Condenseur et tour de refroidissement

Vue synoptique

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

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

Problème :parfois, la distance entre le groupe et la toiture est fort élevée et la perte de charge sur le circuit frigorifique serait trop importante.

Aussi, un circuit d'eau est créé : l'eau refroidit le fluide frigorifique et l'air refroidit l'eau !

Trois types d'échangeur sont rencontrés :

1° L'aéro-refroidisseur :

L'eau est directement refroidie par l'air.

   

2° La tour de refroidissement fermée :

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

3° La tour de refroidissement ouverte :

Cette fois, c'est l'eau qui traverse le condenseur qui est directement pulvérisée et en partie évaporée.

Fonctionnement d'un condenseur

Le fonctionnement du condenseur s'intègre dans un fonctionnement global de la machine frigorifique.

En théorie, la condensation se déroule en 3 phases :

> Phase 1, la désurchauffe du fluide frigorigène, qui, sortant du compresseur sous forme de gaz très chauds (parfois jusqu'à 70°C), va se refroidir et donner sa chaleur sensible.

> Phase 2, la condensation du fluide, moment où l'essentiel de la chaleur est donnée sous forme de chaleur latente.

> Phase 3, le sous-refroidissement du liquide, communiquant encore de la chaleur sensible au fluide refroidisseur.

En pratique, ce découpage en phases ne se fait pas vraiment ainsi. Le fluide frigorigène circule dans un tube en contact avec l'eau ou l'air. Le fluide qui touche le tube est liquide et se sous-refroidit. Le fluide qui est en contact avec ce liquide condense à son tour. Enfin, le gaz qui est au centre du tube désurchauffe simplement. A la limite, le gaz au coeur du tube ne sait pas qu'il y a un refroidissement sur les parois !

Les 3 phases sont donc simultanées...

Fonctionnement d'une tour de refroidissement

Un litre d'eau évaporée évacue 2 500 kJ de chaleur.

Pour obtenir le même effet avec le refroidissement de l'eau, on devrait refroidir 60 litres d'eau de 10°C... (sur base d'une capacité calorifique de l'eau de 4,18 [kJ/kg.K].

C'est sur ce principe physique que la tour de refroidissement fonctionne. Ainsi, dans la tour ouverte, l'eau chaude issue du condenseur est pulvérisée en micro-goutelettes, puis ruisselle sur une surface d'échange eau-air. Un ou plusieurs ventilateurs provoquent un courant contraire ascendant. Du fait de l'échange avec l'air froid et de l'évaporation partielle, la température de l'eau diminue. L'eau refroidie est recueillie dans un bac et repart vers le condenseur.

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

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

	-	-	Entrée condens.	Sortie condens.	T°condensat. fluide frig.
Condens. à air	normal	T° air sec = 30°	T° air = 30°	T° air = 37°	43°
	avec évaporation d'eau	T° air sec = 30°	T° air = 25°	T° air = 32°	38°
Condens. à eau	tour ouverte	T° air humide = 20°	T° eau cond = 25°	T° eau cond = 32° regulation-clim.blogspot.com/	38°
	tour fermée	T° eau pulvér. = 25°	T° eau cond = 31°	T° eau cond = 38°	44°
	dry-cooler	T° air séche = 30°	T° eau cond = 36°	T° eau cond = 43°	49°

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

Les condenseurs à air

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

Le gaz chaud du réfrigérant cède sa chaleur à l'air traversant le condenseur et passe à l'état liquide. Le débit et la température du flux d'air déterminent la puissance du condenseur.

La vitesse moyenne de passage de l'air est de 2 à 4 m/s. Ordre de grandeur du coefficient d'échange d'un condenseur à air : 20 à 30 [W/m².K]

Deux types de ventilateur sont utilisés :

Ventilateur axial.

Ventilateur centrifuge.

Les condenseurs à eau

On parle de condenseur à "refroidissement indirect", puisque cette fois, le gaz chaud du réfrigérant cède sa chaleur à de l'eau circulant dans le condenseur.

Ordre de grandeur du coefficient d'échange d'un condenseur à eau : 700 à 1 100 [W/m².K]

Les performances du condenseur seront fonction de :

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

Pour le refroidissement, on peut utiliser l'eau du réseau (eau potable), mais cette solution n'est pas adéquate vu la consommation exorbitante d'eau qu'elle entraîne !

