de refroidissement et de congélation rapides

Principe et utilisation

Il arrive que certaines professions libérales tels que les traiteurs soient amenés à s’équiper de ce type d’équipement afin de passer directement de la phase de cuisson à celle d’exposition dans les vitrines réfrigérées.

La cellule de refroidissement / congélation rapide est une enceinte isolée thermiquement comportant un dispositif de production de froid permettant de descendre rapidement la température de plats cuisinés chauds. Immédiatement après la cuisson, les préparations chaudes sont conditionnées sur une épaisseur ne dépassant pas 30 mm. Elles sont ensuite refroidies :

En liaison froide réfrigérée, de + 65 °C à + 10 °C en un temps inférieur ou égal à 110 mn dans une cellule de refroidissement rapide.

En liaison froide surgelée, de + 65 °C à – 18 °C en un temps inférieur ou égal à 4 heures 30 dans une cellule de congélation rapide.

Elles ont été conçues spécialement pour la restauration différée mais peuvent être utilisées dans les applications qui se développent de plus en plus dans les grandes surfaces au niveau des plats préparés (service traiteur).

Description

Une cellule de refroidissement rapide, construite sur le même principe qu’une armoire de conservation, comprend :

Un caisson de forme parallélépipédique dont le compartiment d’utilisation est muni d’une porte. Les revêtements extérieurs ou intérieurs sont en tôle d’aluminium, en acier inoxydable ou en matériau plastique approprié. L’isolation thermique est souvent réalisée par injection in situ de mousse en polyuréthane.

Un groupe de production de froid mécanique, à air ou à eau.

Une ventilation puissante pour intensifier les échanges thermiques et homogénéiser la température dans l’enceinte.

Éventuellement un dispositif de récupération de l’énergie.

Un signal sonore ou visuel pour annoncer la fin du cycle de refroidissement.

Un système automatique pour régler la température au niveau de conservation réglementaire, si la charge refroidie n’est pas sortie immédiatement de la cellule pour le stockage froid.

Une cellule de congélation rapide fonctionne selon le même principe que la cellule de refroidissement. Un groupe plus puissant permet de descendre la température de + 65 °C à – 18 °C très rapidement.
Un dispositif permet de passer automatiquement en régime de conservation à – 18 °C, lorsque la congélation est terminée. Ce dispositif permet la congélation sans surveillance d’une charge en fin de journée.

Remarque : les cellules de refroidissement et de congélation rapide sont caractérisées par des évaporateurs à très grand débit d’air. Une cellule de congélation rapide de 400 kilos de purée de pommes de terre mis en barquettes de 400 grammes nécessite une puissance 45 KW frigorifique pour une température d’évaporation de – 40 °C, et un débit d’air de 60 000 m³/h.

À noter qu’à côté des cellules à froid mécanique décrites ci-dessus, il existe des cellules de refroidissement à froid cryogénique.

Dans les cellules mixtes, les deux systèmes de production de froid, cryogénique et mécanique, sont associés.

Gamme

Les cellules de refroidissement rapide

Les capacités des cellules de refroidissement rapides sont très variables, de 10 à 20 kg pour les petites productions, jusqu’à 160 kg pour les grandes productions.

À titre indicatif, les puissances électriques mises en œuvre dans les cellules mécaniques varient de 50 à 70 W par kg de charge nominale. A titre d’exemple une cellule de refroidissement rapide de 70 kg de capacité nominale a une puissance de 3 à 4 kW (ventilateur compris).

Pour montrer le caractère « très » indicatif de ces valeurs, voici les puissances que nous avons relevées dans la documentation d’un fournisseur :

Cellule à clayettes – surgélation et refroidissement rapide
	Capacité par cycle (kg)	Puissance électrique installée (W)
	7	2 100
	15	2 280/450*
	25	4 000/580*
	50	6 100/580*

* : version équipée sans groupe frigorifique (à distance).

Cellule à chariots – surgélation et refroidissement rapide
	Capacité par cycle (kg)		Puissance électrique installée (W)
	en surgélation	en refroidissement	Puissance électrique installée (W)
	65	65	3 200/900*
	80	110	5 400/4 300*
	160	220	9 600/6 600*
	240	330	11 500*
	320	440	14 000*
	480	660	20 000*

* : version équipée sans groupe non comprise l’alimentation du groupe frigorifique (à distance).

Les consommations électriques d’une cellule pendant le cycle de refroidissement, varient de 90 à 60 Wh par kg d’aliment suivant l’importance et le type de cellule, la manière dont elle est chargée, l’épaisseur à refroidir et le type d’aliments.

Les cellules de congélation rapide

Les matériels les plus usuels à groupe incorporé ont des capacités à partir de 20 kg d’aliments.

Les puissances électriques mises en œuvre dans les cellules mécaniques sont sensiblement les mêmes que celles des cellules de refroidissement rapide, mais les consommations sont plus importantes (3 fois plus environ).

Elles varient, de 180 à 270 Wh par kg d’aliment, suivant l’importance et le type de cellule, la manière dont elle est chargée l’épaisseur et le type d’aliments des préparations à congeler.

Installation

Pour les cellules qui ne sont pas de type « sans seuil », il y a lieu de prévoir une mise à niveau avec le sol du local par un évidement approprié (décaissement).

Cellules à froid mécanique

Pour les cellules de grosse capacité, la machine frigorifique est généralement installée à proximité. S’il s’agit d’un groupe à condenseur à air, le local doit être largement aéré; dans le cas d’un condenseur d’eau, il convient de prévoir une arrivée et une évacuation d’eau.

