Que sont les systèmes de refroidissement industriels ?
Les bâtiments commerciaux utilisent des systèmes de chauffage, de ventilation et de climatisation (CVC) pour déshumidifier et refroidir le bâtiment. Les bâtiments commerciaux modernes recherchent des systèmes et des composants HVAC efficaces dans le cadre d'initiatives plus larges centrées sur la performance et la durabilité des bâtiments. De même, les occupants du bâtiment s'attendent beaucoup à ce que le système CVC fonctionne comme prévu . . . pour créer un environnement intérieur confortable quelles que soient les conditions extérieures au bâtiment.
Les refroidisseurs sont devenus un composant essentiel de CVC d'une grande variété d'installations commerciales, y compris les hôtels, les restaurants, les hôpitaux, les arènes sportives, les usines industrielles et de fabrication, etc. L'industrie reconnaît depuis longtemps que les systèmes de refroidissement représentent le plus grand consommateur d'électricité dans la plupart des installations. Ils peuvent facilement consommer plus de 50 % de la consommation totale d'électricité pendant les périodes saisonnières. Selon le Département américain de l'énergie (DOE), les refroidisseurs peuvent se combiner pour utiliser environ 20 % de l'énergie électrique totale générée en Amérique du Nord. De plus, le DOE estime que les refroidisseurs peuvent consommer jusqu'à 30 % d'énergie supplémentaire en raison de diverses inefficacités opérationnelles. Ces inefficacités reconnues coûtent aux entreprises et aux installations de construction des milliards de dollars par an.
En général, un refroidisseur facilite le transfert de chaleur d'un environnement interne vers un environnement externe. Ce dispositif de transfert de chaleur repose sur l'état physique d'un réfrigérant lorsqu'il circule dans le système de refroidissement. Certes, les refroidisseurs peuvent fonctionner comme le cœur de n'importe quel système CVC central.
Comment fonctionne un refroidisseur ?
Un refroidisseur fonctionne sur le principe de la compression de vapeur ou de l'absorption de vapeur. Les refroidisseurs fournissent un flux continu de liquide de refroidissement vers le côté froid d'un système d'eau de traitement à une température souhaitée d'environ 50 °F (10 °C). Le liquide de refroidissement est ensuite pompé tout au long du processus, extrayant la chaleur d'une zone d'une installation (par exemple, les machines, l'équipement de traitement, etc.) lorsqu'elle retourne vers le côté retour du système d'eau de traitement.
Un refroidisseur utilise un système de réfrigération mécanique à compression de vapeur qui se connecte au système d'eau de traitement via un dispositif appelé évaporateur. Le réfrigérant circule à travers un évaporateur, un compresseur, un condenseur et un dispositif de détente d'un refroidisseur. Un processus thermodynamique se produit dans chacun des composants ci-dessus d'un refroidisseur. L'évaporateur fonctionne comme un échangeur de chaleur de sorte que la chaleur capturée par le flux de liquide de refroidissement du processus est transférée au réfrigérant. Au fur et à mesure que le transfert de chaleur a lieu, le réfrigérant s'évapore, passant d'un liquide à basse pression à de la vapeur, tandis que la température du réfrigérant du processus diminue.
Le réfrigérant s'écoule ensuite vers un compresseur, qui remplit plusieurs fonctions. Tout d'abord, il élimine le réfrigérant de l'évaporateur et garantit que la pression dans l'évaporateur reste suffisamment basse pour absorber la chaleur au bon débit. Deuxièmement, il augmente la pression dans la vapeur de réfrigérant sortant pour s'assurer que sa température reste suffisamment élevée pour libérer de la chaleur lorsqu'elle atteint le condenseur. Le réfrigérant revient à l'état liquide au niveau du condenseur. La chaleur latente cédée lorsque le réfrigérant passe de la vapeur au liquide est évacuée de l'environnement par un fluide de refroidissement (air ou eau).
Types de refroidisseurs :
Comme décrit, deux fluides de refroidissement différents (air ou eau) peuvent faciliter le transfert de la chaleur latente abandonnée lorsque le réfrigérant passe de vapeur à liquide. Ainsi, les refroidisseurs peuvent utiliser deux types de condenseurs différents, refroidis par air et refroidis par eau.