On peut utiliser également l'eau de nappes phréatiques, de lac ou de rivière (demander l'autorisation). Les eaux contiennent alors plus ou moins d'impuretés qui se déposent sur les tubes. Ces dépôts peuvent réduire considérablement le coefficient de transfert de chaleur. A défaut de la mise en place d'un système de nettoyage automatique, il faut surdimensionner l'échangeur de sorte que les performances de l'installation restent suffisantes.

Plus classiquement, il s'agira d'un circuit d'eau, ouvert ou fermé. C'est le cas le plus fréquent. Il entraîne l'utilisation d'une tour de refroidissement.

Les aéro-refroidisseur (ou dry cooler)

L'aérorefroidisseur est un simple échangeur eau/air : un ou plusieurs ventilateurs forcent le passage de l'air extérieur pour accélérer le refroidissement.

Cette batterie d'échange convient en toute saison, puisqu' en ajoutant un antigel (type glycol), elle est insensible au gel.

Elle présente donc l'intérêt de refroidir le condenseur de la machine frigorifique ... à distance ! Le groupe frigorifique peut être en cave et l'aéro-refroidisseur en toiture : la boucle d'eau organisera le transfert.

Un exemple simple est donné par une armoire de climatisation d'un local informatique :

Elle n'est pas aussi performante qu'une tour de refroidissement avec pulvérisation d'eau puisque la température de refroidissement est limitée à la température de l'air extérieur...

Boucle d'eau

L'eau de refroidissement tourne en circuit fermé entre le condenseur et l'aéro-refroidisseur. On doit dès lors prévoir un vase d'expansion et une soupape de sûreté sur la boucle. Des purgeurs seront placés aux points hauts de la boucle.

Un gros avantage (surtout par rapport aux tours ouvertes) est qu'il n'y a pas de risque d'entartrage ou de corrosion du circuit puisqu'il s'agit toujours de la même eau qui circule ("eau morte").

Régulation

Généralement, un thermostat placé sur la boucle d'eau actionne le ou les ventilateurs en fonction de la température.

C'est le point faible de l'aérorefroidisseur : la température de l'eau de refroidissement est élevée

• D'une part, parce qu'il y a un double échange : fluide/eau glycolée - eau glycolée/air, et donc un Delta T° supplémentaire.
• D'autre part, parce que l'air de refroidissement peut être élevé en été.

Or, si l'air de refroidissement est chaud, l'eau sera encore plus chaude et, dans le condenseur, la pression de condensation sera très élevée. Le compresseur verra dès lors sa consommation énergétique augmenter.

Proportionnellement, la tour de refroidissement aura un meilleur rendement... mais une sensibilité à la corrosion plus forte...

Ce système doit donc être limité aux installations de moyenne puissance.

Les tours de refroidissement

Dans une tour de refroidissement, on va profiter de l'effet de refroidissement créé par la vaporisation de l'eau. En effet, pour passer à l'état vapeur, l'eau a besoin d'énergie. Et cette énergie, elle la prend sur elle-même. Une eau qui s'évapore ... se refroidit.

Tour ouverte

On parle de tour "ouverte" si c'est l'eau de refroidissement elle-même, venant du condenseur, qui est pulvérisée. C'est le système le plus efficace qui entraîne le refroidissement le plus élevé. Mais le contact entre l'eau et l'atmosphère est source de corrosion (oxygénation de l'eau, introduction de poussières et de grains de sable qui risquent de se déposer dans le condenseur, risque de gel accru,...).

Un exemple simple est donné ci-dessous pour une armoire de climatisation d'un local informatique :

A noter qu'il existe des tours ouvertes sans ventilateurs. La pulvérisation d'eau est réalisée avec une pression assez élevée et cette pulsion d'eau entraîne l'air avec elle par effet induit (effet Venturi). L'avantage premier est la diminution des bruits et des vibrations.

Tour fermée

On parle de tour "fermée" si l'eau du circuit de refroidissement circule dans un échangeur fermé sur lequel de l'air extérieur est pulsé, et de l'eau est pulvérisée. Il s'agit soit d'une tour ...?

L'évaporation partielle de l'eau entraîne un refroidissement plus faible que dans le cas de la tour ouverte, mais les risques de corrosion sont annulés.

Voici l'exemple adapté pour une armoire de climatisation :

La consommation d'eau se limite à la quantité d'eau évaporée (présence d'une alimentation par flotteur), plus un faible volume lors de purges pour éliminer les impuretés qui se sont concentrées dans le fond du bac.

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