Refroidisseurs de refroidissement : une introduction

Lorsque nous pensons aux refroidisseurs, nous pensons généralement aux systèmes conçus pour faire le gros du travail lorsqu'il s'agit de refroidir de grandes installations - magasins de détail, tours de bureaux, centres commerciaux, terminaux d'aéroport, campus universitaires, etc. Bien qu'ils soient principalement destinés au refroidissement, les refroidisseurs produisent de la chaleur qui peut également être utilisée, comme pour l'eau chaude sanitaire ou même le chauffage des locaux, souvent avec une assistance.

En termes simples, un refroidisseur utilise un réfrigérant et les principes de la thermodynamique pour évacuer la chaleur d'un espace conditionné. Mais « refroidisseur » est un terme large qui englobe différentes configurations de système, technologies de réfrigération et méthodes de rejet de la chaleur capturée.

Il existe deux principaux types de refroidisseurs. Les refroidisseurs à compression utilisent un système mécanique pour modifier l'état du réfrigérant et le déplacer. Les refroidisseurs à absorption utilisent une source de chaleur pour piloter le cycle de réfrigération.

Le NEWS a récemment demandé à des experts de l'industrie d'expliquer divers systèmes et technologies de refroidisseurs, ainsi que les avantages, les limites et les utilisations typiques de différents types de refroidisseurs. Voici ce qu'ils avaient à dire.

Comment ça fonctionne:Les principaux composants d'un refroidisseur à compression sont un évaporateur, un compresseur motorisé, un condenseur et un détendeur, a déclaré Rob Tanner, directeur du marketing produit pour les équipements appliqués chez Johnson Controls Inc.

Un refroidisseur à compression comprime mécaniquement un gaz réfrigérant et l'envoie dans le cycle de réfrigération à compression. "Dans ce cycle, de l'eau réfrigérée est produite dans l'évaporateur et est envoyée à travers des serpentins de refroidissement dans les unités de traitement d'air (AHU) situées dans tout le bâtiment", a déclaré Tanner.

COURIR AU CHAUD ET AU FROID : La pompe à chaleur YORK CYK est une combinaison refroidisseur-pompe à chaleur qui utilise deux compresseurs centrifuges pour fournir des températures d'eau plus élevées par rapport à un refroidisseur avec récupération de chaleur, et peut fournir simultanément de l'eau chaude et de l'eau réfrigérée. L'unité peut économiser sur la consommation d'eau et les coûts d'exploitation par rapport à l'association d'un refroidisseur et d'une chaudière pour le refroidissement et le chauffage. (Avec l'aimable autorisation de Johnson Controls Inc.)

L'air est soufflé sur les serpentins de refroidissement, et les AHU déplacent l'air refroidi à travers le bâtiment et transfèrent la chaleur indésirable dans le circuit d'eau du refroidisseur. Selon Jeff Sturgeon, directeur du centre de formation de Californie du Sud au National Comfort Institute (NCI), la chaleur est absorbée dans le réfrigérant circulant dans l'échangeur de chaleur, puis retourne au compresseur.

"Après le rejet de chaleur, l'eau réfrigérée retourne au condenseur pour répéter le cycle", a déclaré Tanner.

Un refroidisseur à compression utilise l'une des quatre technologies de compression mécanique.

Les compresseurs centrifuges utilisent des roues rotatives pour ajouter de l'énergie cinétique au réfrigérant, a déclaré Eddie Rodriguez, chef de produit senior chez Danfoss. "La roue à aubes augmente alors la vitesse du fluide, ce qui ajoute de l'énergie et augmente la pression", a-t-il déclaré.

Les compresseurs à vis, à spirale et alternatifs augmentent tous la pression du réfrigérant en diminuant son volume, a déclaré Rodriguez. Un compresseur à vis utilise une vis hélicoïdale rotative, un compresseur à volutes associe une volute fixe à une volute orbitale pour créer la pression, et un compresseur alternatif utilise un système à piston ; les trois technologies sont appelées "déplacement positif", a déclaré Rodriguez.

TURBOCEUR : Un compresseur centrifuge Danfoss Turbocor TGS380, utilisé dans les refroidisseurs à compression de vapeur. La technologie Turbocor utilise des roulements magnétiques sans huile, un entraînement à vitesse variable, une compression à deux étages et un moteur synchrone à aimant permanent. (Avec l'aimable autorisation de Danfoss)

Applications: La capacité de refroidissement des refroidisseurs à compression varie considérablement selon le type de technologie de compression utilisée. Les refroidisseurs à compression scroll et alternative sont généralement utilisés pour les applications plus petites, les refroidisseurs à compression à vis sont destinés aux applications de taille moyenne et les refroidisseurs à compression centrifuge sont destinés aux applications moyennes à grandes, a déclaré Rodriguez.

"Les refroidisseurs à compression de vapeur sont des systèmes dynamiques qui peuvent être conçus pour répondre à un large éventail de demandes d'installations et d'objectifs de décarbonisation", a déclaré Tanner.