- Les condenseurs refroidis par air ressemblent aux « radiateurs » qui refroidissent les moteurs des automobiles. Ils utilisent un ventilateur motorisé pour forcer l'air à travers une grille de conduites de réfrigérant. À moins qu'ils ne soient spécialement conçus pour des conditions ambiantes élevées, les condenseurs à air nécessitent des températures ambiantes de 35 °C (95 °F) ou moins pour fonctionner efficacement.
- Les condenseurs à eau remplissent la même fonction que les condenseurs à air, mais nécessitent deux étapes pour terminer le transfert de chaleur. Tout d'abord, la chaleur passe de la vapeur de réfrigérant à l'eau du condenseur. Ensuite, l'eau chaude du condenseur est pompée vers une tour de refroidissement où la chaleur du procédé est finalement rejetée dans l'atmosphère.
Refroidisseurs à eau:
Les refroidisseurs à eau comportent un condenseur refroidi à l'eau relié à une tour de refroidissement. Ils ont été couramment utilisés pour les moyennes et grandes installations disposant d'un approvisionnement en eau suffisant. Les refroidisseurs à eau peuvent produire une performance plus constante pour la climatisation commerciale et industrielle en raison de l'indépendance relative aux fluctuations de la température ambiante. Les refroidisseurs à eau varient en taille, des petits modèles d'une capacité de 20 tonnes à plusieurs modèles de plusieurs milliers de tonnes qui refroidissent les plus grandes installations du monde telles que les aéroports, les centres commerciaux et d'autres installations.
Un refroidisseur à eau typique utilise l'eau du condenseur en recirculation provenant d'une tour de refroidissement pour condenser le réfrigérant. Un refroidisseur à eau contient un réfrigérant dépendant de la température (et du débit) de l'eau entrant dans le condenseur, qui fonctionne en fonction de la température ambiante du bulbe humide. Étant donné que la température du bulbe humide est toujours inférieure à la température du bulbe sec, la température (et la pression) de condensation du réfrigérant dans un refroidisseur refroidi par eau peut souvent fonctionner beaucoup plus bas qu'un refroidisseur refroidi par air. Ainsi, les refroidisseurs refroidis par eau peuvent fonctionner plus efficacement.
Les refroidisseurs refroidis à l'eau résident généralement à l'intérieur dans un environnement protégé des éléments. Par conséquent, le refroidisseur à eau peut offrir une durée de vie plus longue. Les refroidisseurs à condensation par eau représentent généralement la seule option pour les installations plus importantes. Le système de tour de refroidissement supplémentaire nécessitera des dépenses d'installation et d'entretien supplémentaires par rapport aux refroidisseurs à air.
Refroidisseurs à air:
Les refroidisseurs à condensation par air reposent sur un condenseur refroidi par l'air ambiant. Ainsi, les refroidisseurs à condensation par air peuvent trouver une application courante dans les installations plus petites ou moyennes où des contraintes d'espace peuvent exister. Un refroidisseur à condensation par air peut représenter le choix le plus pratique dans les scénarios où l'eau représente une ressource rare.
Un refroidisseur à air typique peut comporter des ventilateurs à hélice ou des cycles de réfrigération mécanique pour aspirer l'air ambiant sur un serpentin à ailettes pour condenser le réfrigérant. La condensation de la vapeur de réfrigérant dans le condenseur à air permet le transfert de chaleur vers l'atmosphère.
Les refroidisseurs à condensation par air offrent l'avantage significatif de réduire les coûts d'installation. Une maintenance plus simple résulte également de leur relative simplicité par rapport aux refroidisseurs à condensation par eau. Les refroidisseurs à condensation par air occuperont moins d'espace, mais résideront principalement à l'extérieur d'une installation. Ainsi, les éléments extérieurs compromettront leur durée de vie fonctionnelle.
La nature globale des refroidisseurs à condensation par air réduit les coûts de maintenance. Leur simplicité relative associée à un encombrement réduit produit de grands avantages dans de nombreux types d'installations.
Actions pour augmenter l'efficacité des systèmes de refroidissement :
Les coûts de refroidissement consomment une partie substantielle des factures de services publics de votre bâtiment. Quelles mesures faut-il prendre pour obtenir des économies d'énergie grâce à une efficacité maximale du système de refroidissement ? Examinons quelques possibilités.
