Parmi les technologies disponibles pour rejeter la chaleur des systèmes de réfrigération et de climatisation,le condenseur refroidi par airoccupe une place clairement définie. Il ne s’agit pas d’une solution universelle ni d’un produit de niche. Il s'agit d'une technologie spécifique avec des caractéristiques de performances, des conditions d'application et des compromis économiques spécifiques. Cet article examine la technologie d'un point de vue technique, en passant en revue les facteurs qui déterminent ses performances, ses avantages et ses limites par rapport aux autres types de condenseurs, ainsi que les critères qui devraient guider sa sélection.
Principe de fonctionnement
Le condenseur refroidi par air rejette la chaleur du réfrigérant vers l'air ambiant. Le réfrigérant entre dans le condenseur sous forme de vapeur surchauffée à la pression et à la température de refoulement. Lorsqu'elle circule à travers les tubes à ailettes, la chaleur est transférée au flux d'air passant sur les tubes et les ailettes. Le réfrigérant se condense en libérant de la chaleur latente, sortant sous forme de liquide sous-refroidi.
Le processus de transfert de chaleur est régi par trois facteurs : la différence de température entre le réfrigérant et l'air, la surface de transfert de chaleur et le coefficient global de transfert de chaleur. La surface est fournie par la disposition des tubes à ailettes. Le coefficient de transfert de chaleur est déterminé par la vitesse de l'air à travers les ailettes et les caractéristiques de transfert de chaleur côté réfrigérant-.
Caractéristiques de transfert de chaleur
Le coefficient de transfert thermique global d'un condenseur refroidi par air est déterminé par la somme des résistances thermiques côté réfrigérant, paroi du tube et côté air. Parmi celles-ci, la résistance côté air-est dominante, représentant 70 % à 85 % de la résistance totale.
Le coefficient de transfert de chaleur côté air-est fonction de la vitesse de l'air, de la géométrie des ailettes et de l'espacement des ailettes. Pour les conceptions de condenseur typiques, le coefficient côté air- varie de 20 à 60 W/m²·K, en fonction de la vitesse frontale et de la configuration des ailettes. Le coefficient côté réfrigérant-est généralement d'un ordre de grandeur plus élevé, allant de 500 à 2 000 W/m²·K. En comparaison, la résistance de la paroi du tube est négligeable.
Le coefficient global d'un condenseur propre est généralement de 25 à 40 W/m²·K. L'encrassement de la surface à ailettes peut réduire ce phénomène de 20 à 40 %, selon le niveau de contamination et la fréquence de nettoyage.
Performance par rapport à la température ambiante
La capacité d'un condenseur refroidi par air est directement liée à la différence entre la température de condensation et la température ambiante du bulbe sec-. Pour une taille de condenseur et un débit d’air donnés, la capacité est :
Q=U × A × (Tcond - Tamb)
où Q est le taux de rejet de chaleur, U est le coefficient de transfert de chaleur global, A est la surface, Tcond est la température de condensation et Tamb est la température ambiante du bulbe sec-.
Si la température ambiante augmente, la différence de température diminue, sauf si la température de condensation augmente. Une augmentation de la température de condensation augmente la pression de refoulement du compresseur et la consommation électrique, réduisant ainsi l'efficacité du système. Il s’agit de la limitation thermodynamique fondamentale des condenseurs refroidis par air.
L'ampleur de cet effet est quantifiable. Pour un condenseur typique fonctionnant avec une approche de 15 degrés (la différence entre la température de condensation et la température ambiante), une augmentation de 5 degrés de la température ambiante réduit la capacité d'environ 20 % si la température de condensation est maintenue constante, ou nécessite une augmentation de 5 degrés de la température de condensation pour maintenir la capacité. Ce dernier augmente la puissance du compresseur d'environ 8 à 12 %.
La relation entre la capacité et la température ambiante doit être prise en compte dans le processus de sélection. Un condenseur dimensionné pour une température ambiante de 35 degrés fournira environ 75 % de sa capacité nominale à 45 degrés. Dans les climats chauds, les conditions de conception doivent être basées sur la température ambiante la plus élevée prévue, et non sur la moyenne.
Avantages et limites
Avantages des condenseurs refroidis par air :
- Zéro consommation d'eau. L'avantage le plus important est l'élimination de l'eau de refroidissement. Dans les régions-en pénurie d'eau, c'est souvent le facteur décisif. Le condenseur ne nécessite pas de tour de refroidissement, de produits chimiques de traitement de l'eau ou d'élimination par purge.
