Comprendre les solutions de refroidissement par fluide refroidi par air, refroidi par eau, adiabatique et hybride
Par Stephen G. Kline, PE, MBA, responsable des applications de produits, Baltimore Aircoil Company
Les systèmes de refroidissement pour le confort, la réfrigération et les applications industrielles utilisent généralement l'une des trois principales méthodes de rejet de chaleur - refroidi par air, refroidi par eau ou adiabatique. Le refroidissement hybride, rejet de chaleur utilisant deux ou plusieurs de ces méthodes, a également gagné en popularité ces dernières années. Pour choisir le système de refroidissement optimal, l'ingénieur doit tenir compte du climat, du coût d'exploitation souhaité, de la disponibilité de l'eau, de la charge de refroidissement et de tout autre objectif et contrainte potentiels spécifiques au site, tels que la maintenance.
Les systèmes refroidis par air utilisent un refroidissement sec. L'air passe sur un échangeur de chaleur à ailettes contenant le fluide de traitement. La chaleur sensible est transférée du fluide de traitement dans l'échangeur de chaleur au courant d'air traversant l'unité. Pour refroidir efficacement le fluide de procédé à la température souhaitée pour le système, la température de bulbe sec doit être nettement inférieure à la température du fluide. Dans les climats chauds et pendant les périodes de températures ambiantes élevées, cette technologie entraîne des températures de conception des fluides de procédé plus élevées et une efficacité globale du système plus faible.
Les unités refroidies par air consomment également beaucoup d'énergie pour faire fonctionner les ventilateurs, qui doivent déplacer un grand volume d'air. Une surface de transfert de chaleur beaucoup plus importante que les autres méthodes de refroidissement est également requise, ce qui entraîne généralement une empreinte beaucoup plus grande pour les refroidisseurs à sec que les systèmes qui utilisent le rejet de chaleur par évaporation ou adiabatique. La température de fonctionnement de conception du système plus élevée entraîne une consommation d'énergie nettement plus élevée pour le système. Enfin, comme le système fonctionne avec des températures de fluide de procédé plus élevées et que la chaleur est l'ennemi des systèmes mécaniques, la durée de vie du système est plus courte que les systèmes de refroidissement alternatifs qui offrent des températures de conception plus basses.
Les systèmes refroidis à l'eau utilisent généralement le rejet de chaleur par évaporation pour maximiser l'efficacité énergétique et les performances thermiques. Le refroidissement par évaporation rejette efficacement la chaleur de l'eau de recirculation et rejette de l'air chaud et humide dans l'atmosphère en utilisant à la fois le potentiel sensible et latent de l'air. Le rejet de chaleur par évaporation réduit considérablement la puissance requise du ventilateur, l'encombrement et, surtout, la consommation d'énergie globale du système. Cette consommation d'énergie est nettement inférieure à la consommation d'énergie totale de systèmes de taille similaire utilisant soit un refroidissement par air, soit un rejet de chaleur adiabatique. Dans les tours de refroidissement, les refroidisseurs de fluide et les condenseurs évaporatifs, un système de pulvérisation fait passer de l'eau sur un milieu de remplissage et/ou un échangeur de chaleur. Utilisant la même physique que la transpiration, le processus d'évaporation refroidit la surface de l'eau lorsque les molécules de H2O passent de la phase liquide à la phase gazeuse. La chaleur est ensuite rejetée dans le flux d'air à travers l'unité et finalement dans l'atmosphère par le processus de refroidissement par évaporation.
Le processus d'évaporation dépend de la capacité de l'air entrant à absorber les molécules d'eau évaporées en utilisant la force motrice de l'enthalpie de l'air. Plus l'air est sec et moins humide, plus ce potentiel est élevé, comme l'indique la température de bulbe humide, qui est toujours égale ou inférieure à la température de bulbe sec de l'air. La température de bulbe humide est liée à la quantité d'humidité dans l'air par rapport à la température de bulbe sec. Une tour de refroidissement par évaporation peut abaisser le fluide de traitement dans l'échangeur de chaleur à quelques degrés près de la température du bulbe humide. Les tours de refroidissement par évaporation et les refroidisseurs de fluide se sont révélés être des solutions de refroidissement puissantes et économes en énergie dans tous les climats. Bien qu'ils utilisent l'eau, qui est généralement beaucoup moins chère que l'énergie, il s'agit toujours d'une ressource naturelle importante à conserver. Cette conservation est accomplie en élaborant et en mettant en œuvre un programme efficace de traitement de l'eau pour le site.
