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Diagnostic et optimisation des installations frigorifiques en matière d’efficac

Diagnostic et optimisation des installations frigorifiques en matière d’efficacité énergétique dans les installations de production du froid Diagnostic et optimisation des installations frigorifiques en matière d’efficacité énergétique dans les installations de production du froid I. Introduction La production est responsable de 17% de la consommation électrique mondiale : 2% froid industriel alimentaire, 7% le tertiaire et 8% pour le résidentiel. Le fonctionnement de ces installations est basé sur l’utilisation de fluides frigorigènes qui sont nocifs pour l’environnement et ont un effet direct sur le réchauffement global Le froid produit doit satisfaire 3 conditions primordiales : - Pas de contamination : Produit sain - Réfrigération précoce : après cueillette (F&L) ou abattage (viandes) - Niveau de température de conservation adaptation aux produits : frais, surgelés, etc. Les installations de production de froid sont de grandes consommatrices d’énergie électrique. Les constituants les plus énergivores dans ces installations sont : les compresseurs frigorifiques, Les les évaporateurs et les condenseurs (échangeurs de chaleur), les conduites et les fluides frigorigènes. II. Les éléments constitutifs d’une installation de production de froid II.1. Principe de fonctionnement des machines frigorifiques Le fonctionnement des machines frigorifiques est basé sur la propriété de certains fluides (frigorigènes) à s’évaporer et à se condenser à des températures et des pressions différentes. L’évolution des différentes propriétés sont représentés sur : - Diagramme des frigoristes log(P) – h (pression / enthalpie) - Diagramme T – s (température / entropie) Figure 1 : Principe de fonctionnement d’une installation frigorifique Figure 2 : Cycle frigorifique sur un diagramme P-H Diagnostic et optimisation des installations frigorifiques en matière d’efficacité énergétique dans les installations de production du froid Les éléments principaux des installations frigorifiques sont 4 (compresseur, évaporateur, condenseur, détendeur), mais l’installation nécessite plusieurs autres éléments pour garantir un fonctionnement optimal (Figure 3). Figure 3 : Schématisation d’une installation frigorifique complètes II.2. Les constituants d’une installation impactant sur la consommation d’énergie a. Les compresseurs Les différents types de compresseurs frigorifiques - Moto-compresseur à piston hermétique non accessible, - Moto-compresseur à piston hermétique accessible ou semi-hermétique, - Compresseur à piston ‘ouvert’, - Moto compresseur hermétique non accessible Scroll - Compresseur à vis hermétique accessible ou semi-hermétique ou ouvert, Le compresseur (coté basse pression) va initialement aspirer le gaz frigorigène à basses pression et température (1). Le compresseur va rajouter une énergie mécanique pour augmenter la pression et la température du gaz frigorigène. L’enthalpie augmentera en résultat. Diagnostic et optimisation des installations frigorifiques en matière d’efficacité énergétique dans les installations de production du froid Figure 4: Fonctionnement du compresseur b. Les évaporateurs L’évaporateur est un échangeur de chaleur à travers lequel circule le fluide frigorifique, qui extrait de la chaleur du milieu à refroidir en s’évaporant. Un évaporateur peut fonctionner selon deux modes : Figure 5 : Principe de focntionnement d’un évaporateur - Le mode sec durant laquelle la totalité du réfrigérant est vaporisée et surchauffée à la sortie. La quantité de réfrigérant nécessaire est moins importante qu’avec les évaporateurs noyés. Ce mode est majoritairement utilisé dans les installations de froid commercial. - Le mode noyé est en permanence rempli de réfrigérant à l’état liquide, offrant une surface maximale pour l’échange de chaleur. Un système de séparation des phases liquide/gaz est nécessaire pour éviter toute intrusion de liquide dans le compresseur. c. Le condenseur Le condenseur est un échangeur de chaleur permettant de transmettre la chaleur interne emmagasinée par le réfrigérant vers un milieu externe, (généralement l’air ou l’eau). Trois types de condenseurs existent sur le marché : • le condenseur à air (ou aérorefroidisseurs) utilisés pour les petites et moyennes puissances. Ces systèmes sont équipés par des ventilateurs qui forcent le passage de l’air ou de l’eau le long des conduites remplis de vapeur frigorigènes. Ces systèmes ont l’avantages d’une consommation d’eau nulle. Vu que l’air ayant une capacité thermique spécifique plus réduite que l’eau, ces condenseurs ont une consommation énergétique plus importante que les condenseurs à eau. Diagnostic et optimisation des installations frigorifiques en matière d’efficacité énergétique dans les installations de production du froid • le condenseur à eau et le condenseur à évaporation sont utilisés pour les installation importantes. Figure 6 : Fonctionnement d’un condenseur d. Détendeur La pression du circuit doit revenir à sa pression initiale pour compléter le cycle frigorifique. Ceci est réalisé par le détendeur. Les principaux détendeurs, pour les évaporateurs de