Condenseur et tour de refroidissement

Vue synoptique Fonctionnement d'un condenseur

Fonctionnement d'une tour de refroidissement

Les condenseurs air

Les condenseurs eau

Les aro-refroidisseur (ou dry cooler)

Les tours de refroidissement

Vue synoptique

La chaleur extraite par une machine frigorifique doit tre vacue vers l'extrieur. Le plus simple est de refroidir le fluide frigorigne avec l'air extrieur:

Mais la puissance de refroidissement est parfois trop faible. On peut la renforcer grce l'vaporation d'eau supplmentaire(lorsque de l'eau s'vapore, la chaleur de la vaporisation est "pompe" sur la goutte d'eau qui reste et qui donc se refroidit):

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

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

Trois types d'changeur sont rencontrs:

1 L'aro-refroidisseur:

L'eau est directement refroidie par l'air.

2 La tour de refroidissement ferme:

Une puissance supplmentaire est donne par pulvrisation d'une eau indpendante du circuit.

3 La tour de refroidissement ouverte:

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

Fonctionnement d'un condenseur

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

En thorie, la condensation se droule en 3 phases:

Phase 1, la dsurchauffe du fluide frigorigne, qui, sortant du compresseur sous forme de gaz trs chauds (parfois jusqu' 70C), va se refroidir et donner sa chaleur sensible.

Phase 2, la condensation du fluide, moment o l'essentiel de la chaleur est donne sous forme de chaleur latente.

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

En pratique, ce dcoupage en phases ne se fait pas vraiment ainsi. Le fluide frigorigne 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 son tour. Enfin, le gaz qui est au centre du tube dsurchauffe 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 simultanes...

Fonctionnement d'une tour de refroidissement

Un litre d'eau vapore vacue 2500kJ de chaleur.

Pour obtenir le mme effet avec le refroidissement de l'eau, on devrait refroidir 60litres d'eau de 10C... (sur base d'une capacit 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 pulvrise en micro-goutelettes, puis ruisselle sur une surface d'change eau-air. Un ou plusieurs ventilateurs provoquent un courant contraire ascendant. Du fait de l'change avec l'air froid et de l'vaporation partielle, la temprature de l'eau diminue. L'eau refroidie est recueillie dans un bac et repart vers le condenseur.

En thorie, si l'change tait parfait (surface d'change infinie), l'eau refroidie atteindrait la temprature humide de l'air. Par exemple, si l'air extrieur est de 30C, 40% HR, sa temprature humide est de 20C 100%HR. Mais l'eau n'atteidra pas cette valeur. En pratique, elle sera de 3 8C au-dessus de cette valeur, suivant le dimensionnement du bureau d'tudes (pour atteindre 3C, il faut dimensionner largement la tour). Cette valeur est appele l'"approche".

Comparons les systmes en fixant des valeurs moyennes: une temprature d'air de 30C 40%HR, une "approche" de 5C, un pincement des changeurs de 6C et un chauffement de la temprature de l'eau de 7C.

- - Entre condens. Sortie condens.Tcondensat.fluide frig.

Condens. airnormal T air sec= 30 T air= 30 T air= 37 43

avec vaporation d'eau T air sec= 30 T air= 25 T air= 32 38

Condens. eautour ouverte T air humide= 20 T eau cond= 25 T eau cond= 32 38

tour ferme T eau pulvr.= 25 T eau cond= 31 T eau cond= 38 44

dry-cooler T air sche= 30 T eau cond= 36 T eau cond= 43 49

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

Les condenseurs air

L'vacuation de la chaleur du circuit frigorifique est assure au travers d'un changeur direct fluide frigorigne/air.

Le gaz chaud du rfrigrant cde sa chaleur l'air traversant le condenseur et passe l'tat liquide. Le dbit et la temprature du flux d'air dterminent la puissance du condenseur.

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

Deux types de ventilateur sont utiliss:

Ventilateur axialVentilateur centrifuge

Les condenseurs eau

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

Ordre de grandeur du coefficient d'change d'un condenseur eau: 700 1100[W/m.K]

Les performances du condenseur seront fonction de:

la diffrence de temprature entre le rfrigrant et l'eau,

la vitesse de l'eau (le dbit),

le coefficient d'encrassement,

la nature du fluide frigorigne.

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

On peut utiliser galement l'eau de nappes phratiques, de lac ou de rivire (demander l'autorisation). Les eaux contiennent alors plus ou moins d'impurets qui se dposent sur les tubes. Ces dpts peuvent rduire considrablement le coefficient de transfert de chaleur. A dfaut de la mise en place d'un systme de nettoyage automatique, il faut surdimensionner l'changeur de sorte que les performances de l'installation restent suffisantes.

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

Les aro-refroidisseur (ou dry cooler)

L'arorefroidisseur est un simple changeur eau/air: un ou plusieurs ventilateurs forcent le passage de l'air extrieur pour acclrer le refroidissement.

Cette batterie dchange convient en toute saison, puisque en ajoutant un antigel (type glycol), elle est insensible au gel.

Elle prsente donc l'intrt de refroidir le condenseur de la machine frigorifique ... distance! Le groupe frigorifique peut tre en cave et l'aro-refroidisseur en toiture: la boucle d'eau organisera le transfert.

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

Elle nest pas aussi performante qu'une tour de refroidissement avec pulvrisation d'eau puisque la temprature de refroidissement est limite la temprature de lair extrieur...

Boucle d'eau

L'eau de refroidissement tourne en circuit ferm entre le condenseur et l'aro-refroidisseur. On doit ds lors prvoir un vase d'expansion et une soupape de sret sur la boucle. Des purgeurs seront placs 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 mme eau qui circule ("eau morte").

Rgulation

Gnralement, un thermostat plac sur la boucle d'eau actionne le ou les ventilateurs en fonction de la temprature.

C'est le point faible de l'arorefroidisseur: la temprature de l'eau de refroidissement est leve.

D'une part, parce qu'il y a un double change: fluide/eau glycole - eau glycole/air, et donc un Delta T supplmentaire.

D'autre part, parce que l'air de refroidissement peut tre lev en t.

Or, si l'air de refroidissement est chaud, l'eau sera encore plus chaude et, dans le condenseur, la pression de condensation sera trs leve. Le compresseur verra ds lors sa consommation nergtique augmenter.

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

Ce systme doit donc tre limit aux installations de moyenne puissance.

Les tours de refroidissement

Dans une tour de refroidissement, on va profiter de l'effet de refroidissement cr par la vaporisation de l'eau. En effet, pour passer l'tat vapeur, l'eau a besoin d'nergie. Et cette nergie, elle la prend sur elle-mme. Une eau qui s'vapore ... se refroidit.

Tour ouverte

On parle de tour "ouverte" si c'est l'eau de refroidissement elle-mme, venant du condenseur, qui est pulvrise. C'est le systme le plus efficace qui entrane le refroidissement le plus lev. Mais le contact entre l'eau et l'atmosphre est source de corrosion (oxygnation de l'eau, introduction de poussires et de grains de sable qui risquent de se dposer dans le condenseur, risque de gel accru,...).

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

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

Tour ferme

On parle de tour "ferme" si l'eau du circuit de refroidissement circule dans un changeur ferm sur lequel de l'air extrieur est puls, et de l'eau est pulvrise. Il s'agit soit d'une tour ...?

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

Voici l'exemple adapt pour une armoire de climatisation:

La consommation d'eau se limite la quantit d'eau vapore (prsence d'une alimentation par flotteur), plus un faible volume lors de purges pour liminer les impurets qui se sont concentres dans le fond du bac.