Cellules à froid cryogénique

Pour l’azote liquide le réservoir est placé à l’extérieur des locaux dans un endroit facilement accessible aux engins de livraison.

Pour l’anhydride carbonique, il est placé à l’abri des intempéries.

La longueur des canalisations sera aussi courte que possible pour réduire les pertes de charge.

Il convient également de prévoir une évacuation des eaux de dégivrage.

Posted By : 25 Sep, 2007

Meubles et vitrines frigorifiques

Rôles et caractéristiques des équipements

Introduction

Le meuble frigorifique représente le dernier maillon de la chaîne du froid alimentaire avant que la denrée ne se retrouve en possession du consommateur. À ce stade, la mise en valeur des denrées alimentaires est primordiale tout en assurant leur conservation. En d’autres termes, le meuble frigorifique a donc pour mission de présenter ou d’exposer les denrées dans un volume utile à une température de conservation déterminée. Faisant partie d’une chaîne de froid normalement ininterrompue, cet équipement est uniquement prévu, et par conséquent dimensionné, pour maintenir la température des denrées et non les refroidir. Dans une chaîne de froid alimentaire classique, le refroidissement ou la congélation s’effectue à la production ou à la fabrication. Les étapes suivantes de la chaîne de froid n’ont plus qu’une action de maintien de la température par exemple :

le camion ou le bateau frigorifique lors du transport;
la chambre froide du magasin lors du stockage;
…

Deux fonctions sont donc attribuées aux meubles frigorifiques :

la fonction d’exposition;
la fonction de conservation.

Exposition des denrées

Le but avoué est l’achat de la denrée par le consommateur. Des études très poussées sur l »exposition des denrées (« merchandising ») permettent de déterminer quelle est la meilleure stratégie commerciale pour favoriser la vente.

La fonction d’exposition conduit souvent :

À « l’ouverture » large des ambiances frigorifiques d’exposition par rapport à l’ambiance de vente afin que les consommateurs puissent toucher, palper et soupeser les produits alimentaires.
À éclairer fortement les denrées.

Rôle de conservation des denrées

Durant l’exposition, le meuble frigorifique doit maintenir la température et assurer la conservation des denrées alimentaires refroidies ou surgelées en « amont ». De par les lois de la thermodynamique et à l’inverse de la fonction d’exposition, les meubles devraient au maximum protéger les denrées des agressions thermiques de toutes sortes par :

la fermeture ou l’utilisation d’ouverture des ambiances réfrigérées les plus réduites possible ;
la réduction maximale de leur éclairage;
leur protection des rayonnements externes.

Équilibre des rôles

Sur le plan technique, les rôles d’exposition et de conservation des denrées alimentaires dans les meubles frigorifiques sont en totale contradiction :

D’un côté, le consommateur doit pouvoir disposer des marchandises sans obstacle en bénéficiant de meuble à large ouverture et fortement éclairé ;
de l’autre, le commerçant doit assurer une qualité de conservation des denrées avec comme impératif la fermeture ou la réduction des ouvertures des meubles au maximum, le moins d’éclairage possible, bref le moins d’échange thermique possible avec l’ambiance du magasin.

Comment concilier ces deux fonctions sans privilégier une des deux ?

Dans la pratique, on se rend vite compte que le commerçant va naturellement favoriser le meuble frigorifique qui « fait bien vendre ». Néanmoins, les réglementations et les normes sont heureusement présentes pour rétablir l’équilibre entre les deux rôles que doivent jouer les meubles et les vitrines frigorifiques.

Malheureusement, c’est au détriment de l’efficacité énergétique des équipements. En effet, quelle que soit la qualité de la production frigorifique, le meuble frigorifique ouvert est bien plus consommateur d’énergie que le même meuble fermé par un rideau de nuit par exemple.

Le véritable défi des constructeurs de meubles frigorifiques se résume à optimiser l’efficacité énergétique tout en conservant le rôle d’exposition qui, naturellement, fait vendre les produits.

Technologie des meubles et vitrines frigorifiques

Généralités

La technologie des meubles frigorifiques a été directement importée des États-Unis au début des années 60. Pour cette raison, des termes américains sont restés dans le langage courant utilisés pour caractériser les meubles et les vitrines frigorifiques. On retrouve encore couramment des termes par exemple :

facing;
remodeling;
shelving;
marketing
…

Composition principale des meubles

Qu’ils soient de type vertical, horizontal, positif, négatif, …, les meubles frigorifiques se décomposent en trois parties principales :

la structure portante du meuble;
les éléments frigorifiques;
l’espace utile de vente, en d’autres termes le contenant;
et si présentes les portes.

Meuble vertical fermé et vitrine horizontale.

Structure portante du meuble

C’est la carcasse du meuble. Outre les pièces de renfort, le soubassement, les évacuations des condensats de dégivrage, …, elle se compose principalement d’une enveloppe isolée sous forme de panneaux « Sandwich » (acier-mousse isolante-acier). L’isolant est généralement du polyuréthane injecté (densité moyenne de 30 à 40 kg/m³) ou des panneaux de polystyrène raccordés entre eux. La qualité de la mise en œuvre et l’épaisseur de l’isolant détermineront la performance énergétique du meuble sur le plan des pénétrations (ou déperdition négative).

