Le refroidissement industriel consiste à évacuer la chaleur des équipements de production, des matériaux ou des opérations de fabrication afin de maintenir les températures requises par le procédé. Il contribue à contrôler la qualité des produits, à protéger les équipements et à assurer la stabilité de la production. Les systèmes de refroidissement peuvent utiliser de l’air, des liquides en circulation, des fluides frigorigènes ou de la glace.
La température requise, le débit de refroidissement et les conditions de contact déterminent le système adapté. Cet article explique le fonctionnement des systèmes courants, les avantages pratiques offerts par la glace et les conditions d’exploitation qui guident le choix du système.
Comment fonctionne le refroidissement industriel ?
Le refroidissement industriel transfère la chaleur d’un procédé plus chaud vers un milieu plus froid, qui évacue cette chaleur.
Dans un système typique à eau glacée :
- L’eau circule dans un échangeur de chaleur, une chemise d’équipement ou un canal de refroidissement et absorbe la chaleur.
- L’eau réchauffée retourne vers un groupe frigorifique.
- Le groupe frigorifique transfère la chaleur de l’eau vers son circuit frigorifique.
- Un condenseur rejette cette chaleur vers l’air extérieur ou vers un système séparé d’eau de refroidissement. L’eau refroidie retourne en production.
Un refroidisseur à air sec suit une voie différente : il rejette directement la chaleur du fluide vers l’air ambiant. La glace absorbe la chaleur lorsqu’elle fond, ce qui permet de fournir du refroidissement à un moment et à un endroit différents de ceux où elle a été produite.
Principales méthodes de refroidissement industriel et topologies de systèmes
Un système de refroidissement nécessite un moyen de faire circuler son fluide frigorigène ainsi que des équipements pour absorber et rejeter la chaleur. Ces composants remplissent des fonctions différentes ; il convient donc de comparer non seulement leur disposition, mais aussi leurs rôles respectifs.
Systèmes hydrauliques à boucle ouverte et à boucle fermée
Les systèmes hydrauliques transportent la chaleur dans de l’eau ou un mélange à base d’eau. Dans un système à circulation ouverte, tel qu’une tour de refroidissement ouverte, l’eau entre en contact avec l’air extérieur. L’évaporation concentre les minéraux et les contaminants aéroportés peuvent pénétrer dans l’eau, rendant nécessaire un traitement de l’eau.
Une boucle de processus fermée maintient son fluide séparé de l’air extérieur, ce qui aide à contrôler la qualité du fluide atteignant les équipements. La boucle de processus et la boucle d’évacuation de chaleur peuvent adopter des configurations différentes. Dans une tour de refroidissement à circuit fermé, le fluide de processus reste à l’intérieur d’un serpentin tandis que l’eau pulvérisée à l’extérieur du serpentin s’évapore. La boucle de processus reste fermée, mais le côté évacuation de chaleur perd tout de même de l’eau par évaporation.
Technologies de refroidissement courantes et leurs fonctions
Plusieurs de ces technologies peuvent fonctionner conjointement dans une même installation.
| Technologie | Fonction principale | Conditions d’exploitation utiles | Contrainte principale |
| Refroidisseur à air sec | Rejette la chaleur du fluide vers l’air extérieur | La température du fluide requis est suffisamment supérieure à la température de l’air extérieur | Les performances suivent la température ambiante |
| Tour de refroidissement | Refroidit l’eau de circulation par évaporation | Adaptée au refroidissement d’eau de process ou à l’évacuation de chaleur au condenseur | Température de bulbe humide et gestion de l’eau |
| Groupe frigorifique | Utilise la réfrigération pour refroidir de l’eau ou un mélange eau-glycol antigel | Températures contrôlées du fluide, y compris en dessous des conditions ambiantes | La capacité et la puissance varient selon les températures de fonctionnement |
| Détente directe | Fait évaporer le fluide frigorigène à la surface de refroidissement | Équipement conçu pour le refroidissement direct au fluide frigorigène | Distribution et régulation du fluide frigorigène |
| Système à base de glace | Absorbe la chaleur par fusion de la glace | Refroidissement par contact, alimentation en eau glacée ou refroidissement stocké | Capacité d’approvisionnement, de manutention et de fonte de la glace |
| Système cryogénique | Utilise des substances très froides telles que l’azote liquide | Applications spécialisées à basse température ou nécessitant un refroidissement rapide | Approvisionnement consommable et commandes spécifiques à l’application |
Les groupes frigorifiques à condensation par air et ceux à condensation par eau peuvent tous deux fournir de l’eau glacée à un procédé. Leurs dénominations décrivent la manière dont leurs condenseurs évacuent la chaleur.
Le rôle de la glace dans le refroidissement de procédés
La glace peut refroidir directement un matériau, refroidir de l’eau de circulation ou stocker du froid pour une utilisation ultérieure. Le procédé doit être adapté à la température de fusion de la glace, à la manière dont elle entre en contact avec le matériau et au calendrier d’approvisionnement.