- Coût d’investissement réduit. Pour les petites et moyennes capacités (jusqu'à environ 200 kW), les condenseurs refroidis par air ont généralement un coût d'installation inférieur à celui des systèmes refroidis par eau. Le coût supplémentaire des systèmes refroidis par eau comprend la tour de refroidissement, les pompes, la tuyauterie et l'équipement de traitement de l'eau.
- Entretien plus simple. Les exigences d'entretien se limitent au nettoyage des serpentins, à l'inspection des ventilateurs et des moteurs et aux contrôles électriques. Les systèmes refroidis par eau nécessitent un entretien supplémentaire pour la tour de refroidissement, les pompes et le traitement de l'eau.
Limites des condenseurs refroidis par air :
- Dégradation des performances à des températures ambiantes élevées. La capacité diminue à mesure que la température ambiante augmente. Dans les climats chauds, le condenseur doit être surdimensionné pour répondre à la charge de refroidissement dans des conditions optimales. Ce surdimensionnement ajoute au coût d'investissement et peut entraîner de mauvaises performances en charge partielle-.
- Consommation d’énergie plus élevée dans certains climats. Les condenseurs refroidis par air consomment plus d’énergie du ventilateur que la puissance de la pompe et du ventilateur d’un système refroidi par eau. La différence est généralement de 10 à 20 % de la puissance totale du système, bien que cela varie en fonction de la conception et du climat spécifiques.
- Bruit. Le niveau sonore de plusieurs ventilateurs fonctionnant à pleine vitesse peut être important. Dans les zones résidentielles ou sensibles au bruit-, un traitement acoustique peut être nécessaire, ce qui augmente le coût.
- Exigence d’espace extérieur. Le condenseur doit être installé dans un emplacement extérieur avec un dégagement suffisant pour la circulation de l'air. Dans les zones urbaines denses ou là où l’espace extérieur est limité, cela peut constituer une contrainte.
Dimensionnement et sélection
Les données suivantes sont requises pour sélectionner un condenseur refroidi par air :
- Température ambiante de conception. Température ambiante sèche-la plus élevée attendue pendant la saison de refroidissement. La valeur appropriée est la condition de conception de 2,5 % issue des données ASHRAE ou des enregistrements météorologiques locaux.
- Réfrigérant. Le type de réfrigérant détermine la relation pression-température et la température de condensation requise.
- Taux de rejet de chaleur. La chaleur totale à rejeter par le condenseur. Il s’agit de la somme de la puissance frigorifique et de la puissance absorbée du compresseur.
- Approche de la température. La différence entre la température de condensation et la température ambiante de conception. Une valeur typique est de 10 degrés à 15 degrés. Une approche plus petite nécessite un condenseur plus grand ; une approche plus large augmente la puissance du compresseur.
Grâce à ces données, la capacité requise du condenseur peut être déterminée à partir des données de sélection du fabricant, qui sont généralement fournies sous forme de capacité par rapport à la température ambiante pour une plage de températures de condensation.
Le calcul de conception thermique
La surface de transfert de chaleur requise pour une tâche donnée est déterminée par :
UNE=Q / (U × ΔTlm)
où ΔTlm est la différence logarithmique moyenne de température entre le réfrigérant et l’air. Pour un condenseur, la température du réfrigérant est relativement constante pendant le processus de condensation et la température de l'air augmente à mesure qu'il traverse le serpentin. La différence logarithmique moyenne de température explique cette variation.
La valeur U- doit être déterminée en fonction de la géométrie du serpentin et du débit d'air spécifiques. Pour un condenseur neuf et propre, les valeurs U-typiques pour les systèmes R-22, R-134a et R-410A vont de 25 à 35 W/m²·K. Pour les systèmes R-744 (CO₂), qui fonctionnent à des pressions plus élevées, les valeurs U sont similaires, mais la température de condensation est nettement plus élevée.
La puissance requise du ventilateur est déterminée par la chute de pression à travers le serpentin et le débit d'air requis. La puissance typique du ventilateur est de 1 à 2 kW pour 10 kW de rejet de chaleur, selon la conception.
La valeur-des économies d'eau : une évaluation quantitative
Les économies d'eau d'un condenseur refroidi par air par rapport à un système refroidi par eau avec tour de refroidissement peuvent être estimées à partir des relations suivantes :
La consommation d’eau des tours de refroidissement comprend l’évaporation, la dérive et la purge. L'évaporation est la composante dominante, représentant 70 à 90 % du total. Le taux d'évaporation est d'environ 1,5 à 2,5 litres par kW-heure de chaleur rejetée, selon la gamme et l'approche de la tour de refroidissement.