Maintenance en cours
Les systèmes de refroidissement fonctionneront plus efficacement grâce à une maintenance continue appropriée. La plupart des organisations reconnaissent cette valeur et ont pris des mesures dans le cadre de leurs meilleures pratiques de gestion des installations au quotidien. Voici quelques bonnes pratiques courantes pour les systèmes de refroidissement :
Inspectez et nettoyez les serpentins du condenseur. Le transfert de chaleur a un effet important sur les systèmes de refroidissement et reste fondamental pour produire des opérations de refroidissement efficaces. L'entretien de routine doit inspecter les serpentins du condenseur pour le colmatage et le libre passage de l'air.
Maintenir la charge de réfrigérant. Le quotient de refroidissement d'un refroidisseur dépend des niveaux de réfrigérant appropriés dans le système. Le maintien d'une charge de réfrigérant appropriée peut avoir un impact considérable sur l'efficacité énergétique en réduisant les coûts de refroidissement de près de 5 à 10 %.
Maintenir l'eau du condenseur : Les boucles d'eau du condenseur utilisées avec les tours de refroidissement doivent maintenir un débit d'eau approprié tel que conçu. Tous les débris comme le sable, les solides érosifs et les matériaux de contamination peuvent affecter la boucle d'eau du condenseur. L'encrassement ou l'entartrage peut inhiber le débit d'eau et avoir un impact considérable sur l'efficacité de fonctionnement du refroidisseur.
Maintenance prédictive
L'intelligence artificielle (IA) continue de progresser dans les applications pratiques quotidiennes. Les machines telles que les systèmes de refroidissement bénéficieront d'algorithmes d'IA capables de détecter les défaillances potentielles avant qu'elles ne surviennent. La maintenance prédictive exploite la collecte et l'analyse des données opérationnelles du système de refroidissement pour déterminer quand des actions de maintenance doivent être prises avant une panne catastrophique. Comme les systèmes de refroidissement représentent le cœur de la plupart des systèmes CVC modernes, la prévention des pannes catastrophiques qui produisent des « temps d'arrêt » importants permettra d'économiser sur les coûts de réparation d'urgence ainsi que sur la réputation. Le rôle critique joué par un système de refroidissement justifie une surveillance accrue. Le Big Data et l'IA minimiseront les temps d'arrêt et maximiseront la productivité.
L'Internet des objets (IoT) fournit l'outil de collecte de données qui peut activer les applications d'IA telles que la maintenance prédictive. En fait, l'avenir du CVC est l'IA et l'IoT. L'IoT permet la collecte de données en temps réel à partir d'un refroidisseur pour permettre une analyse continue de son fonctionnement. Les données IoT granulaires collectées à partir d'un refroidisseur iront bien au-delà de celles obtenues par inspection visuelle. L'IoT connecte les ingénieurs du bâtiment à une visibilité en temps réel des actifs CVC critiques, permettant ainsi une surveillance informée des conditions de fonctionnement réelles.
Optimisation
Les refroidisseurs fonctionnent dans le cadre d'un système HVAC complexe. Les refroidisseurs à eau ont une plus grande complexité en raison de la connexion à un système de tour de refroidissement. L'évaluation des performances globales de l'installation de refroidissement impliquera donc une analyse de la consommation électrique totale du compresseur, des pompes, des ventilateurs de la tour de refroidissement, etc. pour évaluer des mesures d'efficacité complètes telles que kW/tonne.
L'optimisation de l'ensemble de l'installation de refroidissement doit être effectuée de manière holistique. Divers ajustements axés sur les points de consigne optimaux de l'eau glacée, le séquencement du refroidisseur et l'équilibrage de charge, la gestion de la demande de pointe, la gestion de l'eau de la tour de refroidissement, etc. ne peuvent être effectués qu'avec des données opérationnelles. L'IoT peut fournir les outils d'une telle optimisation en fournissant une surveillance en temps réel de la consommation d'énergie de chaque partie de l'installation de refroidissement, des températures d'alimentation/de retour du refroidisseur et de la tour de refroidissement, des débits d'eau de la boucle d'eau du condenseur, etc. L'IoT a trouvé application pratique en CVC pour faciliter une véritable optimisation.
Conclusion:
L'efficacité opérationnelle du refroidisseur aura un impact considérable sur les coûts d'exploitation de votre bâtiment. La maintenance de routine continue représente le minimum du point de vue de la gestion des installations. La maintenance prédictive et l'optimisation du système de refroidissement nécessitent des données opérationnelles en temps réel. L'IoT a ouvert la porte à de nouvelles formes d'efficacité des refroidisseurs.