Chaleur sensible et chaleur latente dans le refroidissement
Le transfert de chaleur sensible modifie la température d’un matériau sans en changer l’état physique. L’eau glacée se réchauffe lorsqu’elle absorbe la chaleur d’un procédé. La chaleur latente correspond à la chaleur impliquée dans un changement d’état. La glace d’eau douce à environ 0 °C absorbe environ 334 kJ/kg lorsqu’elle fond en eau à la même température. Cette absorption supplémentaire de chaleur est utile dans les procédés où la quantité d’eau pouvant être ajoutée est limitée.
La forme de la glace influence le contact, la manutention et le comportement de fonte. Dans des conditions comparables, modifier la forme n’augmente pas la chaleur absorbée par une masse égale de glace en cours de fonte. D’autres systèmes de refroidissement utilisent également un changement de phase : les fluides frigorigènes s’évaporent dans les circuits frigorifiques, et l’eau s’évapore dans les tours de refroidissement.
Refroidissement direct par glace
Dans le refroidissement par contact direct, la glace touche le produit ou est mélangée au procédé. Elle absorbe la chaleur lorsqu’elle se réchauffe et fond. Des morceaux fins provenant de des machines à glace piléepeuvent se répartir autour de produits irréguliers ou être dosés dans un mélangeur. Des morceaux plus gros peuvent nécessiter un broyage ou davantage de temps pour être correctement mélangés.
Le procédé doit accepter l’eau ajoutée, et la glace doit répondre à ses exigences de qualité. Lorsque la glace est un ingrédient, elle doit être incluse dans la quantité totale d’eau autorisée par la recette. Si un contact direct n’est pas adapté, un circuit d’eau-glacier séparé et un échangeur de chaleur peuvent maintenir l’eau de refroidissement à distance du produit.
Refroidissement par eau glacée
La fonte de la glace peut refroidir de l’eau circulant dans une double enveloppe ou un échangeur de chaleur. L’eau absorbe la chaleur du procédé puis revient pour être refroidie à nouveau, sans qu’il soit nécessaire d’ajouter directement de la glace solide au matériau. La température de sortie dépend du débit d’eau, du brassage, du contact avec la glace et de la chaleur entrante. Même lorsque le mélange eau-glace se trouve près de son point de fusion, le produit peut rester plus chaud.
Par exemple, 100 kg de glace en flocons d’eau douce à 0 °C absorbent environ 9,3 kWh de chaleur lors de leur fonte. Utiliser ce refroidissement sur une heure nécessite un taux de refroidissement moyen de 9,3 kW. Le système de circulation et l’échangeur de chaleur doivent être capables de fournir ce débit ; disposer uniquement d’une réserve suffisante de glace ne suffit pas.
Stockage thermique de la glace
Le stockage thermique de la glace permet de produire celle-ci en amont de la demande et de la faire fondre au moment où le refroidissement est requis. Cela peut réduire la puissance électrique maximale demandée ou décaler les achats d’électricité vers des périodes moins coûteuses. Dans un système à stockage partiel, le groupe frigorifique et la glace stockée fournissent conjointement le refroidissement. Les conceptions à stockage total fournissent le refroidissement exclusivement à partir du stockage pendant toute la période de décharge prévue.
Comparez la consommation énergétique sur l’ensemble du cycle, y compris la charge, les pertes de stockage, les pompes et le refroidissement utile fourni. Une facture d’électricité plus faible ne signifie pas nécessairement une consommation moindre en kilowattheures. consommation électrique par tonne de glacepermet de distinguer la consommation énergétique réelle de la puissance nominale de la machine.
Applications industrielles critiques du refroidissement de procédé
Définissez le résultat attendu en matière de refroidissement avant de choisir l’équipement. Une température cible du produit, une condition de réaction ou une limite de température lors du mélange confère au système une tâche précise à accomplir.
Transformation alimentaire et des boissons
Le refroidissement contrôle les températures des aliments pendant la production et la manutention. Le mélange peut réchauffer les pâtes ou les mélanges de viande, tandis que la fermentation génère une chaleur qui doit être évacuée. La glace convient aux procédés acceptant un contact direct ou l’ajout d’eau dans la recette. Lorsque le fluide frigorigène doit rester séparé, les équipements à double enveloppe ou les échangeurs de chaleur assurent le refroidissement sans mélanger les fluides. La manutention des produits de la mer exige de prendre en compte à la fois le refroidissement initial et la conservation des poissons. Le premier élimine la chaleur provenant des poissons ; la glace supplémentaire absorbe la chaleur entrant durant le stockage et le transport.