Les refroidisseurs refroidis par air avec compresseurs scroll peuvent avoir une capacité comprise entre 15 et 35 tonnes de réfrigération, a déclaré Tanner, tandis que, pour les applications plus importantes, certains modèles de refroidisseurs, équipés chacun de deux compresseurs centrifuges, peuvent fournir jusqu'à 6 000 tonnes.

"La mise en place de plusieurs refroidisseurs peut être nécessaire, en fonction des charges de refroidissement", a déclaré Tanner. "De plus, plusieurs types de refroidisseurs peuvent être combinés pour atteindre la charge et les performances souhaitées. La redondance dans la conception du système de refroidissement peut également être avantageuse dans les installations critiques telles que les hôpitaux et les centres de données pour minimiser les temps d'arrêt."

Avantages:Les avantages des refroidisseurs à compression, a déclaré Tanner, comprennent leur large plage de capacité et leur capacité à répondre aux importantes demandes de refroidissement des grands bâtiments.

Considérations :Les inconvénients, selon les experts, comprennent le bruit du compresseur, qui peut être plus élevé dans les refroidisseurs à piston, et le besoin d'espace dans un sous-sol ou une salle mécanique pour accueillir l'équipement (des charges de refroidissement plus importantes nécessitent des empreintes de refroidisseur plus importantes).

Comment ça fonctionne: Un refroidisseur à absorption s'appuie sur une source de chaleur, ou chaleur perdue, pour commencer le cycle de réfrigération à absorption. Un réfrigérant, généralement de l'eau, est mélangé à une autre solution qui fonctionne comme un absorbant, généralement du bromure de lithium mais parfois de l'ammoniac, a déclaré Sturgeon.

Au fur et à mesure que le mélange est chauffé, l'eau se transforme en vapeur, a déclaré Tanner. "Le bromure de lithium retourne dans la chambre d'absorption et la vapeur d'eau monte dans le condenseur", a-t-il déclaré. "La vapeur d'eau se déplace ensuite vers une tour de refroidissement, où elle se condense à nouveau dans un liquide et s'écoule dans un évaporateur à basse pression. En raison de cette chute soudaine de pression, l'eau est rapidement refroidie à une température basse soudaine. L'eau refroidie circule sur un circuit d'eau scellé séparé qui transporte la chaleur indésirable de l'intérieur du bâtiment."

Applications: Les applications des refroidisseurs à absorption ont traditionnellement été limitées en raison de leur dépendance à une source de chaleur, a déclaré Tanner, mais l'utilisation de la chaleur résiduelle récupérée élargit les applications. "Le département américain de l'énergie a identifié les refroidisseurs à absorption comme l'un des principaux systèmes de production combinée de chaleur et d'électricité (CHP) nécessaires pour générer une énergie abordable, fiable et à faibles émissions", a-t-il déclaré.

Les refroidisseurs à absorption peuvent varier en taille, des refroidisseurs à gaz à usage résidentiel qui fournissent deux tonnes de refroidissement jusqu'aux grands refroidisseurs d'une capacité allant jusqu'à 5 000 tonnes, a déclaré Sturgeon. Ils sont généralement utilisés pour les bâtiments de taille moyenne et grande ainsi que pour la construction de campus, a-t-il déclaré.

Avantages: Selon les experts, les avantages comprennent des niveaux de bruit réduits par rapport à l'utilisation de refroidisseurs à compression ; efficacité, en particulier lorsque la chaleur résiduelle est utilisée comme source de chauffage ; et un manque de pièces mobiles qui signifie généralement des coûts de maintenance réduits.

Considérations :Les limites, selon Tanner, sont qu'un refroidisseur à absorption qui utilise la chaleur perdue nécessite une source de chaleur de haute qualité et que la solution de bromure de lithium utilisée comme absorbant risque de se cristalliser.

Alors que les refroidisseurs assurent le refroidissement d'un espace, ils doivent eux-mêmes être refroidis ; c'est-à-dire que la chaleur captée doit être rejetée du système. Cela peut être fait par l'eau, par l'air et par évaporation.

Comment ça fonctionne: Avec le refroidissement par eau, la chaleur captée est rejetée du bâtiment en refroidissant le condenseur avec de l'eau dans une tour de refroidissement extérieure, qui est généralement située sur le toit ou à côté du bâtiment. Une partie de l'eau utilisée pour refroidir le condenseur s'évapore dans l'atmosphère.

Applications: Le refroidissement par eau peut être utilisé pour les refroidisseurs à compression ou les refroidisseurs à absorption, bien que Tanner ait déclaré que les refroidisseurs à compression centrifuge sont principalement refroidis à l'eau. Les refroidisseurs à eau peuvent être utilisés dans des bâtiments de différentes tailles, mais sont plus courants dans les grandes installations.

