Récupération d'énergie sur les systèmes de production de froid

Par Florence Moulins IFFI – INM

La récupération d’énergie sur les systèmes de production de froid consiste le plus couramment en la récupération de chaleur sur une boucle d’eau dans le but de l’utiliser sur un système de chauffage ou de préparation d’eau chaude sanitaire. Ces récupérations d’énergie sont le plus souvent utilisables partiellement ou seulement de façon périodique, comme le chauffage.

Toutefois, d’autres applications, externes mais également internes au système frigorifique sont possibles et utilisables à longueur d’année. Cet article se veut un mémo simple de rappel des bonnes pratiques ouvrant à d’autres possibilités, en usage, mais restant encore traitées occasionnellement.

Désurchauffe (4-3)
A la sortie du compresseur le fluide subit une élévation de température importante, due au phénomène de compression et limité par la température (pression) de condensation. De ce point de sortie du compresseur au point où le phénomène de condensation commence (c’est-à-dire où le condenseur est réellement actif) le fluide est refroidi de plusieurs dizaines de degrés, c’est le phénomène de désurchauffe.
Le potentiel de chaleur récupérable est faible, mais la température élevée (d’environ 70 à 90°C selon les compresseurs)

Refroidissement d’huile (4)
Certaines technologies de compresseur (les vis en particulier) nécessitent un refroidissement externe de l’huile servant à la lubrification des parties mécaniques. Là encore, il s’agit d’un potentiel de chaleur utilisable, faible en quantité, mais à haute température.

Sous-refroidissement (3-1)
Lorsque le fluide sort du condenseur, il présente une température qu’il est intéressant d’abaisser. En effet, plus sa température sera abaissée, plus l’effet frigorifique produit par le système sera élevé. Le potentiel énergétique comme la température sont faibles ; l’intérêt énergétique se situe davantage au niveau fonctionnel que par l’usage.

Condensation (3)
Le potentiel de récupération de chaleur le plus important se situe bien évidemment au niveau du condenseur. Toutefois, c’est essentiellement pour des usages de chauffage que ce potentiel de chaleur est utilisé, et cela impose un circuit parallèle de refroidissement.

La production de froid conduit à au moins un besoin de chauffage, discontinu dans son utilisation, mais continu dans le temps, c’est le dégivrage des évaporateurs et des frigorifères.
En fonction de l’usage de ces échangeurs de chaleur, le dégivrage s’effectue de façon naturelle par brassage de l’air ambiant sans production de froid ou à l’aide de résistances électriques. C’est la solution la plus simple et la moins onéreuse … à l’investissement.

Prenons le cas d’une petite chambre froide négative de 3000 m³, équipée de 2 évaporateurs de 30 kW froid chacun à -18°C et équipés de 30 kW de résistance électrique (batterie et bac).
Les opérations de dégivrage (2 dégivrages d’une heure chacun) conduisent à une consommation annuelle d’environ 44 MWh, alors que la consommation équivalente pour l’usage d’une pompe de circulation d’eau chaude sera de moins de 2 MWh.

Le besoin s’exprime par une température d’eau à 30/35°C maximum ; il se réalise par la mise en œuvre de batteries double tubes sur les échangeurs de chaleur et d’une station de pompes.

Certes, les surcoûts à l’investissement sont nettement supérieurs, toutefois, cela est très avantageux quand le nombre de poste est suffisamment important ou que la nécessité d’une condensation par eau s’impose.

Maintien hors gel des sols
Par ailleurs, les entrepôts comportant des chambres froides négatives nécessitent un maintien hors gel des sols. Ceci peut être réalisé par un vide sanitaire ou par un maintien en température positive de la sous-dalle. Dans ce cas, le besoin consiste en une circulation d’eau chaude à +15°C environ, et nécessite un circuit de sol et une station de pompes.

La désurchauffe
La récupération de chaleur au niveau de la désurchauffe a plusieurs avantages. En tout premier lieu, cela a pour conséquence l’abaissement de la température du fluide à l’entrée des condenseurs permettant à celui-ci de disposer d’une surface utile à la condensation plus importante. Ceci conduit à une réduction de l’écart de température avec le médium de refroidissement, et permet in fine d’abaisser la température de condensation - et/ou de diminuer l’énergie consommée par les ventilateurs, donc de baisser la pression de condensation et de refoulement (dans les limites surface/température extérieure).
Par ailleurs, l’optimisation de la surface utile peut également générer un sous-refroidissement plus important. Les conséquences en sont une réduction de la puissance absorbée et une augmentation de l’effet frigorifique.

Le sous-refroidissement
Le sous-refroidissement d’un fluide au sein d’un circuit frigorifique est la quantité de chaleur dont il peut se départir après condensation complète et avant l’entrée au détendeur. Plus le fluide est refroidi, plus l’effet frigorifique augmente.
L’illustration sur un diagramme enthalpique est significative.

Un phénomène de sous-refroidissement naturel est généralement présent au sein d’une installation, permettant d’assurer la bonne alimentation du détendeur ; toutefois, les conditions météorologiques d’un lieu ne permettent pas toujours de disposer d’un potentiel plus important. Par ailleurs, le faible potentiel qu’il représente en termes de puissance comme de température conduisent à le négliger. Or, l’utilité d’un sous-refroidissement est loin d’être insignifiant, sur le circuit lui-même.
Pour améliorer le sous-refroidissement, un échangeur intrinsèque au système est alors mis en œuvre, entre le sous-refroidissement et l’aspiration. Le système a bien sûr une limite, celle à partir de laquelle la modification des conditions d’aspiration rencontre les limites acceptables pour le compresseur, mais il reste intéressant ; en voici un exemple, appliqué sur des compresseurs à piston, à l’aide d’un logiciel de fabricant de compresseur.

L’injection
Si l’on est ici à la limite du phénomène de récupération de chaleur, l’application s’en rapproche et le gain énergétique sur un système est suffisamment intéressant pour être abordé.
Le principe de l’injection consiste au prélèvement d’une partie de fluide liquide haute pression, de sa détente avant injection en général à la moyenne pression d’un système de compression. Les effets d’une injection sont la diminution de la température et de la pression de l’étage moyenne pression, l’augmentation relative du sous-refroidissement, l’amélioration de l’effet frigorifique, et enfin et surtout la diminution de la consommation d’énergie des compresseurs.

Reporté sur un diagramme enthalpique, en voici la conséquence :

L’injection peut être effectuée uniquement dans ce but, mais présente l’avantage de pouvoir prendre en charge le refroidissement d’huile.

La récupération de chaleur sur un circuit frigorifique revêt bien d’autres aspects que ceux habituellement utilisés. Le procédé de récupération peut bien entendu être effectué pour des usages extérieurs, comme le chauffage ou l’eau chaude sanitaire, toutefois, des usages liés à la production de froid ou sur le circuit lui-même ont tout intérêt à être envisagés. Il en va de la consommation comme de l’efficacité énergétique des systèmes.

Par Florence Moulins IFFI – INM
Ingénieur Expertise-Conseil au Cemafroid, elle intervient au travers de son expérience
de plus de 20 ans dans les métiers du froid, du génie climatique et de l'énergétique. florence.moulins(at)cemafroid.fr

SOURCES ET LIENS

• www.cemafroid.fr
  
  

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