Choisir entre des refroidisseurs refroidis par air et par eau
Votre usine a besoin d'un refroidisseur de procédé d'une capacité de refroidissement proche de 200 kW. Un fournisseur propose une unité refroidie par air qui peut être installée sur une plate-forme ouverte à l'extérieur du bâtiment. Un autre propose un refroidisseur à eau avec une tour de refroidissement sur le toit, une pompe à eau de condenseur et une tuyauterie de raccordement. Le prix du refroidissement par air est inférieur et la date de livraison est plus courte. Le fournisseur de systèmes refroidis à l'eau affirme que des températures de condensation plus basses réduiront la consommation d'électricité tant que la machine fonctionnera. Les deux arguments peuvent être valables en même temps.
La conclusion pratique est la suivante : un refroidisseur à eau justifie généralement son coût d'installation plus élevé lorsque l'usine fonctionne plusieurs heures par an, dispose d'une source d'eau de refroidissement fiable ou exploite déjà une tour de refroidissement. Un refroidisseur à air est la meilleure solution lorsque l'eau est rare ou chère, lorsque le refroidisseur ne fonctionne qu'une partie de l'année ou lorsque le projet nécessite une machine autonome qui peut être installée rapidement. Le reste de cet article explique les différences physiques derrière ces règles et vous propose une liste de contrôle pour les appliquer à votre site.
Comment un refroidisseur refroidi par air rejette la chaleur
Un refroidisseur industriel refroidi par air rejette la chaleur de son condenseur directement dans l'air ambiant. Le condenseur est un serpentin à ailettes et un ou plusieurs ventilateurs axiaux aspirent l'air ambiant à travers les ailettes. Lorsque le réfrigérant traverse le serpentin, il se condense et libère de la chaleur dans ce flux d’air. La chaleur rejetée ne touche jamais un autre système d’eau, il n’y a donc pas de tour de refroidissement, pas de pompe à eau de condenseur et pas de boucle de traitement de l’eau.
La contrainte de conception importante est que la pression de condensation suit la température ambiante du bulbe sec. La plupart des fabricants évaluent les refroidisseurs à air à une température ambiante de 35°C. Lorsque la température sur un site de projet atteint 40°C ou plus, le condenseur travaille plus fort, le compresseur consomme plus d'énergie et la capacité de refroidissement délivrée à l'évaporateur diminue. La machine fonctionne toujours, mais son efficacité chute précisément au moment où le site a le plus besoin de refroidissement.
Pour les plantes qui peuvent vivre avec cette relation, un gamme de refroidisseurs à air offre un moyen simple d'ajouter un refroidissement de processus sans agrandir la salle mécanique ni ajouter d'infrastructure d'eau externe.
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Un refroidisseur industriel refroidi par eau rejette la chaleur en deux étapes. Premièrement, le réfrigérant cède de la chaleur à l’intérieur d’un condenseur refroidi à l’eau, généralement un échangeur de chaleur à calandre ou à plaques brasées. L'eau de refroidissement évacue cette chaleur. Deuxièmement, l'eau chaude est pompée vers une tour de refroidissement, où elle est pulvérisée sur le support de remplissage et refroidie par évaporation. L'eau refroidie retourne au condenseur et le cycle se répète.
L'avantage de cette disposition à deux étages est que la température du condenseur est régie par la température du bulbe humide de l'air entrant dans la tour, et non par la température du bulbe sec. Étant donné que la température du bulbe humide est presque toujours plus basse, un système refroidi par eau peut fonctionner à une pression de condensation plus faible, même en plein été. Pour une tour typique avec une eau d'alimentation à 30°C et une eau de retour à 35°C, le réfrigérant se condense à près de 40°C. Le même jour, un condenseur refroidi par air peut fonctionner de 5 à 10 K plus chaud, et chaque kelvin de température de condensation supplémentaire augmente le travail du compresseur.
Les modèles de refroidisseurs à eau séduisent donc les installations qui disposent déjà d'une tour ou qui souhaitent minimiser la consommation électrique sur une longue saison d'exploitation.
Aperçu des principales différences
Le tableau ci-dessous résume les différences pratiques entre les éléments qui apparaissent généralement dans une comparaison technique avant l'achat. Les valeurs sont des plages typiques et non des promesses pour une machine spécifique, car les chiffres finaux dépendent du type de compresseur, de la taille de l'échangeur de chaleur, des conditions ambiantes et de la stratégie de contrôle.
