RGF_%20minicanaux_2006

32 RUE DE LA BIENFAISANCE75008 PARIS - 01 40 26 81 24

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Surface approx. (cm²) : 4761

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CEMAGREF6276856000509/FD/SMB

Eléments de recherche : CEMAGREF ou Centre National du Machinisme Agricole du Génie Rural des Eaux et des Forêts : toutes citations

On a généralement tendance à considérer lesinstallations frigorifiques dans leur ensemblemaîs, pour en améliorer les performances, ilfaut considérer séparément chaque élément.C'est pourquoi la Revue générale du froid adécidé de consacrer le dossier de ce mois auxcomposants frigorifiques.

Le dossier comprend cinq articles ; les deuxpremiers articles présentent les déshydrateurset les trois derniers articles signalent les tra-vaux en cours pour l'amélioration des échan-geurs thermiques.

Dans le premier article, N. P. Vestergaardexpose les précautions à prendre quand oncherche à utiliser le C02 comme fluide bassetempérature dans un cycle cascade. Le dioxydede carbone est un fluide ancien maîs quidemande des précautions particulières pour samise en ceuvre.

Le second article de Dominique Herrera (Carly)présente l'intérêt de la déshydratation et dunettoyage des installations frigorifiquesfonctionnant avec des HFC.

Le troisième article signale les travaux derecherche menés par Ciat pour déterminer lesperformances de ses échangeurs à plaques. Ila été mis en place un prototype avec un tubede verre permettant de visualiser l'allure desécoulements lorsque l'on fait varier diversparamètres.

> ComposantsfrigorifiquesDenis Leducq, dans le quatrième article, faitétat des travaux de recherche du Cemagref pourdiminuer les charges en fluide frigongène enprenant en compte non pas l'effet direct surl'environnement de l'installation maîs aussil'effet indirect.

Le dernier article présente les travaux du Cetiatpour améliorer les performances des échan-geurs dans les petits climatiseurs. •

Vous lirezdans ce dossier

Utilisation du C02 comme frigorigènedans les circuits cascadesammoniac/C02 p a g e - ) -par N. P. Vestergaard

Déshydratation et décontaminationdes circuits frigorifiques page -i'.par Dominique Herrera

Maîtrise d'écoulement diphasique en _entrée des échangeurs EXEL page -i .par F. Liaudet, R. Jurkowski, A. Bailly. S. Meziani etM. Altazin

Conception et optimisationd'installations frigqifiques àfaible charge en frigorigène page • > ( >par Denis Leducq, Hélène Macchi, RomualdHunlede, Jacques Guilpart, Alain Maréchalet Stéphane Colasson

Amélioration de l'efficacitéénergétique des climatiseurs- principes généraux page ( > ( >par Ahmed Bensafi


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> Conception et optimisationd'installations frigorifiquesà faible charge en frigorigènepar Denis Leducq* Helene Macchi *, Romuald Hunlede *, Jacques Guilpart *,Alam Marechal** et Stephane Colasson **

ll est importantde pouvoir minimiserl'impact des installationsfrigorifiques surl'environnement. Unedes pistes de rechercheest de diminuer lescharges de frigorigènestout en maintenant uneefficacité énergétiqueélevée. Cet articleprésente les travauxdu Cemagref sur ce sujetavec en particulierl'utilisation d'échangeursà mini-canaux.

Les enjeux économiquessociaux et écologiques de laconsommation energetique ontfait ces dernieres annees,l'objet d un debat au niveaumondial, avec notamment lanotion de developpementdurable et la ratification desaccords de Kyoto visant a la

reduction des emissions des gaza effet de serre (G ES) Ces préoc-cupations se traduisent enpratique par la mise en place depolitiques et de stratégies visanta une production et une utilisa-tion del energie plusrationnelle,avec entre autre pour objectifnational de reduire d'un facteur

4 les emissions de GES d ici2050

Aujourd hui dans les paysindustrialises jusqu'à 15 % del'énergie consommée est consacrée a la production du froid ausens large (froid et climatisation) En France pour le seulsecteur de I agroalimentaire laconsommation energetique dufroid et de la climatisationreprésente approximativement

35 % de la consommation electrique de ce secteur(pour memoire la consommation electrique globaledes industries agroahmentaires est d une trentainede TWh/an)