type sec, sont : - Les détendeurs thermostatiques sont les modèles les plus répandus. Ils sont bien connus des installateurs et leur prix sont raisonnable. Ils ont l’inconvénient d’être mal adapté aux importantes variations de charge thermique et de pression de condensation. Pour éviter ces problèmes, des détendeurs à orifices multiples ont été développés, permettant l’ouverture en cascade de plusieurs orifices. - Les détendeurs électroniques, plus chers, permettent d’obtenir une régulation précise, même lors d’un fonctionnement en puissance réduite, et n’ont pas les inconvénients cités du détendeur thermostatique. En raison du coût élevé des détendeurs électroniques, ils ne sont utilisés que pour des installations de puissance importante. Le fluide frigorigène se vaporise partiellement dans le détendeur pour abaisser sa température. Figure 7 : Fonctionnement d’un détendeur Diagnostic et optimisation des installations frigorifiques en matière d’efficacité énergétique dans les installations de production du froid III. Outil de mesure de l’efficacité énergétique des installations frigorifiques - COP (Unité en kW frigo / kW électrique): COefficient de Performance froid :C’est le rapport en ce que l’on obtient (froid) et ce que l’on paie (électricité) à un instant fixé. Pour un équipement frigorifique : c’est le rapport de la puissance produite frigo et de la puissance absolue. Valeurs standards de COP froid COP froid (+) ou EER = 2,5 à 3 COP froid (-) ou EER = 1,2 à 2 Figure 8 : Illustration du COP d’une machine frigorifique - SEER Seasonal Energy Efficiency Ratio ou SCOP (COefficient Performance Saisonnier), Il s’agit de la performance kW frigo/W électrique sur une année en prenant en compte : - les conditions fonctionnelles variables Po et/ou Pk (condenseur à air) été, hiver, mi-saison - les évolutions de la performance selon la réduction de la capacité frigorifique (part load), notamment pour les compresseurs à vis. IV. Démarche d’optimisation de l’efficacité énergétique Les démarches d’optimisation sui seront proposées dans ce paragraphe sont basés sur les consignes de l’Agence Nationale de Maitrise de l’Energie (ANME). Les différentes procédures sont appliqués actuellement dans l’industrie Tunisienne sous la tutelle de l’ANME. IV.1. La HP flottante Cette fonction permet de faire varier tout au long de l'année le point de consigne de régulation HP des ventilateurs de condenseur en fonction de la température extérieure. En effet, le fait de baisser la pression de condensation augmente le coefficient de performance (COP) de la centrale ; ce qui a pour effets directs : - Augmentation de la puissance frigorifique de la centrale - Diminution de la puissance électrique absorbée - Diminution de l'intensité absorbée Diagnostic et optimisation des installations frigorifiques en matière d’efficacité énergétique dans les installations de production du froid Figure 9 : Mise en place de la Hp Flottante Il s’agit d’adapter la pression de condensation en fonction de l’évolution des températures du milieu à refroidir (général la température de l’air). En effet, la réduction du taux de compression entraine une réduction très sensible de la puissance absorbée. Cette application aura sa raison d’être essentiellement en hiver, en mi-saison voire la nuit en été. Autres opérations conduisant à une meilleure gestion de la pression de condensation : • Réduction de la température de consigne de condensation • Ajout d’un condenseur sec ou remplacement du condenseur par un condenseur plus grand • Remplacement du condenseur à air par un condenseur évaporatif Ces gains de puissances sont importants, particulièrement en période de demie saison et en période hivernale. Le fait d'obtenir des températures de condensation de 20 à 25 °C une grande partie de l'année permet de générer de 15 à 25% d'économie d'énergie. IV.2. Opérations portant sur le sous-refroidissement Dans l’univers des techniques du froid, le sous-refoidissement d’un fluide consiste à abaisser sa température en dessous de la température de condensation, à pression de vapeur associée. Variateur de vitesse Sonde extérieure Pressostat HP Régulation Diagnostic et optimisation des installations frigorifiques en matière d’efficacité énergétique dans les installations de production du froid Figure 10: Sous refroidissement du fluide frigorigène Le sous-refroidissement, non seulement assure la bonne alimentation du détendeur en liquide, mais participe à augmenter l’efficacité frigorifique. Ceci peut être amélioré par : • La mise en place d’un sous refroidisseur de liquide pour les CF négatives (le sous refroidissement est alors assuré par une production frigo positive) • L’isolation éventuelle des conduites de liquide si celles-ci sont installées dans des combles. IV.3. La variation de vitesse Sur de nombreuses machines, la variation de vitesse par variation de fréquence permet d’améliorer les performances en charge thermique partielle, ce qui est le cas de toutes les installations. • Le gain énergétique varie de 10 à 25% • Le variateur de vitesse sert à un démarrage progressif (intensité de démarrage réduite) • Les régimes transitoires et vibratoires sont éliminés uploads/Industriel/ chapitre-iv-production-de-froid.pdf