Industrie chimique
Le refroidissement élimine la chaleur de réaction afin de maintenir les procédés chimiques à la température requise pour une production constante. Les chemises et les échangeurs de chaleur permettent de maintenir le fluide frigorigène séparé des produits chimiques. L’ajout direct de glace n’est adapté que lorsque la réaction chimique tolère l’ajout d’eau et la dilution qui en résulte. La capacité de refroidissement doit être dimensionnée en fonction de la manière dont la réaction dégage de la chaleur, car une charge moyenne journalière seule pourrait ne pas couvrir cette exigence.
Production de béton
Le refroidissement des composants du béton abaisse la température du béton frais. La glace peut remplacer une partie de l’eau de malaxage et absorber de la chaleur lors de sa fonte.
Sa quantité doit respecter la limite totale d’eau autorisée par lot. La quantité nécessaire varie selon les températures des composants, l’humidité des granulats, les conditions de malaxage et la température requise du béton. Une température initiale plus basse facilite le contrôle thermique, bien qu’elle ne puisse pas empêcher toutes les formes de fissuration thermique.
Principales différences entre le refroidissement industriel et le refroidissement pour le confort
Le refroidissement industriel régule les températures de production, tandis que le refroidissement pour le confort maintient les conditions intérieures adaptées aux personnes. Leurs charges et leurs exigences opérationnelles sont donc définies différemment.
La conception du refroidissement pour le confort prend en compte la chaleur pénétrant dans le bâtiment, l’occupation, la température et l’humidité. Celle du refroidissement industriel commence par la chaleur dégagée par les équipements ou les matériaux, puis intègre les températures cibles, les contraintes temporelles de production et la compatibilité des fluides.
Un procédé peut fonctionner en continu ou par lots, avec soit une tolérance thermique étroite, soit large. Le fonctionnement continu et un niveau de précision fixe ne sont pas requis pour tous les procédés. Dans une brasserie, par exemple, la climatisation dessert les bureaux et les pièces occupées, tandis qu’un circuit séparé refroidit les cuves de fermentation.
Comment choisir un système de refroidissement industriel
Un système à eau circulante constitue une option initiale pour le refroidissement continu, en maintenant le fluide frigorigène séparé du procédé. Utilisez un groupe frigorifique lorsque le rejet de chaleur vers l’ambiance ne permet pas de maintenir la température de distribution requise. L’ajout direct de glace convient aux procédés acceptant un contact direct, tandis que le stockage permet de concilier le calendrier des besoins en refroidissement et celui de la production.
Exigences de refroidissement et dimensionnement du système
Commencez par la chaleur à évacuer et le temps disponible pour son évacuation. Pour un lot sans changement de phase :
Chaleur évacuée (kJ) = masse (kg) × chaleur spécifique moyenne[kJ/(kg·K)]× chute de température (K)
La chaleur spécifique mesure le transfert de chaleur par unité de masse et par degré. Divisez la quantité de chaleur par la durée du refroidissement en secondes pour obtenir la capacité moyenne de refroidissement en kW. Pour un refroidissement en régime permanent, utilisez le débit massique en kg/s à la place de la masse par lot. Le choix de l’équipement doit également tenir compte de la charge maximale simultanée et de toute capacité tampon disponible. Incluez la chaleur provenant des équipements, des réactions chimiques et de l’environnement, le cas échéant.
Pour les systèmes à glace, calculez séparément la production quotidienne et la livraison maximale. machine à glace en flocons de 2 tonnesindique une production de 2 000 kg sur 24 heures dans des conditions ambiantes de 30 °C et d’eau d’alimentation à 20 °C. Ces valeurs ne permettent pas de déterminer sa sortie dans des conditions ambiantes plus chaudes ni la quantité de glace disponible pendant un poste de travail court.
Stratégies de fonctionnement et optimisation du système
Maintenez propres les surfaces de transfert de chaleur et assurez un traitement adéquat de l’eau afin que le système atteigne la température et le débit requis par le procédé. Ajustez le fonctionnement du compresseur aux variations de charge. Des pompes ou ventilateurs à vitesse variable peuvent être utilisés lorsque l’équipement et les exigences minimales de débit le permettent.
Dans des conditions météorologiques favorables, le refroidissement gratuit exploite les conditions ambiantes pour réduire le fonctionnement des groupes frigorifiques. Ajustez les consignes de température dans la plage acceptable du procédé, et comparez la consommation énergétique à la production utile dans des conditions similaires afin de détecter toute dégradation des performances.
Pour un projet basé sur la glace, fournissez vos conditions de fonctionnement, y compris le matériau à traiter, le débit, les températures initiale et cible, la durée de refroidissement et la localisation du site. Ces éléments permettent de déterminer la capacité requise de production de glace, ainsi que les besoins en stockage et en livraison.
Sources externes
- Trane : Refroidissement des procédés
- Département américain de l’Énergie : Refroidissement des procédés et CVC
- Baltimore Aircoil Company : Tours de refroidissement à circuit fermé
- FAO : Nature et propriétés de la glace
- Baltimore Aircoil Company : Stockage thermique par glace
- FHWA : Contrôle de la température du béton et refroidissement des constituants