Line large gamme de domaines est concernee par lesapplications du froid industries agroalimentaire,chimique, electronique, transport, confort de l'habitatll apparaît donc que I amelioration des performances desmachines frigorifiques est un enjeu important dans lecontexte actuel d'utilisation rationnelle de I energie Parailleurs, depuis le protocole de Montreal (1987) visantl'interdiction de fluides frigorigènes de type CFC (chlo-rafluorocarbures) et HCFC (hydrochlorofluorocarbures),les industriels du genie frigorifique utilisent des fluidesde type HFC (hydrof luorocarbures) dont I effet direct sur

RésuméCet article présente les resultats d'un projet

conduit conjointement par le Cemagref et le CEA-

GREThE sur la conception d'installations frigonfi

gues a charge réduite pour le secteur du « petit »

agroalimentaire L'objectif est d'associer une

reduction importante de la charge en frigorigène

de ces installations a une bonne efficacite

energetique, notamment par la mise en ceuvre de

la technologie des echangeurs compacts a canaux

de faible dimension Cette approche permet de

minimiser I impact environnemental global de ces

installations, impact qui peut etre caractérisé

notamment par le critère du TEWI

AbstractThis article présents a project eemed outjomtly by

the Cemagref ond the CEA GRErh£ about the

design of refngerotmg systems ot reduced

réfrigérant load for small plants of the food cold

chain We intend to implement the compact heat

exchangers small channel technology The

réfrigérant load reduction thot it allows will be

assoaoted with o good energy efficiency of the

whale system, in order to minimise the total

environmentol impact in term of TEWI

le réchauffement climatique est pointé par le protocolede Kyoto A titre d exemple, lorsqu il est relâche àl'atmosphère, I kg de frigorigène H FC R 404Aalemêmeimpact que 3,2 tonnes de C02

Maîs autant, sinon plus que I effet direct des fluidessur le réchauffement climatique, c'est l'effet équiva-lent total du systeme qu il convient de prendre encompte Ainsi il apparaît que la proposition desolutions innovantes au problème posé doit concilier

* Cemagref, Division Génie des Procédés Frigorifiques92163 Antony Cedex

** GREThE, 38054 Grenoble Cedex 09


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...(Quelques chiffres clésRatio de charge en frigongène des installations frigorifiques lesinstallations frigorifiques produisant du froid par détente directenécessitent classiquement entre 0,8 et 4 kg de fluide frigon-gène pour produire I kW froid La conception d'installations àfaible charge en frigongène doit permettre d atteindre des ratiosde 0,2 à 0,3 kg/kW soit une réduction d au moins 80 % de lacharge.

En plus de la réduction de l'effet direct, la compatibilité destechnologies proposées avec l'utilisation de fluides naturels detype hydrocarbures ou ammoniac permettrait de favoriserl'utilisation de ces fluides de par la réduction des quantitésnécessaires.

Impact attendu de cette technologie :

• Les applications concernées par cette recherche représententactuellement en France une charge d'environ 16 DOO tonnes de

frigongène , la généralisation de la technologie à faible chargepermettrait de réduire cette charge à moins de 2000 tonnes ' Anoter que, en raison de la similitude technologique des machi-nes de froid utilisées en climatisation et conditionnement d'air,les résultats de ces travaux pourraient être facilement transpo-

sables à ce secteur d'activité dont l'impact sur l'environnementest souvent évoqué,

• Par ailleurs, la réduction attendue sur le TEWI direct étant de90 % et celle attendue sur le TEWI indirect de IO % à 20 %,

on peut s'attendre à une réduction du TEWI global des installa-tions (c'est-à-dire des quantités de COj rejetées) de plus de50%. Ainsi, l'application de cette technologie aux 600000installations potentiellement concernées en France permettraitune réduction des rejets de I 200 DOO tonnes équivalent CO?par an, soit près de 2 % des émissions de GES liées aux indus-tries de l'énergie •

les deux aspects déjà bien définis dans la notion deTotal Equivalent Warmmg Impact (TEWI) Cet indicepermet en effet d'évaluer l'impact total d'un systèmesur le réchauffement climatique Dans le cadre del'optimisation envisagée, le TEWI est donc unegrandeur à minimiser ll s'exprime comme la sommede deux effets

• l'effet direct qui s'évalue à partir du CWF (GlobalWarmmg Potential) du fluide frigongène contenudans l'installation ll exprime la contribution dusystème à l'effet de serre liée aux émissions furtivesde frigongène à l'atmosphère durant la totalité de ladurée de vie du système ;

• l'effet indirect lié à la consommation énergétiquedu système durant la totalité de sa vie

L'Institut international du froid estime qu'enmoyenne, l'effet direct représente 15% de l'effettotal, ce qui démontre clairement que ne s'intéresserqu'à la réduction de la charge en frigongène ou auxémissions de fluide fait occulter 85 % du problèmeune démarche mtégrative se doit de considérer lesdeux aspects à la fois

Par ailleurs, rappelons que le secteur du froid repré-sente environ 8% des emissions totales en Francede gaz à effet de serre.