Le refroidissement adiabatique utilise également l'évaporation, mais comme moyen de refroidir l'air entrant traversant un échangeur de chaleur à ailettes. Dans un système correctement conçu et exploité, l'échangeur de chaleur à ailettes reste sec, protégeant les surfaces du tartre et de la corrosion. Le refroidissement adiabatique de l'air peut être réalisé en pulvérisant de l'eau dans le flux d'air ou en utilisant des tampons mouillés qui fournissent une surface pour l'interface entre l'eau et l'air. Dans le premier cas, l'objectif est que l'eau pulvérisée dans le flux d'air s'évapore avant d'atteindre la batterie à ailettes, évitant l'entartrage et la corrosion sur la batterie qui peuvent avoir un impact négatif sur l'efficacité du système et la durée de vie de l'équipement. Dans le second cas, un tampon humidifié est utilisé pour refroidir le flux d'air entrant. Les coussinets sont spécialement conçus pour retenir l'eau à la surface des coussinets afin de s'assurer qu'elle ne se propage pas à la batterie à ailettes, minimisant ainsi le risque d'endommagement de la bobine.
L'utilisation d'une petite quantité d'eau pour prérefroidir l'air entrant dans l'échangeur de chaleur réduit le débit d'air requis et la puissance du ventilateur par rapport aux unités refroidies par air, tout en abaissant également la température du fluide vers le système. Dans les systèmes adiabatiques les plus efficaces, l'air est refroidi à une température proche de la température du bulbe humide. Une telle baisse substantielle de la température de l'air entraîne une augmentation significative de la capacité de refroidissement à sec et de l'efficacité énergétique par rapport aux conceptions à sec uniquement. Une fois que la température ambiante commence à approcher du point de congélation, ou pendant les périodes de charge réduite, l'unité peut être commutée pour fonctionner en mode sec uniquement, réduisant ainsi la consommation d'eau.
Les commandes du système de rejet de chaleur adiabatique sont conçues pour être flexibles, intelligentes et conviviales, tirant pleinement parti des modes de fonctionnement doubles. À un point de conception sélectionné par le client, tel qu'un bulbe sec ambiant plus frais et une charge thermique inférieure, l'unité peut désactiver l'eau de recirculation et passer en mode de fonctionnement en mode sec. De plus, le puisard d'eau de recirculation à faible volume se vide automatiquement lorsque des températures glaciales sont rencontrées, ce qui élimine le besoin de réchauffeurs de puisard.
La conception à recirculation d'un système de rejet de chaleur adiabatique consomme moins d'eau qu'une tour de refroidissement par évaporation. Notez que certaines conceptions utilisent un système de mouillage "à passage unique" qui peut augmenter considérablement la consommation d'eau, par rapport au système de type à recirculation. Cependant, de telles conceptions peuvent également enfreindre les codes locaux interdisant l'utilisation du refroidissement à passage unique, de sorte que les responsables du code local doivent être consultés.
Les produits de refroidissement hybrides utilisent une combinaison de technologies de rejet de chaleur sèche et par évaporation. Combinant les avantages des deux, les produits hybrides peuvent être idéaux pour les applications sensibles à l'eau tout en offrant une efficacité énergétique élevée. Ils ont la possibilité de fonctionner "humide", ajoutant les avantages associés au rejet de chaleur par évaporation ou adiabatique, ainsi que de fonctionner en mode sec. En fonction des besoins en eau et en énergie du client, ainsi que des conditions ambiantes, ces produits peuvent déplacer la charge vers la méthode appropriée de rejet de chaleur afin d'optimiser la conservation de l'eau et de l'énergie pour un site spécifique.
BAC, le leader des solutions de refroidissement durables, crée une technologie de rejet de chaleur de pointe pour répondre aux besoins de nos clients : des solutions de refroidissement refroidies par air, refroidies par eau, adiabatiques et hybrides sont toutes facilement disponibles, chacune offrant des avantages uniques pour votre système. Contactez votre représentant commercial BAC local pour obtenir de l'aide dans le choix de la solution de refroidissement optimale pour votre prochain projet.
Dry Cooling (Air Cooled)
Air cooled systems use dry cooling. Air passes over a finned heat exchanger containing the process fluid. Heat is sensibly transferred from the process fluid in the heat exchanger to the airstream flowing through the unit. To efficiently cool the process fluid to the desired temperature for the system, the dry bulb temperature must be significantly lower than the fluid temperature. In hot climates and during periods of high ambient temperatures, this technology results in higher process fluid design temperatures and lower overall system efficiencies.
Air cooled units consume a great deal of energy to operate the fans, which must move a large volume of air. Significantly more heat transfer surface area than the other cooling methods is also required, typically resulting in a much larger footprint for dry coolers than systems that utilize either evaporative or adiabatic heat rejection. The higher system design operating temperature results in significantly greater energy consumption for the system.
Advantages of Dry Cooling
- No Water Used: Dry coolers are ideal for projects or regions where water is extremely limited or when water quality is a concern. Additionally, dry coolers are considered when all of the electricity to a site is available with renewable power sources, such as wind or solar.