Avantages: Le refroidissement par eau peut rejeter la chaleur des refroidisseurs ayant la capacité d'évacuation de la chaleur la plus élevée ; est efficace, en particulier pour les grandes charges de refroidissement ; et réduit les coûts énergétiques, par rapport au refroidissement par air, en utilisant de l'eau au lieu de ventilateurs électriques, a déclaré Tanner.

Considérations : Les refroidisseurs à eau nécessitent un approvisionnement constant en eau, ce qui pourrait poser un problème dans les zones soumises à des mandats de conservation de l'eau, a déclaré Tanner. Parce qu'ils ont plus de composants, les refroidisseurs à eau ont des coûts d'installation et de maintenance plus élevés, et ils nécessitent également une empreinte système plus importante, a déclaré Rodriguez.

Comment ça fonctionne:"Les refroidisseurs refroidis par air dispersent la chaleur dans l'atmosphère grâce au fonctionnement de ventilateurs électriques forcés sur un condenseur ouvert", a déclaré Tanner.

"La chaleur de la charge de l'application est transférée de la boucle d'eau réfrigérée de l'évaporateur au réfrigérant dans le condenseur", a expliqué Rodriguez. "La chaleur du condenseur est ensuite rejetée dans l'atmosphère à l'aide de ventilateurs."

Applications:Les refroidisseurs à air peuvent être utilisés dans une variété d'applications et sont plus susceptibles d'être trouvés dans les petits bâtiments.

Avantages: Un refroidisseur refroidi par air a une empreinte plus compacte par rapport à un refroidisseur refroidi par eau de capacité similaire et élimine le besoin d'une tour de refroidissement. "Les systèmes peuvent souvent être installés sur le toit ou au sol", a déclaré Tanner. Les refroidisseurs à air utilisent également moins d'eau et ont des coûts de maintenance et d'installation inférieurs.

Considérations : Les limites, cependant, comprennent des capacités de refroidissement inférieures à celles des refroidisseurs refroidis par eau et une efficacité énergétique réduite en raison de l'utilisation d'électricité pour alimenter les ventilateurs de refroidissement. À mesure que la température de l'air extérieur augmente, a déclaré Sturgeon, la capacité et l'efficacité d'un refroidisseur à air sont réduites.

Comment ça fonctionne:Le refroidissement par évaporation peut être décrit comme un hybride de refroidissement par eau et de refroidissement par air, ont déclaré Sturgeon et Troy Reineck, qui gèrent la formation chez Evapco Inc., qui conçoit et fabrique des équipements de transfert de chaleur.

Alors que le refroidissement par eau, ou refroidissement par évaporation indirecte, implique une certaine évaporation au niveau de la tour de refroidissement, "le refroidissement par évaporation directe utilise l'évaporation à l'entrée du serpentin du condenseur sur un refroidisseur refroidi par air pour réduire les impacts de l'air ambiant sur les performances et l'efficacité", a déclaré Sturgeon. "Il prend un environnement très chaud et le normalise partiellement pour réduire les pertes d'efficacité et de capacité."

"L'eau chaude provenant d'une source de chaleur est mélangée à l'air ambiant frais", a déclaré Reineck. "Un petit pourcentage de l'eau s'évapore, éliminant la chaleur de l'eau restante, et l'air chaud est rejeté dans l'atmosphère."

Applications:Le refroidissement par évaporation peut être utilisé pour les refroidisseurs qui fournissent un refroidissement de confort pour une variété d'installations, y compris les écoles, les immeubles en copropriété et les bureaux, et est également utilisé dans les processus industriels qui nécessitent de grandes quantités de chaleur, a déclaré Reineck.

Avantages: "L'eau est un moyen très efficace de transfert de chaleur", et le refroidissement par évaporation ne nécessite pas autant de mouvement d'air que le refroidissement par air, a déclaré Reineck. "Si j'ai besoin de déplacer moins d'air, je n'ai pas besoin d'autant de ventilateurs."

Considérations : L'eau dans le système de refroidissement devra être maintenue pour réguler la teneur en minéraux et prévenir la corrosivité. Peut poser des problèmes dans une zone avec des réglementations sur l'utilisation de l'eau ou un approvisionnement en eau limité.

"Certaines régions ne fourniront pas ou ne pourront pas fournir autant d'eau que vous en avez besoin", a déclaré Reineck.

CYCLE D'ABSORPTION : Une illustration simplifiée du cycle de réfrigération à absorption utilisé dans les refroidisseurs à absorption. (Avec l'aimable autorisation de Trane)

CYCLE DE COMPRESSION : Une illustration simplifiée du cycle de réfrigération à compression de vapeur dans un système de refroidissement. (Avec l'aimable autorisation de Trane)

Matt Jachman est rédacteur en chef de la législation à ACHR NEWS. Il a plus de 30 ans d'expérience dans le journalisme communautaire et un baccalauréat en anglais de la Wayne State University à Detroit.