Cadre des recherchesau CemagrefDans ce contexte, l'objectif finalisé des recherchesconduites par notre équipe est de proposer dessolutions techniques innovantes afin de concilier lesexigences d'une chaîne de froid efficace etperformante et la mimmisation de l'impact environ-

nemental des systèmes frigorifiques utilisés Deuxvoies majeures sont explorées par l'équipe

• l'utilisation de fluides frigoporteurs diphasiques detype coulis de glace ou coulis d'hydrates qui permetle confinement des installations et donc uneréduction de leur charge en frigongène (Fournaisonet al , 2002) ,

• l'utilisation de « nouvelles » technologies sur lesinstallations en froid direct en vue de réduire leurTEWI global ces nouvelles technologies vont de lamise en œuvre de nouvelles conceptions de compo-sants, par exemple les échangeurs de chaleur à mini-canaux associés à la mise en œuvre de conduites deliquide à faible diamètre hydraulique jusqu'à la miseen ceuvre de stratégies de pilotage des installationspermettant une réduction de la consommationénergétique

Contexte technico-économiquede l'étudeLes travaux présentés ici sont volontairement restreintsaux unités frigorifique à détente directe de petitepuissance (puissance frigorifique inférieure à 15 kW)telles qu'on peut en trouver un très grand nombre. Unrecensement effectué en 2002 a montré que cettecatégorie représente 80 % des unités frigorifiques denotre pays et représente plus de 40 % de la massetotale de fluide frigongène utilisée

Dans le domaine du froid alimentaire, on trouve parexemple les chambres froides du commercetraditionnel (boucheries, boulangerie, ..), de larestauration collective ou encore du commerce deproximité (supérettes)


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Conduite deliquide

17%

Compresseur1%

Evaporateur17%

Bouteilleaccumulatnce

42%

Condenseur23%

Figure 1. Répartition de la charge en frigorigène dans une petite installationfrigorifique air / air a unité de condensation séparée(installation de 5 kW froid et 15 kg de frigorigènepour un régime à -28/+40°C)

Répartition de la charge en fluidefrigorigène dans l'installationLa figure I présente la répartition de charge enfrigorigène dans les différents composants d unemachine frigorifique standard (a unite de condensalion séparée) de 5 kW pour un regime de -28 a +40°Cll ressort que la charge se trouve presque exclusivement dans les composants ou le frigorigène estpresent a I etat liquide ou diphasique cesta-direprincipalement dans la bouteille accumulatnce deliquide (42%) puis dans le condenseur (environ23 %), enfin dans I evaporateur et dans la conduitede liquide (la conduite de liquide est définie commeétant le tronçon qui relie le détendeur au conden-seur) avec chacun 17 % de la charge totale

La réduction de la masse totale de frigorigène del'installation passe donc d abord par une mmimisationde la taille des reservoirs et le remplissage optimal deces reservoirs Dans un deuxieme temps, il s'agit dereduire le volume interne des échangeurs (condenseuret evaporateur) maîs également de reduire si possibleles dimensions de la conduite de liquide

A partir de ce constat le Cemagref a travaille encollaboration avec le CEA GREThE (Groupement derecherche sur les échangeurs thermiques GrenobleFrance) dans le cadre d'un projet de recherchefinance par I Ademe sur un concept innovantd'installations frigorifiques mettant en ceuvre deséchangeurs de chaleur a faible volume interne ethaute efficacite et des conduites de liquide a volumereduit

Une conséquence évidente de la reduction du volumeinterne liée a la reduction du diamètre est uneaugmentation des pertes de pression qui peut reduirede mamere significative I efficacite de l'installationL'approche scientifique que nous proposons passedonc par la recherche dun compromis « reduction dela masse de frigorigène / augmentation des pertes depression »

Conception d'une installationfrigorifique à faible chargeen frigorigènePrincipe du projetLe principe a consiste a installer pour une mêmechambre froide deux installations frigorifiques

• la premiere a ete conçue et mise en ceuvre par uninstallateur et utilise donc des diamètres de tuyautenes et de canalisations d échangeurs ordinaires

• la seconde est une installation pilote a faible chargeer frigorigène optimisée en se basant sur le critèredu TEWI

