La sélection des gas cooler

Les habitudes sont mauvaises conseillères, il est nécessaire de modifier nos approches.

Le cycle transcritique dépend principalement du bon dimensionnement du gas cooler. Son efficacité en mode subcritique doit aussi être prise en compte, car il intervient dans 80 % du COP saisonnier.,

La sélection des gas cooler est un exercice complexe, qui demande de prendre en compte beaucoup de paramètres. Il est hasardeux de faire des analogies avec le comportement d’un condenseur. Les caractéristiques intrinsèques du CO2 nous obligent à modifier nos repères et réflexes en termes de dimensionnement et intuitions acquises par les cycles subcritiques. La régulation par la gestion des écarts de températures, par rapport à l’air, ainsi que la gestion de la pression consécutive à la température de sortie du gas cooler, nous obligent à de nouvelles considérations.

Spécificité du gas cooler et considérations sur le CO2

Nous avons défini fictivement 20 sections de calculs pour analyser les variables de l’échange du gas cooler. On peut remarquer que le faible LMTD (DT Moyen Logarithmique, courbe noire échelle de gauche) des dernières sections entraîne un très grand pourcentage de la surface d’échange (courbe bleue échelle de droite,section 18-19-20). Le dernier degré de refroidissement du CO2 est très consommateur de surface et intervient fortement dans la taille du gas cooler.

Lorsque l’on observe un diagramme enthalpique du CO2, on peut remarquer la forme caractéristique en ‘’S horizontal’’ des isothermes, au voisinage du point critique. En prenant l’intervalle des isothermes entre 30 °C et 40 °C, qui correspondent à la plage de température de sortie des gas cooler, on s’aperçoit que cette zone est très large, au voisinage du point critique, et diminue progressivement avec l’augmentation de la pression pour ce même écart de 10 °K. l’Histogramme horizontal montre, en bleu, le pourcentage de quantité de chaleur dédié pour les dix derniers degrés, en fonction de la pression.

Cela signifie que le dimensionnement de l’échangeur sera plus grand, aux pressions les plus basses, car la moitié de la puissance à évacuer est réalisée avec de faibles LMTD.

D’autre part, le débit masse du CO2 diminue avec l’augmentation de la pression, donc la puissance à évacuer au gas cooler est plus faible.

Le dimensionnement du gas cooler ou l’art du compromis

Pour illustrer ce propos nous avons pris le cas d’une centrale booster 4CP positif et 3CP négatif avec pression intermédiaire de 40 bars sélectionnée sur logiciel Bitzer avec option rendement optimum pour chaque température de sortie des gas chauds, soit le tableau ci-dessous.

Tableau de la plage de fonctionnement du gas cooler en fonction des températures ambiantes et des pressions optimums correspondantes

+ graphique

Les analyses du comportement du gas cooler sont basées sur le design suivant :

Puissance du gas cooler 237 kW air 32 °C, gas 100 °C->34 °C @ 84 bar, niveau sonore 45dB(A)

Les capacités du gas cooler vont varier durant son fonctionnement, depuis la pression du point critique de 74 bar jusqu’aux pressions de l’ordre de 100 bar pour les températures d’entrées d’air les plus chaudes. Le dimensionnement est en général effectué pour un point de fonctionnement fixe, alors que les températures changent et le comportement du gas cooler aussi. Nous avons précédemment observé que les caractéristiques du CO2 varient au niveau de l’échange, dans des proportions non négligeables, en fonction des pressions et températures.

Pour une augmentation de la pression due à la température de sortie des gas, la variation est la suivante :

Augmentation de la capacité d’échange du gaz cooler et diminution de la puissance de rejet de la centrale. Ce qui se traduit par un gas cooler surdimensionné au-delà du calcul du design et sous dimensionné en deçà. Ce comportement est totalement opposé à nos réflexes.

Variation du LMTD

graphique variation du LMTD

Ce diagramme montre que la capacité d’échange peut varier de 40 % par le seul fait de l’augmentation du LMDT

Paramètres de dimensionnement du gas cooler

Le choix des paramètres du dimensionnement est donc prépondérant et les conséquences surprenantes.

- Sélection avec basse température ambiante 30 ->32 °C (79->84 bar)

Le dimensionnement avec basse température ambiante est le choix le plus sécurisant. Il permet de respecter le niveau sonore demandé et d’obtenir des DT de condensation en subcritique de l’ordre de 8K ; ce qui a pour conséquence le meilleur COP saisonnier. Il sera nécessaire de vérifier les températures de sortie d’air, dans le cas de bas niveaux sonores, aux températures ambiantes élevées.

- Sélection avec basse température ambiante 33 ->35°C (86-> 91 bar)

Ce choix est un compromis acceptable lorsqu’il n’y a pas de nécessité de niveaux sonores bas et que les variations de puissances de la centrale sont importantes, comme dans le cas d’un supermarché avec beaucoup de postes. Cette sélection induit un DT en subcritique de l’ordre 10K acceptable. Il sera nécessaire de dimensionner le gas cooler avec des ventilateurs sélectionnés en milieu de plage de vitesse (600 RPM environ) pour répondre aux besoins d’échanges plus grands entre le point de sélection et le point critique, selon les variations du besoin frigorifique.

- Sélection avec haute température ambiante 36°C et plus (94 > 100bar)

C’est un choix purement économique, car le dimensionnement du gas cooler est plus petit. Les conséquences en subcritique sont un DT de l’ordre de 12K qui a pour conséquence un COP saisonnier déplorable. Une augmentation du niveau sonore pour les températures d’air inférieures au point de sélection. Contrairement à nos habitudes, une sélection avec température élevés n’est pas une sécurité et est donc à déconseiller.

Conséquences en fonctionnement subcritique

Le choix de la température ambiante pour la sélection du gas cooler en transcritique, a une conséquence importante sur le DT en condensation, communément appelé fonctionnement Hiver ou fonctionnement subcritique.

Plus le DT en condensation est faible, plus le temps de fonctionnement en subcritique sera important avec pour conséquence un COP saisonnier élevé.

graphique Dt condenseur

Une sélection en transcritique à ambiance 34 °C et 89 bars de pression optimum à pour conséquence environ 9 K en condensation subcritique

En conclusion, pour effectuer une sélection de gas cooler pertinente, nous avons besoin d’un maximum d’informations, et notamment une copie de la sélection de la centrale avec son débit masse, qui permet de sélectionner avec plus de précision et de pouvoir effectuer des simulations, si nécessaire, notamment pour la compatibilité des ventilateurs avec les températures ambiantes hautes. Il vaut mieux un package de dimensionnement, qu’un package commercial.

La sélection des gas cooler est donc une affaire de spécialistes. Un dialogue ouvert avec les bureaux d’études et les installateurs est obligatoire car un gas cooler incorrectement dimensionné est pratiquement irrécupérable, sur le terrain en exploitation. Par exemple, un fonctionnement nocturne en période estivale avec de l’air à 30 °C fera plus de bruit que le jour à 36 ou 38 °C, ce qui va à l’encontre de nos habitudes.

Les habitudes sont mauvaises conseillères, il est nécessaire de modifier nos approches.

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