La haute pression flottante Annexe de mise en ... - Schneider Electric

Économie d’énergie dans les centrales
frigorifiques :
La haute pression flottante
Annexe de mise en oeuvre
August 2011 / White paper
par Christophe Borlein
membre de l’AFF et de l’IIF-IIR
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Économie d’énergie dans les centrales frigorifiques : La haute pression flottante
Introduction
La mise en œuvre de la HP flottante est relativement aisée. Cependant
les systèmes frigorifiques ne sont pas toujours adaptés à cette
régulation et nécessitent des vérifications voire des adaptations.
La maitrise des impacts de la HP flottante sur le bon fonctionnement
de l’installation permet d’augmenter les économies d’énergie. La
compréhension de l’apparition d’un problème permet de le résoudre à
la source plutôt que d’arrêter le HP flottante, ce qui est le cas sur bon
nombre d’installations.
White paper on Energy Efficiency
II

L’impact possible de la HP sur
le bon fonctionnement

Économie d’énergie dans les centrales frigorifiques : La haute pression flottante
Impact de la puissance du détendeur
Les détendeurs thermostatiques qu’ils soient
mécaniques, électrique, électronique… régulent
une surchauffe à la sortie de l’évaporateur. Ce sont
des vannes modulantes qui agissent sur le débit.
Lorsque le détendeur est totalement ouvert et que
la surchauffe est supérieure à la consigne, cela veut
dire que le détendeur est trop petit. (la puissance
à l’évaporateur ne devrait pas être suffisante à ce
moment ou la BP va descendre jusqu’à un défaut
BP trop basse).
Note : Les calculs qui suivent sont simplifiés et
approximatifs, ils permettent de suivre aisément la
démarche et de comprendre pourquoi le détendeur
multiorifices n’est pas forcément nécessaire. Les
tableaux à la fin sont donnés par les constructeurs.
Les données de ces tableaux sont les seules à être
prises comme irréfutables.
Le détendeur étant une vanne, il est régi par les
mêmes lois qu’en hydraulique (a peu de choses
près, car le fluide est présent dans 2 états) : la perte
de charge évolue au carré du débit.
Dp
= aV ²
Source Danfoss
Si l’écart de pression au détendeur est réduit de
50 %, le débit maximum traversant le détendeur
sera réduit de 30 %. Il devrait donc y avoir une perte
de puissance frigorifique.
Au R-22, un cycle évaporant à -12 °C (2,3 bar)
passant d’une condensation à 40 °C (14,3 bar) à
une condensation à 20 °C (8,1 bar) à une réduction
de débit volumique d’environ 30 % (on négligera les
variations de volume massique)
Figure 1 : Schéma d’un détendeur thermostatique type TE
1- Elément thermostatique
2- Cartouche d’orifice
3- Corps du détendeur
4-Tige de réglage de la surchauffe
5- Egalisation de la pression extérieure
White paper on Energy Efficiency 1

Économie d’énergie dans les centrales frigorifiques : La haute pression flottante
La haute pression
Avec les cycles frigorifiques dessinés figure 2,
du fait de la variation de l’écart d’enthalpie (à
40 °C, 244 kJ/kg ; à 20 °C, 218 kJ/kg) , la perte
de puissance est de 19 %. Cet écart proche
de 20 % ne permet pas d’utiliser un détendeur
classique pour faire de la HP flottante. Il est
donc nécessaire d’avoir un autre moyen de
détente (électronique, analogique, électrique,
multiorifices,…) pour faire de la HP flottante avec
du R-22.
Pressure [Bar]
60.00
50.00
40.00
30.00
20.00
10.00
9.00
8.00
7.00
6.00
5.00
4.00
3.00
2.00
R22 Ref :R.C.Downing. ASHRAE Transactions 1974. Paper No. 2313.
DTU, Department of Energy Engineering
s in [kJ/(kg K)]. v in [m^3/kg]. T in [ºC]
M.J. Skovrup & H.J.H Knudsen. 10-11-07
-20
-10
0
10
20
30
40
50
60
70
80
v= 0.0020
v= 0.0030
v= 0.0040
v= 0.0060
v= 0.0080
v= 0.010
v= 0.015
v= 0.020
v= 0.030
90
v= 0.040
180 218 256 294 332 370 408 446 484
Enthalpy [kJ/kg]
v= 0.060
0.0015
v= 0.080
x = 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 0.70 0.80 0.90
s = 1.00 1.20 1.40 1.60
v= 0.10
0.0020
-20
90
-10
0
-20
s = 1.60
10
80
20
30
70
60
50
40
0
0.0030
s = 1.65
20
s = 1.70
s = 1.75
40
s=1.80
0.0040
60
s=1.85
s = 1.90
80
s =1.95
s=2.00
0.0050
s = 2.05
s = 2.10
100 120
160
140
0.0060
0.0070
0.0080
0.0090
0.010
0.015
0.020
0.030
0.040
0.050
0.060
0.070
0.080
0.090
0.10
0.15
Figure 2 : Cycle frigorifique au R-22 avec une condensation
à 40 °C et à 20 °C

