Comment fonctionne une installation de refroidissement ?
Le cycle de réfrigération par compression de vapeur (VCRC) est le cycle de réfrigération le plus couramment utilisé dans le monde. Il est employé pour refroidir les bâtiments, les véhicules, les réfrigérateurs et les congélateurs, ainsi que pour fournir du refroidissement à de nombreux processus industriels. Mais comment cela fonctionne-t-il ?
Le cycle de compression de vapeur est un processus qui utilise un réfrigérant pour refroidir et extraire la chaleur d'un espace. Le réfrigérant circule à travers quatre composants principaux : un compresseur, un condenseur, une vanne d'expansion (dispositif de régulation) et un évaporateur.
Système de Réfrigération Typique
Dans le compresseur, la vapeur de réfrigérant est comprimée à une température et une pression plus élevées. La vapeur de réfrigérant à haute pression est ensuite envoyée à un condenseur, où la chaleur est transférée du réfrigérant à un milieu externe, ce qui entraîne une diminution de la température du réfrigérant et son changement d'état pour devenir un liquide à haute pression.
Le réfrigérant liquide s'écoule ensuite à travers une vanne d'expansion, qui réduit sa pression, provoquant sa vaporisation partielle ; cela entraîne un mélange de réfrigérant liquide et vapeur sortant de la vanne d'expansion.
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Cycle de Réfrigération par Compression de Vapeur (VCRC)
Le mélange s'écoule ensuite dans un évaporateur et est chauffé par un milieu externe (généralement de l'eau). Le réfrigérant absorbe la chaleur du milieu externe, ce qui provoque une augmentation de sa température jusqu'à ce qu'il s'évapore et change d'état d'un liquide à basse pression à une vapeur à basse pression. L'absorption de chaleur par le réfrigérant entraîne une diminution de la température du milieu externe, provoquant ainsi un effet de refroidissement. Une fois que le milieu externe a été refroidi, il peut être pompé vers un autre endroit et utilisé pour extraire la chaleur d'un espace.
Après l'évaporateur, la vapeur de réfrigérant à basse pression retourne au compresseur et le cycle se répète.
Quelles sont les principales parties d'un refroidisseur ?
Les principales parties d'un refroidisseur sont listées ci-dessous.
Circuit d'Eau Refroidie
La chaleur est rejetée d'un processus ou d'un bâtiment et envoyée à l'évaporateur. L'évaporateur utilise la chaleur de l'eau refroidie pour faire bouillir le réfrigérant liquide contenu dans l'évaporateur. Au fur et à mesure que le réfrigérant s'évapore, l'eau de refroidissement est refroidie (refroidissement par évaporation).
Évaporateur
L'évaporateur est un échangeur de chaleur à tubes et calandre. Le réfrigérant liquide immerge les tubes et est appelé fluide du côté calandre. L'eau refroidie circule à travers les tubes et est appelée fluide du côté tube. Le réfrigérant liquide à basse pression est chauffé par l'eau refroidie entrante jusqu'à ce qu'il bout et devienne un gaz à basse pression. L'eau refroidie est refroidie au fur et à mesure que le réfrigérant s'évapore.
L'eau refroidie est souvent prélevée dans des zones de chauffage de confort (à l'intérieur d'un bâtiment), un processus industriel, ou des salles de serveurs, mais les applications sont nombreuses.
Compresseur
Le compresseur augmente la densité du gaz réfrigérant évaporé. À mesure que la densité du gaz réfrigérant augmente, sa température augmente également. Les compresseurs de réfrigérant pour les grands refroidisseurs sont généralement de type compresseur centrifuge, piston alternatif, ou à engrenages ; les petits compresseurs utilisent les conceptions de compresseur à lobes ou à spirale.
Moteur
Le moteur principal du compresseur est un moteur électrique. Les petits compresseurs peuvent être entraînés par des moteurs monophasés, mais les grands compresseurs de refroidisseurs sont entraînés par des moteurs à courant alternatif (CA) triphasés.
Condenseur
Le gaz réfrigérant à haute pression du compresseur est envoyé au condenseur. Le condenseur est généralement de type échangeur de chaleur à tubes et calandre. Le gaz réfrigérant est le fluide du côté calandre tandis que l'eau de refroidissement (eau du condenseur) est le fluide du côté tube.
Le gaz réfrigérant à haute pression est refroidi par le circuit d'eau de refroidissement, ce qui provoque la condensation du gaz en un liquide à haute pression ; le réfrigérant liquide est ensuite envoyé à la vanne d'expansion, puis à l'évaporateur.
Vanne d'Expansion
Le réfrigérant liquide à haute pression est envoyé à l'évaporateur via une vanne d'expansion. Les vannes d'expansion diminuent la pression, diminuent la température, et augmentent le volume du réfrigérant liquide. En raison de la réduction de pression, le réfrigérant liquide à haute pression entre dans l'évaporateur à l'état de vapeur.
Boîte de Contrôle
L'électronique (et généralement les schémas de câblage) nécessaires pour contrôler l'unité de refroidissement sont logés dans la boîte de contrôle. Les capteurs de température, de pression, de débit, et de niveau, transmettent des informations à la boîte de contrôle. La boîte de contrôle contrôle quand le moteur du compresseur est allumé/éteint, et agit également pour alerter ou arrêter l'unité en cas de problème opérationnel.
Les moteurs modernes utilisent des variateurs de fréquence (VFD) ; varier la fréquence varie la vitesse du moteur et donc du compresseur. Les VFD sont utiles car il n'est pas nécessaire de faire fonctionner (allumer et éteindre) le compresseur aussi fréquemment, prolongeant ainsi sa durée de vie utile tout en offrant un meilleur contrôle de la capacité de refroidissement de l'installation de refroidissement.
Ressources Supplémentaires
https://en.wikipedia.org/wiki/Chiller
https://energy-models.com/chiller-plant-design
https://blog.senseware.co/2017/11/16/ultimate-guide-chiller-systems