Les éléments frigorifiques

À l’intérieur du meuble, on trouve les éléments qui constituent le système de réfrigération ou de congélation selon le cas. Ce système se compose essentiellement :

De l’évaporateur (1).
De l’échangeur liquide/vapeur (2).
Du détendeur thermostatique ou électronique (3).
D’un système de distribution du liquide détendu particulièrement important lorsque les évaporateurs sont longs et que la ventilation ne peut être assurée sur toute la longueur des éléments frigorifiques (ce qui est souvent le cas dans les meubles frigorifiques).
De moto-ventilateurs (4) qui pulsent l’air provenant de l’espace utile de vente du meuble au travers des évaporateurs et des circuits de distribution de l’air dans le meuble.
De la gaine de soufflage (5) et de sa buse (6).
Du rideau d’air (7).
De la bouche d’aspiration (8).
De la gaine de reprise (9).
Et d’un rideau de nuit (10).

Les aménagements internes et les accessoires

Les aménagements internes sont constitués essentiellement des étagères, des plateaux, bacs, … qui doivent être de qualité alimentaire lorsqu’ils sont en contact avec les denrées et facilement lavables de manière générale.

Les accessoires aux meubles à caractère de vente sont multiples (support balances, planches à découper, …).

On compte aussi, pour améliorer la vente, sur l’éclairage des denrées.

Les types d’aménagement interne et les accessoires ont une influence non négligeable sur le « comportement frigorifique » et aéraulique du meuble et par conséquent sur leur efficacité énergétique.

Dimensions des meubles

Pour caractériser un meuble ou une vitrine frigorifique, des terminologies sont définies afin que tout le monde parle le même langage. Les constructeurs parlent souvent de :

module ;
meuble ou longueur ;
linéaire.

Les modules

D’origine américaine, les meubles frigorifiques sont cotés en « pieds » au niveau de la longueur. De base, un module mesure 4 pieds ou 1,22 m et permet de loger sous les étagères ou les frontons des tubes fluorescents d’éclairage de 1,20 m (58 W par exemple). Des sous-modules de 2 pieds (ou 0,61 m) existent.

Basé sur la méthode américaine, les Européens ont développé une modulation différente d’une longueur de 1,25 m comme valeur de référence pour les grandes surfaces et des sous-modules de 0.5 m pour les commerces de détail.

Les meubles ou longueurs

Un meuble ou une longueur se compose de plusieurs modules qui doivent être définis d’emblée lors du dimensionnement de l’installation. Cependant, persiste l’option de concevoir une installation sur mesure.

Les linéaires

Un linéaire est un ensemble de meubles ou de longueurs ayant la même désignation (linéaire de boucherie, de produit laitier, de légume et fruit, …). Ces meubles sont juxtaposés, mais pas nécessairement alignés.

Différentes configurations sont possibles. On citera principalement les linéaires :

droits ou alignés ;
en Z ;
en L ;
dos à dos ;
en Y;
fermés.

Les surfaces et le volume

Des paramètres comme les surfaces et les volumes permettent aussi de différencier les meubles ou vitrines frigorifiques.

En ce qui concerne les types de surface, on trouve pour une largeur de meuble unitaire :

La surface de limite de chargement (1).
La surface horizontale de chargement (2).
La surface d’exposition (3).
L’ouverture d’exposition (4).

Le volume utile d’exposition (5) est l’élément qui détermine la capacité de stockage du meuble frigorifique.

Classifications

Critères : généralités

La classification des meubles frigorifiques est très ardue dans le sens où le nombre de modèles est important. Pour cette raison, il est nécessaire de déterminer des critères de classification :

par le type même ;
en fonction de l’ouverture ;
en fonction du niveau d’accès ;
par la manière de l’approvisionner ;
en fonction du type de service ;
par service ;
en fonction de la classe de température ;
en fonction de la nature des denrées
en fonction du type d’emballage ;
en fonction du support prévu pour les denrées ;
en fonction du mode de distribution ;
en fonction du mode de protection des ouvertures ;
par la position de la production frigorifique ;
par la configuration du linéaire ;
par la longueur unitaire ;
par le type de façade.

Critères : application

Deux grandes classes de meubles frigorifiques se dégagent, à savoir les meubles verticaux et horizontaux. Pour chacune de ces classes, les principaux critères peuvent être appliqués.

Les meubles frigorifiques horizontaux

	Comptoir	Vitrine	Etal	Gondole à groupe incorporé	Gondole murale	Mixte
Ouverture	fermé
Ouverture	ouvert
Accès	dessus
	avant
	arrière
Chargement	dessus
	avant
	arrière
Service	libre service
Service	personnel présent
Application	positif
Application	négatif
Produits couramment rencontrés		viandes	traiteur, fromage, viande, pâtisseries	poissons	surgelé, crème glacée	surgelé, crème glacée
protection des produits	emballés
protection des produits	non emballés
Supports	étagères
	plateaux
	table froide
	chariots/palettes
Froid	conductif
	convectif
	mixte
Protection ouvertures	piège à givre		vitrages
	rideau d’air
	soufflage arrière
	portes vitrées
Groupe de froid	Incorporé
Groupe de froid	à distance
Meuble frigorifique	seul
Meuble frigorifique	en linéaire
Longueur	déterminée
	modulaire
	optionnelle
Façade	bandeau panoramique
	éléments mobiles
	superstructure vitrées