La haute pression
Au R-404A, un cycle évaporant à -12 °C (3,1
bar) passant d’une condensation à 40 °C (17,2
bar) à une condensation à 20 °C (9,9 bar) à une
réduction de débit volumique d’environ 31 %
(identique à celle du R-22)
Avec les cycles frigorifiques dessinés figure
3 avec la variation de l’écart d’enthalpie (à
40 °C : 112 kJ/kg ; à 20 °C : 143 kJ/hg), la
perte de puissance est de 9 %. Cet écart est
acceptable et n’empêche pas l’installation de
fonctionner correctement.
40.00
30.00
R404A Ref :DuPont SUVA HP62
DTU, Department of Energy Engineering
s in [kJ/(kg K)]. v in [m^3/kg]. T in [ºC]
M.J. Skovrup & H.J.H Knudsen. 10-11-07
50
60
0.0020
0.0030
s = 1.60
0.0040
0.0050
0.0060
0.0070
120
0.0080
0.0090
0.010
20.00
40
0.015
30
0.020
Pressure [Bar]
10.00
9.00
8.00
7.00
6.00
5.00
4.00
3.00
-20
-10
0
10
20
s = 1.65
s = 1.70
s=1.75
s = 1.80
s=1.85
s =1.90
s =1.95
100
0.030
0.040
0.050
0.060
0.070
0.080
0.090
0.10
x = 0.10
2.00
-30
0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 0.70 0.80 0.90
s = 1.00 1.20 1.40 1.60
-20 0 20 40 60 80
180 216 252 288 324 360 396 432
Enthalpy [kJ/kg]
0.15
Figure 3 : Cycle frigorifique au R-404A avec une condensation à 40 °C et à 20 °C
White paper on Energy Efficiency 3

La haute pression
Ceci peut être étayé par les tableaux de sélection des fabricants de détendeur (Ci-dessous Danfoss) :
Capacité en kW pour la plage N: - 40 °C à 10 °C
Type de vanne N° orifice Chute de pression dans la vanne Dp bar
2 4 6 8 10 12 14 16
Température d'évaporation -10 °C
TX 2/TEX 2-0.15 0X 0.37 0.47 0.53 0.57 0.6 0.63 0.64 0.64
TX 2/TEX 2-0.3 0 0.79 0.96 1.1 1.2 1.2 1.3 1.3 1.3
TX 2/TEX 2-0.7 1 1.6 2 2.3 2.5 2.6 2.7 2.8 2.8
TX 2/TEX 2-1.0 2 2.2 2.9 3.3 3.6 3.8 4 4.1 4.1
TX 2/TEX 2-1.5 3 3.9 5.1 5.9 6.4 6.8 7.1 7.3 7.3
TX 2/TEX 2-2.3 4 5.8 7.6 8.7 9.5 10.1 10.5 10.8 10.8
TX 2/TEX 2-3.0 5 7.4 9.6 11 16 12à 18 % 12.8 13.3 13.6 13.8
TX 2/TEX 2-4.5 6 9.1 11.8 13.5 14.7 15.6 16.2 16.6 16.8
TEX 5-3 1 11.1 14.3 16.3 17.7 18.8 19.5 19.9 20.1
TEX 5-4.5 2 15.4 19.7 22.4 24.3 25.7 26.7 27.3 27.6
TEX 5-7.5 3 22.7 28.7 32.7 35.6 37.8 39.4 40.4 40.9
TEX 5-12 4 32.3 41.1 46.8 51 54.1 56.3 57.7 58.4
R22
Capacité en kW pour la plage N: - 40 °C à 10 °C R404A/R 507
Type de vanne N° orifice Chute de pression dans la vanne Dp bar
2 4 6 8 10 12 14 16
Température d'évaporation -10 °C
TS2/TES 2-0.11 0X 0.26 0.33 0.38 0.39 0.4 0.4 0.4 0.4
TS2/TES 2-0.21 0 0.53 0.66 0.73 0.76 0.78 0.78 0.78 0.78
TS2/TES 2-0.45 1 0.96 1.2 1.4 1.4 1.5 1.5 1.5 1.5
TS2/TES 2-0.6 2 1.3 1.7 1.9 2 2 2 2.1 2.1
TS2/TES 2-1.2 3 2.3 3 3.4 3.6 3.7 3.7 3.7 3.7
TS2/TES 2-1.7 4 3.4 4.4 5 5.4
5 à 9
5.5
%
5.5 5.5 5.5
TS2/TES 2-12.2 5 4.4 5.6 6.4 6.8 7 7 7 6.9
TS2/TES 2-2.5 6 5.3 6.9 7.8 8.3 8.5 8.5 8.5 8.5
TES 5-3.7 1 7.9 10.1 11.3 12 12.4 12.4 12.3 12.2
TES 5-5.0 2 10.9 13.9 15.6 16.6 17 17 16.9 16.8
TES 5-7.2 3 16 20.4 23 24.5 25.1 25.2 25.2 25.2
TES 5-10.3 4 22.9 29.1 32.9 35 36 36.2 36.1 36.1
La perte de puissance au niveau des détendeurs est donc négligeable avec du R-404A.
White paper on Energy Efficiency 4

