Les types de refroidisseurs d’eau de procédé industriel – « chillers »

Vous devez faire l’achat d’un refroidisseur de liquide (« chillers ») pour votre entreprise, mais ne savez pas par où commencer?

Il n’y a pas si longtemps, de nombreuses entreprises utilisaient l’eau domestique pour refroidir leur machinerie. Cette pratique est désormais interdite dans plusieurs municipalités comme elle ne correspond pas aux meilleures pratiques environnementales.

Refroidisseur d’eau de procédé portatif

Si vous n’avez qu’un, deux ou trois appareils de production pour lesquels vous devez fournir de l’eau refroidie, vous serez probablement tenté de vous diriger vers les appareils de type portatif.

Ce sont des appareils qui vous permettront d’atteindre vos objectifs, au coût le plus bas possible. Le plus gros inconvénient auquel vous devrez faire face se situera probablement au niveau de la chaleur dégagée dans la pièce.

Rien ne se perd, rien ne se crée! La chaleur retirée de vos appareils de production par votre refroidisseur combinée à l’énergie électrique requise pour faire fonctionner ce dernier seront rejetées directement dans l’environnement de travail. Éventuellement, ceci pourrait vous amener un autre problème, soit un surplus de chaleur dans l’air ambiant. Situation qui pourrait survenir surtout en été mais aussi dans les espaces moins bien ventilés.

Refroidisseur d’eau de procédé refroidie à l’air

Le grand frère du refroidisseur portatif est immobile et couplé à un réseau de distribution d’eau refroidie desservant quelques appareils de production. Pour contrer le problème de surplus de chaleur, ces appareils sont souvent installés à proximité d’un mur extérieur et équipé de gros conduits de ventilation permettant au moyen d’un jeu de volets de rejeter l’air chaud dans l’usine en hiver, ou à l’extérieur en été.

Attention, qui dit sortie d’air vers l’extérieur dit aussi compensation d’air en provenance de l’extérieur. Les versions plus évoluées de ce type de système seront munies d’un système d’automatisation permettant l’opération des volets de façon automatique!

Lorsqu’on compare différents types de refroidisseurs d’eau (« chillers »), on considérera leur consommation énergétique (kW/tonne). Les refroidisseurs de liquide dont il a été question jusqu’à présent font partie de la catégorie autonome (« package unit ») refroidi à l’air. Le fait que le coût initial d’installation de ce type d’équipement est faible, comparativement à d’autres types d’appareils, compensera parfois son coût d’opération qui est plutôt élevé (±1,3kw/tonne). Généralement, on limite ce type d’installation à des puissances de 20 ou 25 tonnes maximum.

Il existe une autre variété de refroidisseurs autonome « package unit » qui s’installent entièrement à l’extérieur. Nous ne nous éterniserons pas sur le sujet puisque ce n’est pas un produit que nous recommandons pour les climats nordiques. Bien qu’il soit peu dispendieux à l’achat, les conditions hivernales font apparaître les bris à court ou moyen terme et lui donne une espérance de vie de 10 à 15 ans dans les meilleures conditions. Évidemment, au Canada, on s’assurera de ne pas avoir d’eau qui se rend à l’extérieur. Ce système doit être jumelé avec une boucle de glycol, pompes, échangeur de chaleur, etc.

Refroidisseurs d’eau de procédé bibloc « split »

Le cousin de ce type de système est fabriqué en 2 sections reliées ensemble au moyen de tubulure de cuivre par un frigoriste (tuyauterie de réfrigérant). Une des sections est installée à l’extérieur de l’usine (rejet de chaleur – condenseur), l’autre à l’intérieur (production d’eau refroidie). Avec ce type de système (bibloc ou « split »), il n’y a plus de problème de rejet (surplus) de chaleur à l’intérieur de l’usine en période chaude. Vous comprendrez toutefois qu’il n’y a pas possibilité de récupérer facilement de chaleur l’hiver pour chauffer l’usine. Aussi, certains dispositifs additionnels seront nécessaires pour permettre le fonctionnement du refroidisseur aussi bien lorsqu’il fera -20°C que 30°C à l’extérieur. Comme vous le savez, nos hivers sont difficiles pour les voitures ainsi que pour les équipements et dispositifs de refroidissement installés à l’extérieur.

