Prenons l'exemple d'un directeur d'usine qui doit ajouter un refroidissement de processus pour une nouvelle ligne de moulage par injection. Le bâtiment n'a pas de tour de refroidissement, la compagnie des eaux facture fortement l'eau d'appoint et la maintenance est déjà très longue pour nettoyer les crépines et doser les produits chimiques sur un système refroidi à l'eau existant. La réponse directe est simple : un refroidisseur refroidi par air élimine entièrement le système de rejet de chaleur côté eau. Au lieu de pousser la chaleur du réfrigérant dans une boucle d’eau puis dans une tour de refroidissement, il rejette la chaleur directement vers l’air extérieur. Ce changement structurel réduit la charge électrique totale, raccourcit la liste de maintenance et entraîne souvent des coûts d'exploitation inférieurs à ceux d'une installation refroidie par eau qui fait fonctionner des pompes et des ventilateurs de tour 24 heures sur 24.
Que faut-il mesurer comme efficacité de refroidissement
Avant de comparer les conceptions, il est utile de définir ce que signifie l’efficacité dans un contexte de refroidissement industriel. Le chiffre au niveau de la machine est le taux d'efficacité énergétique (EER), qui correspond à la puissance de refroidissement utile en kilowatts divisée par le compresseur et contrôle l'entrée dans des conditions ambiantes indiquées. Le chiffre au niveau du système ajoute la puissance du ventilateur du condenseur et tout équipement côté eau à la même équation. Un refroidisseur avec un COP impressionnant à pleine charge peut toujours s'avérer une installation inefficace s'il oblige une pompe à eau à vitesse fixe et un ventilateur de tour de refroidissement à fonctionner pendant 8 000 heures par an. La manière équitable de comparer les options de refroidissement par air et par eau est de calculer l'énergie totale du site pour le profil de charge attendu, et pas seulement la valeur nominale du compresseur.
D’où vient réellement le gain d’efficacité
Une étape de rejet de chaleur au lieu de deux
Les systèmes refroidis par eau rejettent la chaleur en deux étapes. Le condenseur transfère la chaleur du réfrigérant à l'eau du condenseur, et une tour de refroidissement rejette ensuite la chaleur de cette eau dans l'atmosphère. Chaque étage consomme de l'énergie : la pompe à eau du condenseur doit surmonter la friction des tuyaux et la hauteur de la tour, tandis que le ventilateur de la tour déplace un grand volume d'air. Un refroidisseur refroidi par air comprime le processus en une seule étape. Le gaz réfrigérant chaud entre dans un condenseur refroidi par air, les ventilateurs aspirent l'air ambiant à travers le serpentin et la chaleur quitte directement le système. La boucle d’eau ayant disparu, la pompe, le ventilateur de la tour, la vanne d’eau d’appoint et l’équipement de dosage de produits chimiques disparaissent également.
La boucle d'eau qui n'existe plus
L'effet pratique se voit sur la facture d'électricité. Une boucle d’eau de condenseur n’est pas libre de fonctionner. Une installation typique servant une charge de refroidissement de 300 kW comprend une pompe à condenseur de l'ordre de 5 à 10 kW et un ventilateur tour de taille similaire. Ensemble, ces auxiliaires peuvent ajouter 10 à 20 pour cent à la consommation d'énergie du compresseur au cours d'une saison de refroidissement. Le même refroidisseur avec un condenseur refroidi par air remplace tout cela par des ventilateurs de condenseur qui consomment une puissance significative uniquement lorsque la température ambiante et la pression de refoulement l'exigent. Même lorsque les deux machines ont un COP à pleine charge similaire, la solution refroidie par air enregistre souvent une consommation totale inférieure sur le site.
Un appariement à charge partielle qui permet d'économiser de l'énergie toute l'année
Les charges de production changent selon les équipes, les saisons et la gamme de produits, et une boucle d'eau fixe ne change pas avec eux. C'est pourquoi le gaspillage d'énergie s'accumule en dehors des conditions de pointe. Les refroidisseurs à air peuvent être construits avec plusieurs circuits réfrigérants, des compresseurs étagés et des ventilateurs à vitesse variable. Lorsque la charge thermique du procédé diminue, le système de contrôle coupe un circuit, décharge un compresseur ou ralentit les ventilateurs pour maintenir la pression de condensation. Cette réponse échelonnée évite les cycles courts et maintient la température d’alimentation en eau glacée stable, ce qui est exactement ce dont se soucient les ingénieurs de procédés.