Ces deux installations ont les mêmes caractéristiquesen termes de puissance et de temperature defonctionnement et utilisent le même fluide frigorigène

Concevoir une installation a faible charge en frigorigene revient a reduire de maniere generale le volumeinterne de tous les composants, y compris les canalisalions On imagine que cette reduction de volumenecessite cependant une tres bonne connaissance ducomportement des pertes de pression dans lesgeometries a faible diamètre hydraulique, notammenten écoulement diphasique afin d évaluer les consé-quences sur la performance de l'installation L'objetdes travaux a porte ainsi dans un premier temps surl'étude des pertes de pression pour des écoulementsdiphasiques en faible diamètre et sur l'évaluation deleur impact sur la performance des installations

Les installations frigorifiques de petite puissance metlent classiquement en ceuvre des diamètres (tuyaute-ries et échangeurs) compris entre IO et 14 mm Latechnologied échangeurscompactsà« mini canaux »correspond, elle, a des diamètres hydrauliques com-pris entre 0,2 et 3 mm (figure 2) ll s agit déchan-geurs de type batterie ailettee, c'est à-dire des tubesdans lesquels circule le frigorigène et sur lesquels sontfixées des ailettes métalliques assurant une surfaceaugmentée du côte du fluide externe (figure 3)

Leffet de reduction du diamètre sur le volume interneest spectaculaire il varie en effet proportionnellement au carre du diamètre Ainsi la reduction d unfacteurS du diamètre hydraulique des canauxutilises dans ces échangeurs permet la reduction duvolume interne d'un facteur 9 tout en maintenant desperformances thermiques au moins égales (et mêmelégèrement superieures) a celles des échangeursclassiques (Rolland, 2002 & Bensaf i et Hantz, 2003)

Pertes de pression dans les canauxde faibles diamètresLa relative nouveaute de ces échangeurs, même s ilssont déjà utilisés à grande echelle dans le domainede la climatisation automobile explique que de


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00

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Ediangeuraaaurfeceailettée

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01 0,01 0,1 1 10

Diamètre hydraulique (mm)

§

100

Figure 2. Diamètres hydrauliques (Dh) des différentes technologies d'échangeurs.

nombreux travaux de recherche soient encoreactuellement conduits sur le comportement thermo-hydraulique des écoulements en diamètres réduits

(Thome, 2004). Dès 2000, l'accueil du Pr C Vlasie

(Université Technique de Clu|-Napoca, Roumanie)

dans l'équipe du Cemagref a permis de confirmer

qu'en écoulement monophasique dans des mini-canaux, les lois de prédiction de pertes de charges

et de transfert de chaleur relatives aux conduites de

diamètre conventionnel restent applicables (enca-dré 2, Agostmi et al., 2004 & Vlasie et al , 2004).

La situation est loin d'être aussi simple dans le

domaine des écoulements diphasiques, notammenten raison de la méconnaissance actuelle du phénomène de condensation dans ces géométnes à faiblesdiamètres hydrauliques Compte tenu de l'objectif de

cette recherche, un des points bloquants s'est avéré

être le manque de connaissances concernant les

pertes de pression en écoulement diphasique, en

particulier dans les singularités (figure 3) liées aux

géométnes spécifiques des échangeurs à mini-

canaux (Serghim, 2003)

En effet, dans la technologie des échangeurscompacts en général, et dans celle des échangeurs àmini-canaux en particulier, les pertes de pression

singulières (liées aux discontinuités) prennent une

importance accrue par rapport aux pertes de pression

régulières (liées aux frottements aux parois)

nombreuses réglettes de mini-canaux en parallèle,

intrusion des réglettes sur les distributeurs/collec-

teurs, circuit multi-passes de frigongène (figure 3)

Conception du prototypeà charge réduiteDe nouveaux concepts d'évaporateurs ont été étudiés

au cours de ce projet Suite aux essais, deux solu-tions en particulier ont été examinées , il s'agit :

• d'un évaporateur à mini canaux et ailettes pliées,

• d'un évaporateur à diamètres réduits à tubes et bandes

Finalement, la deuxième solution « tubes de faible

diamètre » a été préférée à la technologie des mini-canaux pour l'évaporateur. En effet, la nécessité

d'espacer suffisamment les ailettes afin d'éviter une

obstruction trop rapide de l'écoulement d'air par legivre fait qu'il est nécessaire d'augmenter fortement

le nombre et la longueur des réglettes Ainsi, les

estimations du volume interne d'un évaporateur àmim canaux conçu pour être utilisé à température

négative montrent que celui-ci est identique auvolume interne d'un échangeur à tubes de petit

OOOOOOO.

rQOOQOOQ,

Ailettes » persknn»

QjPC

Tub»

Distributeur


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...(Pertes de pression et de transfert de chaleurdans les petits diamètres hydrauliquesEn monophasique, on sait désormais que les corrélations classiques peuvent être utilisées pour les mini-canaux :• Dittus & Boelter (1930) au plan thermique . Nu = 0,023 Re08 Pr04 (régime turbulent)• Colebrook-White (1937) pour les pertes de pression .