Le coût d’installation de ce type de système est légèrement supérieur au système refroidi à l’air et son coût de fonctionnement (kW/tonne) est semblable. Généralement, on limite ce type d’installation à des puissances de ±100 tonnes bien qu’il soit possible de le retrouver dans des puissances plus élevées.

Refroidisseur d’eau de procédé refroidie au glycol

Physiquement, le refroidisseur « split » dont il est question ci-dessus ressemble à un autre type de refroidisseur qui est aussi installé en 2 parties (une à l’intérieur, l’autre à l’extérieur). Il s’agit d’un refroidisseur d’eau autonome « package unit », refroidi au glycol. Le glycol (mélange eau-glycol) est ce qui circule dans la tuyauterie entre la section intérieure du refroidisseur (côté condenseur) et la section extérieure du système « fluid cooler ».

Les refroidisseurs d’eau de procédé refroidie au glycol requièrent un réseau de tuyauterie, des pompes, du glycol, un réservoir d’expansion, un dispositif de remplissage de glycol, des purgeurs d’air, etc. Ils ont l’avantage de pouvoir être jumelés à un réseau de récupération de chaleur comme par exemple le préchauffage de l’air de centrales de compensation d’air (incluant : serpentin(s) de préchauffage, valves motorisées, système d’automatisation…) souvent requis dans les usines. Des subventions sont disponibles et permettent de ramener le retour sur investissement à un niveau intéressant. Surtout si votre nombre d’heures d’opération et vos besoins de refroidissement sont élevés et constants.

Dans le jargon du métier, les refroidisseurs de glycol, situé à l’extérieur des usines, se nomment des « fluid coolers » ou « dry coolers ». La version conventionnelle de ces appareils se compose de serpentin(s) de cuivre (avec ailettes d’aluminium) et de plusieurs ventilateurs. L’échange de chaleur se fait avec l’air ambiant extérieur. Vous comprendrez que le glycol qui entre dans un « fluid cooler » et qui se fait refroidir par l’air extérieur ne peut pas en sortir à une température inférieure à l’air extérieur. Par exemple, s’il fait 30°C à l’extérieur, le glycol pourrait atteindre une température avoisinant 35°C ou même plus chaude.

Lorsqu’on sélectionne un refroidisseur d’eau de procédé (refroidie au glycol), on doit tenir compte de la température du liquide du côté froid (eau de procédé – côté évaporateur), mais aussi du côté chaud (glycol – côté condenseur) dans les conditions extrêmes d’été. Tous les refroidisseurs ne sont pas faits pour supporter un liquide trop chaud du côté condenseur. Sachez que s’ils peuvent continuer d’opérer, on en percevra l’effet sur la réduction de leur capacité à refroidir l’eau de procédé.

L’endroit où sera installé le « fluid cooler » est important. S’il est installé au toit, la chaleur du soleil frappant la membrane (souvent foncée) augmentera la température de l’air ambiant et réduira du même coût la capacité de refroidissement du « fluid cooler »! Un « fluid cooler » installé à proximité du sol et positionné au nord (à l’ombre d’une usine par exemple) sera beaucoup plus efficace.

Le coût d’installation de ce type de système est élevé en comparaison avec les systèmes précédents et son coût de fonctionnement (kW/tonne) est comparable. Toutefois, il peut être utilisé avec des refroidisseurs d’eau de procédé (« chillers ») plus puissants, fiables, flexibles et durables comme certaines gammes de refroidisseurs à vis ou autres.

Ce type de système peut être installé avec des refroidisseurs d’eau de procédé/« chillers » très puissants. Cependant les coûts d’installation et d’opération augmentent de façon importante avec la puissance du système « chiller » requis. Plusieurs « fluid coolers » peuvent être requis alors qu’une seule tour d’eau peut faire le travail plus efficacement et être moins onéreuse à installer.

Au Canada, il est plus rare de voir des systèmes de refroidisseurs d’eau de procédé refroidis au glycol d’une capacité supérieure à ±150-200 tonnes. Les concepteurs de systèmes choisiront généralement l’utilisation d’une tour d’eau.