Evaporative Cooling (Water Cooled)
Water cooled systems typically use evaporative heat rejection to maximize energy efficiency and minimize footprint of an installation. Evaporative cooling efficiently transfers heat from the recirculating water and discharges warm, moist air to the atmosphere by utilizing both the sensible and latent potential of the air. Evaporative heat transfer significantly reduces the required fan power, footprint, and, most importantly, the overall system energy consumption. This energy consumption is significantly less than the total energy usage of similarly sized systems utilizing either air cooled or adiabatic solutions. In cooling towers, fluid coolers, and evaporative condensers, a distribution system passes water over a heat exchanger such as fill media, coil or other heat exchanger. Using the same physics as perspiration, the evaporative process cools the surface of the water as the H2O molecules transition from the liquid to the gas phase. Heat is then transferred to the airstream and ultimately into the atmosphere through the evaporative cooling process.
The evaporative process is dependent on the ability of the entering air to absorb the evaporated water molecules using the enthalpy driving force of the air. The drier and less humid the air, the higher this potential, as indicated by the wet bulb temperature, which is always equal to or less than the dry bulb temperature of the air. The wet bulb temperature is related to the amount of moisture in the air relative to the dry bulb temperature. An evaporative product can lower the process fluid in the heat exchanger to within a few degrees of the wet bulb temperature. Evaporative products have proven to be powerful, energy-efficient cooling solutions in all climates.Evaporative products use the power of water to save significant amounts of energy. To optimize the water used, design considerations evaluating water quality, upgrading the materials of construction of the units and implementing an effective water treatment program.
Advantages of Evaporative Cooling
- Lower process fluid temperatures can be achieved: The amount of evaporation, and hence heat transfer, depends on the wet bulb temperature instead of dry bulb temperature. Especially in the summer this wet bulb temperature is far lower than the equivalent dry bulb temperature. For example, during hot summer days with dry bulb temperatures exceeding 95°F, the wet bulb could be as low as 71.6°F, making it possible to cool the process fluid down to 77°F using evaporative cooling.
- Compact Design: This design results in 50% area savings compared to comparable air-cooled installations. This also makes them easier to install.
- Refrigerant Charge: The highly efficient design consists of a more compact heat exchanger resulting in a low refrigerant charge.
- Considerable Energy Savings: Evaporation removes more heat in comparison to conventional air-cooled methods for heat transfer, while requiring four times less airflow.
Adiabatic Cooling
Adiabatic cooling products also uses evaporation, but as a means of cooling the entering air passing through a finned heat exchanger. In a properly designed and operated system, the finned heat exchanger stays dry, protecting the surfaces from scale and corrosion. The air can be cooled by either spraying water into the airstream or by using wetted pads that provide a surface for water and air to interface. In the first case, the goal is that the water sprayed into the airstream evaporates before reaching the finned coil, avoiding scaling and corrosion on the coil which can negatively impact system efficiency and equipment lifetime. In the second case, a wetted pad is used to cool the entering airstream. The pads are specially designed to retain water on the surface of the pads to ensure that it does not carry over to the finned coil minimizing the potential for scale and corrosion. The water distribution system maximizes pad efficiency by effectively wetting the pad to minimize process fluid temperatures and prevent scale formation.
Advantages of Adiabatic Cooling
- Water Savings: The use of a small amount of water to precool the air entering the heat exchanger lowers the required airflow and fan power compared to air cooled units, while also lowering the fluid temperature back to the system. In the most efficient adiabatic systems, the air is cooled close to the wet-bulb temperature. Such substantial depression of the air temperature results in a significant increase in cooling capacity and energy efficiency compared to dry-only designs. Once the ambient temperature begins to approach freezing, or during times of reduced load, the unit can be switched to operate in a dry-only mode, thus decreasing water usage.
- Multiple Modes of Operation with Controls: Adiabatic product controls are designed to be flexible, intelligent, and customer-friendly, taking full advantage of the dual operating modes. At a customer-selected design point, such as a cooler ambient dry bulb and a lower heat load, the unit can turn off the water and switch to operation in dry mode. Additional control features include a daily maintenance mode, energy saver, or water saver mode.
Hybrid Cooling
Hybrid products use a combination of dry and evaporative cooling technology. Combining the benefits of both, hybrid products can be ideal for water-sensitive applications while still offering high energy efficiency.
Advantages of Hybrid Cooling
- Balances Water and Energy: Hybrid cooling products have the option to operate “wet”, adding the benefits associated with either evaporative or adiabatic heat rejection, as well as operate in a dry mode. Depending on the customer’s water and energy requirements, along with ambient conditions, these products can shift the load to the proper method of heat rejection to optimize the conservation of both water and energy for a specific site.
- Lower process fluid temperatures can be achieved: Since this unit can operate in “wet” mode, this hybrid products can achieve low process fluid temperatures and lower system operating costs.
- Compact Design: Footprint savings compared to comparable dry cooler or adiabatic installations.
BAC, the leader in sustainable cooling solutions, creates cutting-edge heat rejection technology to meet our customers’ needs: air cooled, water cooled, adiabatic, and hybrid cooling solutions are all readily available, each offering unique advantages for your system. Contact your local BAC Sales Representative for assistance in choosing the optimal cooling solution for your next project.