Les Gas coolers sont-ils au rendez-vous des performances attendues ?

Pour mémoire, le gas cooler est un échangeur installé sur la ligne de refoulement de la centrale frigorifique pour refroidir le CO2 en mode transcritique et condenser ce gaz en mode fonctionnement subcritique.

Le nombre d’installations utilisant le CO2 (R 744) augmente car ce fluide naturel n’a pas d’impact direct sur l’environnement, mais il est mis en cause quelquefois pour sa réelle performance qui serait source de consommation énergétique élevée et sur la capacité des installations à fonctionner correctement lors de périodes chaudes.

Les installations sont plus complexes mais l’engagement de tous les acteurs permet, par la formation et les solutions technologiques mises en œuvre par les constructeurs, d’améliorer la maintenance et d’accepter des températures ambiante de plus en plus hautes.

Le dimensionnement du gas cooler doit se faire en oubliant le référentiel du delta T utilisé depuis des décennies pour les condenseurs à air.

Une valeur de référence de 2K est devenue un standard de sélection (Écart entre la température de sortie du gaz et la température ambiante) . Cette valeur n’est pas à analyser comme un delta T condenseur. Le gaz qui arrive dans le gas cooler aura une température de 90 à 120 °C et sera refroidi jusqu’à 30 ou 40 °C, soit un refroidissement de 60 à 80 K. Une augmentation de la température de sortie de 0,5k du gas refroidit ne représente qu’un manque de puissance de 1% de la puissance à débit constant.

Veiller à la pression de fonctionnement

La pression de fonctionnement est l’élément majeur à prendre en compte dans la sélection du gas cooler pour la performance de l’installation.

Le programme de certification Eurovent des gas-coolers a défini des conditions de test et des coefficients permettant de recalculer les performances aux conditions d’utilisation.

Les tests Eurovent pour une précision des données sont réalisés avec un écart de 5 k (écart température sortie gaz -température ambiante) afin de diminuer l’effet de la précision des sondes et capteurs.

Pour un gas cooler défini, sa puissance sera donc de 76 kW au point de fonctionnement B2 et de 52 kW au point de fonctionnement C2 en fonctionnement transcritique.

Quelles sont les conditions de sélection pour la performance optimale des installations ?

Le gas cooler est au service de la centrale frigorifique qui produit le débit de gaz à refroidir.

La sélection de celui-ci doit se faire donc en analysant l’évolution des performances de ces deux matériels du circuit frigorifique.

Le schéma ci-dessous permet de présenter l’évolution de la performance des matériels par rapport au référentiel température extérieur et température de sortie gaz du gas cooler.

La sélection de la centrale frigorifique se fait par habitude sous les conditions les plus contraignantes pour le choix des compresseurs. Dans ce cas le point D (soit conditions B2 Eurovent) et le gas cooler peut être sélectionné aussi sous ces conditions.

La baisse de performance du gas cooler en fonction des conditions des fonctionnements est de 40 % entre ces deux points de fonctionnement Eurovent alors que la baisse de la puissance au refoulement de la centrale n’est que de 20 % .

La régulation va permettre de trouver un point d’équilibre mais aux dépens de la performance énergétique de l’installation. Une des conséquences indirecte peut être un niveau de sonore supérieur si les ventilateurs ont une capacité de vitesse supérieure au point de sélection même à faible charge.

Une sélection du gas cooler en considérant la puissance de refoulement au point E mais avec un dimensionnement de la centrale au point D permet d’avoir une performance maintenue entre ces deux points, sans surconsommation et, dans le cas de pointe de chaleur ou d’encrassement de l’échangeur, avoir une capacité d’échange nécessaire de réserve.

Quel effet sur la performance de la centrale en fonctionnement subcritique suivant une sélection au point Eurovent B2 ou point Eurovent C2 ?

La sélection du gas cooler suivant le point de fonctionnement de la centrale au point Eurovent B2 conduit donc à un appareil plus grand, ceci a un effet important sur le fonctionnement subcritique. 

Le gain sur le Dt sera de l’ordre de 40 %.

La haute pression sera donc diminuée de plusieurs °C.

Le temps de fonctionnement en régime subcritique sera beaucoup plus long

Pour ces conditions de fonctionnement, il est aussi important de contrôler l’adéquation des diamètres de tuyauterie liquide, car la vitesse peut être au-dessus de valeur admissible, entraînant ainsi une perte de charge additionnelle néfaste à la performance. Il faut donc choisir des gas cooler au diamètre de connexion entrée et sortie identique.

Nous avons présenté l’approche de sélection optimale d’un gas cooler. Les différents acteurs dont les bureaux d’études ont intégré cette problématique en faisant le choix d’une température intermédiaire entre ces deux points C2 et B2 pour une sélection des matériels sur un référentiel commun. La pression optimale de fonctionnement des compresseurs doit être privilégiée en relation avec cette température pour la sélection par rapport à la pression de la de la régulation. 

Les paramètres de régulation choisis avec le CO2 ont aussi une grande d’importance .

La température extérieure est une valeur de référence qui va avoir un impact sur l’ensemble du fonctionnement, alors que dans les installations habituellement, c’était uniquement la capacité d’échange qui donnait les conditions de fonctionnement.

Le gas cooler refroidira la quantité de gaz souhaité mais un taux important de gaz dans les compresseurs parallèles ou la vanne flash-gaz va limiter la capacité de l’installation à produire du froid si les paramètres de fonctionnement ne sont pas choisis de manière optimale.

Option adiabatique ou pas ?

Le refroidissement de l’air avant utilisation pour refroidir le R 744 parait séduisant.

Un système adiabatique ne pourra être un élément de la régulation, compte tenu de son inertie en opposition à la réactivité très rapide du R 744.

Il sera un des moyens pour sécuriser l’installation au moment des pics de chaleur, mais l’idée de maintenir le cycle en mode de fonctionnement subcritique doit être analysé avec le coût des consommations d’eau et le fait que le gain sur température ambiante avec un système adiabatique n’est intéressant qu’au-delà de 30 °C.

Les gas cooler sont au rendez-vous des performances s’ils ont une certification des puissances. Ils restent des composants dépendant de leur lieu d’installation, des paramètres de sélection et des conditions de fonctionnement choisi.

Se reporter à une publication précédente de Jean-Michel Degoulet sur : « La sélection d’un gas cooler est primordiale dans l’équilibre du cycle transcritique et de son efficacité énergétique. »

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