à 2vconduite rugueuse -> - --f G — avec —^

dz 20 Jf1,74- 2lo

F 1Ç7q - ==[Re/f

En diphasique, le problème est plus complexe et est actuellement étudié dans le cadre d'une thèse menée en collaboration entrele Cemagref, le CEA-GREThE et le LEGI, plus spécialement en ce qui concerne les pertes de pression singulières •

diamètre tel que celui qui a été réalise maîs que lacomplexité et le coût de la réalisation de l'évapora-teur à mini-canaux sont plus importants.

Après un dimensionnement donnant les caractéristiquesgénérales de l'évaporateur et son agencement, un pro-totype a été réalise au GREThE/LETh. Cet évaporateura permis d'obtenir des performances thermiques égalesà l'évaporateur classique, tout en diminuant fortementla charge de fluide frigongène dans l'installation dédiée.

Une attention particulière a été portée à la « ligneliquide ». Un diamètre de 6,4 mm (à comparer à undiamètre moyen de 14 mm pour l'installationclassique) a été utilisé sur presque toute la longueurde la canalisation entre le condenseur et le détendeur.Afin d'éviter une vaporisation du liquide dans cettecanalisation, un échangeur liquide vapeur basé sur leprincipe d'une canalisation coaxiale (ligne liquide àl'intérieur de la canalisation d'aspiration) a été mis enplace Le sous-refroidissement supplémentaire obtenua permis, dans tous les cas de fonctionnement testés,d'éviter une prédétente dans la conduite. Le volumeinterne de cette canalisation a lui été réduit de 65 %.

Les caractéristiques thermiques, hydrauliques et letaux de remplissage des echangeurs à mmicanaux ontété caractérisés Deux echangeurs à mini-canauxfonctionnant en parallèle ont été utilisés en tant quecondenseur de l'installation Le volume interne de cesechangeurs est de 0,77 litre à comparer aux 6 litresdu condenseur utilisé pour l'installation classique.

De même que l'installation classique de référence, leprototype à charge réduite est ainsi destiné à produiredu froid « négatif » jusqu'à -20°C et fonctionne auHFCR-404A Le système est finalement composé de :

• un compresseur équipé d'un vanateur de vitesse,

• un condenseur à air à mini-canaux composé de deuxcondenseursde type Valeo CA 1247 montésen parallèle,

• une bouteille accumulatrice de fluide frigongèned'une capacité de 3,8 I,

• une conduite de liquide à diamètre réduit. La pertede pression engendrée par l'augmentation de vitesseest compensée par un sous-refroidisseur de typeéchangeur liquide-vapeur,

Ecoulement de R404A

Evaporateur '—

Détendeur

Compresseur + VEV

Bouteille accumulatricede faible capacite

Condenseur àmini-canaux + VEV

CONDUITE DE LIQUIDE A DIAMETRE REDUIT+ VEV

Figure 4. Schéma du prototype à mini-canaux du Cemagref.(Note • VEV = Vanateur électronique de vitesse, ELV = échangeur liquide / vapeur)


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Compresseur

Bouteille accumulatrice

Installation classique Prototype à mini-canaux

Figure 5. Comparaison de la masse de frigorigèneestimée dans l'installation classique et dans le prototype à charge réduite.

• un détendeur thermostatique à point MDP Leréglage de la surchauffe est de 0°C, compte tenu dela présence d'un important ELV.

• un évaporateur prototype refroidisseur d'air ventiléplafonnier développé par le GREThE (18 tubes enparallèle, pas des ailettes 6,35mm, et 4 passessuccessives, volume intérieur de 1,3 I, débit d'air desoufflage de l'ordre de 7 600 m3/h, dégivrageélectrique)

Le schéma simplifié de l'installation est présentéfigure 4 Cette installation est placée dans la mêmecellule que l'installation classique (47 m3).