Économie d’énergie dans les centrales frigorifiques : La haute pression flottante
Synthèse
Un équipement frigorifique avec du R-404A
et un détendeur mécanique thermostatique
correctement dimensionné n’est pas soumis
à une obligation du changement du mode de
détente pour évoluer vers une régulation à HP
flottante.
Flash gaz
Normalement le flash gaz n’arrive pas lorsque
la HP flottante est correctement mise en
œuvre. Ce phénomène (quand il est associé
à la HP flottante) peut arriver en mi-saison
lorsque l’installation tourne à faible puissance
et les ventilateurs condenseurs à plein régime.
Ceci entraîne un faible écart de température
entre la température de condensation et la
température extérieure. Par conséquent, le sousrefroidissement
est trop faible pour compenser
les pertes de charges jusqu’au détendeur. De
plus la température de la salle des machines où
se situe la bouteille liquide peut réduire le sousrefroidissement.
Pour éviter ce phénomène il faut que la
régulation mise en place limite l’écart de
température entre la température extérieure et la
température de condensation ou que le sousrefroidissement
soit une donnée d’entrée dans la
HP flottante et serve à la régulation.
La mise en place d’un sous-refroidissement
externe permet aussi de résoudre ce problème.
Accumulation de fluide frigorigène
En période hivernale, la HP flottante a tendance
à accumuler plus de liquide dans le condenseur,
surtout si l’écoulement gravitaire de celui-ci
n’est pas efficient. Si la bouteille d’accumulation
de liquide ne peut pas stocker la différence de
volume de fluide entre l’été et l’hiver, il faudra
revoir l’écoulement gravitaire, la taille de la
bouteille ou limiter la valeur minimale de la HP
flottante.
Température de refoulement
La réduction de la HP entraîne une réduction
de la température de refoulement. Cette
réduction peut intervenir sur les performances
du séparateur d’huile. Il faudra s’assurer que
l’écart entre la température de condensation et
de refoulement est suffisant pour permettre une
séparation correcte.
Réduction du débit d’huile
Sur les installations à vis, l’huile est
généralement mise en circulation par la
différence de pression entre la HP et la BP (au
moins 4 bars). Il faudra maintenir cet écart de
pression même avec la HP flottante. La vanne
de maintien de pression devra être réglée à une
valeur égale ou inférieure à la valeur minimale
de la HP flottante. Il faut aussi prendre en
compte les arrêts possibles de l’installation où
les écarts de pressions vont réduire. Le réglage
de la vanne ainsi que la vérification du bon
redémarrage doit être fait dans une période
permettant de descendre la HP à sa valeur
minimale.
Impact sur la récupération de chaleur
La récupération de chaleur est de plus en
plus utilisée sur les installations frigorifiques.
La récupération de chaleur se fait à plusieurs
endroits sur une installation frigorifique sur :
la désurchauffe ;
la condensation ;
le refroidissement d’huile ;
le refroidissement des culasses.
La HP flottante et la récupération de chaleur ne
sont pas forcément incompatibles. Ces deux
solutions apportent énormément d’économie
d’énergie. Il est donc nécessaire de mener des
études au cas par cas pour trouver les réglages
permettant de réduire la consommation globale.
Instabilité du système
Pour diverses raisons le système peut devenir
instable en BP ou en HP.
Côté HP, l’instabilité entraîne des démarrages
trop fréquents des ventilateurs, ce qui peut
provoquer un vieillissement prématurité des
moteurs. Ce dysfonctionnement peut avoir 2
origines :
Un mauvais réglage du PID (ou autre logique
de régulation). Dans ce cas, il faut juste faire
correctement les réglages du PID.
Pas assez d’étages de régulation sur les
ventilateurs. Le travail sur le PID peut réduire le
problème. Il faudrait pouvoir utiliser plus d’étage
de ventilation ou un variateur de vitesse.
Côté BP, les cycles de démarrage fréquents
des compresseurs augmentent fortement les
risques de casse. La régulation ne peut pas
vraiment être mise en cause étant donné que
normalement elle n’a pas été changée. Lorsque
la HP est réduite les compresseurs fournissent
beaucoup plus de puissance frigorifique. Le
temps de fonctionnement entre 2 seuils est donc
réduit. Lorsque le nombre de compresseurs
est faible ce problème est fréquent, l’utilisation
d’un variateur de vitesse est donc une solution
adaptée.
White paper on Energy Efficiency 5

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