| Paramètre | Refroidisseur refroidi par air | Refroidisseur refroidi à l'eau |
|---|---|---|
| Fluide de condensation | Air ambiant (ampoule sèche) | Eau de tour de refroidissement (à bulbe humide) |
| Température de condensation | Plus élevé et varie selon le climat | Plus bas et plus stable |
| Efficacité énergétique | Inférieur, surtout au-dessus de 35°C ambiant | Plus haut ; 10 à 30 % de puissance de compresseur en moins en général |
| Consommation d'eau | Aucun pour le rejet de chaleur | Eau de maquillage et traitement chimique |
| Portée de l'installation | Emballage unique, posé sur un support | Refroidisseur plus tour, pompe et tuyauterie |
| Espace extérieur | Nécessite un flux d’air clair autour de l’unité | La tour a besoin d'un emplacement extérieur ; l'empreinte du refroidisseur peut être plus petite |
| Objectif maintenance | Nettoyage des serpentins et moteurs de ventilateurs | Traitement des eaux, remplissage de tour, éliminateurs de gouttes |
| Bruit | Bruit du ventilateur à l'emplacement de l'unité | Le bruit de la pompe et de la tour peut être localisé à l'écart |
| Meilleur ajustement | Sites secs, utilisation saisonnière, installation simple | Charges continues, climats chauds, installations sensibles à l'énergie |
Efficacité et coûts d'exploitation : là où le refroidissement par eau gagne du terrain
Pourquoi la température du condenseur est importante
L'efficacité de la réfrigération dépend de la montée en pression entre l'évaporateur et le condenseur. Plus la pression de condensation est élevée, plus le compresseur doit travailler pour obtenir le même effet réfrigérant. Par une chaude après-midi, un condenseur refroidi par air peut rester entre 45 et 50 °C car il doit rejeter de la chaleur dans l'air qui peut déjà être à 35 °C ou plus. En revanche, une tour refroidie à l'eau peut fournir de l'eau à 30 °C même lorsque la température de l'air est de 35 °C, car l'évaporation refroidit l'eau en dessous de la température sèche. La température de condensation qui en résulte proche de 40°C réduit la montée en pression et la puissance du compresseur.
En d’autres termes : pour la même capacité de refroidissement et les mêmes conditions d’évaporation, un refroidisseur à eau bien conçu consomme généralement 10 à 30 pour cent de puissance en moins qu'une machine comparable refroidie par air, les économies plus importantes apparaissant dans les climats chauds et à des facteurs de charge élevés.
Le calcul énergétique annuel
La différence d'efficacité devient visible dans la facture d'électricité annuelle. Prenons l'exemple d'un refroidisseur de 200 kW fonctionnant 4 000 heures par an à une charge moyenne de 80 %. Si le refroidissement par eau permet d'économiser 15 % de la puissance du compresseur, l'économie est de 200 × 0,8 × 4 000 × 0,15 = 96 000 kWh par an. Avec un prix de l'électricité industrielle de 0,12 USD/kWh, cela représente plus de 11 000 USD par an. Dans de nombreuses usines, la différence couvre le coût de la tour de refroidissement et de la pompe à eau du condenseur dans un délai de deux à quatre ans.
Si le site dispose déjà d’une tour issue d’un système plus ancien, le retour sur investissement est encore plus court. Si le site ne dispose pas d'infrastructures hydrauliques, l'investissement dans la tour, les pompes, les canalisations et le traitement de l'eau peut être substantiel, et la simple période de récupération peut s'étendre au-delà de l'horizon utile du projet. C’est pourquoi l’hypothèse d’heures de fonctionnement est plus importante que n’importe quel chiffre d’efficacité. Pour plus de détails sur la manière dont les profils de charge affectent la sélection du refroidisseur, consultez ceci guide pour sélectionner des unités de refroidissement pour différents processus industriels .
Contraintes d’utilisation de l’eau, d’installation et de site
Le système d’eau n’est pas gratuit
Les refroidisseurs à eau consomment de l’eau, et ce coût est facile à sous-estimer. Une tour de refroidissement évapore une partie de l’eau de recirculation à chaque passage. Cela nécessite également de l'eau d'appoint, une purge pour contrôler les solides dissous et un traitement chimique pour prévenir le tartre, la corrosion et la croissance biologique. Dans les régions où l'eau est chère ou fortement réglementée, le coût d'exploitation d'un système refroidi par eau peut compenser une part importante des économies d'énergie.
Un refroidisseur refroidi par air évite tout ce sous-système. Il n'y a pas d'eau de condenseur, pas de tour, pas de facture d'eau et aucune obligation d'entretien de la tour de refroidissement. Pour un site qui n’a jamais entretenu de tour de refroidissement, cela réduit également l’éventail de compétences requises de la part de l’équipe de maintenance.
Contraintes d'installation et de disposition
Les refroidisseurs à air sont plus faciles à installer. La machine est livrée dans un seul emballage avec un condenseur, des ventilateurs, des commandes et une charge de réfrigérant déjà assemblés. Vous le placez sur une plate-forme de niveau, vous connectez les conduites d'eau glacée et l'alimentation électrique, puis vous mettez l'unité en service. La relocalisation est également plus simple, ce qui est important pour les bâtiments loués, les usines temporaires ou les lignes de production modulaires.