Refroidi par air et refroidi par eau : une comparaison honnête
Le choix ne porte pas sur quelle technologie est la meilleure dans l’abstrait ; il s'agit de savoir lequel correspond au site. Le tableau ci-dessous résume les différences liées à l’efficacité qui devraient guider la décision.
| Facteur | Refroidisseur à air | Refroidisseur à eau |
|---|---|---|
| Étapes de rejet de chaleur | Réfrigérant à air en une seule étape | Réfrigérant vers l'eau, puis eau vers l'air à travers une tour |
| Énergie auxiliaire | Ventilateurs de condenseur uniquement | Pompe à condenseur, ventilateur tour et équipement de dosage |
| Consommation d'eau | Aucun pour un fonctionnement normal | Appairage et purge continus |
| Charge d'entretien | Nettoyage des serpentins et inspection des ventilateurs | Nettoyage de remplissage de tour, dosage de produits chimiques, joints de pompe |
| Efficacité à pleine charge à température ambiante élevée | Chute à mesure que la température de l’air augmente | Tient mieux car l’eau de la tour reste proche de la température du bulbe humide |
| Comportement à charge partielle | Circuits étagés et ventilateurs à vitesse variable | Dépend du contrôle de la tour et de la stratégie de pompage |
| Flexibilité du choix du site | Toit ou cour, à proximité du processus | Nécessite l'emplacement de la tour, les conduites et l'approvisionnement en eau |
Quand un système refroidi par eau a encore du sens
Les refroidisseurs à eau gagnent leur place dans les grandes usines où la charge de refroidissement est lourde et continue, où une tour existe déjà et où les températures ambiantes élevées en été réduisent les performances d'un condenseur refroidi par air. Dans ces conditions, le compresseur peut consommer quelques points de pourcentage en moins, ce qui peut payer pour l'équipement côté eau. La décision change rapidement si la qualité de l'eau est mauvaise, si la tour est sous-dimensionnée ou si la boucle d'eau continue de fonctionner pendant que le refroidisseur est inactif. Un système refroidi par air n’a pas de perte cachée équivalente.
Facteurs réels qui déterminent si les économies se matérialisent
Température ambiante de conception
Les condenseurs refroidis par air sont normalement évalués à une température ambiante extérieure de 35 °C dans les références industrielles courantes telles que AHRI 550/590. De nombreuses régions industrielles connaissent des températures estivales supérieures à 38°C. Étant donné que le condenseur refroidi par air rejette la chaleur par rapport à la température de l'air, le compresseur travaille plus fort et la capacité diminue au moment même où le processus en a le plus besoin. Une sélection responsable spécifie la capacité requise à la température de conception estivale locale et ajoute une petite marge pour l'encrassement des bobines. C’est la cause la plus fréquente des installations refroidies par air sous-dimensionnées.
État et emplacement du serpentin du condenseur
L’air qui ne circule pas dans le serpentin ne peut pas évacuer la chaleur. La poussière, les peluches, le pollen et les gaz d'échappement provenant des équipements de séchage à proximité recouvrent les ailettes et augmentent la pression de condensation. Les bobines avec un espacement d'ailettes plus large et des revêtements résistants à la corrosion valent le coût supplémentaire dans les environnements côtiers ou industriels. Le placement compte tout autant. Une entrée de condenseur située près d'un mur ou dans une cour où l'air chaud évacué recircule voit la température de l'air entrant augmenter, et chaque degré supplémentaire de température de l'air entrant réduit à la fois l'efficacité et la capacité.