Les meubles frigorifiques verticaux

Critères		Vertical n niveau (ouvert)	Vertical à service arrière	Vertical à chargement au sol	vertical basse température	Vertical à porte vitrée (fermé)
Ouverture	fermé
Ouverture	ouvert
Accès	dessus
	avant
	arrière
Chargement	dessus
	avant
	arrière
Service	libre service
Service	personnel présent
Application	positif
Application	négatif
Produits couramment rencontrés		laitiers	pâtisseries	laitiers	surgelés, crème glacée
Protection des produits	emballés
Protection des produits	non emballés
Supports	étagères
	plateaux
	table froide
	chariots/palettes
Froid	conductif
	convectif
	mixte
Protection ouvertures	piège à givre
	rideau d’air
	soufflage arrière
	portes vitrées
Groupe de froid	incorporé
Groupe de froid	à distance
Meuble frigorifique	seul
Meuble frigorifique	en linéaire
Longueur	déterminée
	modulaire
	optionnelle
Façade	bandeau panoramique
	éléments mobiles
	superstructure vitrées

Configurations courantes

Les schémas repris ci-dessous sont des configurations courantes rencontrées dans les commerces.


Comptoir à convection naturelle.	Comptoir en convection forcée et service avant.

Gondole à convection forcée et service par les deux côtés.	Vitrine à étagère et étagère inférieure refroidie.

Meuble horizontal d’exposition mobile.	Etal frigorifique de poissonnerie.

Meuble vertical ouvert en convection naturelle.	Meuble vertical ouvert en convection forcée.

Meuble vertical à palette réfrigérée.	Meuble vertical réapprovisionné par l’arrière.

Meuble vertical négatif à double circuit d’air.	Meuble mixte (gondole et armoire) négatif à porte.

Gondole de type ouverte à convection naturelle.	Gondole de type ouverte à convection forcée.

Gondole dissymétrique simple négative à couvercle.	Double gondole dissymétrique dos à dos à convection forcée et rideaux d’air.

Gondole négative fermée.

La distribution du froid au sein du meuble

Généralités

La distribution du froid dans les meubles frigorifiques est très difficile à mettre en œuvre. Les géométries des meubles pouvant être très complexes, pour assurer l’apport de « frigories » au niveau de chaque denrée et en quantité suffisante, cela nécessite une recherche et des développements complexes de la part des constructeurs.

Les constructeurs se basent sur un régime stationnaire de transmission de chaleur pour dimensionner et tester les équipements composant le meuble frigorifique.

Cependant, les denrées alimentaires exposées dans les meubles frigorifiques, qu’ils soient ouverts ou fermés, subissent en permanence des perturbations ou des agressions dues aux variations des conditions de température et d’humidité de l’ambiance du chargement et du déchargement des denrées, … Concrètement le régime stationnaire est purement théorique, mais néanmoins nécessaire à la classification, la normalisation et le dimensionnement des meubles.

En régime stationnaire (ou permanent), le transfert des « frigories » au sein du meuble frigorifique, suivant les modèles s’effectue de trois manières différentes :

Ces trois modes de transfert sont exploités de différentes manières, seuls ou mixés afin de refroidir efficacement les denrées dans le volume utile de chargement. On distingue principalement :

le froid convectif ;
le froid conductif ;
le froid mixte.

Le froid convectif

Les constructeurs utilisent l’air comme vecteur de transport des « frigories » afin de retirer la chaleur des denrées qui subissent des perturbations thermiques internes et externes au volume utile de chargement des meubles.

Pour réaliser le refroidissement des denrées par convection, on utilise principalement deux techniques :

refroidissement par convection naturelle ;
refroidissement par convection forcée.

Refroidissement par convection naturelle

L’air circule par gravité de haut en bas au travers de l’évaporateur grâce à l’action des variations de masse spécifique et par conséquent de température. La vitesse de déplacement de l’air au travers des denrées est faible (de l’ordre de 0,2 m/s). Ce type de refroidissement offre l’avantage de mettre en œuvre très peu d’énergie électrique au sein même du meuble si ce n’est l’éclairage des denrées (certaines vitrines s’en passent même). On l’utilise couramment pour les vitrines frigorifiques amenées à contenir des denrées fragiles et minces.

La mise en mouvement de l’air par convection naturelle est régie par l’écart de température présent entre l’air et la surface des ailettes de l’évaporateur.

Refroidissement par convection forcée

L’air réchauffé au niveau des denrées par les apports externes et internes se déplace avec l’aide de moto-ventilateurs au travers de l’évaporateur où il se refroidit. La vitesse de l’air est contrôlable, ce qui permet de l’adapter en fonction du type de denrées exposées dans le volume utile de chargement :

Des vitesses d’air faibles et proches des vitesses en convection naturelle (de l’ordre de 0,2 à 0,3 m/s) seront choisies pour assurer le maintien des températures de denrées non-emballées et fragiles en réduisant leur sensibilité à l’oxydation et à la dessiccation (perte d’eau et par conséquent de masse).
Des vitesses d’air plus importantes conviennent plus aux denrées préemballées ou conditionnées.

En convection forcée, la flexibilité de la distribution de l’air est importante et permet, par exemple, de diriger une partie du flux d’air directement sur les denrées à des endroits difficilement accessibles en convection naturelle.

Le froid conductif

Dans ce cas, les parois ou les accessoires refroidis des meubles frigorifiques participent par contact direct et par conduction au maintien des températures des denrées. Les parois peuvent être des évaporateurs à part entière lorsqu’elles sont parcourues, au travers de serpentins, par le fluide frigorigène.

Deux systèmes de maintien de la température des denrées par conduction sont exploités par les constructeurs de meubles :

refroidissement par contact direct;
refroidissement par contact indirect.