Pour un système de 250 kW fonctionnant 3 000 heures par an, la consommation annuelle d'eau d'un système refroidi par eau est de :
Évaporation : 250 × 3 000 × 2.0=1 500 000 litres
Dérive et purge : environ 30 % d'évaporation=450 000 litres
Total : 1 950 000 litres par an
Un condenseur refroidi par air ne consomme pas d’eau. Les économies d'eau sont de 1,95 millions de litres par an pour ce seul système.
Comparaison énergétique
La consommation d'énergie d'un condenseur refroidi par air correspond principalement à la puissance du ventilateur. La consommation d'énergie d'un système refroidi par eau comprend le ventilateur de la tour de refroidissement et la pompe à eau du condenseur. Une comparaison typique pour un système de 250 kW est :
Condenseur refroidi par air : puissance du ventilateur de 20 kW, 3 000 heures/an=60 000 kWh/an
Système refroidi par eau : ventilateur de tour de refroidissement de 2 kW + 5 pompe kW=7 kW, 3 000 heures/an=21 000 kWh/an
Le système refroidi par air consomme 39 000 kWh/an supplémentaires. Au tarif d'électricité de 0,12 $/kWh, le coût d'exploitation supplémentaire est de 4 680 $ par année. Les économies d'eau à un tarif d'eau de 2,00 $/1 000 litres s'élèvent à 3 900 $ par an. La différence nette est de 780 $ par année en faveur du système refroidi par air.
Cette comparaison est sensible au tarif de l'électricité, au tarif de l'eau et aux horaires de fonctionnement. À des tarifs d’électricité plus bas ou à des tarifs d’eau plus élevés, le système refroidi par air est plus avantageux.
Installation et dégagement
L'installation d'un condenseur refroidi par air nécessite un espace suffisant pour l'entrée et la sortie d'air. Les dégagements spécifiés par le fabricant doivent être respectés.
Les dégagements minimum pour les unités typiques sont :
Côté admission : 1,0 à 2,0 mètres, selon la conception
Côté déchargement : 2,0 à 4,0 mètres, selon la hauteur de l'unité et le sens de déchargement
Entre les unités adjacentes : 2,0 à 3,0 mètres, pour empêcher la recirculation
La recirculation-le retour de l'air évacué vers l'admission-réduit la différence de température effective et peut réduire la capacité de 10 à 30 %. Le risque de recirculation est plus élevé dans les espaces confinés, entre unités adjacentes et lorsque le condenseur est installé près d'un mur ou sous un auvent.
Entretien et nettoyage
La principale exigence d’entretien consiste à nettoyer la surface du serpentin à ailettes. L'accumulation de poussière, de saleté, de pollen et de particules industrielles sur les ailettes réduit le flux d'air et le transfert de chaleur. Le taux d'accumulation dépend de l'environnement :
- Environnements propres (zones d'habitation, immeubles de bureaux) : nettoyage annuel
- Environnements modérés (zones commerciales, banlieues) : nettoyage deux -an
- Milieux sévères (zones industrielles, zones agricoles, littoral) : nettoyage trimestriel
Le nettoyage peut être effectué avec :
- Pulvérisation d'eau avec un détergent doux, suivi d'un rinçage
- Air comprimé, dirigé de l'intérieur vers l'extérieur (flux inversé)
- Nettoyage chimique des dépôts d'huile ou de graisse
Le nettoyage à l'eau à haute-pression doit être utilisé avec prudence, car il peut plier les ailettes, réduisant ainsi le débit d'air et augmentant la chute de pression. Des outils de redressement des ailerons sont disponibles, mais leur utilisation nécessite -de main d'œuvre.
Conclusion
Les condenseurs refroidis par air constituent une technologie mature avec des caractéristiques de performances-bien définies. Leur principal avantage est la suppression de la consommation d’eau, déterminante dans les régions-en pénurie d’eau. Leur principale limitation est la réduction de capacité à des températures ambiantes élevées, qui doit être prise en compte par un dimensionnement approprié.
La sélection d'un condenseur refroidi par air doit être basée sur une évaluation spécifique au site-du climat, de la charge de refroidissement, des limitations sonores et des contraintes d'installation. Le coût d’investissement, les coûts d’exploitation et les exigences de maintenance doivent être comparés à ceux des alternatives refroidies à l’eau. Lorsque l’évaluation est menée systématiquement, le choix approprié est clair.