Comprendre les solutions de refroidissement par fluide refroidi par air, refroidi par eau, adiabatique et hybride

Comprendre les solutions de refroidissement par fluide refroidi par air, refroidi par eau, adiabatique et hybride

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Cooling Systems

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.

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