Refroidissement par contact direct

En froid positif, on s’arrange pour que la température des parois ne soit pas trop sous 0°C de manière à éviter le collage de la denrée contre la paroi par son gel superficiel. On retrouve ce type de refroidissement lorsque les denrées sont fragiles au refroidissement convectif (dessiccation).

En froid négatif, les parois froides isolées par l’extérieur forment un bac entourant les denrées. Dans les parois, côtés intérieur du meuble, un serpentin sert d’évaporateur. Dans ce type de meuble (gondole à faible volume), les denrées doivent être compactes et en contact intime avec les parois pour favoriser le transfert de chaleur des parois aux denrées et des denrées entre elles. Dans la figure ci-contre, les deux évaporateurs servent de piège à givre en condensant l’humidité de l’air ambiant proche de l’ouverture et de refroidisseur pour les denrées de surface qui absorbent de la chaleur par rayonnement.

Refroidissement par contact indirect

C’est le système typique des étals de poissonnerie où la température à cœur des poissons doit être maintenue aux alentours des 0 à +2 °C.

Un lit de glace étalé sur une table refroidie constitue un refroidissement par contact indirect. Le lit de glace permet :

L’hydratation des poissons en permanence par la fusion à température constante de la glace (0°C).
De maintenir un excellent contact thermique entre la table, la glace et les denrées.
De garder la température à cœur proche de 0°C en recouvrant les denrées de glace.
D’éviter le gel des produits de la mer en les isolant de la plaque froide qui elle se trouve sous les 0°C.
De réduire la puissance frigorifique de l’étal.

Le froid mixte

Ce type de meuble ou de vitrine frigorifique regroupe le froid convectif et conductif. On utilise ce système dans le cadre de l’exposition de denrées non emballées et relativement volumineuses. On évite de la sorte les problèmes lié :

Au froid convectif seul :
- La nécessité de descendre les températures d’évaporation de manière franchement négative (- 10 °C pour des températures à cœur des denrées de l’ordre de 0/+ 2 °C).
- Le besoin d’augmenter les vitesses de l’air entraînant des risques d’oxydation et de dessiccation des produits non emballés.
- La surface d’échange limitée.

Au froid conductif seul :
- Des apports frigorifiques limités par simple contact.
- Le risque de gel des denrées (du moins en surface) dans les applications positives.
- Une température des denrées hétérogènes.

Les rideaux d’air

Problématiques

La plupart des meubles ou vitrines frigorifiques sont ouverts par rapport à l’ambiance du commerce. Cette configuration est voulue afin de permettre au consommateur de voir, de toucher et de disposer des denrées très facilement. Cependant, l’écart de température entre le volume réfrigéré et l’ambiance du magasin peut, dans certains cas, atteindre les 45 à 50 K.

Cas des meubles horizontaux

Théoriquement, la densité importante de l’air froid favorise son maintien dans le volume utile de chargement ; ce qui est une bonne chose. Néanmoins, dans la pratique, un simple courant d’air dans un meuble rempli à la limite de chargement compromet le fragile équilibre. De plus, le volume utile froid a une pression partielle de vapeur plus faible que celle de l’air ambiant au dessus du meuble entraînant le passage de vapeur d’eau de l’ambiance vers le meuble. Le résultat final est la condensation de la vapeur d’eau sur les parois du meuble ou sur les produits stockés sous forme d’eau, de neige, de givre ou de glace.

Cas des meubles verticaux

Dans ce cas de figure, l’air froid à tendance à s’écouler et sortir du meuble réfrigérant. Des études poussées ont été menées afin de déterminer le comportement du flux d’air froid en fonction du chargement du meuble. En effet :

la position des denrées sur les étagères ;
leur masse (inertie thermique) ;
leur quantité (meuble vide, chargement total ou partiel) ;
l’absence d’espace vide;
la présence d’obstacle ;
la présence de courant d’air dans l’ambiance du magasin (v > 0,2 m/s) ;
…

change drastiquement le comportement aéraulique et thermique du meuble.

Solution

Pour limiter d’une part les échanges thermiques importants susceptibles de réchauffer et donc de dégrader les produits de consommation et d’autre part les pertes énergétiques au niveau de la production de froid, les fabricants ont introduit le rideau d’air.

Rôle des rideaux d’air

Comme on l’a vu ci-dessus, les rideaux d’air ont un rôle essentiel dans l’optimisation des meubles frigorifiques au niveau thermique et énergétique. Ils doivent permettre principalement :

L’accès aux denrées contenues dans le volume utile de chargement. De par sa composition intrinsèque, l’air n’offre pas de résistance et convient parfaitement.
De préserver l’ambiance froide intérieure du meuble à la température de conservation désirée.
De réduire et contrôler les échanges de chaleur sensible (dus aux écarts de températures entre l’ambiante du magasin et le meuble) ainsi les échanges d’humidité (dus aux écarts de pression partielle).
D’évacuer les apports thermiques par rayonnement des parois extérieures sur les denrées par convection forcée.
De maîtriser le bouclage de l’air en circuit fermé.