La principale contrainte est la circulation de l’air. La chaleur rejetée par le condenseur doit s'éloigner du serpentin. Si plusieurs unités sont trop serrées ou si des murs et des clôtures bloquent le chemin d'évacuation, l'air chaud recircule dans l'entrée et la pression de condensation augmente. Laissez suffisamment d’espace autour de l’unité et tenez compte de la direction du vent dominant lorsque vous positionnez la prise d’air.
Les systèmes refroidis par eau rendent le refroidisseur lui-même plus compact mais ajoutent des besoins d'espace ailleurs. La tour de refroidissement a besoin d’un espace extérieur, d’une alimentation en eau, d’un drainage et d’une hivernation dans les climats froids. Si l'usine ne dispose pas d'espace libre pour une tour, un projet de refroidissement par eau peut nécessiter des travaux structurels avant de pouvoir démarrer. Si l'usine dispose de suffisamment d'espace, la tour peut souvent être placée sur un toit ou dans une cour éloignée, éloignant ainsi le bruit des zones de travail.
Lorsque la surface au sol intérieure est limitée, une autre option de refroidissement par air permet de : un refroidisseur à air peut être installé à l’intérieur d’un local technique avec ventilation canalisée, vous offrant la simplicité du refroidissement par air sans sacrifier l’espace intérieur précieux.
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Les questions suivantes ne remplaceront pas une revue technique détaillée, mais elles vous orienteront vers la bonne famille générale de machines avant de vous demander des devis détaillés.
- Confirmez vos conditions de conception estivales. Les performances du refroidissement par air dépendent de la température du bulbe sec ; les performances de la tour dépendent de la température du bulbe humide. Dans les climats chauds et secs, la différence entre le bulbe sec et le bulbe humide est grande, ce qui élargit l'écart d'efficacité en faveur du refroidissement par eau.
- Vérifiez s'il existe déjà de l'eau de refroidissement. Une usine dotée d'une tour existante, d'une source d'eau de rivière ou d'une boucle de refroidissement de processus peut accueillir un refroidisseur à eau moyennant un coût supplémentaire modeste. Un site sans infrastructure d'eau doit prévoir un budget pour la tour, les pompes, la tuyauterie, le traitement de l'eau et l'installation.
- Estimez les heures de fonctionnement annuelles et le profil de charge. En règle générale, les refroidisseurs à eau deviennent généralement rentables lorsque l'usine fonctionne plus de 2 500 à 3 000 heures par an à un facteur de charge significatif. Pour un service saisonnier ou intermittent, le premier coût inférieur d'une machine refroidie par air l'emporte souvent.
- Comparez le coût total installé, et non le prix de l'équipement. Incluez les fondations, les branchements électriques, les branchements d’eau, la tour, les pompes, la tuyauterie, la mise en service et la valeur de l’espace occupé. Un refroidisseur refroidi par eau peut avoir une meilleure apparence en termes d'énergie par unité de capacité de refroidissement, mais il doit tout de même réussir un test de retour sur investissement raisonnable pour votre installation.
- Examinez la capacité de maintenance de votre équipe. Les unités refroidies par air nécessitent un nettoyage périodique du serpentin et un entretien du ventilateur. Les systèmes refroidis par eau nécessitent un traitement de l’eau, des inspections des tours et une hivernage dans les climats glacials. Si le site dispose d’un personnel limité, l’itinéraire refroidi par air réduit cette charge.
Pour les installations de grande capacité, le même compromis en matière de condenseur interagit également avec la sélection du compresseur. Notre comparaison des refroidisseurs à vis refroidis par air et des refroidisseurs centrifuges explique comment ces choix se combinent à l’extrémité supérieure de la plage de puissance.
Le rôle de la température du processus
La température du processus ne modifie pas la comparaison de base. Que le refroidisseur produise de l'eau glacée à 7°C ou un fluide à plus basse température, le condenseur fonctionne toujours aux mêmes niveaux de pression, et la logique du rejet de chaleur à bulbe sec par rapport à celui à bulbe humide reste la même. Soouney propose des machines refroidies par air et par eau, y compris des modèles cryogéniques, de sorte que la décision entre les deux doit être déterminée par les conditions de votre site et votre profil d'exploitation, et non par la disponibilité du produit.
Si votre usine dispose d'eau, fonctionne de longues heures et souhaite minimiser la consommation d'énergie, un système refroidi par eau rembourse généralement le coût d'installation supplémentaire grâce à une demande d'électricité inférieure. Si l'eau est rare, si l'installation doit rester simple ou si le refroidisseur ne fonctionne qu'une partie de l'année, une machine refroidie par air constitue souvent le premier investissement le plus judicieux. Quoi qu'il en soit, vérifiez la capacité et la consommation électrique dans vos conditions de conception réelles et demandez aux fournisseurs de proposer le système complet afin que la comparaison soit équitable.