Des détails complémentaires concernant les compo-sants de l'installation sont donnés dans le tableau IOn constate que le prototype à charge réduite permetune réduction des volumes internes de 91 % àl'évaporateur, 87 % au condenseur, 65 % à la conduitede liquide, 83 % à la bouteille accumulatrice HP etglobalement de 84 % pour l'ensemble du système.

On peut noter une nette augmentation du coefficientd'échange au condenseur (+40 %) attribuable engrande partie à la technologie des ailettes àpersiennes mise en œuvre côté air.

RésultatsLa caracterisation des performances du prototypeainsi que de son impact environnemental a étéréalisée Les résultats obtenus (Macchi-Tejeda et al ,2005) ont eté compares à ceux de l'installationfrigorifique classique de référence caractérisée auCemagref (David, 2002) en termes de :

• masse de fluide frigorigène contenue dans lesystème,

• performances énergétiques du système à travers lecalcul du COP,

• TEWI globaux et partiels (directs et indirects).

Comparaison de chargeen frigorigèneLa masse de fluide frigorigène dans l'installationa été réduite de 90 % par rapport à une installa-tion frigorifique usuelle grâce à I emploi de latechnologie des mini-canaux couplée à unestratégie systématique de réduction des volumesinternes de l'installation (figure 5). Enconséquence, le ratio de charge en frigorigène estpassé d'une valeur de 1,4 à 0,19 kg de frigori-gène par kW froid.

Ces dernières valeurs ont été obtenues en y incluantla quantité présente dans la bouteille accumulatricepour les deux cas. Sans bouteille accumulatrice, lacharge en frigorigène de l'installation est réduite de4,1 kg à 0,8 kg, soit une réduction de 80 %.

Performances énergétiquesdu prototype à charge réduiteDes essais ont été effectués pour les mêmes régimesque l'installation classique . -20°C, -15°C, -10°C et-5°C La durée moyenne de chaque essai est de IO h ;chaque résultat correspond à la moyenne de deux àquatre essais. Une charge thermique est imposée afinde simuler la présence de produits alimentaires dansla chambre. Des bilans énergétiques ont ensuite étéétablis à la fois du côté de la chambre froide et ducôté de la machine frigorifique. Le recoupement deces deux bilans a permis de remonter à la puissancefrigorifique obtenue à l'évaporateur et au coefficient


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Tableau I. Comparaison deset de l'installation à charge

principales caractéristiques techniques des composants de l'installation classiqueréduite

Installation Classique Charge réduite Evolution

Evaporateur

Constructeur Frigerst PC245-980EB GREThE

Diamètre interne 10,7 mm (1/2") 4 mm

Volume interne

Longueur totale

14,8 litres 1,3 litres

117 rn (4x29,2) 335 rn (227x1,48)

Surface côté air 47,4 m265,1 m2

Surf e. frigorigène 3,9m2 1,4 m2

Pas d'ailettes 6,35 mm 6,35mm

Ap évaporateur 1,2 bar (à 45 g/s) 0,11 bar (à 45 g/s)

Ap ligne aspiration 0,2 bar (à 45 g/s)

Coeff. d'échange 9,9 Wnr-'K-1-20%

Débit d'air 11 800 mVh 3 DOO tr/min, 3 ventilateurs (« 7 600 m3/h)

Condenseur

Constructeur SearleMDA22-6 mini-canaux Valeo

Diamètre interne 7,93 mm (3/8") 1,49mm

Volume interne 6 litres 0,77 litres -87 %

Longueur totale 122 m (4x3 0,3) 250 m (2x32x7x0,56)

Surface côté air 33m2 32 m2

Surf e. frigorigène 3,0m2 1,5m2

Pas d'ailettes 2,12 mm 1,28mm

Ap condenseur 0,5 bar (à 45 g/s) 0,36 bar (à 45 g/s)

Coeff. d'échange 20Wm-2K-' 32,8Wm-2K-' +40 %

Débit d'air 5 200 mVh 5 lOOmVh +VEV

Conduite de liquide

D réduit + ELV

Diamètre interne 4,60 m 5/8" + 6,07 m'/2" 1,65 m'/2" + 4,05 m'A"

Longueur totale 10,67m 10,7 m

Volume interne 1,24 litres 0,44 litres -65 %

ELV Frigabohn Modèle 200H

pmax 31 bar Coaxial 1,38 m"2" (vliq < 3,5 m/s)

V balayé

Compresseur

2 cp pistons - Prestcold PL SOX

2 x 14,5 mVh

I cp pistons - Bock HGX34P

22,1 m3/h (sélection pour 70 Hz)