Type de rideaux d’air

On rencontre sur le marché différents types de rideaux d’air :

selon le type de meuble, horizontaux, inclinés ou verticaux ;
en circuit ouvert ou fermé;
simple ou multiples (certaines configurations sont à 3 rideaux parallèles);
à flux orienté ou non par des buses de soufflage;
selon la direction du flux pour les meubles verticaux (de haut en bas ou l’inverse);
selon la position (dans le volume réfrigéré, hors du volume réfrigéré, à la limite de chargement);
laminaires ou turbulents;
symétriques ou asymétriques;
…

Principales caractéristiques des rideaux d’air

Les différentes caractéristiques des rideaux d’air citées ci-dessous permettent d’évaluer l’efficacité thermique et énergétique que l’on peut attendre d’eux. Pour un rideau d’air type, on définit :

la portée H équivalant à l’ouverture du meuble ou encore la distance entre la buse de soufflage et la bouche de reprise;
la longueur Lv du rideau d’air correspondant à celle du meuble;
l’épaisseur B au niveau de la buse de soufflage;
la température t1, le titre de vapeur d’eau x1 et la vitesse v1 du flux d’air à la sortie de la buse de soufflage;
la direction A du flux d’air par rapport à l’horizontale pour les meubles horizontaux (gondoles par exemple) et la verticale pour les verticaux;
le sens (vers le bas, vers le haut, …);
les températures et les titres de vapeur d’eau que le rideau sépare :
- ambiance du magasin (ta, xa);
- ambiance interne du meuble (ti, xi)
le débit massique M1 à la buse de soufflage et à la bouche de reprise.

Les rideaux d’air symétriques

On dit d’un rideau d’air qu’il est symétrique lorsque le profil de vitesse par rapport à l’axe du flux du rideau est symétrique. Comme le montre la figure ci-dessus, sur la hauteur de l’ouverture du meuble, le flux d’air du rideau, par frottement et turbulence entraîne ou induit tant à l’extérieur qu’à l’intérieur des masses d’air grandissantes qui le freinent et l’alourdissent. L’induction des masses d’air tant externe qu’interne a pour effet de réchauffer le rideau d’air et de le charger en humidité en évitant ainsi qu’elle ne puisse migrer vers l’intérieur du meuble.

A la bouche de reprise, les masses induites tant à l’extérieur qu’à l’intérieur par le rideau d’air sont séparées :

à l’extérieur, une certaine quantité d’air froid est perdue;
à l’intérieur, une circulation secondaire se crée.

L’induction de l’air à l’extérieur correspond sensiblement à la perte d’air froid à la bouche de reprise. En d’autres termes, plus le rideau est efficace moins il induit d’air ambiant et moins il rejette d’air froid à la bouche de reprise.

L’air aspiré à la reprise a vu son enthalpie (son niveau énergétique) augmenter et par conséquent devra être refroidi au travers de l’évaporateur avant de recommencer un cycle. À noter que l’humidité qui a migré dans le rideau d’air se condensera sur l’évaporateur, d’où la nécessité de dégivrer régulièrement les évaporateurs pour éviter qu’ils ne « prennent en glace ».

Pour un meilleur bilan énergétique et thermique du meuble, il est nécessaire :

de réduire l’induction de l’air extérieur en diminuant la vitesse du rideau d’air et les turbulences;
d’augmenter l’échange thermique au travers de l’évaporateur et donc le débit.

Pour concilier ces deux nécessités antinomiques, les constructeurs ont placé sur les meubles verticaux par exemple des panneaux munis de bouches de soufflage (système en cascade) répartissant ainsi le flux d’air refroidi à la sortie de l’évaporateur entre les bouches secondaires et le rideau d’air. Il en résulte un débit au rideau d’air optimisé et un débit maximum au travers de l’évaporateur.

Les rideaux d’air asymétriques

On dit d’un rideau d’air qu’il est asymétrique lorsque le profil de vitesse par rapport à l’axe du flux du rideau est asymétrique. En général, on s’arrange pour que la vitesse à proximité de la limite de chargement soit plus importante que celle qui induit l’air ambiant tout en évitant que le flux devienne turbulent. Ce dispositif permet :

par convection, d’évacuer rapidement la chaleur accumulée en surface supérieure des denrées par rayonnement;
de réduire l’induction de chaleur et d’humidité de l’extérieur.

En général, on privilégie des rideaux d’air épais de manière à obtenir des débits suffisants à l’évaporateur pour un refroidissement efficace tout en garantissant des vitesses faibles de déplacement de l’air au niveau de l’ouverture du meuble.

Les évaporateurs

Spécificités

Les évaporateurs qui équipent les meubles frigorifiques sont assez différents des évaporateurs classiques. En effet, non seulement il est nécessaire d’optimiser la compacité des meubles afin de réduire leur emprise sur la surface de vente, mais aussi le volume utile de chargement. Ces deux critères font en sorte que l’espace réservé à l’évaporateur est réduit.

La conception et le dimensionnement des évaporateurs sont différents aussi selon que les meubles frigorifiques travaillent :

en convection forcée;
en convection naturelle;
en conduction.

Convection forcée

La technologie des évaporateurs par convection forcée fait appel à un flux d’air qui échange sa chaleur à une batterie d’ailettes en aluminium en contact intime avec un réseau de tubes en cuivre dans lequel circule un fluide frigorigène comme montré ci-dessous.

Puissance frigorifique

En pratique, les fabricants réalisent des évaporateurs relativement plats, mais longs afin de ne pas perdre trop de puissance frigorifique. Cette puissance frigorifique s’exprime par la relation suivante :

Po = K_o x S_E x Δt_mln [W]

P_o = coefficient global d’échange moyen [W/m².K]. Ce coefficient K_o prend en compte les échanges externes de chaleur tant sensible que latente (transfert de masse en eau ou en givre sur les surfaces externes des ailettes) entre l’air et les ailettes, et les échanges internes entre le fluide frigorigène et la surface interne des tubes.
S_E = surface d’échange externe [m²]. Pour un volume donné, la surface S_E est approchée par la relation suivante :

S_E ~ 2 x V_E / p [m²]

V_E = le volume de l’évaporateur.