Sachez toutefois qu’avec l’installation d’une tour de refroidissement d’eau (à la place d’un ou de plusieurs « fluid coolers » au glycol) viennent: une surveillance plus serrée, les frais de produits de traitement chimique, des frais d’entretien, la déclaration annuelle à l’instance réglementaire, un manuel d’entretien mécanique et un autre chimique…

Refroidisseurs d’eau de procédé et tours d’eau

Au Canada, à partir de ±200 tonnes de capacité de refroidissement, la plupart des concepteurs opteront pour un système de refroidisseur d’eau de procédé (« chiller ») autonome « package », refroidi au moyen d’une tour d’eau. Avec ce système, c’est de l’eau qui circule du côté froid (évaporateur – vers le procédé) et c’est de l’eau qui circule du côté chaud (condenseur vers la tour d’eau).  Il est donc important de concevoir le système de façon à ce que l’eau ne puisse geler (dans la tuyauterie et dans l’équipement).

Sans aller trop loin sur le sujet, il existe plusieurs marques de tours d’eau sur le marché. Toutes ne réagissent pas aussi bien au climat nordique. Certaines sont davantage conçues pour être utilisées dans les pays chauds. L’hiver, de la glace se forme souvent dans certains modèles de tour d’eau qui ne sont pas adaptés aux conditions nordiques. La température d’eau envoyée à la tour joue évidemment un rôle important pour éviter la formation de glace.

De par leur conception, les tours d’eau « Marley/SPX » interagissent bien en période hivernale. Avec ces tours, le gel n’est généralement pas un enjeu. En de rares occasions et pour éviter cette problématique potentielle, une séquence de dégivrage est programmée dans le système de contrôle.

Refroidisseur centrifuge magnétique - chillerLes tours d’eau sont plus efficaces que les « fluid coolers » pour refroidir un liquide. Nous avons précisé plus haut que le liquide envoyé à un « fluid cooler » conventionnel reviendrait plus chaud que la température de l’air extérieur. Avec une tour d’eau, l’eau revient plus froide de ±5°C minimum. Cela fait toute la différence et permet d’utiliser une vaste gamme de refroidisseurs d’eau de procédé (« chillers »).

Plus la puissance de refroidissement d’eau de procédé est élevée, plus la consommation énergétique (kW/tonne) devient un enjeu important. Jumelé à une tour d’eau, un refroidisseur d’eau de procédé à vis modulant (ou par étape) offrira un rendement intéressant de 0,5 à 0,8kW/tonne. D’autres refroidisseurs de liquide comme les refroidisseurs centrifuges magnétiques offriront un rendement remarquable qui se situera entre 0,2 et 0,6kW/tonne! Sans parler du fait que les frais d’entretien d’un refroidisseur magnétique sont bas et que sa durabilité est élevée!

Encore une fois, des subventions sont disponibles et permettent de ramener le retour sur investissement à un niveau des plus intéressant. Surtout si votre nombre d’heures d’opération et vos besoins de refroidissement sont élevés et constants.

« Free cooling »

Qu’il soit équipé d’un refroidisseur à vis ou d’un refroidisseur magnétique, il est possible de concevoir (ou modifier) votre système de façon à profiter du « free cooling ». Le « free cooling » consiste à profiter des températures fraîches extérieures pour arrêter le refroidisseur et n’utiliser que la tour d’eau pour combler en entier les besoins de refroidissement. Bien entendu, il est possible de rentabiliser ce type d’installation et de profiter des généreuses subventions disponibles.

Évaluation des besoins

Vous voulez trouvez le refroidisseur de procédé adapté à votre situation? N’hésitez surtout pas à nous contacter pour une rencontre sans frais et sans engagement de votre part. Il nous fera plaisir de vous offrir différents comparatifs (incluant une évaluation des subventions disponibles) qui vous permettront de définir le produit dont vous avez réellement besoin et selon votre budget. Chaque manufacturier d’équipements a ses forces et ses faiblesses. Nous ne sommes attachés à aucun d’entre eux. Nous vous offrirons simplement ce dont vous aurez besoin, sans intermédiaire!