Régulation

Volume interne total

hors bouteille

Volume internewmwutmVolume ii

TOK VEV 20/70 Hz - v rotation asservie à 9cei|u|e

-88%

Bouteille accumulatrice HP

3,8 litres

6,33 litres

-83%

-85%


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1,8

1,6 -

1,4

1.2

-30

Prototype

-25 -20

Température d'évaporation [°C]

-15

Figure 6 COPglobal en fonction de la températured'évaporation pour l'installation classique et pour le prototype à charge réduite.

de performance frigorifique de l'installation (COP)pour chaque régime

Comme pour l'installation classique, le COP diminue avecla température de travail et le rendement de cycle aug-mente un peu avec la température (de 27 % à 30 %) Demême, le COPcompresseur s écarte assez nettement duCOPgioba La répartition des différents postes de consom-mation d énergie est assez comparable à celle de I instal-lation classique soit 70 % pour le compresseur le resteétant reparti entre la consommation des ventilateurs deI évaporateur (16%), la consommation des ventilateursdu condenseur (7 %) et la puissance de dégivrage (7 %)

Le COP du prototype a mini-canaux présenteglobalement une amélioration de l'ordre de IO % parrapport à l'installation classique (figure 6) à bassetempérature, en raison principalement du meilleurcomportement thermique des condenseurs et del'utilisation de la variation de vitesse

Comparaison du TEWI globalLe calcul de TEWI se conduit selon des hypothèsesclassiques (encadre 3)

Les résultats sont donnés figure 7 On constate quele TEWI global du prototype à charge rédu ite est réduitde 66 % par rapport à celui du système classiquecela tient principalement à la part du TEWI directEn effet, le TEWI indirect des deux installations n'estpas très différent (réduction de 20 % du TEWIindirect) , en revanche, la très forte réduction decharge a permis une réduction de 90 % du TEWIdirect

La proportion entre effet direct et effet indirect estdirectement liée à la politique énergétique du payspour laquelle le bilan est effectué Pour la France, onestime qu'un kilowatt-heure consomme a pour effetle rejet de 120 grammes de dioxyde carbone

Les résultats présentés figure 7 sur le TEWI ont étécalculés d après cette valeur et sont donc caractéris-tiques d'une utilisation en France Pour ces valeurs,la comparaison entre les deux solutions fait apparaî-tre une réduction du TEWI de 65 %

Pour ces mêmes installations, maîs en considérantcette fois le rejet de 650 grammes par kilowatt heure,

...(Hypothèses pour le calcul du TEWITaux de fuite annuel IO %Taux de fuite en fin de vie 50 %Nombre de fuites totales en cas d'incidents OQuantité de C02 rejetée par unité d'énergie électrique consommée A = 0,12 kg C02/kWheCWF du R-404A (sur 100 ans) 3 260 kg C02

Nombre d'heures de fonctionnement journalières 8 heures + 20 minutes pour le dégivrage (en 3 fois) pour I installationclassique /ll heures 35 mm + 25 minutes de dégivrage (2 fois par jour) pour le prototype

Puissance de dégivrageNombre de jour de fonctionnement annuelDuree de vie le I installation

7,2 kW pour I installation classique / 3,8 kW pour le prototype365 j / a n15 ans •


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160000

140000

O 120000

I•5 100000

> 80000

60000

Machine classique 40000

prototype mini-canaux

Q lewi indirect

• lewi direct20000

température de cellule (°C)

-66%dont-20 % sur l'indirect-90 % sur le direct

Figure 7. Comparaison des TEWI (direct, indirect et total) de l'installationclassique et du prototype à charge réduite.

Coût de l'Installation (o)

5000

4000

3000

2000-

1000-

machine classique

mini canaux

Figure 8. Coût comparatif de ('installation frigorifique de référence et du prototype à charge réduite.


AVRIL 06Mensuel


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chiffre moyen international, on obtient une réduction

du TEWI global de l'ordre de 50 %, un peu moins

élevée que pour la France maîs une valeur qui néan-

moins reste considérable.

Comparaison du coûtde fabrication des installationsUne rapide comparaison du coût d'investissement

nécessaire à la fabrication de telles installations a

fourni les résultats présentés figure 8. Comme on le

note, la technologie à charge réduite n'engendre glo-

balement aucun surcoût d'investissement. en effet,

le coût total des installations s'élève à environ

13 000 € pour la technologie classique et à

IO DOO € pour le prototype. Ceci s'explique princi-

palement par un moindre coût du condenseur et du

compresseur (deux compresseurs sur l'installation

classique /un seul compresseur + vanateur de vitesse

sur le prototype), l'évaporateur prototype occasionne

un léger surcoût. Pour cet élément, il faut noter qu'il

s'agit d'une estimation du coût puisqu'il n'est pas

actuellement fabrique en série. Pour tous les autres

éléments, par contre, le coût pris en considération

est le prix d'achat unitaire, y compris les condenseurs

à mini-canaux Signalons enfin que le prototype à

charge réduite reste une installation frigorifique de

technologie simple, ne nécessitant pas un savoir faire

particulier lors du montage.