Δt_mln = écart de température moyen logarithmique [K]. Cet écart théorique est représenté par la formule suivante :

Δt_mln = t₁ – t₂ / ln (t₁ – t₀ / t₂ – t₀) [K]

t₁ = la température de l’air à l’entrée de l’évaporateur.
t₂ = la température de l’air à la sortie de l’évaporateur.

Ordre de grandeur de puissance frigorifique

Le calcul de la puissance d’un évaporateur est très complexe. Aussi, il est plus simple dans la pratique de donner des ordres de grandeur de puissance frigorifique en fonction du type de comptoir.

FROID NEGATIF
Type de comptoir en convection forcée	Rideau d’air	Surface d’exposition [m²/ml]	Température d’application [°C]	Température d’évaporation [°C]	Puissance frigorifique [W/ml]
Gondole « self-service »	horizontal asymétrique laminaire	0,8	– 18 à -20	– 35	420 / 450
Gondole « self-service »	horizontal asymétrique laminaire	1,1	– 23 à -25		630 / 670
Meuble vertical « self service »	triple rideau parallèle et turbulent	1	– 18 à -20		1 900 / 2 100
Meuble vertical « self-service » à portes vitrées	intérieur turbulent	0,84	– 23 à -25		800 / 860
Condition climatique de l’ambiance : régime établi à 25 °C et HR de 60 %.

Convection naturelle

Les comptoirs à convection naturelle sont plus utilisés dans le commerce de détail. Les évaporateurs quant à eux ressemblent à ceux utilisés en convection forcée. L’air traverse l’évaporateur de haut en bas en se basant sur l’effet de mise en mouvement de l’air par la présence d’une différence de température entre l’air et les surfaces de l’évaporateur.

Puissance frigorifique

Un peu comme en convection forcée, la puissance frigorifique s’exprime par la relation principale suivante :

Po = f₁ x α_eN x S_E x Δt_N [W]

f₁ = coefficient prenant en compte la puissance latente due au transfert de masse en l’air humide et la surface de l’évaporateur (eau et givre).
α_eN = coefficient d’échange moyen en convection naturelle [W/m².K].
S_E = surface d’échange externe [m²]. Pour un volume donné, la surface S_E est approchée par la relation suivante :

S_E ~ 2 x V_E / p [m²]

V_E = le volume de l’évaporateur.

Δt_N = écart de température entre la température de l’air à l’entrée de l’évaporateur et la température de surface de l’ailette.

Ordre de grandeur de puissance frigorifique

FROID POSITIF
Type de comptoir en convection forcée	Surface d’exposition [m²/ml]	Température d’application [°C]	Température d’évaporation [°C]	Puissance frigorifique [W/ml]
Vitrine pour les commerces de détail principalement	0,8 (protection de la vitrine par rapport à l’ambiance sous forme de vitrage	+ 2 à + 4	– 10	200 / 220
Condition climatique de l’ambiance : régime établi à 25 °C et HR de 60 %.

Conduction

Dans le cas des étals par exemple, on s’arrange pour que la température de la « plaque froide » soit plus basse que celle des denrées qui sont en contact avec elle. Le système utilise une plaque en inox en contact thermique intime avec un serpentin de tuyau en cuivre. Les déperditions « négatives » ou pénétrations de la chaleur au dos de l’ensemble de la plaque et du serpentin et le risque de condensation sont limitées par un isolant performant. En pratique, on s’arrange pour que l’écart de température entre la plaque froide et le fluide réfrigérant soit aux alentours des 5 K. Par cet écart, on tient compte :

de la perte d’efficacité due au contact limité entre la plaque et le serpentin;
de l’effet ailette de la plaque froide inter-tube ;
de l’imperfection de l’isolation ;
…

La puissance frigorifique s’exprime approximativement par la relation principale suivante :

Po = S_p x A x (t_a – t_sf) [W]

S_p = surface de la plaque froide [m²].
A = coefficient d’échange moyen [W/m².K]. Il vaut de l’ordre de 10 pour une plaque disposée au sein d’une vitrine et 16 pour une plaque en contact direct avec l’air ambiant.
t_a = température ambiante [K].
t_sf = température moyenne de la surface de la plaque froide [K].

Protections des ouvertures

Rôles

Les protections d’ouverture des meubles frigorifiques sont indispensables sur le plan de la conservation des denrées ainsi qu’au niveau énergétique lorsque les commerces ne sont plus occupés (la nuit, les dimanches, …). En effet, les 2/3 du temps les commerces sont fermés. Les déperditions « négatives » ou pénétrations thermiques des meubles sont principalement dues aux ouvertures (pertes par induction et rayonnement) et représentent les 3/4 des kWh perdus lorsqu’on établit le bilan énergétique du meuble, mais aussi du groupe frigorifique associé. D’où la nécessité pendant les périodes d’inoccupation de prévoir des protections. On les appelle communément les rideaux ou les manteaux de nuit.

Photo protections des ouvertures.

Risques des protections

Généralement, les risques majeurs lors du placement de protection des ouvertures sont :

le gel des denrées;
le mauvais fonctionnement des compresseurs frigorifiques (« court-cycle »);
la condensation d’eau sur les denrées.