Technologie de compresseur pour la plage de puissance
Les refroidisseurs plus petits utilisent généralement des compresseurs scroll car ils tolèrent les cycles et gèrent bien des charges variables. Au-dessus d'environ 150 à 200 kW de refroidissement, les compresseurs à vis deviennent la meilleure solution car ils fonctionnent en continu pendant de longues périodes, offrent un contrôle de capacité en plusieurs étapes ou en continu et maintiennent un rendement élevé sous une charge constante. Pour une usine exécutant du moulage par injection, des réacteurs chimiques ou des sources laser, le choix pratique est souvent un refroidisseur à vis refroidi par air avec compresseurs simples ou doubles . Les acheteurs qui souhaitent comprendre la frontière entre les types de machines peuvent lire notre comparaison d'un refroidisseur à vis refroidi par air par rapport à un refroidisseur centrifuge .
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Les avantages en termes d'efficacité des conceptions refroidies par air se transforment en économies réelles dans des conditions spécifiques du site :
- Sites sans tour de refroidissement, sans espace pour une ou sans service des eaux qui restreint l'eau de purge et d'appoint.
- Usines où les temps d’arrêt du traitement de l’eau interrompent la production ; les systèmes refroidis par air n'ont pas de remplissage de tour, pas de dosage de produits chimiques et pas de surveillance de la qualité de l'eau.
- Installations extérieures ou sur le toit où le condenseur a un flux d'air libre et où les conduites d'eau réfrigérée vont directement vers la zone de traitement.
- Les processus qui nécessitent de fournir de l’eau à des températures de refroidissement de confort inférieures aux normes et qui autrement nécessiteraient un agencement élaboré côté eau.
Pour les processus qui nécessitent des températures d'alimentation plus basses, un refroidisseur cryogénique refroidi par air à température ambiante étend le même rejet de chaleur en une seule étape à des points de consigne inférieurs sans ajouter de boucle d'eau séparée. Lorsque l'espace au sol est limité, un refroidisseur compact à air regroupe le compresseur, l'évaporateur et le condenseur dans un seul cadre, ce qui raccourcit le temps d'installation et réduit les connexions externes qu'un entrepreneur doit effectuer sur site.
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Une liste de contrôle de sélection pour les acheteurs axés sur l'efficacité
Utilisez ces six vérifications lorsque vous comparez les devis. Ils séparent une machine qui fonctionne sur le terrain de celle qui fonctionne uniquement sur papier.
- Vérifiez la capacité de refroidissement à la température ambiante de conception estivale locale, et non au point nominal du catalogue.
- Comparez EER et IPLV ; la valeur de charge partielle intégrée est le meilleur indicateur de la consommation d’énergie annuelle.
- Compter les circuits frigorifiques et les étapes du compresseur ; plus d'étapes signifient un contrôle plus fin de la charge partielle.
- Vérifiez le type de ventilateur du condenseur ; Les ventilateurs EC avec contrôle de vitesse basé sur la pression économisent de l'énergie par temps frais.
- Inspectez la disposition physique, y compris le dégagement de la bobine, l'accès pour l'entretien et une position qui éloigne l'air chaud de décharge de l'entrée.
- Confirmez la plage de température de l'eau glacée requise auprès du fabricant avant de faire un devis, car les tâches à basse température modifient la sélection du compresseur et le dimensionnement de l'évaporateur.
Pour une vision plus large de la façon dont les charges de refroidissement et les conditions du site interagissent dans tous les secteurs, lisez notre guide sur la façon de choisissez des unités de refroidissement industrielles pour différentes applications de refroidissement industriel .
L'essentiel
Un refroidisseur à air améliore l'efficacité du refroidissement pour une raison pratique : il supprime la boucle d'eau avec ses pompes, ses ventilateurs, son eau d'appoint et son traitement chimique, et rejette la chaleur directement dans l'air ambiant. En plus de ces économies structurelles, des compresseurs étagés et des ventilateurs à vitesse variable permettent à la machine de suivre la charge du processus au lieu de fonctionner sur un circuit d'eau fixe. Les variables restantes, la température estivale locale, la propreté des serpentins et une évaluation réaliste de la charge partielle, déterminent la part de cet avantage qui apparaît sur la facture d'électricité mensuelle.
Commencez la sélection avec la capacité requise et le profil ambiant réel du site. À partir de là, la décision consiste principalement à adapter la configuration appropriée du compresseur et du condenseur au processus.