Remerciements : Les auteurs remercient l'Ademe

pour son important soutien financier à ce projet.

...(bibliographie• Agostini B Watel B , Bontemps A , Thonon B , 2004, Liqui flow friction factor

and heat transfer coefficient in small channels an experimental investigation, Exp

Thermal and Fluid Science, 28, p 97-103

• Bensafi A , Hantz D , 2003, Les échangeurs à microcanaux, Revue Générale du

Froid, 1031, p 56-62

• David L, 2002, Instrumentation et caracterisation du fonctionnement d'une

installation frigorifique classique, GRAN Cemagref, Antony

• Fournaison L, Chourot J M , Guilpart J 2002, Fluides frigoporteurs

diphasiques Utilisation et recherche dans le monde, Revue Générale du Froid,

1027, p 37-40

• Macchi-Tejeda H , Leducq D , Hunlede R , Maréchal A , Colasson S, 2005,

Optimisation énergétique d'un système frigorifique équipé d échangeurs à mini-

canaux et à charge réduite en frigongène, Cemagref / CEA-GRETh, Antony

• Macchi-Tejeda H , Leducq D , Marechal A , Colasson S, 2003, Installations à

charge réduite en frigongène, Revue générale du froid, 1037, p 47-52

• Rolland S , 2002, Etude expérimentale et modélisation d'un condenseur à

mini-canaux, Ecole Supérieure d'Ingénieurs de Poitiers

• Serghini T, 2003, Etat de l'art sur les pertes de charge régulières et singulières

en écoulement diphasique dans les mini-canaux, Rep No Rapport

bibliographique d'avancement de thèse Cemagref - GRAN, Antony

• Thome J R , 2004, Boilmg in microchannels a review of expenment and theory,

International Journal of Heat and Fluid Flow, 25, p 128-139

• Vlasie C, Macchi H , Guilpart J , Agostim B, 2004, Flow boi!ing in small

diameter channels, Int J Refng , p 191-201.

...(conclusionCette étude a mis en évidence la possibilité de diminuer

considérablement la masse de fluide frigongène contenue dans

une installation frigorifique à puissance équivalente et d'en

optimiser l'efficacité énergétique afin de répondre aux

contraintes d'une politique environnementale forte Cette étude

est déclinée sur deux niveaux.

Au niveau scientifique, il a été démontré que les outils de

prédiction des lois de transfert (chaleur et masse) classiquement

utilisées en régime diphasique n'étaient plus applicables pour les

géométries à faibles diamètres hydrauliques (mini thermique) :

nous avons donc dû entreprendre le développement d'outils de

prédiction des ces lois de transferts. L'intégration de ces nouvel-

les lois dans des modèles globaux de systèmes frigorifiques a

permis de prédire les performances de ces systèmes (aide au

dimensionnement).

Au niveau technologique, nous proposons une nouvelle concep-

tion de l'architecture des installations, en particulier au niveau de

la conduite de liquide La mise en ceuvre des échangeurs à

mini-canaux associée à de « nouvelles » technologies de contrôle

(variation de vitesse, pressions flottantes, intégration d'échangeurs

liquide/vapeur, ...) est également proposée. Les résultats de

l'ensemble de ces travaux ont été concrétisés par la réalisation

d'un pilote expérimental à échelle I.

L'intégration de ces deux niveaux d'approche démontre que la

réduction de la charge en frigongène d'un facteur IO est possible,

tout en maintenant des performances thermiques et énergétiques

identiques, voire supérieures aux systèmes à géométrie classique.

Ainsi, il est actuellement possible de réduire l'impact environne-

mental des systèmes frigorifiques étudiés de plus de 50 %.

La simplification des modèles comportementaux de ces systèmes

à charge réduite et l'exploitation de ces modèles simplifiés en

contrôle commande prédictif (gestion des commandes et

optimisation énergétique) devrait permettre, dans un proche

avenir, d'améliorer encore ces résultats déjà prometteurs.

Documents

RGF_%20minicanaux_2006