Caractéristiques

Les technologies utilisées pour les protections de nuit sont diverses et inventives. On citera :

Les rideaux de nuit manuels et automatiques (motorisation sur horloge par exemple) qui peuvent équiper la plupart des meubles frigorifiques qu’ils soient horizontaux, verticaux, positifs ou négatifs. Ces rideaux sont généralement composés d’une toile souple, peuvent être réfléchissants (limitation de l’échange par rayonnement), microperforés (réduction du risque de condensation). Enfin, les rideaux peuvent être placés devant ou derrière le rideau d’air.
Les couvertures souples, rigides non isolées, rigides isolées. Il est bien entendu que les couvertures rigides isolées constituent le « must » des protections puisqu’elles isolent complètement les denrées des agressions externes. Elles conviennent bien pour les applications en froid négatif horizontal. Suivant qu’elles sont placées au-dessus (risque de condensation sur la face supérieure) ou en dessous, les couvertures doivent permettre la réception d’eau de condensation. En froid négatif, les couvertures peuvent permettre de gagner entre 4 et 10 K de température au niveau des denrées les plus sollicitées.

L’éclairage

Spécificités

Les éclairages des meubles frigorifiques doivent remplir une mission particulière. Spécifiquement, ils sont sensés :

Mettre en évidence les denrées contenues dans le volume utile de chargement pour favoriser la vente.
Eviter l’éblouissement des clients et du personnel.
Répartir uniformément le flux lumineux.
Eviter de réchauffer les denrées.
Et naturellement avoir un rendement énergétique performant.

Caractéristiques

La technologie utilisée dans le froid alimentaire est souvent celle des tubes fluorescents disposés derrière des frontons, sous les étagères, …. Ce type d’éclairage est efficace tant au niveau du confort, de la vente et énergétique pour autant que l’ambiance autour des tubes ne soit trop froide. En effet, les basses températures affectent fort le rendement lumineux des lampes fluorescentes.

Tubes fluorescents

A en croire la modularité des meubles frigorifiques, on dirait presque que c’est la technologie du froid alimentaire qui s’est adaptée à celle de l’éclairage plutôt que l’inverse. Effectivement, les modules de 1,2 m permettent d’intégrer très facilement des tubes fluorescents de la gamme des T8 ainsi que des T5.

Tube fluorescent sous tablette.

Modularité	Technologie T8	Technologie T5
1,2 m	36 W	28, 54 W
1,5 m	58 W	35, 49 W

LED de puissance

Actuellement, des constructeurs sont en train d’effectuer des essais sur les bandeaux de LED de puissance. Il est encore trop tôt pour se prononcer sur l’avenir des LED dans les comptoirs frigorifiques.

Category Archives: Froid alimentaire

Liaison froide positive

Liaison froide négative

Avantages

Inconvénients

Définitions

Détente directe

Refroidissement indirect

Frigoporteur

Les types de frigoporteur

Frigoporteurs monophasiques

Avantages

Inconvénients

Frigoporteurs diphasiques (liquide + solide)

Avantages

Inconvénients

Frigoporteurs diphasiques (liquide + vapeur)

Avantages

Inconvénients

Les types de boucle

Technologie monotube

Avantages

Inconvénients

Technologie bitube simple

Avantages

Inconvénients

Technologie bitube avec vannes 3 voies montées en décharge

Avantages

Inconvénients

Fonctionnement

Différentes technologies de détendeurs

Le détendeur thermostatique

Le détendeur électronique

Le détendeur capillaire

Le détendeur pressostatique

Comparaison entre les détendeurs thermostatiques et électroniques

Le détendeur thermostatique

Le détendeur électronique

Origine du givre et conséquences sur l’installation frigorifique

Du côté de la chambre froide ou du meuble frigorifique

Du côté du circuit frigorifique

Les étapes du dégivrage

1. Arrêt du fluide frigorigène dans la batterie à dégivrer

2. Arrêt de la ventilation de l’évaporateur

3. Réchauffage de la batterie jusqu’à une température supérieure à 0°C pour faire fondre la glace

4. Remise en circulation du fluide frigorigène

5. Remise en fonctionnement de la ventilation

6. Reprise du cycle normal de refroidissement

Les différentes techniques de réchauffage de la batterie

Régulation du dégivrage

La régulation par horloge

La régulation électronique intelligente

Première technique

Seconde technique

Compresseur à pistons

Compresseurs à pistons, construction ouverte

Compresseurs à pistons, construction semi-hermétique ( ou « hermétique accessible »)

Froid positif

Froid négatif

Technologie

Compresseur spiro-orbital, dit « scroll »

Compresseur à vis

Caractéristiques

L’impact environnemental

Indices d’impact

ODP (Ozone Depletion Potential)

GWP (Global Warning Potential)

TEWI (Total Equivalent Warning Impact)

Les fluides frigorigènes fluorés

Fluides frigorigènes fluorés

CFC (chlorofluorocarbures) (interdits de production depuis janvier 1995)

HCFC (hydrochlorofluorocarbures) (utilisation interdite au Ier Janvier 2015)

HFC (hydrofluorocarbures) (utilisation réduite progressivement jusqu’en 2030)

Mélange de fluides frigorigènes

Les fluides à bas « effet de serre »

L’ammoniac (NH3) ou R-717

Les hydrocarbures (HC) comme R-290 R-600a

Le dioxyde de carbone (CO2) ou R-744

L’eau (H2O)

Synthèse

Compresseurs à pistons, construction semi-hermétique
( ou « hermétique accessible »)

Le dioxyde de carbone (CO₂) ou R-744